小型数字卫星车系统集成与技术探究

谢兵旺

北京冠华信达科技股份有限公司 北京 100160

引言

小型数字卫星车主要用于临时应急通信，可以快速部署在移动基站、临时指挥中心、野外应急指挥部等通信网络不稳定区域，是移动应急通信的首选设备。小型数字卫星车的技术关键在于灵活快速部署和对抗恶劣天气，比如在一些山地环境中，卫星车需要更高的抗风能力，才能实现快速部署。在恶劣天气下，卫星车还需要更低的功耗和温度要求。

1 小型数字卫星车系统集成

1.1 系统构成

卫星车的通信系统主要由卫星通信设备、天线、车载无线网络系统和地面调度网络五部分组成。卫星通信设备是整个系统的核心部分，主要包括车载卫星天线、车载微波中继、车载终端等设备，是卫星车与地面指挥中心之间的连接纽带，将信息传输至地面指挥中心，为应急救援提供有力保障。

车载卫星通信设备：主要由车载天线、车载微波中继和车载终端三部分组成，实现无线信号传输。车载天线安装在汽车车顶，利用汽车自身的动力，通过汽车内的天线进行无线信号传输，与地面指挥中心进行联系。车载微波中继是指通过卫星来实现的中继系统，用于连接两个相邻基站之间的信号传输。车辆携带两套天线，分别安装在车辆两侧。中继系统主要由星载主设备和地面接入设备两部分组成，采用星载主设备对卫星信号进行放大处理后通过天线进行传播；地面接入设备是指以汽车为载体通过卫星信号进行发射接收的终端设备。天线是卫星车与地面指挥中心之间的连接纽带，通过对信号进行接收处理后将信号转换成射频信号发射出去。车载无线网络系统主要由车载终端、无线接入网关和中央调度平台三部分组成。其中，车载终端用于车内对卫星通信的接入和使用；无线接入网关用于接入网的管理和控制。

1.2 卫星车平台

卫星车平台采用了模块化设计，通过车辆平台、卫星通信设备以及计算机系统的集成，可以满足用户在不同环境下的应用需求。车辆平台模块主要包括：卫星通信设备、车载终端、电源设备、车载电脑（具备Wi-Fi功能）。卫星通信设备安装在车辆顶部，通过卫星天线向地球发送卫星信号，车载终端安装在车辆内部，通过天线发送卫星信号，车载电脑安装在车辆前端，可以接收卫星信号并进行相关处理，并通过接口与车载终端进行数据通信。电源设备主要为车载电源和车载电脑供电。车辆平台模块集成了GPS定位、高清摄像机、音视频采集、远程监控、数字会议等功能。GPS定位功能用于车辆的实时位置信息采集，高清摄像机用于拍摄现场图像，音视频采集功能用于将现场图像和数据通过无线方式回传至指挥中心，远程监控功能可以实现对现场情况的实时监控，并支持录像回放，数字会议功能支持对会议现场进行音视频的实时传输。卫星通信设备用于卫星与地面的双向通信，使用调制解调技术实现将卫星信号调制到地面传输的ISM频段上，同时通过信号处理模块将数字信号转换为模拟信号。通过卫星天线发射到地球同步轨道的卫星上，经过天馈系统向地面传输信号。该系统主要由天线、卫星转发器、调制解调器、时钟系统等组成。天线为圆极化天线，安装在车辆顶部。

音视频采集功能用于将地面传输的视频数据采集后传输至卫星车载电脑，音视频采集模块可采集车内和车外的音频和视频数据，通过无线方式回传至指挥中心。

卫星通信设备用于将现场音视频数据通过无线方式回传至指挥中心。该系统主要由天线、车载终端、传输设备、电源设备和计算机系统等组成。天线安装在车辆顶部，天线工作高度在距地面150～300m之间。

1.3 移动终端

车载终端采用3英寸（1英寸=2.54厘米）触控屏幕，集成GPS、GLONASS、QZSS、北斗SS等多种卫星定位模块，并可通过蓝牙连接手机App，实现实时定位、地图导航等功能。移动终端支持 Android4.4版本以上操作系统，拥有一颗工业级GPS定位芯片，GPS定位精度达到10m以内。车载应急移动指挥系统通过采用 GPS与北斗双卫星定位系统，实时获取车辆位置及轨迹信息，实现车辆实时调度、指挥功能。车载应急移动指挥系统具备高清音视频采集能力和4K/8K超高清视频实时回传能力。在视频接入、编码压缩方面，车载应急移动指挥系统采用了H.264高清压缩编码技术和H.265高压缩比的编码技术，结合4G网络实现了对监控画面的实时回传。车载应急移动指挥系统可与公安、交警等部门的车辆调度、指挥中心进行互联互通。在应急事件发生时，现场指挥长可以通过车载应急移动指挥系统及时了解现场情况并下达命令，同时将现场情况实时回传到视频监控中心，便于事后复盘。车载终端采用“便携式”设计理念，搭载有无线数字收发模块、专业数字音频功放模块及专业音频调音台模块。车载终端内置高清4K解码器，能够实现视频和音频信号的快速解码和播放；内置专业的数字音频功放模块，支持专业的数字音频输出。车载终端不仅可以连接无线数字接收机，还可连接普通有线数字接收机（需另外加装）。同时车载终端可以作为无线数字接收机的数据发射终端使用。该终端采用工业级标准设计，采用超低功耗设计理念和材料结构创新设计思想，符合IP65标准要求，保证了终端的可靠稳定工作。

1.4 卫星天线

卫星天线是卫星车的重要组成部分，承担着信号接收、发送、放大等功能。卫星天线通常由馈源、馈点、波导天线组成。卫星车中的卫星天线主要功能是将卫星信号放大，然后将放大后的信号送到地面。卫星天线的大小直接决定了接收到的信号强度，影响到接收效果。卫星天线可以采用大型单极化或双极化天线，以满足不同频段、不同方向上的信号接收。由于卫星天线具有体积小、重量轻、安装简单等优点，目前卫星车中应用最广泛的是单极化天线。

2 小型数字卫星车技术要点

2.1 通信体制

非正交频分复用是一种先进的数字调制技术，它利用正交的载波来实现高速数据传输，并在频域上把数字信号分成若干个互不重叠的子载波，用数字信号去控制每个子载波，再用数字信号去调制各个子载波，然后把这些子载波分别发送出去。非正交频分复用采用非正交多址接入技术，与正交频分复用相比（采用了带内、带间两种正交性的载波），可以克服频分复用中的“码间串扰”和“符号间干扰”。

高效的数字调制技术：在数字通信系统中，载波信号通常是以较低的频率和较高的功率进行调制。为提高频谱效率，要对信号进行扩频。但当信号频率很高时，由于扩频序列很长，系统带宽会急剧缩小，从而使整个系统的频带利用率下降。为此，必须采用高效的数字调制技术。自适应多址接入：在一组天线上接收到的多个信号在频域上不一定相同。这使得接收天线必须具有自适应波束成形功能。其采用了一种自适应技术来消除这些干扰并提高信噪比。多载波调制：由于数字信号具有很高的频率利用率和频谱利用率，因此多载波调制技术非常适用于数字通信系统中。多载波调制方式能够在数字通信中利用频率复用特性提高频谱效率。直接序列扩频技术：利用信号直接序列扩频的原理来实现高速数据传输，使用户可在通信信道上获得一个很宽的频带进行数据传输，可显著提高系统的容量和信道的可靠性。

2.2 设备参数

卫星车主要采用全向天线，内置功放，采用高性能DSP处理器和数字信号处理器，处理性能稳定，抗干扰能力强。天线尺寸：长280mm×宽210mm×高190mm，具有较高的抗风能力，适用于山地、海边、沙漠等恶劣环境，工作频率：2.4 GHz，天线增益：11dBi，频率范围：433～420MHz，发射功率：≤20W（2×25W），发射功率可调：-30dB～+50dB ，带宽：64kbps/64kbps/256kbps，信道数：16个信道，可根据用户需要任意配置，通信距离：200～300m，通信距离可达10km以上。数字基带速率可达1Gbps，动态码率可达8Mbps，支持宽带数字音频编解码，具有较高的数据处理能力，支持H.264视频流播放，支持4路音频同时输出，具备强大的图像传输能力，具备多路视频实时采集能力[1]。

2.3 功率

卫星车的功率是指天线发射的电磁场与卫星之间的总辐射功率，它与天线性能和车内负载有关。要想得到更大的功率，就需要增大天线和车辆本身的尺寸，这就会增加卫星车的重量，从而增加车辆能耗，所以卫星车功率不能过大。卫星车要达到更高的功率，就必须采用大功率功放电路，由于大功率功放电路和卫星之间存在信号反射、相位差，从而导致信号的衰减，所以卫星车发射功率必须足够大。根据相关数据显示，目前国产小型卫星车发射功率一般为5～7W，可覆盖范围为25km以内。若采用大功率功放电路，不仅会增加系统的重量，而且还会增加卫星车内部的能耗；因此卫星车发射功率应该足够大。发射功率：一般而言，在同等条件下，卫星车天线的发射功率越大，则其覆盖范围越宽。发射功率是决定卫星车覆盖范围大小的主要因素之一，也是限制卫星车体积和重量的主要因素。卫星车发射功率太小，不仅会造成能源浪费，而且会造成卫星车的结构尺寸过大，从而导致卫星车体积和重量过大，影响到系统的重量、能耗等。因此，为了使卫星车能够更好地覆盖用户，应该尽可能地提高卫星车发射功率。一般情况下，对小型数字卫星车而言，发射功率以5W、10W和12W为宜，对于中型数字卫星车而言，发射功率以6W、8W和12W为宜[2]。

2.4 天线的极化方式

卫星车天线的极化方式是指天线本身具有的一个特殊的电磁场，它与卫星之间的信号相位差有关，而与卫星本身不相关。一般情况下，卫星车天线采用单极子和双极子两种极化方式[3]。单极子天线主要用于有源定位，如GPS、GLONASS等系统。双极子天线主要用于小范围通信，如普通对讲机等。对于小型数字卫星车而言，单极子天线和双极子天线都可以满足要求，但由于双极子天线具有更大的能量损耗和更多的传输损耗，所以双极子天线更为适用。由于卫星车内的负载也有功率需求，所以对于双极子天线来说，如果负载太小，则不适合，而对于单极子天线来说，则适合。

2.5 电源系统

小型数字卫星车一般采用交流电源供电，同时配置锂离子电池作为应急通信设备的备用电源，以保证在电池电量不足时可及时更换。小型数字卫星车一般采用两组直流/交流电源，一组用于车载控制系统供电，另一组用于车载设备供电。为了保证系统的稳定工作，需要配置蓄电池组作为后备电源，当车载控制系统故障或其他原因导致不能正常工作时，备用电源可以随时启动，保障车载设备正常工作。为了保证电池寿命，锂离子电池要定期更换。锂离子电池一般使用寿命为2～3年左右，超过此年限，应及时更换新的锂离子电池。由于锂离子电池具有自放电率低、寿命长、放电不均衡等优点，因此，在设计小型数字卫星车时要充分考虑锂离子电池的使用寿命和安全可靠问题。此外，小型数字卫星车还需要配置一定数量的直流/交流转换开关（通常为4-6个）和辅助电源模块（通常为4-6个），辅助电源模块用于为车载设备供电。

3 结束语

在当前时代背景下，合理使用小型数字卫星车有着重要的意义，小型数字卫星车主要用于临时应急通信，可以快速部署在移动基站、临时指挥中心、野外应急指挥部等通信网络不稳定区域，是移动应急通信的首选设备。