一種輕小型高通量機載衛星通信系統設計

張令軍，李辰飛

天津訊聯科技有限公司

我國高通量通信衛星已成功發射。為滿足無人機整機重量輕的需求，本文設計一種輕小型高通量機載衛星通信系統。該系統嚴格按照國家軍用標準進行正向設計和研制，結構緊湊、重量輕、伺服性能良好，可實時傳輸已打包的無人機多源傳感器數據。無人機安裝該系統后，在高動態飛行中能與衛星保持連續的高通量通信。

隨著無人機技術不斷取得突破，無人機性能有了顯著提升，機載任務載荷類型及數量不斷增加，無人機機載端傳輸的數據量不斷增大。Ku波段機載衛通設備的數據傳輸速率為2 ～4Mb/s，已經不能滿足高清攝像機、合成孔徑雷達（SAR）等任務載荷數據的實時傳輸需求。隨著“亞太”6D高通量衛星的發射成功，基于高通量衛星的機載衛通系統應運而生，這種系統是未來衛星通信移動終端發展的技術方向。

系統功能與組成

本文設計一種高通量輕小型機載衛通系統，該系統能夠根據自身安裝的慣導系統及全球定位系統（GPS）提供的初始數據，控制天線指向衛星，陀螺增穩平臺能確保天線始終指向目標衛星，同時在無人機飛行過程中，隔離無人機的擾動。該型機載衛通系統主要功能如下所述。

一是接收地面衛通終端傳輸的無人機控制信息，實現上行信息（遙控信息）傳輸。

二是將打包的任務載荷數據和無人機飛行狀態信息回傳地面衛通終端，實現下行信息（遙測信息）傳輸。

三是具有上電自檢及掉電保護功能，掉電后能夠保存衛通伺服系統的參數，重新上電后按照原參數工作。

四是具備初始自動對準和失鎖后再對準功能。

五是具備極化自動跟蹤功能。

本系統由天饋單元、伺服單元和穩定跟蹤單元三部分組成。天饋單元包括天線與饋源、功率放大器（BUC）、低噪聲放大器（LNB）；伺服單元包括方位電機與傳動機構、俯仰電機與傳動機構、極化電機與傳動機構；穩定跟蹤單元包括主控模塊、信標接收機、滑環、旋轉關節、基于GPS/北斗衛星導航系統的定位模塊以及微型慣性導航模塊等設備。

系統特點

1.尺寸小、重量輕、功耗低

該產品適用于無人機，選用最優性能的小尺寸天饋系統。結構件由鋁合金制造而成。軸承選用低慣量、低摩擦因子的輕型軸承。齒輪采用輪輻式鏤空結構設計，減輕了系統重量。特殊零件由碳纖維復合材料制成。電機是直流無刷力矩電機，具有尺寸小、重量輕、功耗低等優點。驅動器尺寸小、功耗低，集成在主控板上。電源模塊內部的功率變換器全部實現模塊化，具有尺寸小、重量輕、效率高、可靠性高等特點。

2.集成多源傳感器數據融合與處理技術

多源傳感器數據融合處理技術是指一種可將多種傳感器獲取的信息進行融合和優化處理，最終實現信息優化并提高數據精度的技術。本系統集成了高精度增量式編碼器、信標接收機、微型慣性導航模塊、基于GPS/北斗衛星導航系統的定位模塊等設備，系統的獨立工作和閉環跟蹤不依賴無人機機載全球定位系統和機載慣導系統的數據。

3.擁有多種跟蹤方式

本系統的工作特點是，全天候、全區域、任意環境下必須準確地對準目標衛星，才能保證衛星通信鏈路有效地傳輸信息。因此，本系統須要具有多種跟蹤方式。目前常用的跟蹤方式包括程序跟蹤、信標跟蹤、單脈沖跟蹤。程序跟蹤是在沒有衛星信號或者信號不穩的情況下，系統根據目標衛星的位置信息對衛星進行跟蹤。信標跟蹤是在目標衛星附近有多顆衛星的情況下，系統使用的跟蹤方式，以防止鎖定鄰近衛星。單脈沖跟蹤是系統在跟蹤沒有信標信號的衛星時所使用的跟蹤方式。

系統硬件設計

本系統以嵌入式系統（ARM）為核心，選取STM32F407微處理器作為主控芯片；驅動機構包括基于ARM的直流伺服電機；高精度增量式編碼器作為位置和速度反饋元件，實現電機的閉環控制。同時，本系統利用微型慣性導航模塊構建增穩平臺，結合全球定位系統和信標接收機輸出的數據，完成機載衛通天線的初始尋星和穩定跟蹤。

空間姿態解算

機載衛星通信系統正常工作的前提是，天線始終準確地指向目標衛星，保證信號在有效波束范圍內。軟件的核心算法應完成兩部分工作，首先數字引導將天線引導到目標衛星波束范圍內；其次，根據信標機輸出的自動增益控制（AGC）值，系統利用軟件算法，完成機載天線的動態對星跟蹤。該系統采用基于GPS/北斗衛星導航系統的高精度定位模塊，根據衛星的位置信息和天線的經緯度信息，得到衛星和天線的經度差值Ф，天線的緯度θ。經空間姿態解算，本文得到天線的方位指向角度A、俯仰指向角度E、極化指向角度P，計算公式如下。

（1）（2）（3）式可計算機載高通量衛通天線在地理坐標系中的指向角度。此坐標系下的指向角度不能直接給控制器，須要由坐標變換解算出載體坐標系下的指向角度，坐標變換矩陣如下所述。

指向角度通過上述坐標轉換，得到載體坐標系下的方位指向角度、俯仰指向角度和極化指向角度。控制單元根據指向角度值，控制執行機構進行三個軸向位置的轉動，使天線對準目標衛星。

伺服控制系統包括初始化、對星、鎖定、待機、停止5種工作狀態。系統上電后，伺服控制系統的軟件將自動運行，當初始化成功且慣導模塊進入導航解算后，機載衛通天線開始尋星，鎖定衛星后進入自動穩定跟蹤狀態，同時從外部接口接受各種指令、數據，并對指令和數據進行相應的處理。

實測數據

為充分驗證工程樣機的性能，本文對工程樣機進行搖擺臺性能測試及環境適應性試驗。6自由度搖擺臺使用模擬機載環境，設置參數為振幅8°、周期3s，目標衛星選取“中星”10、“中星”12、“亞洲”9、“亞太”6D衛星。搖擺臺試驗測試了初始對星時間以及失鎖后重新捕獲目標衛星的時間，表1為實測數據。

表1 基于不同目標衛星，衛通系統的初始對星時間及穩定精度。

本文設計的高通量輕小型機載衛通系統特別適用于整機重量要求輕、機艙內安裝空間小的無人機。實測結果表明，該系統跟蹤性能穩定可靠，指標優越，環境適應性、耐高低溫性能、抗沖擊性能到達國家軍用標準，實際測試的數據傳輸速率可達8 ～10Mb/s，語音和視頻實時傳輸效果良好，為后續產品量產奠定了基礎。

圖1 伺服控制系統軟件的工作流程。