一種適應多衛星的多模動中通終端設計

作者簡介：常斗興（1979— ），男，高級工程師，本科；研究方向：應急管理。

摘要：衛星移動通信系統具有覆蓋范圍廣、可靠性高等優點，且處于不同軌道高度及工作頻段的衛星具有各自的獨特優勢。為保障用戶即用即通需求，文章設計了一種適用于多種衛星的終端，能夠滿足不同頻段、不同軌道的衛星通信系統需求。終端由雙模動中通天線和主機構成，能夠根據衛星信號自動切換或手動切換衛星，以保障衛星通信連續性。文章采用模塊化思想，獨立設計了主機2個頻段的通信單元。該設計具有較強的可靠性和可擴展性。跑車試驗驗證了終端的易用性和可靠性。

關鍵詞：衛星移動通信；多模終端；模塊化設計；即時通信

中圖分類號：TP29" 文獻標志碼：A

0" 引言

衛星移動通信系統按照衛星高度分為高軌、中軌和低軌衛星系統，不同高度軌道衛星具有不同優劣，包括業務能力、對星時間、傳輸時延等，可根據不同的應用場合進行選擇［1-4］。

在某些應用場景下，衛星通信設備必須保證隨時隨地進行可靠通信。鑒于此，本文設計了一種多模衛星通信終端，包括天線和主機，能夠根據業務需求和衛星信號情況自動選擇和接入不同的衛星移動通信系統，支持用戶業務。通過分析不同頻段衛星能力，考慮天線和設備的技術要求、研發難度和周期成本等，本文選擇了已經運營的S頻段天通衛星系統和L頻段的其他衛星系統。兩者結合能夠做到衛星系統互補、優劣結合，支持話音、數據、視頻等業務，可在應急情況下作為通信保障手段之一。

1" 多模終端整體設計

多模終端主要由衛星天線和主機構成［5］。其中，衛星天線為相控陣天線，支持L、S頻段2種模式；主機包括S頻段通信單元和L頻段通信單元，分別完成2種模式的衛星業務。多模終端為單待單通模式，在某一時刻只能有一種衛星模式進行業務通信。具體如圖1所示。

主機中S和L頻段單元通過以太網方式與匯聚交換機相連，然后接入用戶業務系統。2種模式的控制和狀態信息通過串口連接到監管設備，實現狀態顯示，并可下發控制指令，進行參數配置等，任何一種模式上電運行后，均能在監管設備中進行狀態監測，用戶可根據不同衛星模式的狀態和業務類型手動選擇使用模式，也可由監管設備自動控制切換。S和L單元通過射頻TNC口與天線連接，實現對天線的業務和控制交互。

2" 天線設計

2.1" 天線架構設計

相控陣采用二維有源相掃體制，工作頻段覆蓋收發頻段，可實現收發共用。相控陣天線系統主要由天線陣列分系統、射頻組件分系統、天線陣面及結構件分系統、供電及波控設備等組成。從簡化系統結構、減小網絡復雜性以及適應安裝的角度出發，天線陣面采用低剖面技術，劃分為多個功能相對獨立的層，功能獨立又相互連接［6］。

車載L頻段和S頻段相控陣天線系統主要由天線陣列、TR組件、北斗導航天線、北斗接收機、電源模塊、信號分路器、收發饋電網絡、監控通信、衛星信號接收、慣導模塊、天線控制單元以及天線結構件組成［7-8］，如圖2所示。

2.2" 天線單元設計

2.2.1" 天線單元輻射形式選擇

相控陣天線的輻射單元主要形式有喇叭天線和微帶天線等。喇叭天線的優點是輻射性能和極化性能較好，缺點是重量重、體積大。微帶天線重量輕、剖面低、結構簡單便于加工，與射頻模塊連接方便，選用微帶天線可以實現系統的小型化和減輕重量，而且也有利于降低成本。因此，選用微帶天線作為單元天線是合理可行的方案。

2.2.2" 天線單元輻射單元數量選擇

根據產品指標，盡可能在有限的空間布局盡量多的陣元，有利于天線G/T、EIRP、波束覆蓋范圍等指標的提高，同時可以降低功耗。根據設備現有的尺寸結合天線單元大小，本文對比分析了多種陣列數量及需要的功放大小，最終確定S頻段采用16陣元的陣列形式和L頻段采用12陣元的陣列形式比較適合本項目的指標需求。

2.3" 一體化模塊設計

一體化功能模塊能夠根據輸入的衛星數據，自動對準并跟蹤衛星；提供L/S頻段的全雙工射頻收發和輻射天線。接收通道提供定向天線接收增益以及全帶寬內小信號的低噪放大。發射通道提供定向天線發射增益以及全帶寬內信號的功率放大；支持用戶手動設置位置信息，內部自帶B1+GPS接收機進行內部位置定位；能夠接受外部的控制和狀態查詢，支持手動方位和俯仰的波束指向控制。

一體化模塊包含2個射頻通道（接收、發射）、波束控制、電源等。接收射頻通道用于接收射頻信號的接收、濾波、放大；發射射頻通道用于發射信號的放大、濾波、功率輸出；波束控制主要完成波束的運動控制，通過MCU和外部模塊接口實現接收和發射波束控制，開機自檢驗和射頻通道控制等，具備設置查詢天線參數和運行狀態的功能；電源部分主要是對一體化模塊內需要的各種電源提供穩定的直流供電能力。

3" 主機設計

3.1" 主機構成

主機內部集成了S頻段衛星通信功能和L頻段衛星通信功能，采用模塊化設計路，其內部集成關系如圖3所示，主要由電源管理模組、S頻段饋電合路器、S頻段車載板卡、L頻段饋電合路器、L頻段車載板卡等部分組成［9-10］。

電源管理模組將外部直流供電轉換成12 V和24 V 2路，其中12 V作為車載板卡的供電支路，24 V作為饋電合路器的供電支路。對于衛星移動通信系統而言，其收發功耗特變大，時隙特征明顯，故電源管理模組保留了足夠的額定工作余量，確保供電系統的穩定可靠。饋電合路器實現車載板卡輸出的射頻信號和天線的直流饋電合路工作，選用的動中通天線的標準工作電壓典型值為36 V，故饋電合路器需要把輸入的直流24 V升壓為36 V后，再進一步完成合路工作。S頻段車載板卡和L頻段車載板卡是主機的核心，主要完成S頻段和L頻段衛星信號的調制和解調，并通過以太網口實現衛星業務的交互。

3.2" S頻段車載板卡硬件設計

S頻段車載板卡內部同樣采用模塊化設計思路，主要由應用處理單元（AP）、通信處理單元（CP）和基板3部分組成。AP模塊內部由AP處理器和Wi-Fi模塊構成，主要由完成系統的UI軟件、Wi-Fi通信、網口通信和USB調試等功能。CP模塊主要完成S頻段衛星移動通信的物理層和高層協議，是整個衛星移動通信系統的處理核心，其架構如圖4所示。

主芯片LC1881是一款AP芯片，配以EMMC+LPDDR3芯片以及為核心芯片供電的電源管理芯片LC1160，實現整個系統設計的Wi-Fi、存儲等功能。LC1881具有豐富的接口資源，可以通過HSIC、USB、I2C、UART、SPI、SDIO、GPIO等接口控制外圍各個電

路子單元。加上一些專用的接口芯片，還可以轉換出LAN、RS232等工業上常用的接口與系統外部進行連接。S頻段CP模塊包括衛星通信的基帶處理單元和射頻收發單元。基帶處理單元負責衛星通信協議棧的處理，包括物理層及協議高層；射頻收發單元為射頻收發處理，負責無線信號到數字信號的轉換。

L頻段車載板卡采用L頻段的CP模塊設計，其他與S頻段車載板卡所采用電路基本相同。

3.3" S頻段車載板卡軟件設計

3.3.1" 遠控服務軟件設計

依托終端硬件組成架構，終端通過分布于應用處理單元和通信處理單元中相關核心處理芯片上的軟件，以獨立軟件或多個軟件模塊協同工作的方式，實現終端的全部功能，主要包括應用程序、遠程控制服務軟件、通信控制軟件和通信處理軟件等，具體如圖5所示。

通信處理軟件運行在CP內，主要完成與衛星通信業務密切相關的功能，包括信令和業務流程等。通信控制軟件實現對CP模塊的控制和數據傳輸，并配置網絡路由。遠程控制服務軟件向客戶端提供遠控的支持，并控制系統多個功能的參數。

遠程控制服務終端側程序主要用于配合用戶對車載設備的控制及狀態監視，能夠實現短信、聯系人、通信記錄、屬性設置、天線等功能的控制，其流程如圖6所示。遠程控制服務程序在車載終端上啟動端口接收任務，時刻接收來自以太網的數據和串口數據，然后根據收到的數據幀頭來判斷協議類型，并根據協議類型和幀頭字段對數據進行解析處理。若收到控制指令，則把數據傳遞給相應功能管理器，管理器向車載設備配置參數；若收到查詢或讀取指令，則把指令傳遞到功能管理器，由管理器進行設備狀態或內容讀取，并將數據以以太網或者串口的方式返回到用戶界面。同時，遠程控制服務程序定時讀取設備狀態，并通過以太網或者串口進行上報。

3.3.2" 通信處理軟件設計

通信處理軟件主要完成高層協議流程和無線信號的調制解調等。對于信令或者業務流程，通信處理軟件中的高層協議棧把數據傳遞到物理層，物理層通過控制射頻通道把調制后的無線信號發射到衛星；衛星接收信號并轉發到地面信關站，由信關站進行后續處理。通信處理軟件總體架構如圖7所示，主要分為應用適配層、協議層、物理層和系統適配層等。

對于衛星通信而言，最重要的是初始衛星信號接入過程，實現衛星對準、波束選擇及駐留過程，其流程如圖8所示。

（1）RRC層收到上層的入網指令后，首先讀取上次駐留的波束信息，然后向物理層發送搜索信號指令，并等待搜索結果。（2）物理層根據頻率等信息嘗試捕獲無線信號并解析，并把結果上報到RRC層。（3）RRC層根據物理層上報的信息判斷該波束是否可駐留，若可以駐留，則向物理層發送讀取廣播指令；若無法駐留則執行掃頻過程，把所有頻率信息依次下發給物理層使其搜索信號。（4）物理層讀取廣播消息后上報到RRC層。（5）RRC層獲取相關配置參數，對物理信道進行配置，執行后續入網過程。

4" 結語

本文根據S頻段和L頻段衛星特點和應用場景，設計了雙模衛星終端，包括天線和主機。這種實現方法既能滿足用戶即用即通的應急通信保障需求，又具有較好的演進能力和可擴展性。跑車試驗驗證了系統的業務能力和可靠性，具備推廣價值。

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（編輯" 沈" 強）

Design of a multi-mode mobile communication terminal adapted to multiple satellites

CHANG" Douxing

（Ministry of Emergency Management Big Data Center， Beijing 100070， China）

Abstract： Satellite mobile communication systems have the advantages of wide coverage and high reliability， and satellites located at different orbital heights and operating frequency bands have their own unique advantages. A terminal suitable for various satellites has been designed to meet the requirements of satellite communication systems in different frequency bands and orbits， in order to meet the needs of users for instant use and communication. The terminal consists of a dual-mode mobile communication antenna and a host， which can automatically or manually switch satellites based on satellite signals to ensure satellite communication continuity. Based on the modular strategy， communication units for two frequency bands of the host were independently designed， which has strong reliability and scalability. The road test verified the usability and reliability of the terminal.

Key words： satellite mobile communication; multimode terminal; modular design; instant messaging