机载宽带卫星通信系统相关技术分析

许松松 高睿劼 陆斌

摘 要：基于机载宽带卫星通信系统的应用，可减弱外界因素给卫星通信所带来影响，使通信可靠性得到有力保障。文章首先分析了通信系统应用现状;其次对卫星通信系统特征进行论述，明确系统构成和通信系统信号损耗问题;最后研究了与机载卫星通信系统相关技术，并对未来发展趋势进行探究，以期全面提升机载卫星通信系统服务能力。

关键词：机载宽带;卫星;通信系统;技术

0 引言

随着互联网技术的发展，机载通信卫星通信系统的升级变得至关重要。通过相关卫星通信系统的应用，可满足用户便利化需求，实现在高空中对通信网络的有效连接。相关系统的应用也逐步解决了飞机客舱的信息孤岛问题，使得移动网络实现了高空覆盖，乘客可体验云端服务。为更好地达到这一目标，本文分析了有关宽带卫星通信系统相关技术，明确了系统应用现状和卫星通信系统相关构成与特征。

1 系统应用现状

目前，在机载卫星通信系统中应用的Ku卫星均为大波束卫星系统、全面支持高吞吐量的卫星。同时，系统也搭载了卫星通信终端设备。为确保相关技术在机载卫星通信系统中的应用，相关人员还使用高通量卫星（High Thoughput Satellite，HTS）技术，引入了更多波束切换性能。HTS卫星的价值主要体现为：基于频率复用和点波束技术，实现了卫星容量扩容，初期相关系统主要搭载Ka卫星，其容量往往能够达到传统Ku卫星的数十倍。此举不仅提升了频率资源的应用效率，而且确保了技术应用稳定。其中，Ku波段是指频率在10～20 GHz的电磁波信号，Ka波段则是指频率在20～30 GHz的电磁波信号。

2 卫星通信系统探究

2.1 系统构成

卫星通信系统由3个部分构成，分别是空间段、地面段和机载段。

（1）空间段，主要是通信卫星，主体结构为卫星转发器。现阶段，实现通信网络有效覆盖的Ku卫星主要是中星10、中星11、中星12、亚洲5、6、7等卫星。鉴于转发器资源利用效率较高，可实现70%以上的全覆盖，卫星通信系统性能获得提升。

（2）地面段，主要用于接收和发送卫星信号的系统，通常包括：地面站、天线、射频、主站和网络管理系统、网络运营中心（Network Operations Center，NOC）。

（3）机载段，具体指飞机上的通信设备，包括机外天线、控制單元、调制解调器和无线接入设备。通信系统构成如图1所示。

2.2 信号损耗原因

在机载宽带卫星通信系统中，自由空间占比较大，应考虑信号在传输过程中产生的损耗。对发射天线和接收天线在单位增益情况下发生的传输损耗进行有效控制，是提升通信系统服务能力的关键。同时，也需要考虑降雨、雾霾或多云等大气因素对电磁波带来的损耗。这些不利条件对通信设备的影响较大，严重时可能造成通信设备中断运行，影响信号传输的连续性。在影响信号损耗的各种因素中，降雨的影响最大，并且具有明显的不确定性，因此，在宽带卫星通信系统的应用中，应考虑季节降雨因素带来的影响，并对通信技术进行升级，提升整体服务能力。

3 机载宽带卫星通信系统相关技术研究

3.1 卫星天线的选择

现阶段，应用在机载卫星通信系统的天线主要有机械式、分段阵列式和相控阵天线形态。其中，机械式天线技术较为成熟，但是信号捕捉范围比分段阵列式天线和相控阵天线更弱。而机载宽带卫星中多使用相控阵天线，为机载宽度微信通信系统优化升级提供技术支持。

众所周知，卫星天线选择直接关系到通信系统的稳定性。针对大型飞机，如民航客机和军用预警机，其对飞行速度的要求不高，飞行姿态相对稳定，因此，可以将卫星天线设计在飞机顶部。考虑到通信要求，可使用大型天线装置，提升信号信息传输质量，促使通信系统得到优化。此类天线一般被设计为抛物线环焦天线，相关类型卫星天线具有天线增益高、方便调整的特征。

随着研究的深入，应用在大型飞机中的抛物线环焦天线技术逐渐成熟，对机载宽带卫星通信系统的稳定运行起到关键作用[1]。在实践中，Tocm、松下航电等天线均为机械卫星天线，实现了精准地对星，所依托主体为机械伺服系统。此类天线往往要大量使用机械部件，其可靠性较电子部件更低，且赤道附近地区存在星波形畸变，邻星所带来的干扰也因此变得更加明显。只有降低发射功率，才能使干扰水平处于可控范围，其速率必然会受到影响。

第一代2Ku传输技术使用天线为分段阵列式，以全新机载天线为核心。这一设计使天线内部板的共振特性得到增强，真正做到以实际需求为依据，在特定方向对波束进行传播。此类天线的优势体现在：（1）天线辐射图精准度有所提升;（2）邻星所带来的干扰始终处于可控范围;（3）将接收天线与发射天线分开处理，捕捉天线中的不同频段，能够准确获取波段信息，促使传输速率更接近理想水平。但要明确，虽然第一代2Ku传输技术较其他技术有明显进步，信息获取时效性与准确性有所提升，但是其水平面所采用的调整方式仍为机械调整。分析行业发展情况可知，以相控阵天线为代表的全新技术逐渐成熟，技术研究正从实验阶段向商用阶段过渡。

3.2 单脉冲跟踪技术的应用

卫星通信天线在角平面位置存在两个相互重合的波束，在实践应用中，差式单脉冲通过对波束的和差分析与处理，可实现对角误差信号的有效捕捉。机载宽带卫星通信系统处于时刻运行中，实现对信号的精准识别是技术难题。在具体应用环节，可以使用全球定位系统（Global Position System，GPS）或惯导信号信息引导天线快速捕捉卫星，确保机载宽带卫星通信系统的稳定性。随着数字通信技术的发展，目前在卫星信号追踪中使用了单脉冲跟踪技术，单个接受脉冲即可获得目标信息，信号捕捉能力得到显著增强。使用单脉冲跟踪技术对通信系统进行优化，能够扩大信号获取范围，满足技术升级的要求[2]。

4 技术发展趋势

卫星通信系统未来发展趋势和方向主要是Ka频段和HTS技术应用，但是目前我国在此方面的相关研究还不够深入，尚不具备商用条件。因此，如何选择机载通信卫星成为航空公司面临的主要问题。

机载通信卫星系统的应用技术升级是行业关注的重点，现阶段已经投入使用的通信卫星系统包括L波段海事卫星通信系统和Ku波段的宽带卫星通信系统。在宽带天地互联链路技术选择上，需要在考虑监管政策、技术发展和机载硬件等实际条件的基础上，对其进行进一步的升级与完善，而对相关技术的应用只能在试运行阶段开展。为保障机载宽带卫星通信系统的稳定性，应对技术应用发展方向进行研究，分阶段、分步骤地推进落实技术方案。未来，随着通信技术的发展，可将径向基函数（Radial Basis Function，RBF）神经网络和比例-积分-微分（Proportion Integral Differential，PID）控制器应用在机载宽带卫星通信系统中，实现对通信网络的优化设计，为机载宽带卫星通信的升级提供技术支持[3]。

5 结语

综上所述，在机载宽带卫星通信系统中，应选择使用合适的卫星天线系统、优化单脉冲跟踪技术，并对卫星通信系统宽带通信进行研究，确保技术应用更加安全、稳定。我国卫星通信系统发展需要继续加强技术研发，并对卫星通信系统宽带通信系统进行升级。未来，相关人员应持续关注高吞吐量卫星的应用，研究语音通信适航技术，实现对多个波束的有效覆盖，使得卫星通信的应用范围更加广泛。

[参考文献]

[1]彭向阳，王柯，肖祥，等.大型无人直升机电力线路智能巡检宽带卫星通信系统[J].高电压技术，2019（2）：38-46.

[2]安泽亮，宋高俊，陈慧慧.多波束宽带卫星广播系统的自适应功率分配[J].电讯技术，2018（10）：36-41.

[3]汤辉，邹钦羊，朱立东，等.卫星通信系统多优先级信道预留分配策略[J].太赫兹科学与电子信息学报，2019（5）：34-39.

（编辑 何 琳）