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1、KaKu双频段“动中通”移动卫星通信地球站的系统设计及其重要性总第123期测控与通信Ka/Ku双频段”动中通”移动卫星通信地球站的系统设计及其重要性路远程金博康学海(中国电子科技集团公司第39研究所西安710065)摘要新研制的Ka/Ku双频段移动卫星通信地球站采用伪单脉冲自跟踪体制和陀螺稳定环隔离速度扰动技术,集”XXXX星地面应用”和”xx网”为一体,双网合一,综合业务与抗干扰业务合一,Ka与Ku频段共用一套天线,实现了真正意义的一车多用功能.关键词双频天线动中通移动卫星通信抗干扰1引言由于短波通信难以实现大容量信息传输:传统的散射通信,微波通信设备装载在运动载体上,当飞机高速巡航和舰艇在
2、瞬息万变的海上泊航时,通信双方天线很难做到时刻对准,且中断后恢复时间较长,难以实现不问断通信.而以自动跟踪,智能化天线快捕技术为基础的”动中通”移动卫星通信系统能够克服载体扰动,即使载体在非常颠簸的条件下运动,天线也能始终准确指向卫星,确保通信信道畅通.近几年来,国内已在Ku频段研制出了车载,机载”动中通”移动卫星通信地球站.随着毫米波技术的发展,卫星通信应用频段已向着大容量,高频段扩展.由于XX星已经搭载了Ka频段试验转发器,并且已经进行了各种传输试验,因此,在我国采用Ka频段进行卫星通信成为可能.另外,与L,S,C,X,Ku频段相比,毫米波频率具有很强的抗闪烁能力,电波在核爆炸后能快速恢复
3、正常,因而Ka波段在军事通信领域受到高度重视.为实现一车多用,双频共用,降低成本,我所两年前就开始Ka/Ku双频段移动卫星通信地球站的研制,并已取得重要成果.研制的Ka/Ku双频段移动卫星通信地球站利用一套天线馈源可工作于同一颗卫星上的Ka/Ku转发器,也可应用在不同卫星的Ka或Ku的转发器上.2Ka/Ku双频段的关键技术与隔离载体扰动分析就卫星通信业务而言,”动中通”移动卫星通信系统与固定卫星通信系统没有质的区别.所不同的是安装在运动载体上的移动卫星通信系统,由于载体的机动性很强,航路不断变化,受气流或路况的影响,载体随时会产生偏航,纵摇和横滚,导致通信天线在方位,俯仰和极化方向产生扰动,这
4、些扰动变化将导致天线波束偏离卫星,造成电平下降甚至通信中断.载体姿态的变化还会引起线极化天线极化面的旋转,在双线极化频率复用系统中会使电波的交叉极化鉴别率恶化,造成两个线极化波之间发生相互干扰.2.1Kau双频天线的关键技术要使装载在运动载体上的卫星通信系统具备Ku/Ka双频段的”动中通”能力,必须设法解决以下关键技术:收稿日期:2008年11月10日测控与通信2008年第4期1)如何保证运动载体在严重颠簸状态下行驶时天线电轴始终指向卫星,确保卫星通信链路畅通;2)如何在运动中获取载体的姿态数据,建立天线的控制基础,实现天线快速捕获目标;3)如何实现Ka/Ku双频共用辐射器,使辐射器同时工作在
5、Ku收发,Ka收发和跟踪三种工作模式;4)如何实现宽频带,低损耗Ka/Ku双频共用天线罩;5)如何实现天线Ka/Ku双频切换.2.2天线隔离载体扰动的方式天线系统隔离载体扰动的方式有多种,几种隔离方式的跟踪(指向)精度,指向速度,实时性列于表1,经过比较论证我们采用的是伪单脉冲闭环跟踪体制.表1几种隔离载体扰动方式的比较跟踪方式静态跟踪精度指向速度跟踪实时性经济性单脉冲自跟踪方式1/25接收波束宽度较快强一般圆锥扫描方式1/15接收波束宽度一般较强一般机械与电扫混合平面天线1/7接收波束宽度慢一般低电子波束扫描(EBS)与单脉冲相当快强昂贵利用惯性器件开环指向1/7接收波束宽度快一般较高2-3
6、伪单脉冲自跟踪原理简述圆波导TEl1和TE2l模单脉冲自跟踪系统的关键部件之一是天馈子系统中的TE2l模跟踪器,这种自跟踪是利用主模(TE1】模,也叫和模)的单峰特性和高次模(TE21模,也叫差模)的双峰特性产生误差信号的.当天线对准目标时,目标信号在天馈子系统中仅激励起和模信号且能量最强;当目标偏离天线电轴时,能同时激励起和模信号和差模信号,其中和模信号用于通信并作为跟踪通道的参考信号,差模信号作为跟踪的误差信号.误差信号的大小确定了目标偏离电轴的程度,差信号与和信号的相位关系确定了偏离目标的方向.差信号经/0调相后与和信号部分能量合成并送入跟踪接收机,接收机通过放大,变频,同步检波等处理,
7、输出一个与偏离电轴角度成比例的直流误差电压,伺服控制分机则根据误差电压的幅度和极性,控制天线朝减小这一误差的方向转动去消除这一误差,实现对目标的自动跟踪.3Ku/Ka双频段移动卫星通信地球站3.1系统组成Ka/Ku双频段移动卫星通信地球站由双频共用天线,天线模式切换装置及A.E型天线座架,Ka频段馈源网络,低噪声放大,变频及跟踪合成网络,Ku频段馈源网络,极化调整装置,Ku频段低噪声放大及跟踪合成网络,小信号同步切换装置,智能化天线控制单元和数字化跟踪接收机,Ka频段ODU,Ku频段ODU,XXXX综合业务/抗干扰信道单元,XX网信道单元;系统指/控终端;高速率无线引接电台;有线转接(HDSL
8、)装置:车载电源装置,运载车辆及装车结构等设备组成.Ka/Ku双频段移动卫星通信地球站系统原理框图如图1所示.3.2链路预算己知使用卫星的转发器参数后,地球站上行EIRPe.m用下式计算:EIRPe.m=SFD卜一Bo】i+Lu】一101g(4/入2)一l0lgN+m+r+Le(dBw)总第123期路远等:Ka/Ku双频段”动中通”移动卫星通信地球站的系统设计及其重要性?3?式中SFD卫星饱和输入通量密度;Boi输入回退;Lu行空间损耗(Ka频段为213dB,Ku频段为207dB);101g(4/入2)单位面积接收波长为入的电波的增益;101gN专发器占用因子;m匕行链路雨衰预(Ka频段按13
9、dB取值,Ku频段按3.5dB取值);卜天线波束指向误差;Le极化损失电平.图1Ka/Ku双频段移动卫星通信地球站原理框图用上式预算出的Ka频段不同信息速率的EIRPe.m列于表2,Ku频段预算数值列于表3.表2Ka频段不同信息速率下的EIRPIe.m,Pt预算值信息速率(kbps)10lgN(dB)EIRPem(dBw)PT】(dBw)Pt(W)2.440.792516.7O.O219.634.9530.8310.870.08219.231.9533.837.87O.1636426.1339.652.O50.62312823.1342.65O.951.2425620.1345.653.952
10、.4851217.1348.656.954.953.3主要设备方案简介3-3.1天线和馈电网络天馈子系统应在载体运动状态下具有Ku和Ka频段快速切换的能力,因此必须采用Ku和Ka共用喇叭,并使Ku和Ka馈源网络具备自动切换功能.表3Ku频段不同信息速率的【EIRPe.m,Pt预算值信息速率(kbps)10lgN(dB)EIRPem(dBw)PT】(dBw)Pt(W)837.530.654.13O.399.636.731.453_330.4719.233.734.450.330.936427.9240.235.453.5测控与通信2008年第4期天馈子系统由0.6米环焦天线,Ku/Ka频段共用单
11、脉冲自跟踪馈源,Ku/Ka频段收/发网络,旋转关节和极化旋转装置等组成;馈电网络由Ku频段馈源组合和Ka频段馈源组合及频段切换装置构成,实物照片示于图2.工程中Ku和Ka频段分别采用TE21和TEll模跟踪方式.其中,Ka频段采用圆波导中TE21和TEl1模跟踪方式,Ku频段采用同轴圆波导中TE21和圆波导TEll模跟踪方式.折叠式TE2l模耦合器实物照片示于图3,天线罩实物照片示于图4.图2双频馈电网络组合图3TE21模耦合器照片图4天线罩实物照片采用特殊的波导开关来实现不同馈源组合的切换,这种切换方式可以使Ku和Ka馈源组合的空间相对位置固定不变.3.3.2天线结构天线主反射面为实体抛物面
12、,口面直径为600mm,天线座为立轴式俯仰一方位型结构,分方位组合,俯仰组合两部分.天线座架中的俯仰桥板与网络的无源微波器件统一设计,有源微波部件的安装与天线座架进行统一优化设计,并整合电源种类和调整供电方式,尽量减少低频滑环路数,使结构更加紧凑.天线结构示意图如图5所示.3.3.3系统操控各种设备采用汉化操作界面,简洁明了,必须功能设置操作密图5天线结构示意图码,显示屏采用背光;平板电脑与主控机的软件架构基本一致,指挥业务和设备监控内容合并在一个程序中,指挥和操作人员可以互换位置;操控键盘便于操作人员在穿戴手套,防毒面具或核,生,化污染服装的情况下的操作使用;对操作人员无特殊要求,按照使用说
13、明书即可正确操作使用设备.主操作界面如图6所示.3.3.4工作频段和射频信号同步切换天线平时置于Ku频段工作模式,俯仰工作在10.9O.范围内.当需要Ka频段工作时,程序自动控制天线俯仰过顶,波导开关准确接通Ka通道,完成工作频段转换.在天线俯仰过顶的同时,天线控制单元控制天线方位自动旋转到Ka频段卫星的工作角度.为防止波导接口因车辆颠簸产生位移,采用开关锁定.在馈源部分机械切换的同时,射频小信号也同步切换.小信号同步切换采用有源部件分时断电和信号切换方式,即Ka频段图6主操作界面示意图工作时,Ku频段的设备断电,Ka支路信号切换到方位旋转关节,通过关节将通信信号传送到信道单元,将跟踪信号传送
14、到跟踪接收机.当Ku频段工作时,Ka频段的设备断电,Ku支路信号切换到方位旋转关节,并通过关节将通信信号传送到信道单元,跟踪信号传送到跟踪接收机.3.3.5通信信道总第123期路远等:Ka/Ku双频段”动中通”移动卫星通信地球站的系统设计及其重要性?5?系统配置综合业务信道,跳频抗干扰信道及XX网业务信道.信道设备采用XXX厂研制生产的符合现行卫星通信体制,装备标准及加密要求的产品,并配置有线,无线引接设备,具有同时话音,数据(同步,异步)等业务传输能力.受天线口径的限制,”动中通”移动卫星通信站一般传输2.4256Kb/s的中,低速业务,晴天时可与大站传输512Kb/s的高速数据.4系统主要
15、测试数据4.1天线方向图测试对研制出的Ka/Ku双频段天线进行了全面,仔细测试,两个频段中心频率点的收发及和,差方向图示于图7.F-ltr-l”m埘哪p”一.m品”“娜哪_册士口覃暑jI罩坷;舶册*稍:学抽.il测控与通信2008年第4期天线罩的插入损耗在Ku波段实测为0.25dB,在Ka频段实测为0.6dB.4.3系统误码特性测试移动卫星通信地球站卫星环自发自收实测出的系统误码特性列于表4.表4卫星环自发自收的系统误码特性实测数据信息速率(kbps)误码特性频谱仪显示信噪比测试条件19.2无误码(上行衰减8dB)C/N=16dB1.天气:晴天:64无误码(上行衰减5dB)C/N=l6dB2.
16、含RS码;128无误码(上行衰减5dB)C,N=13dB3.每组测试时间:600S256无误码(上行衰减5dB)C,N=10dB512无误码(上行衰减2dB)C,N=10dB4.4”动中通”性能测试移动卫星通信地球站在完成了静态传输试验,功能性能测试后,系统按要求进行了”动中通”性能测试,测试内容包括:目标跟踪丢失,系统恢复时间等,测试结果列于表5.表5”动中通”性能测试数据测试结果测试项目车速(km/h)目标丢失情况系统恢复时间高速公路行驶10O不丢失一奶公路行骂中60不丢失=级公路行马中35不丢失转n个圆圈30不丢失转n个o.圈30不丢失高速公路桥梁遮挡100丢失26s建筑工地颠簸20不丢
17、失5结束语本文简要介绍了Ka/Ku双频段移动卫星通信地球站系统组成,卫星通信链路预算,实现Ka/Ku双频段天线的关键技术,分析了隔离载体扰动的方法,并介绍了系统主要设备的技术方案,最后给出了测试数据.Ka/Ku双频段移动卫星通信地球站可广泛应用于新闻采集,公安值勤,抢险救灾,海上缉私等民用领域,也可用于军用通信.参考文献【1LalCHhandGodard主编:无线通信天线手册.国防工业出版社,2004年9月第1版,P335340,P369376.21K.Wooetal:PerformancefaFamilyofOmniandSteeredAntennasforMobileSatelliteApplications.Proc.IntMobileSatelliteCon,PP540546,Ottawa,Canada,l990.3柯树人:圆波导线极化TEl1模和圆极化TE21模自跟踪体制.通信与测控,2003第一期.4】柯树人:差信道采用四相调制的伪单脉冲自跟踪系统.通信与测控,1998第三期.5】康学海,王双平:数据速率”动中通”移动卫星通信终端天线系统的基本设计与指标说明.2007年中国卫星应用大会会议文集,P320.作者简介路远总参某地区军代室军代表.程金博中国电子科技集团公司第39研究所助理工程师.康学海中国电子科技集团公司第39研究所副总工程师.
