機載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)技術(shù)分析

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機載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的構(gòu)建，是促進我國航空航天事業(yè)快速發(fā)展的關(guān)鍵，有利于提升通信便捷性的同時，保障信號的良好傳輸質(zhì)量，促進覆蓋范圍的擴增。機載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成及運行原理具有一定復(fù)雜性，因此在系統(tǒng)運行中需要加強相關(guān)技術(shù)的優(yōu)化，以實現(xiàn)業(yè)務(wù)拓展，滿足未來發(fā)展要求。本文將對機載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基本組成和發(fā)展現(xiàn)狀進行分析，探索機載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的信道特性及關(guān)鍵技術(shù)，研究系統(tǒng)設(shè)計方案，為實踐工作提供參考。近年來，機載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的功能不斷完善，尤其是隨著多種先進技術(shù)的應(yīng)用，其通信容量得到擴增，在實踐工作中具有較強的靈活性。為了能夠滿足機載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的運行需求，必須加強新技術(shù)手段的引進與應(yīng)用。尤其是在軍用飛機和大型噴氣機當(dāng)中，對于衛(wèi)星通信設(shè)備的運行性能要求較高，應(yīng)該充分發(fā)揮寬帶衛(wèi)星通信的優(yōu)勢，保障良好的傳輸效率與質(zhì)量。

1機載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的信道特性

1.1損耗傳輸。在自由空間當(dāng)中往往出現(xiàn)損耗傳輸?shù)默F(xiàn)象，單位增益存在于發(fā)射天線和接收天線當(dāng)中，根據(jù)相關(guān)公式對損耗傳輸量進行計算。雖然在大氣層中的損耗相對不高，但是也會存在較大的變化情況，尤其是容易受到天氣因素的影響，包括了云、霧、降雪、降雨等等，導(dǎo)致?lián)p耗量上升。尤其是會受到惡劣天氣的影響，導(dǎo)致通信中斷的問題出現(xiàn)。由于天氣因素具有不確定性，因此對于損耗的估計也會存在較大難度。在損耗傳輸中，降雨的影響相對較大，尤其是在降雨天氣下會導(dǎo)致電磁波的傳輸強度出現(xiàn)下降。在系統(tǒng)應(yīng)用當(dāng)中，應(yīng)該綜合考量該地區(qū)的氣候特征并做好降雨時間的有效預(yù)測，保障數(shù)據(jù)服務(wù)的可靠性。1.2電離層閃爍和大氣閃爍。衛(wèi)星信號的強度會產(chǎn)生不規(guī)律的變化，這主要是受到折射率的影響，進而引發(fā)大氣閃爍的現(xiàn)象。無線電相位和振幅等，會受到不均勻電子游動的影響，出現(xiàn)較大幅度的變化，進而導(dǎo)致電離層閃爍的現(xiàn)象。為了能夠?qū)﹄婋x層閃爍和大氣閃爍的問題進行處理，可以應(yīng)用時間分集、編碼分集和添加余量等措施。1.3大氣折射。無線電在通過大氣層時，信號的仰角會由于折射現(xiàn)象的存在而升高，而受到大氣層的影響其折射率也不盡相同，因此在凹透鏡效應(yīng)下發(fā)生散焦損耗問題。因此，天氣因素不會對大氣折射產(chǎn)生影響，在設(shè)計工作當(dāng)中應(yīng)該明確其低仰角問題，增強系統(tǒng)的功能。1.4機身反射與陰影效應(yīng)。很多飛機的機體相對較大，包括了民用航空飛機和軍用偵察機等，因此飛機接收機當(dāng)中會有發(fā)射信號的進入，導(dǎo)致機載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)在運行中受到較大的干擾，這就是機身反射效應(yīng)。無線電波的電平會由于地面障礙物的存在而下降，進而干擾飛機信號的傳播，陰影效應(yīng)會出現(xiàn)在低空飛行當(dāng)中，不會出現(xiàn)在巡航當(dāng)中。

2機載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1天線技術(shù)。應(yīng)用切割拋物面天線時，能夠獲得較高的增益，在結(jié)構(gòu)形式上也十分簡單，而且自重較輕。但是，在饋源賦形設(shè)計上也存在較大的挑戰(zhàn)，而且當(dāng)天線的口徑較小時也會出現(xiàn)遮擋問題，具有較高的天線剖面。在應(yīng)用拋物柱面天線時，能夠有效解決切割拋物面天線中的遮擋問題和高剖面問題，20°-70°為該類型天線的俯仰面工作范圍，因此當(dāng)仰角較大或者較小時會存在一定的限制，其自重相對較大。在應(yīng)用拋物面聚焦天線時，能夠有效降低自重，獲得較好的增益效果，避免復(fù)雜結(jié)構(gòu)對工作造成的影響。應(yīng)用一線平板相控陣天線，采用機械轉(zhuǎn)動的方式控制方位，具有較低的天線剖面，而且采用了電子掃描的方式。但是，由于收發(fā)天線是獨立設(shè)置，而且具有較大的尺寸，3dB掃描損失的問題也會對機載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的運行產(chǎn)生影響。兩維相控陣天線能夠?qū)崿F(xiàn)共形設(shè)計，增強機載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的適用性，同樣存在外形較大、收發(fā)天線獨立設(shè)置和3dB掃描損失的問題，同時在應(yīng)用該類型天線時需要較大的成本投入，調(diào)整極化面時遇到諸多阻礙。平板陣列天線也是機載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的常用天線類型，其特點是具有較低的剖面和小尺寸，在設(shè)計時真正實現(xiàn)了集成化和一體化，在當(dāng)前各領(lǐng)域中的技術(shù)成熟度相對較高，但是也具有較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式。2.2跟蹤技術(shù)。電子波束掃描、單脈沖和程序+步進等，是當(dāng)前機載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的常見跟蹤技術(shù)類型。當(dāng)天線對于跟蹤速度的要求較高時，可以采用單脈沖的形式，能夠滿足較大的飛行姿態(tài)變化要求，同時促進精度的提升。尤其是在劇烈的變化中也能保持良好的跟蹤效果，提升了天線增益的利用率。當(dāng)天線對于姿態(tài)的穩(wěn)定性要求較高時，可以采用電子波束掃描的跟蹤方式，也通常應(yīng)用于難以產(chǎn)生電子波束的情況當(dāng)中，以保障機載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的良好運行效果。該跟蹤方式在設(shè)計上相對簡便，有利于工作效率的提升。機械式圓錐掃描的方式在機載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)跟蹤中也較為常見，尤其是當(dāng)天線具有較為穩(wěn)定的姿態(tài)且處于低頻段時可以應(yīng)用。該方式的天線增益利用率相對不高，在高動態(tài)跟蹤中存在局限性。當(dāng)機載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)天線處于低頻段時可以采用程序+進步的跟蹤方式，具有系統(tǒng)設(shè)計簡單的特點，尤其是出現(xiàn)遮擋時能夠在去除后及時恢復(fù)通信。2.3飛行性能與衛(wèi)星天線的關(guān)系。安裝通信站時通常在外部完成天線的安裝，包括了機頭位置和上部位置等，能夠防止障礙物對天線造成遮擋，以保障良好的通信質(zhì)量。為了防止在飛行中由于天線的存在而產(chǎn)生較大的阻力，在設(shè)計時可以采用流線型天線的形式。在應(yīng)用流線型天線時，需要對飛機形態(tài)加以針對性設(shè)計。信號的傳輸速度會隨著天線尺寸的增大而提升，因此在設(shè)計過程中也應(yīng)該加強對天線尺寸的合理設(shè)計，從而協(xié)調(diào)重量與信號傳輸質(zhì)量之間的關(guān)系。2.4機載設(shè)備重量體積和功率的限制。在機載設(shè)備的應(yīng)用當(dāng)中，應(yīng)該考慮到質(zhì)量、體積和功耗限制等因素的影響，尤其是在系統(tǒng)設(shè)計和設(shè)備研制的過程中，應(yīng)該加強各要素的有效協(xié)調(diào)與平衡。模塊化設(shè)計的方式在機載設(shè)備中較為常用，能夠?qū)ζ潴w積和質(zhì)量加以控制，防止由于過多設(shè)備及功能對機載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)運行效率造成影響。為了能夠有效控制系統(tǒng)的功耗，可以在設(shè)計中使用低功耗芯片。尤其是在小型飛機的機載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)當(dāng)中，更應(yīng)該嚴(yán)格控制功耗、質(zhì)量和體積。2.5多普勒頻移和噪聲消除。在機載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應(yīng)用中，由于存在較為快速的相對運動情況，因此為了保障接收方和發(fā)送方的良好通信狀況，還應(yīng)該考慮到多普勒效應(yīng)對信號接收的影響，實現(xiàn)對信號中多普勒頻偏成分的有效控制。衛(wèi)星頻率也會受到一定的限制，噪聲存在于信號的長距離傳輸過程中，這也會對信號的傳輸造成嚴(yán)重影響，使得接收系統(tǒng)的接收功能和處理功能受到抑制。多普勒頻移變化速率也會由于飛機的飛行速度變化和姿態(tài)變化而出現(xiàn)。在鎖定載波時通常采用鎖相環(huán)，能夠?qū)崿F(xiàn)對噪聲的有效控制。2.6實例分析。方案設(shè)計：特性機載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)會受到外界多種因素的影響，包括了電離層的閃爍現(xiàn)象、大氣折射現(xiàn)象和機身反射損耗傳輸?shù)鹊取Ｒ虼嗽诜桨冈O(shè)計當(dāng)中除了要對天線進行合理選擇外，還應(yīng)該根據(jù)天線的基本特征選擇合適的跟蹤技術(shù)，促進設(shè)計力度的增強，充分發(fā)揮系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)勢特點。利用系統(tǒng)中心交換控制服務(wù)器對語音呼叫進行按需分發(fā)，滿足無線通信聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的功能要求。VHF網(wǎng)關(guān)：在語音集群通信時，可以借助于IP網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和VHF通信技術(shù)，滿足對制式的要求。VHF電臺是平臺中的關(guān)鍵組成，通過VHF網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用，能夠滿足系統(tǒng)的互通互聯(lián)需求，與VHF手持臺和附近作業(yè)船當(dāng)中的VHF船載臺進行有效通信。在連接陸地指揮中心管理臺時，主要依靠海油IP專網(wǎng)，這就需要加強對VHF融合網(wǎng)關(guān)IP接口的合理設(shè)計。無線通信聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中心服務(wù)器應(yīng)用于陸地指揮中心當(dāng)中，為數(shù)據(jù)的傳輸和存儲等提供保障，在平臺與、處理廠、指揮中心、作業(yè)船進行通信的過程中，還要依靠管理調(diào)度平臺。通信組規(guī)劃及有線調(diào)度臺功能規(guī)劃：在對用戶進行分組時需要以區(qū)域和部門為依據(jù)，有線調(diào)度臺功能具有多樣化特征，包括了呼叫轉(zhuǎn)移、數(shù)字信令、全呼、組呼、單呼、廣播呼叫、錄音文件回放、監(jiān)聽和動態(tài)充足等等。集群對講與調(diào)度、模式通信：單呼的方式應(yīng)用于目標(biāo)平臺和陸地指揮中心當(dāng)中，多選呼應(yīng)用于多個目標(biāo)平臺與陸地指揮中心當(dāng)中，全呼應(yīng)用于所有平臺和陸地指揮中心之間，監(jiān)聽功能的實現(xiàn)，有利于實現(xiàn)對目標(biāo)平臺的有效控制。通信終端可以由融合網(wǎng)關(guān)替代，連接在網(wǎng)關(guān)當(dāng)中的VHF則可以通過網(wǎng)絡(luò)呼叫陸地指揮中心，包含了多選呼、監(jiān)聽、全呼、單呼等多種通信方式，增進了陸地指揮中心與目標(biāo)平臺的溝通交流，為遠程通信提供可靠保障。可視化圖像信息展示：對基本信息和經(jīng)緯坐標(biāo)系加以采集，其中基本信息包含了平臺的人員信息、設(shè)備信息、圖片展示和采油量等等，對場景進行可視化模擬，在地圖中完成有效嵌入。由于集中控制技術(shù)與數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效保障通信的安全性，同時促進語音質(zhì)量的提升，滿足多業(yè)務(wù)功能需求。同時，在頻譜效率和信道互聯(lián)中也具有明顯的優(yōu)勢。在該系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中，融合了集群對講調(diào)度系統(tǒng)、VHF網(wǎng)關(guān)和圖像化展示平臺，能夠在指揮調(diào)度中應(yīng)用多種呼叫形式，增強對講系統(tǒng)的群組化、數(shù)字化和可視化特征，保障在管理和調(diào)度中更具統(tǒng)一性。尤其是存在緊急狀況時，能夠采用直接對講通信的方式對指揮調(diào)度加以輔助。在呼叫調(diào)度操作當(dāng)中，借助于電子地圖和可視化圖像展示平臺等，能夠保障良好的直觀性，促進通信效率的提升。對于語音能夠?qū)崿F(xiàn)自動化記錄，實現(xiàn)對突發(fā)事件的深入分析及總結(jié)。

機載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠為通信質(zhì)量與效率的提升奠定基礎(chǔ)，在系統(tǒng)應(yīng)用中應(yīng)該明確其運行原理及特點，同時掌握多種天線技術(shù)及跟蹤技術(shù)，通過對比分析選擇可靠的技術(shù)類型，實現(xiàn)系統(tǒng)功能的有效優(yōu)化。同時，明確飛行性能與衛(wèi)星天線的關(guān)系、機載設(shè)備重量體積和功率的限制以及多普勒頻移和噪聲消除方法，真正發(fā)揮系統(tǒng)功能優(yōu)勢。

作者:張越 賀軼斐 范彬 湯彧 駱樂 單位:1.南京熊貓漢達科技有限公司 2.陸軍裝備部航空軍事代表局駐上海地區(qū)航空軍事代表室 3.南京熊貓漢達科技有限公司