动中通卫星通信系统的研制与开发

动中通卫星通信系统的研制与开发

随时访问。这是人们长期努力的目标。CDMA、GSM(GPRS)等系统初步解决了人们的这一愿望,但是这些系统的应用必须依赖大量基站的建设。铱星、全球星等系统的建立,进一步消除了对基站的依赖,人们可以更方便地通过低轨道卫星群进行相互通信。但这些系统目前只能进行语音及低码速率的信息传输。动中通卫星通信系统虽然兴起不久,但由于它具有即使在高速运动的载体上也能很好地解决宽带多媒体信息,特别是高质量的视频图像的实时传输问题,受到了广泛的关注,得到许多应用和迅速的发展。本文就动中通卫星通信系统研制和开发中的若干技术问题进行探讨。1静中通卫星通信系统本文中所谓动中通卫星通信系统是一种形象的“称呼”,它主要是和初期的车载卫星通信系统相区别。早期的车载卫星通信系统的卫星通信天线口径较大,平时装在车上,但不工作,到达目的地后,启动车载天线控制器,使之迅速对准卫星,系统开始工作。人们将这种系统称之为“静中通”卫星通信系统,即载体必须静止下来,才能开始工作。目前的一些产品可以做到:车到目的地停止下来后,3min之内完成卫星通信的各项准备工作,开始卫星通信。动中通卫星通信系统则不同,它的特点是可以实现运动载体(汽车、火车、轮船、飞机,甚至导弹、卫星)在运动中通过卫星来实现不间断的通信,而且是高码速率的多媒体通信。因而,与目前的CDMA、GSM(GPRS)等通信系统相比,它具有不需建基站,不受地理条件限制、频带宽、适合图像及多媒体信息传输等突出的优势。动中通卫星通信系统目前已在战场移动指挥、战场目标侦察、森林防火、防洪救灾、反恐移动通信指挥、移动电视转播、火车卫星电视广播、大型客轮移动多媒体通信等许多方面得到很好的应用。2星通动信系统的组成和工作原则2.1分系统组成及主要参数动中通卫星通信系统通常由6个分系统组成,即天馈线分系统(由天线座及天馈线组成)、姿态测量分系统、伺服控制分系统、跟踪接收机分系统、卫星通信分系统及电源分系统。根据所采用跟踪方式的不同,可以省去某些分系统(例如一些系统,可以省掉跟踪接收机分系统)。系统框图如图1所示。2.2常规卫星通信系统从系统框图可见,当天线对准目标卫星时,天馈线分系统和卫星通信分系统(通常包括收发信机、MODEM及相应的终端设备)组成了常规的卫星通信系统;但当载体运动时,天线必然偏离卫星,由跟踪接收机与伺服控制分系统控制天线转台转动,确保天线准确对准卫星,而姿态测量分系统则是用来测定由于载体运动引起天线转台的姿态角(方位角、俯仰角及横滚角)以及位置(经度、纬度及高度)的变化,从而控制天线转台使天线始终保持对准卫星。3跟踪天线方案3.1天线增益下降由于定点卫星距地面距离40000多千米,为了实现宽频带多媒体的卫星通信,必须采用高增益天线。此种天线波束很窄(一般只有2°左右或更小),而载体又在高速运动,其位置特别是其姿态角不断迅速变化,引起其天线指向的角度迅速变化,而且其指向角的变化会大大超过天线的波束宽度,使天线增益大为下降,造成通信误码率增加,甚至通信计算可得:举例来讲:天线口径D=0.9m,工作频率12.50GHz,当天线跟踪精度为0.37°时,天线增益下降0.48dB,当天线跟踪精度提高至0.19°时,天线增益下降为0.12dB。由此可见,天线跟踪精度提高,天线增益下降变小;但若天线跟踪精度要求过高,天线增益增加不大,对通信效果的变化并不十分明显,但系统的造价却会提高很多。需要首先确定系统的跟踪精度要求。我国动中通卫星通信的公安行业标准GA/T528-2005“公安车载应急通信技术规范”中规定:平均跟踪精度要求,即小于等于0.3倍天线半功率波束宽度。此时,天线增益降低约1.1dB。目前,通常采用的跟踪方式有3种:精确指向方式、信标跟踪方式以及混合跟踪方式。3.2正确的跟踪方法3.2.1卫星通信天线波束所谓精确指向方式即是利用静止卫星相对于地球是不动的特点而产生的,其工作原理是不管载体如何运动,其上的卫星通信天线波束始终指向卫星。3.2.2速度反馈电路图2是伺服跟踪系统的主要设备组成框图。它由GPS接收机、陀螺惯导、工控机、数模转换设备、滤波及伺服放大电路、减速器、天线座、馈源、旋转变压器、模数转换以及一些角速度敏感元件、速度反馈电路等许多部件组成。其中,GPS接收机及陀螺惯导为天线座位置及姿态角敏感装置,它提供天线的实时位置(经纬度及高度)和实时姿态(方位、俯仰及横滚)等参数。其中,陀螺惯导的精度以及响应速度对整个天线系统指向精度的影响是一个重要因素。误差信号经数模转换及伺服放大后,送至驱动执行电机,通过减速机构驱动天线(方位、俯仰及极化角)转动,天线座及馈源极化的转动角度通过旋转变压器产生位置反馈电压,经模数转换后送入工控机,形成闭环控制。为了整个系统工作稳定可靠,响应快,系统中必须加入相应的速度反馈电路。当然,为了保证系统运行的安全,还必须增加必要的天线限位开关。3.2.3影响系统跟踪精度的几个因素影响指向系统跟踪精度的因素有许多,主要如下。3.2.3.gps接收的应用该项误差主要是由测定天线位置和姿态的敏感元件及工控机计算造成的误差,它主要取决于所采用的位置及姿态敏感元件的精度。◆GPS接收机。目前,天线位置测量元件,大都采用GPS接收机。精度高、价格便宜,使用方便。目前市场上的一般精度的GPS接收机,其定位精度为水平面±15m,高程±30m。由于卫星距离遥远,定位误差引起天线指向的角误差只有约0.2〞。可以忽略不计;◆陀螺惯导。测定天线的方位(航向)角、俯仰角、横滚角,可以采用多种设备,例如测量航向角可采用电子罗盘,测量俯仰角、横滚角可采用倾斜仪,也可以采用组合陀螺(陀螺惯导)同时测定这3个角度;测量精度也相差很大,高精度的光纤陀螺惯导设备,其航向精度可优于0.1°,而横滚角、俯仰角的测量精度可达0.01°。除去陀螺惯导设备本身的精度以外,它的安装精度也会影响测量误差。3.2.3.2.天线轴系误差这是天线方位、俯仰轴不正交引起的误差。可以通过精密加工和调整使该项误差尽量减小。多数情况下,该项误差可做到≤0.05°。3.2.3.3.服装系统噪声误差这是由于伺服系统本身引起的误差,取决于不同的伺服系统。性能优良的伺服控制系统噪声误差可达到0.05°~0.1°。3.2.3.旋转变压器与编码器的精度对比这是测定天线转台转动角度产生的误差。常规采用的角度传感器由旋转变压器及编码器组成,高精度旋转变压器及其编码器的精度可达到0.1°以下。3.2.3.测定定点标记位置左右的“”字运动,有“”字运动实际上,卫星不是定位在某个位置始终不变化,而是在定点标称位置左右不停的作“∞”字运动。目前,大多数卫星定点漂移的误差在经度和纬度方向均约±0.05°。3.2.3.螺钉惯导的特性前面几项讨论的均是车辆静止状态时引起指向误差的一些因素,在车辆运动时,其指向精度要差得多。车辆运动过程中,引起指向误差的因素有车辆本身的结构状况、车辆运动的速度以及路面本身不平度;陀螺惯导本身的采样率及延时特性;伺服跟踪系统的性能及响应速度也直接影响着系统的跟踪精度。实际测试表明,经过良好设计制造的车载动中通系统,在高速公路上以100km/h以上车速行进时,其跟踪精度均方值可达到左右,而在三级或三级以下路面行驶时,即使车速较慢（30km/h以下），其跟踪精度均方根值也将达到或更高。3.3标准跟踪方法3.3.1常用自动跟踪方式由于静止卫星都有信标,因而可以采用对信标的自动跟踪方式。常用的几种自动跟踪方式有圆锥扫描、步进跟踪、经典单脉冲跟踪(4喇叭或5喇叭)、多模单脉冲跟踪(单个喇叭)几种方式。对这几种自动跟踪方式的优缺点进行比较,可以简单从列出的表1中看到。应当说明,对于车载动中通系统来讲,由于路面的颠簸使车辆的姿态快速变化,天线的跟踪系统必须具有快速响应的能力,步进跟踪和圆锥扫描方式很难适应,因而目前大多采用单脉冲跟踪体制。由于TE21型多模产生器具有优良的性能,且可以做到结构紧凑、体积较小,因而多模单脉冲跟踪方式得到广泛的应用。3.3.2单脉冲跟踪系统的设备组成单脉冲跟踪系统由下列主要设备组成,包括天馈分系统、单脉冲跟踪接收机分系统、伺服控制分系统、卫星通信分系统、电源分系统。3.3.2.天线的设计天馈分系统技术方案工作原理框图如图3所示。整个系统由主、副反射面、波纹喇叭、多模产生器、TE21组合网络、双工器、功分器、多个旋转关节、多个滤波器等部件组成。其工作原理如下。◆天线通常由双修正环焦型抛物面天线的主反射面、副反射面组成;◆天线主、副反射面曲线应经过计算机仿真软件的精心设计,以满足卫星通信天线高增益、低旁瓣的严格要求;◆波纹喇叭、多模产生器、TE21组合网络共同形成高性能和差波束,分别满足通信及跟踪性能的要求;◆双工器实现收发信号的隔离,它由正交模耦合器及滤波器组成;它在接收通道内对发射信号有足够高的隔离,以免发射大功率进入接收通道,损坏接收机;◆多个旋转关节以保证天线在方位、俯仰、极化面的平滑转动,其中方位转动关节,能使天线在360°范围内无限转动。3.3.2.2.典型的动中天线图4、5、6列出了一些典型的动中通天线的照片。3.3.2.低噪声放大器◆对接收到的微弱卫星信号进行低噪声放大。众所周知,静止卫星的信标信号很弱,要使用较小的天线对它进行跟踪,必需采用高灵敏度的接收机,性能优良的低噪声放大器是必需的;◆对放大的误差信号进行分离和处理,得到信噪比足够高的方位、俯仰跟踪误差信号,用于驱动伺服控制。3.3.2.由馈源得到的误差信号根据对误差信号处理方式的不同,单脉冲跟踪接收机有3类,即三通道跟踪接收机、双通道跟踪接收机及单通道跟踪接收机。和早先人们研制开发应用的三通道及双通道跟踪接收机相比,单通道跟踪接收机具有结构简单、成本低、体积小、可靠性高等许多优点,得到了广泛的应用,其工作原理如图7所示。其工作原理如下。◆由馈源得到的俯仰误差信号(ΔE)移相π/2后与方位误差信号(ΔA)相混合(在混合波导Ⅰ内)成总的误差信号Δ;◆将误差信号Δ经低频调制后与接收和信号(Σ)再混合成信标信号(在混合波导Ⅱ内);◆将单路信标信号(包含和、方位误差及俯仰误差信号)变频、放大;◆将变频放大后的信标信号中分离出和信号,把它与误差信号进行同步检波,可将误差信号分离出来;◆为了分离方位与俯仰两种误差信号,可把第一次同步检波后的误差信号分成两路,一路与低频振荡源的信号直接进行第二次同步检波,得到方位误差信号ΔA;另一路与经π/2相移的低频振荡信号进行第二次同步检波,得到俯仰误差信号ΔE。此种单通道接收机减少了三通道接收机、双通道接收机中多余的接收机,因而也免除了几路接收机相位一致性的苛刻要求,使系统成本大为降低,可靠性大为提高。实际使用的单脉冲跟踪系统中,由于大多数馈源采用TE21混合多模馈源,其误差信号ΔA、ΔE从一个口内输出,因而,混合电路Ⅰ不再需要了。3.3.3精确指向系统所谓混合跟踪方式,实际上就是指向跟踪方式和单脉冲跟踪方式的合成。一方面,单脉冲跟踪方式只有跟踪精度高,且不受卫星位置漂移的影响,受到使用者的欢迎,但是由于天线波束很窄,初始捕获或跟踪丢失再捕获很困难。另一方面,精确指向系统不存在捕获问题,使用方便,但跟踪精度稍低,在有些场合不能满足用户要求,且高精度陀螺惯导价格较高。采用混合跟踪模式可以充分发挥二者的优点。混合跟踪方式需要解决程序自动转换问题,程序流程如图8所示。该流程图左边部分是单脉冲跟踪流程,右边部分是指向跟踪流程,转换开关受跟踪接收机和信号输出电平的控制;若和信号电平大于某一个设定的门限电平,表示目标在天线主波束范围内,可以实现单脉冲自跟踪;若和信号电平低于某一门限电平,表示目标偏离天线主波束,无法实现单脉冲自动跟踪,系统即转入指向状态,使天线迅速转到粗略对准目标。这种方式,指向精度要求不高(只要进入主波束范围即可),因而陀螺惯导可以用稍低精度的产品,以降低系统成本。4跟踪精度的检测实际上,由于动中通天线系统处于不断的快速运动中,对卫星跟踪能力和跟踪精度的检测一直是一个问题。很多情况下,由于没有一个定量的准确的测量方法,人们对动中通系统跟踪精度的检测停留在用眼睛观察传输图像是否丢失、丢失的时间长短以及传输图像质量的好坏(是否出现“马赛克”)来判断。但存在问题:若接收机信号信噪比大于门限电平时,图像质量变化不大;若信噪比低于门限电平,图像消失,都难于判断跟踪精度的好坏。4.1跟踪精度检测关于动中通卫星通信系统天线跟踪精度的检测,在我国公安安全行业标准GA/T528-2005中已有规定:跟踪精度采用电平跌落法进行检测。4.1.1采用平均法测量设备的结构，并应用于跟踪精度利用电平跌落法测量跟踪精度的设备配置框图如图9所示。4.1.2天线自动跟踪状态按照该项标准的规定,其测试方法如下。◆天线准确对准卫星,记录此时所得到的最大信号电平(电压)Uimax;◆车辆运动,天线进入自动跟踪状态,记录接收到的信号电平Ui;标准规定:在天线进入自动跟踪状态,并在规定的测试条件下进行测量,每50ms采样一次,并在不同的公路上以不同的车速进行测量,一共记录3组数据,每组记录1min。取其平均值为天线的跟踪精度。4.2过滤剂为dbm的情况该项标准中没有规定信号电平指示装置及电压跌落值采样记录装置的具体规格及设备。实际上,绝大多数使用者都采用频谱分析仪或微波接收机来作为信号电平指标装置,它的输出或指示均表示为dBm,而不用V或mV。这时,上述公式需要改变。假定最大信号电平为Pmax(dBm),变化的信号电平为Pi(dBm),则信号电平跌落值ΔPi(dB)=Pi(dBm)-Pmax(dBm);此时,上述公式可变为:如果测量出一段时间内电平跌落的平均值�,就可以计算出这一段时间的平均跟踪精度在许多情况下,仅用平均值来表示跟踪精度往往是不够的。由于电平跌落的变化是一随机变量,因此,可以按统计的规律求出此随机函数的均方根值σ,这时就有均方根跟踪精度ΔXσ:4.2.1延长期20ms实际测试表明,采样周期50ms太长了,难于准确反映车载动中通天线跟踪精度的变化,如果将采样周期缩短至20ms或10ms,将会取得良好的结果。本文推荐的一种实际跟踪精度检测设备由高灵敏度跟踪接收机、模数转换设备及工控机组成。该设备的系统框图如图10所示。工控机可以实时显示并记录天线接收信号电平的变化,同时可以计算出天线接收到的最大信号电平、平均跟踪精度或均方根跟踪精度,使用十分方便。4.2.2使用示例图11中纵坐标为记录的电平值(-dBm),横坐标为记录数据次数(每秒采样66次)。4.2.2.1.道路沿线信号的平和降低值的变化及其统计结果的分析4.2.2.2.道路沿线信号的平坦沉降值的变化及其统计结果的分析采用上述跟踪精度检测设备,对实际车载动中通系统进行检测,得到的结果举例如下。5u3000要的特点经过多年的研究和不断改进,航天恒星公司车载动中通系统具有许多优良性