便携式卫星通信站设计与实现

【摘要】 本文论述了一种新型便携式卫星通信站，对便携站的主要功能、基本原理、实现方法做了详细的分析和介绍。通过对卫星天线单元、终端单元和结构设计等方面的阐述可知，我司设计、生产的便携式卫星通信站具有安装简单，对星快速，性能稳定的优点，可以在较短时间内为用户提供一个高品质的卫星通信网络，具有非常广阔的应用前景。

【关键词】 便携式卫星通信站 卫星天线 终端单元 卫星通信网络

一、引言

随着应急通信指挥系统的应用领域逐渐扩大，便携式卫星通信站已成为应急通信的一种重要通信组成部分。便携式卫星通信站通过与地球同步轨道卫星组网形成卫星通信网络，可以实现话音、数据、音视频和广域网接入功能的多媒体通信业务，实现如电话、传真、电传、电报、图像、可视电话、话带数据、计算机数据、复用数据、电话会议等功能，广泛应用于交通运输、抢险救灾、新闻采访、科考探险、公安、军事等应急和特殊通信领域。

二、技术方案

2.1 系统组成及功能

便携式卫星通信站主要由便携式卫星天线单元（含天线、伺服、BUC、LNB）和终端单元（含卫星调制解调器、交换机、视频会议终端、VOIP、矩阵、显示器、3G图传、单兵图传接收机等）组成。整套系统可由2人完成操作使用，总质量不大于60Kg。便携式卫星通信站基于VSAT卫星通信网，通过便携天线，可与后方指挥中心建立基于IP的透明链路。主要特点是简单、方便，易于运输，适应应急性指挥通信的要求，能够在较短时间内迅速搭建一个卫星通信平台，并建立起与主站的通信连接。便携式卫星通信站原理框图如图1所示，该系统具备卫星通信、视频会议、VOIP语音通话等功能。在执行任务时，通过单兵式微波图像传输系统将野外现场的声音、图像等相关资料实时传输到便携站，再通过VSAT卫星系统和专业视频会议系统将其传送到国家、省、市级指挥中心，为领导总揽全局，果断决策，正确指挥提供直接的现场信息。本文设计的便携式卫星站具备“一键式”对星功能，同时采用双跟踪寻星模式，寻星时间小于3分钟，跟踪精度小于0.2度。为满足不同场合不同业务量的需求，天线单元可选用等效口径1m或1.2m天线面，功放选用20W～40W功率功放，组合配置，用于提供传输不低于2Mbps的通信业务。

2.2 便携式卫星天线单元

便携式卫星天线单元分为天线分系统、伺服控制系统和远程监控系统三部分。便携式卫星天线原理图如图2所示。

天线是卫星通信系统的重要组成部分，是便携站射频信号的输入和输出通道，天线系统性能的优劣直接影响到整个通信系统的性能。便携式卫星天线采用格里高利双反射偏馈型天线设计，天线单元包括主反射面、副反射面、馈源及其支架、高频头及双工器等。天线面的材质主要有铝合金、玻璃钢以及碳纤维等，考虑到高增益、低噪声温度，展开、收藏、携带方便，天线设计为碳纤维复合材料的双反射面天线。该天线面在+130℃中温压固化成型，可在-50℃～+80℃环境中使用，具有强度高、重量轻、耐腐蚀、膨胀系数几乎为零的特性。当天线对准目标卫星时，地面用户发出的基带信号经过地面通信网络传送到便携站，便携站通信设备对基带信号进行处理，使其成为射频载波后发送到卫星转发器。卫星转发器接收地球站上行频率发送来的射频载波，经过放大和变频处理后，再转发到地球站，由地球站天线接收。天线分系统的馈源、高频头将天线面接收的射频载波处理为中频信号，中频信号经过功分器后一路信号解调处理后给基带处理器，通过地面网络传送给用户，另一路信号经信标接收机和DVB-S载波跟踪接收机输出AGC电平给天线控制器，为伺服控制提供信号电平指示。

伺服控制系统是整个系统的核心部分，用于控制天线准确对准目标卫星。包括：伺服控制器、电子罗盘、GPS接收机、信标接收机、DVB-S载波跟踪接收机、执行电机及驱动部分。伺服控制系统工作原理为：在系统上电后开始搜索卫星信号，通过GPS接收机获取接收天线所在地的经度、纬度和高度，结合控制器存储的被搜索卫星的在轨经度，将这些角度信息送入控制器进行计算，获得天线对准卫星所需要的理论方位角、俯仰角和极化角。然后通过姿态测量传感器得到天线实时的方位角、俯仰角和极化角，与计算所得的理论角度进行比较，若不等，则驱动伺服电机转动天线逐步减小差值，完成天线的搜索与初始对准。随后进入步进跟踪模式，在方位、俯仰方向上按一定步进小角度运动，同时与信标接收机或DVB-S载波接收机配合使用将天线锁定在最佳跟踪位置，完成卫星信号的跟踪。伺服控制设计基于Microchip公司的dsPIC处理器方案，它是一种具有单片机和DSP综合功能的16位CPU，不但具有丰富的外围模块，I/O接口，支持多种电机控制，强大的中断功能，同时还兼具DSP高速运算能力，是嵌入式系统的一种高性价比解决方案。为了满足高精度控制，做到精确对准，本系统通过将GPS、数字罗盘、天线控制器、执行电机结合AGC电平反馈形成系统大闭环的方式，完成天线对卫星的稳定跟踪。对于DVB载波跟踪方式，由于数字高频头的解调过程需要几秒钟时间，所以存在对卫星信号反馈较慢的缺点，但是载波有带宽较宽，比较容易捕获，数据通信稳定的优点。信标是一个单载波，存在难捕获，易受干扰的缺点，但是信标接收机能快速反馈卫星信号的强弱。本系统采用了DVB载波和信标跟踪并存的方式，当一种方式无法对星时，可自动切换到另一种对星方式，从而确保了天线指向有效对准卫星。伺服转台采用俯仰、方位型天线架座，同时极化可调，执行电机通过驱动器电流的32细分，在减小噪声和震动的同时，提高了控制精度。通过安装限位开关对零点与限位位置进行定位。

远程监控系统主要由手持终端控制设备或笔记本组成，向伺服控制系统输入要对准目标卫星的位置信息、步进指令（步数以及方向）、开始运行指令、复位指令以及停止指令等，同时也可以在监控计算机上显示天线的实时状态信息以及角度波动情况，提供良好的人机对话功能。

2.3 终端单元

终端单元集VOIP语音、传真、视频采集及编解码传输、视频显示回放、网络互联等多种功能于一体，预留与各种非卫星通讯终端设备（如计算机）的接口，具备与卫星通讯网络间的实时双向通讯功能。终端单元集成于手提箱内，防尘、防震、体积小、重量轻、携带方便，采用积木式结构，可根据用户需要选择不同卫星通信体制设备终端单元，并根据具体需要，对功能模块进行选配。终端单元原理框图如图3所示。

终端单元的核心设备是卫星调制解调器，其主要功能是完成基带信号的编/解码、调制/解调等信号处理，且自身带有IP路由功能，通过设置网关，局域网内的网络设备能够连入卫星网络，实现与其他卫星站之间的网络通信、视频会议、数据通信等。

三、结构方案

便携式卫星通信站结构设计的核心部件是电/手动二维转台，它的结构形式直接关系到整个便携式卫星通信站的外形、重量、体积等。该转台分为上、下腔体两个部分，方位和俯仰驱动机构均布置在上腔体中，下腔体布置支撑结构和接插件。俯仰驱动机构采用双轴伸步进电机加成品减速器的方式：俯仰电机一端与减速器相连，一端与手动手柄相连，减速器一端与电机相连，一端与天线组件相连，带动天线组件做俯仰方向的转动；方位驱动机构采用双轴伸步进电机加自制减速机构（蜗轮蜗杆加圆柱齿轮）的方式：方位电机一端与手动手柄相连，一端与蜗杆相连，通过自制减速机构驱动上腔体和天线组件做方位方向的转动，上、下腔体的结合处加密封圈，能有效防尘、防雨。方位驱动机构中有蜗轮蜗杆，能有效自锁，可防止大风对天线面在方位方向上的吹移，俯仰驱动机构外加锁紧装置，可防止大风对天线面在俯仰方向上的吹移；极化装置所需的驱动力矩很小，采用单轴伸步进电机加成品减速器和同步带驱动的结构方式。

天线面采用可拆卸的剖分结构形式，共分为六瓣，除主瓣与转台固定连接外，其余五瓣可拆卸，通过专门的快装机构拆装。整个控制系统模块装在一个腔体内，该腔体采用碳纤维开模加镶嵌散热金属块的方式制造，盖板采用倒扣结构形式，配合碳纤维腔体边缘的密封橡胶条，和转台配合使用，能有效散热且能密封防雨。

四、软件设计

便携式卫星通信站实现一键对星功能采用程序跟踪与步进跟踪相结合的跟踪方式，即：先利用程序跟踪实现天线的粗对准，再采用步进跟踪实现天线的精对准，可以提高系统跟踪的速度与精度。

程序跟踪将需要搜索的卫星的轨道信息（卫星的在轨经度、极化方式、下行频率、符号率）预存入天线控制器中（在管理员权限下同时支持手动输入卫星的在轨信息），读取GPS、数字罗盘、倾角仪等传感器数据，计算出天线俯仰、极化、方位的指向，向俯仰、方位、极化电机控制驱动器发出命令，俯仰、方位、极化电机转到指定位置实现对卫星的搜索与跟踪。程序跟踪的关键是通过两点GPS位置信息计算天线的指向角度，主要涉及到大地坐标系到载体坐标系的矩阵变换算法。

步进跟踪是在程序跟踪后，在天线方位角±10°、俯仰角±2°范围内以“Z”字型方式扫描空域，精密调整天线指向，在信标信号或载波信号锁定后，微调天线找出信号的最大值指向角度，此时锁定卫星。

五、结论

我公司设计、生产的便携式卫星通信站具备全自动“一键对星”能力，设备从展开、跟踪、对星、调整、收藏均可全自动完成，安装简单，无须较准，快速对星，通过VSAT通信网，可在较短时间内迅速搭建一个高品质的卫星通信网络。目前该系统已在四川省人防办、绵阳市人防办、雅安市人防办、南充市人防办投入使用，客户反映良好。

参 考 文 献

[1] 胡正飞，访继东. 便携式卫星通信地球站结构及其控制系统设计[J]. 机电产品开发与创新，2006，19（3）：4～6

[2] 曹志刚. 移动卫星通信天线自动跟踪方法[D]. 硕士论文. 重庆大学. 2005

[3] 彭树生，王洋. 车载快速搜索/跟踪卫星的控制系统设计[J]. 计算机测量与控制，2005，13（9）：932-934

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