便攜式衛(wèi)星通信站設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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本文論述了一種新型便攜式衛(wèi)星通信站，對(duì)便攜站的主要功能、根本原理、實(shí)現(xiàn)方法做了細(xì)致的分析和介紹。通過(guò)對(duì)衛(wèi)星天線單元、終端單元和布局設(shè)計(jì)等方面的闡述可知，我司設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的便攜式衛(wèi)星通信站具有安裝簡(jiǎn)樸，對(duì)星快速，性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，可以在較短時(shí)間內(nèi)為用戶供給一個(gè)高品質(zhì)的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，具有分外廣闊的應(yīng)用前景。

便攜式衛(wèi)星通信站衛(wèi)星天線終端單元衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)

一、引言

隨著應(yīng)急通信指揮系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴(kuò)大，便攜式衛(wèi)星通信站已成為應(yīng)急通信的一種重要通信組成片面。便攜式衛(wèi)星通信站通過(guò)與地球同步軌道衛(wèi)星組網(wǎng)形成衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)話音、數(shù)據(jù)、音視頻和廣域網(wǎng)接入功能的多媒體通信業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)如電話、傳真、電傳、電報(bào)、圖像、可視電話、話帶數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)、復(fù)用數(shù)據(jù)、電話會(huì)議等功能，廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、搶險(xiǎn)救災(zāi)、新聞采訪、科考探險(xiǎn)、公安、軍事等應(yīng)急和特殊通信領(lǐng)域。

二、技術(shù)方案

2.1系統(tǒng)組成及功能

便攜式衛(wèi)星通信站主要由便攜式衛(wèi)星天線單元（含天線、伺服、BUC、LNB）和終端單元（含衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器、交換機(jī)、視頻會(huì)議終端、VOIP、矩陣、顯示器、3G圖傳、單兵圖傳接收機(jī)等）組成。整套系統(tǒng)可由2人完成操作使用，總質(zhì)量不大于60Kg。便攜式衛(wèi)星通信站基于VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)，通過(guò)便攜天線，可與后面指揮中心建立基于IP的通明鏈路。主要特點(diǎn)是簡(jiǎn)樸、便當(dāng)，易于運(yùn)輸，適應(yīng)應(yīng)急性指揮通信的要求，能夠在較短時(shí)間內(nèi)急速搭建一個(gè)衛(wèi)星通信平臺(tái)，并建立起與主站的通信連接。便攜式衛(wèi)星通信站原理框圖如圖1所示，該系統(tǒng)具備衛(wèi)星通信、視頻會(huì)議、VOIP語(yǔ)音通話等功能。在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，通過(guò)單兵式微波圖像傳輸系統(tǒng)將野外現(xiàn)場(chǎng)的聲音、圖像等相關(guān)資料實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖銛y站，再通過(guò)VSAT衛(wèi)星系統(tǒng)和專(zhuān)業(yè)視頻會(huì)議系統(tǒng)將其傳送到國(guó)家、省、市級(jí)指揮中心，為領(lǐng)導(dǎo)總攬全局，決斷決策，正確指揮供給直接的現(xiàn)場(chǎng)信息。本文設(shè)計(jì)的便攜式衛(wèi)星站具備“一鍵式”對(duì)星功能，同時(shí)采用雙跟蹤尋星模式，尋星時(shí)間小于3分鐘，跟蹤精度小于0.2度。為得志不同場(chǎng)合不同業(yè)務(wù)量的需求，天線單元可選用等效口徑1m或1.2m天線面，功放選用20W～40W功率功放，組合配置，用于供給傳輸不低于2Mbps的通信業(yè)務(wù)。

2.2便攜式衛(wèi)星天線單元

便攜式衛(wèi)星天線單元分為天線分系統(tǒng)、伺服操縱系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)三片面。便攜式衛(wèi)星天線原理圖如圖2所示。

天線是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的重要組成片面，是便攜站射頻信號(hào)的輸入和輸出通道，天線系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)通信系統(tǒng)的性能。便攜式衛(wèi)星天線采用格里高利雙反射偏饋型天線設(shè)計(jì)，天線單元包括主反射面、副反射面、饋源及其支架、高頻頭及雙工器等。天線面的材質(zhì)主要有鋁合金、玻璃鋼以及碳纖維等，考慮到高增益、低噪聲溫度，開(kāi)展、珍藏、攜帶便當(dāng)，天線設(shè)計(jì)為碳纖維復(fù)合材料的雙反射面天線。該天線面在+130℃中溫壓固化成型，可在-50℃～+80℃環(huán)境中使用，具有強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕、膨脹系數(shù)幾乎為零的特性。當(dāng)天線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星時(shí)，地面用戶發(fā)出的基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)地面通信網(wǎng)絡(luò)傳送到便攜站，便攜站通信設(shè)備對(duì)基帶信號(hào)舉行處理，使其成為射頻載波后發(fā)送到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器。衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收地球站上行頻率發(fā)送來(lái)的射頻載波，經(jīng)過(guò)放大和變頻處理后，再轉(zhuǎn)發(fā)到地球站，由地球站天線接收。天線分系統(tǒng)的饋源、高頻頭將天線面接收的射頻載波處理為中頻信號(hào)，中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)功分器后一路信號(hào)解調(diào)處理后給基帶處理器，通過(guò)地面網(wǎng)絡(luò)傳送給用戶，另一路信號(hào)經(jīng)信標(biāo)接收機(jī)和DVB-S載波跟蹤接收機(jī)輸出AGC電平給天線操縱器，為伺服操縱供給信號(hào)電平指示。

伺服操縱系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心片面，用于操縱天線切實(shí)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星。包括：伺服操縱器、電子羅盤(pán)、GPS接收機(jī)、信標(biāo)接收機(jī)、DVB-S載波跟蹤接收機(jī)、執(zhí)行電機(jī)及驅(qū)動(dòng)片面。伺服操縱系統(tǒng)工作原理為：在系統(tǒng)上電后開(kāi)頭探尋衛(wèi)星信號(hào)，通過(guò)GPS接收機(jī)獲取接收天線所在地的經(jīng)度、緯度和高度，結(jié)合操縱器存儲(chǔ)的被探尋衛(wèi)星的在軌經(jīng)度，將這些角度信息送入操縱器舉行計(jì)算，獲得天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星所需要的理論方位角、俯仰角和極化角。然后通過(guò)容貌測(cè)量傳感器得到天線實(shí)時(shí)的方位角、俯仰角和極化角，與計(jì)算所得的理論角度舉行對(duì)比，若不等，那么驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)天線逐步減小差值，完成天線的探尋與初始對(duì)準(zhǔn)。隨后進(jìn)入步進(jìn)跟蹤模式，在方位、俯仰方向上按確定步進(jìn)小角度運(yùn)動(dòng)，同時(shí)與信標(biāo)接收機(jī)或DVB-S載波接收機(jī)合作使用將天線鎖定在最正確跟蹤位置，完成衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤。伺服操縱設(shè)計(jì)基于Microchip公司的dsPIC處理器方案，它是一種具有單片機(jī)和DSP綜合功能的16位CPU，不但具有豐富的外圍模塊，I/O接口，支持多種電機(jī)操縱，強(qiáng)大的中斷功能，同時(shí)還兼具DSP高速運(yùn)算才能，是嵌入式系統(tǒng)的一種高性價(jià)比解決方案。為了得志高精度操縱，做到精確對(duì)準(zhǔn)，本系統(tǒng)通過(guò)將GPS、數(shù)字羅盤(pán)、天線操縱器、執(zhí)行電機(jī)結(jié)合AGC電平反應(yīng)形成系統(tǒng)大閉環(huán)的方式，完成天線對(duì)衛(wèi)星的穩(wěn)定跟蹤。對(duì)于DVB載波跟蹤方式，由于數(shù)字高頻頭的解調(diào)過(guò)程需要幾秒鐘時(shí)間，所以存在對(duì)衛(wèi)星信號(hào)反應(yīng)較慢的缺點(diǎn)，但是載波有帶寬較寬，對(duì)比輕易捕獲，數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。信標(biāo)是一個(gè)單載波，存在難捕獲，易受干擾的缺點(diǎn)，但是信標(biāo)接收機(jī)能快速反應(yīng)衛(wèi)星信號(hào)的強(qiáng)弱。本系統(tǒng)采用了DVB載波和信標(biāo)跟蹤并存的方式，當(dāng)一種方式無(wú)法對(duì)星時(shí)，可自動(dòng)切換到另一種對(duì)星方式，從而確保了天線指向有效對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。伺服轉(zhuǎn)臺(tái)采用俯仰、方位型天線架座，同時(shí)極化可調(diào)，執(zhí)行電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)器電流的32細(xì)分，在減小噪聲和震撼的同時(shí)，提高了操縱精度。通過(guò)安裝限位開(kāi)關(guān)對(duì)零點(diǎn)與限位位置舉行定位。

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由手持終端操縱設(shè)備或筆記本組成，向伺服操縱系統(tǒng)輸入要對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星的位置信息、步進(jìn)指令（步數(shù)以及方向）、開(kāi)頭運(yùn)行指令、復(fù)位指令以及中斷指令等，同時(shí)也可以在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上顯示天線的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息以及角度波動(dòng)處境，供給良好的人機(jī)對(duì)話功能。

2.3終端單元

終端單元集VOIP語(yǔ)音、傳真、視頻采集及編解碼傳輸、視頻顯示回放、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)等多種功能于一體，預(yù)留與各種非衛(wèi)星通訊終端設(shè)備（如計(jì)算機(jī)）的接口，具備與衛(wèi)星通訊網(wǎng)絡(luò)間的實(shí)時(shí)雙向通訊功能。終端單元集成于手提箱內(nèi)，防塵、防震、體積小、重量輕、攜帶便當(dāng)，采用積木式布局，可根據(jù)用戶需要選擇不同衛(wèi)星通信體制設(shè)備終端單元，并根據(jù)概括需要，對(duì)功能模塊舉行選配。終端單元原理框圖如圖3所示。

終端單元的核心設(shè)備是衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器，其主要功能是完成基帶信號(hào)的編/解碼、調(diào)制/解調(diào)等信號(hào)處理，且自身帶有IP路由功能，通過(guò)設(shè)置網(wǎng)關(guān)，局域網(wǎng)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠連入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與其他衛(wèi)星站之間的網(wǎng)絡(luò)通信、視頻會(huì)議、數(shù)據(jù)通信等。

三、布局方案

便攜式衛(wèi)星通信站布局設(shè)計(jì)的核心部件是電/手動(dòng)二維轉(zhuǎn)臺(tái)，它的布局形式直接關(guān)系到整個(gè)便攜式衛(wèi)星通信站的形狀、重量、體積等。該轉(zhuǎn)臺(tái)分為上、下腔體兩個(gè)片面，方位和俯仰驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)均布置在上腔體中，下腔體布置支撐布局和接插件。俯仰驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用雙軸伸步進(jìn)電機(jī)加成品減速器的方式：俯仰電機(jī)一端與減速器相連，一端與手動(dòng)手柄相連，減速器一端與電機(jī)相連，一端與天線組件相連，帶動(dòng)天線組件做俯仰方向的轉(zhuǎn)動(dòng)；方位驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用雙軸伸步進(jìn)電機(jī)加自制減速機(jī)構(gòu)（蝸輪蝸桿加圓柱齒輪）的方式：方位電機(jī)一端與手動(dòng)手柄相連，一端與蝸桿相連，通過(guò)自制減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)上腔體和天線組件做方位方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，上、下腔體的結(jié)合處加密封圈，能有效防塵、防雨。方位驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中有蝸輪蝸桿，能有效自鎖，可防止大風(fēng)對(duì)天線面在方位方向上的吹移，俯仰驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)外加鎖緊裝置，可防止大風(fēng)對(duì)天線面在俯仰方向上的吹移；極打扮置所需的驅(qū)動(dòng)力矩很小，采用單軸伸步進(jìn)電機(jī)加成品減速器和同步帶驅(qū)動(dòng)的布局方式。

天線面采用可拆卸的剖分布局形式，共分為六瓣，除主瓣與轉(zhuǎn)臺(tái)固定連接外，其余五瓣可拆卸，通過(guò)特意的快裝機(jī)構(gòu)拆裝。整個(gè)操縱系統(tǒng)模塊裝在一個(gè)腔體內(nèi)，該腔體采用碳纖維開(kāi)模加鑲嵌散熱金屬塊的方式制造，蓋板采用倒扣布局形式，合作碳纖維腔體邊緣的密封橡膠條，和轉(zhuǎn)臺(tái)合作使用，能有效散熱且能密封防雨。

四、軟件設(shè)計(jì)

便攜式衛(wèi)星通信站實(shí)現(xiàn)一鍵對(duì)星功能采用程序跟蹤與步進(jìn)跟蹤相結(jié)合的跟蹤方式，即：先利用程序跟蹤實(shí)現(xiàn)天線的粗對(duì)準(zhǔn)，再采用步進(jìn)跟蹤實(shí)現(xiàn)天線的精對(duì)準(zhǔn)，可以提高系統(tǒng)跟蹤的速度與精度。

程序跟蹤將需要探尋的衛(wèi)星的軌道信息（衛(wèi)星的在軌經(jīng)度、極化方式、下行頻率、符號(hào)率）預(yù)存入天線操縱器中（在管理員權(quán)限下同時(shí)支持手動(dòng)輸入衛(wèi)星的在軌信息），讀取GPS、數(shù)字羅盤(pán)、傾角儀等傳感器數(shù)據(jù)，計(jì)算出天線俯仰、極化、方位的指向，向俯仰、方位、極化電機(jī)操縱驅(qū)動(dòng)器發(fā)出命令，俯仰、方位、極化電機(jī)轉(zhuǎn)到指定位置實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星的探尋與跟蹤。程序跟蹤的關(guān)鍵是通過(guò)兩點(diǎn)GPS位置信息計(jì)算天線的指向角度，主要涉及到大地坐標(biāo)系到載體坐標(biāo)系的矩陣變換算法。

步進(jìn)跟蹤是在程序跟蹤后，在天線方位角±10°、俯仰角±2°范圍內(nèi)以“Z”字型方式掃描空域，細(xì)致調(diào)全日線指向，在信標(biāo)信號(hào)或載波信號(hào)鎖定后，微調(diào)天線找出信號(hào)的最大值指向角度，此時(shí)鎖定衛(wèi)星。

五、結(jié)論

我公司設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的便攜式衛(wèi)星通信站具備全自動(dòng)“一鍵對(duì)星”才能，設(shè)備從開(kāi)展、跟蹤、對(duì)星、調(diào)整、珍藏均可全自動(dòng)完成，安裝簡(jiǎn)樸，無(wú)須較準(zhǔn)，快速對(duì)星，通過(guò)VSAT通信網(wǎng)，可在較短時(shí)間內(nèi)急速搭建一個(gè)高品質(zhì)的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。目前該系統(tǒng)已在四川省人防辦、綿陽(yáng)市人防辦、雅安市人防辦、南充市人防辦投入使用，客