基于寬帶衛星互聯網的Ka 頻段動中通系統在高鐵上的應用

趙建邦

(中車青島四方車輛研究所有限公司,山東 青島 266000)

0 引言

隨著信息技術的發展,空天技術的成本不斷下降。空天技術的低成本主要體現在3 個方面:第一是進入太空的成本降低,比如火箭實現可回收;第二由于智能制造、材料器件、工藝更新等使得衛星整星成本降低;第三是地面系統成本的降低,隨著空天技術研究者們的不懈努力,衛星通信迎來了新一輪蓬勃發展的時期。國際上以Ka 為代表的高通量衛星應用已進入公眾服務市場,全球各大通信運營商均已建設或正在計劃開展Ka 寬帶衛星通信服務。 為滿足“寬帶中國”“一帶一路”等國家戰略或倡議需求,我國各行各業針對Ka 寬帶衛星通信系統及應用的研制工作也在如火如荼地開展。 本文對基于寬帶衛星互聯網的Ka 頻段動中通系統在高鐵上的應用進行探討研究,具有重要意義。

1 基于寬帶衛星互聯網的Ka 頻段動中通系統現狀

1.1 高系統容量和承載能力

Ka 波段是電磁頻譜微波波段的一部分,頻率范圍為26.5～40 GHz,可用帶寬可達3.5 GHz,遠遠大于Ku 頻段的1 GHz。 隨著多點波束復用技術的發展,點波束的覆蓋范圍可以更窄,點波束數量可以更多,頻率及極化復用的程度可以更高,這使得Ka 衛星通信系統容量得以數量級提升。 例如Viasat-3 系統容量可達到1 Tbps。 Ka 衛星通信網絡與傳統Ku 通信衛星相比,Ka 衛星通信網絡具有容量大、傳輸速率快、支持業務廣泛、成本低等優勢[1]。

1.2 “衛星無感知”IP 應用體驗

衛星通信系統的IP 化雖有利于實現系統間的互聯互通,但造成系統傳輸性能下降,使用戶有傳輸延遲的明顯感知。 因此,在衛星通信系統的信關站和終端之間采用TCP 加速、HTTP 加速、IP 壓縮等優化技術,通過協議欺騙、速率控制、差錯控制、預提取、有損圖像壓縮、IP 數據包報頭壓縮等措施,提高衛星通信帶寬利用率,改善傳輸性能,給用戶提供了“衛星無感知”的IP應用體驗[2]。

1.3 高保障網絡可用度

Ka 寬帶衛星通信系統容量雖然得到數量級提升,但由于其工作于17.7～31 GHz 范圍,降雨引起的鏈路傳輸損耗比Ku 大得多。 在多雨地區,雨衰可能增加20 dB 以上。 Ka 寬帶衛星通信系統綜合應用自適應編碼調制、自適應載波速率調整、自適應功率控制等自適應抗雨衰技術可使網絡可用度達到99.5%以上。

1.4 高性能Ka 頻段“動中通”系統

該系統為Ka 超低剖面動中通衛星通信系統,主要實現在高速運動中穩定跟蹤衛星,進行高通量通信這一任務。 根據Ka 頻段“動中通”系統的特點及需求,采用天地一體化設計技術,高通量衛星采用四色復用的點波束覆蓋通信區域,開展天地一體化優化設計,通過理論分析與仿真建模,模擬優化站間協同通信,提高組網的靈活性、效率性與經濟性。

采用自動點波束切換技術,根據高通量衛星的點波束覆蓋區域坐標信息,綜合移動終端的GPS 和慣導信息,控制精確伺服跟蹤系統,對點波束進行切換,實現高通量衛星點波束覆蓋區域之間的自動無縫鏈接。

采用新體制的高效率超低輪廓機械相控陣天線衛星終端,天線收發分開,收發天線通過一維的旋轉運動即可實現波束的二維掃描,天線的功能件和結構件一體化設計,無二維傳動裝置,結構緊湊。 該體制天線的剖面高度可以降低到11 cm 以下。 極低的剖面高度能夠使天線與載體良好共形。 新體制的衛星通信終端的平臺適應能力更強。

超低剖面Ka 動中通系統原理框如圖1 所示,各部分主要功能如下。

圖1 超低剖面Ka 動中通系統原理

(1)天線單元:實現衛星上行通信信號的發射和衛星轉發器下行信號的接收,同時,天線單元具有自動旋轉的能力,可以通過自身旋轉改變波束的指向。

(2)伺服控制單元:處理天線極化和姿態信息,執行衛星捕獲與跟蹤算法。

(3)電機組:提供一維的旋轉動力,驅動天線單元。

(4)LNB:將衛星轉發器Ka 波段的下行信號降至L波段的中頻信號。

(5)BUC:將Modem 輸出的中頻信號頻譜增至Ka波段上行信號并放大。

(6)ACU:監控天線運行狀態及與連接外部功能模塊。

(7)Modem:接收端將中頻信號解調轉換成數字信號,發射端將數字信號調制轉換成中頻信號。

Ka 超低剖面動中通衛星通信系統可滿足高鐵列車在靜止或高速(400 km/h)運動過程中實時通信能力。 該系統能夠自動采集高鐵列車所在位置的經度、緯度和行進方向,顯示列車頂部天線的方位角、俯仰角。 該系統根據預置衛星參數,進行一鍵式自動尋星、對星。 該系統的伺服控制分系統在高鐵列車的行進過程,采用慣導測量/信標跟蹤的方式,精準測量車頂天線的位置和姿態信息,為系統的尋星、鎖定及精準跟蹤提供可靠的數據支撐,保證天線能夠實時跟蹤目標衛星以及當天線駛出遮擋區域后,天線能夠快速捕捉并鎖定目標衛星。 該系統可以滿足高鐵列車在運動過程中實時跟蹤目標衛星,結合車內5G 微基站為列車內提供寬帶互聯網,通過寬帶衛星鏈路實現不間斷的話音、數據、圖像和視頻等多媒體業務傳輸,滿足高鐵列車在靜止和移動條件下的通信需求。

Ka 超低剖面動中通衛星通信系統所采用的輕薄型衛星“動中通”天線。 該天線采用國際最先進的可變傾角連續橫向節(VICTS)技術,具有整體剖面低、氣動性好、便于與高鐵列車共形等特點,可在高速移動的高鐵列車上實時、穩定地建立可靠的衛星通信鏈路,保證高速率信息不間斷傳輸。

對于該天線的接收鏈路,天線伺服系統通過當地經緯度解算中星16 號衛星波束指向角和對應的極化旋向,對接收旋轉相控陣天線進行相應的調整以接收中星16 號下行信號。 接收信號傳輸到LNB 后,經過放大和下變頻到中頻信號,調制解調器將中頻信號解調成有用的數字信號。

對于該天線發射鏈路,由天線伺服系統得到的衛星信號信息,并調整發射旋轉相控陣天線,使得發射天線波束指向和極化旋向滿足衛星通信需求。 調制解調器將有用的數字信號調制到中頻上,通過BUC 實現信號的上變頻和放大,成為Ka 頻段的發射信號,該信號通過發射旋轉相控陣天線向衛星輻射傳輸。

2 基于寬帶衛星互聯網的ka 頻段動中通系統在高鐵上的應用服務

2.1 寬帶通信服務

我國幅員遼闊、地貌特征復雜,高鐵網遍布全國,要實現遍布全國的地面光纖網絡建設,存在建設成本投入高、維護資源投入多以及獲取綜合效益較低等現實問題。然而,高鐵列車中人員較密集,且乘坐高鐵列車的商旅人士居多,若在乘坐期間不能獲得穩定的互聯網接入保障,將使得乘客出行體驗變差,從而造成客源流失。 同時,隨著滿足智能鐵路全面感知、泛在互聯的需求的不斷提高,傳統的移動通信網絡面臨巨大挑戰。

2017 年4 月12 日,我國首顆高通量通信衛星——中星16 號衛星的成功發射標志著我國進入Ka 頻段高通量衛星通信時代。 中星16 號的下載和回傳速率最高可達150 Mbps 和12 Mbps。

中星16 號衛星有26 個用戶點波束,能夠覆蓋我國中部、中西部、東部、南部、拉薩地區及中國近海百千米以上的地區。

中星16 號衛星地面業務運營系統建有3 個信關站(包含基帶和射頻系統)和1 個運營中心(包含數據中心、網管和BOSS 系統),運營中心部署在北京,3 個信關站分別部署在懷來、成都、喀什[3]。 它們之間通過光纖鏈路實現互聯互通,運營中心與運營商的地面網互聯。 這3 個信關站和運營中心分別支持30 萬終端接入,并可擴展至百萬量級。

基于寬帶衛星互聯網的Ka 頻段動中通系統如圖2所示。 該系統以其高系統容量和承載能力的優勢,確保為加裝該系統的高鐵上的設備、乘客等提供移動寬帶接入及數據、圖像、視頻直播傳輸服務,從而滿足更多的社會發展需求,具備非常積極的現實意義和發展意義。

圖2 基于寬帶衛星互聯網的Ka 頻段動中通系統

2.2 國際市場互聯網接入服務

隨著中國“一帶一路”倡議的深入推進與高端裝備全面走向世界,中國高鐵作為海外交通運輸基礎設施建設的“排頭兵”,已經成為獨具特色的國家新名片,其“走出去”步伐持續加快[4]。 隨著高鐵項目國際合作的不斷深入,中國高鐵出口高端化、全球化、快速化趨勢日益明顯。 隨著國際上以Ka 為代表的高通量衛星技術的不斷發展,加裝寬帶衛星互聯網的Ka 頻段動中通系統的高鐵列車將能為地面網絡基礎設施建設尚不完善的國家和地區的國際乘客提供更好的互聯網接入體驗。

2.3 運營及維護應用業務

我國是自然災害頻發的國家,鐵路沿線環境比較復雜,自然災害極大威脅到高鐵的運輸安全。 隨著中國高鐵建設的不斷發展,運行車速的一再提升,這些因素的危害愈加明顯。 數據表明,我國高鐵平均每年因風、雨、雪、異物造成運輸中斷高達100 余次[5]。 在遇到突發性、嚴重的自然災害,其他所有通信手段都失效時,寬帶衛星互聯網的Ka 頻段動中通系統能在車地間傳送、提供數據通信承載業務。 工作人員可通過寬帶衛星互聯網的Ka 頻段動中通系統實時建立的衛星通信鏈路,將突發事件現場情況第一時間傳送給指揮中心的相關領導,便于領導指揮決策,最終實現有效調度、協同指揮。

3 結語

基于寬帶衛星互聯網的Ka 頻段動中通系統既能在人員、設備密集的高鐵車廂內提供穩定的寬帶接入服務,也能在地面通信網絡未覆蓋或遭到不可抗力破壞短時間內難以修復的應急場景下實時傳輸通信數據,助力列車運營及維護應用業務,保障應急條件下的行車安全。 基于寬帶衛星互聯網的Ka 頻段動中通系統是我國智能高鐵發展的助推劑,也有效支撐了我國出口高鐵高端化的目標。