机载宽带卫星通信系统技术分析

机载宽带卫星通信系统的构建，是促进我国航空航天事业快速发展的关键，有利于提升通信便捷性的同时，保障信号的良好传输质量，促进覆盖范围的扩增。机载宽带卫星通信系统的组成及运行原理具有一定复杂性，因此在系统运行中需要加强相关技术的优化，以实现业务拓展，满足未来发展要求。本文将对机载宽带卫星通信系统的基本组成和发展现状进行分析，探索机载宽带卫星通信系统的信道特性及关键技术，研究系统设计方案，为实践工作提供参考。近年来，机载宽带卫星通信系统的功能不断完善，尤其是随着多种先进技术的应用，其通信容量得到扩增，在实践工作中具有较强的灵活性。为了能够满足机载宽带卫星通信系统的运行需求，必须加强新技术手段的引进与应用。尤其是在军用飞机和大型喷气机当中，对于卫星通信设备的运行性能要求较高，应该充分发挥宽带卫星通信的优势，保障良好的传输效率与质量。

1机载宽带卫星通信系统的信道特性

1.1损耗传输。在自由空间当中往往出现损耗传输的现象，单位增益存在于发射天线和接收天线当中，根据相关公式对损耗传输量进行计算。虽然在大气层中的损耗相对不高，但是也会存在较大的变化情况，尤其是容易受到天气因素的影响，包括了云、雾、降雪、降雨等等，导致损耗量上升。尤其是会受到恶劣天气的影响，导致通信中断的问题出现。由于天气因素具有不确定性，因此对于损耗的估计也会存在较大难度。在损耗传输中，降雨的影响相对较大，尤其是在降雨天气下会导致电磁波的传输强度出现下降。在系统应用当中，应该综合考量该地区的气候特征并做好降雨时间的有效预测，保障数据服务的可靠性。1.2电离层闪烁和大气闪烁。卫星信号的强度会产生不规律的变化，这主要是受到折射率的影响，进而引发大气闪烁的现象。无线电相位和振幅等，会受到不均匀电子游动的影响，出现较大幅度的变化，进而导致电离层闪烁的现象。为了能够对电离层闪烁和大气闪烁的问题进行处理，可以应用时间分集、编码分集和添加余量等措施。1.3大气折射。无线电在通过大气层时，信号的仰角会由于折射现象的存在而升高，而受到大气层的影响其折射率也不尽相同，因此在凹透镜效应下发生散焦损耗问题。因此，天气因素不会对大气折射产生影响，在设计工作当中应该明确其低仰角问题，增强系统的功能。1.4机身反射与阴影效应。很多飞机的机体相对较大，包括了民用航空飞机和军用侦察机等，因此飞机接收机当中会有发射信号的进入，导致机载宽带卫星通信系统在运行中受到较大的干扰，这就是机身反射效应。无线电波的电平会由于地面障碍物的存在而下降，进而干扰飞机信号的传播，阴影效应会出现在低空飞行当中，不会出现在巡航当中。

2机载宽带卫星通信系统的关键技术

2.1天线技术。应用切割抛物面天线时，能够获得较高的增益，在结构形式上也十分简单，而且自重较轻。但是，在馈源赋形设计上也存在较大的挑战，而且当天线的口径较小时也会出现遮挡问题，具有较高的天线剖面。在应用抛物柱面天线时，能够有效解决切割抛物面天线中的遮挡问题和高剖面问题，20°-70°为该类型天线的俯仰面工作范围，因此当仰角较大或者较小时会存在一定的限制，其自重相对较大。在应用抛物面聚焦天线时，能够有效降低自重，获得较好的增益效果，避免复杂结构对工作造成的影响。应用一线平板相控阵天线，采用机械转动的方式控制方位，具有较低的天线剖面，而且采用了电子扫描的方式。但是，由于收发天线是独立设置，而且具有较大的尺寸，3dB扫描损失的问题也会对机载宽带卫星通信系统的运行产生影响。两维相控阵天线能够实现共形设计，增强机载宽带卫星通信系统的适用性，同样存在外形较大、收发天线独立设置和3dB扫描损失的问题，同时在应用该类型天线时需要较大的成本投入，调整极化面时遇到诸多阻碍。平板阵列天线也是机载宽带卫星通信系统中的常用天线类型，其特点是具有较低的剖面和小尺寸，在设计时真正实现了集成化和一体化，在当前各领域中的技术成熟度相对较高，但是也具有较为复杂的结构形式。2.2跟踪技术。电子波束扫描、单脉冲和程序+步进等，是当前机载宽带卫星通信系统中的常见跟踪技术类型。当天线对于跟踪速度的要求较高时，可以采用单脉冲的形式，能够满足较大的飞行姿态变化要求，同时促进精度的提升。尤其是在剧烈的变化中也能保持良好的跟踪效果，提升了天线增益的利用率。当天线对于姿态的稳定性要求较高时，可以采用电子波束扫描的跟踪方式，也通常应用于难以产生电子波束的情况当中，以保障机载宽带卫星通信系统的良好运行效果。该跟踪方式在设计上相对简便，有利于工作效率的提升。机械式圆锥扫描的方式在机载宽带卫星通信系统跟踪中也较为常见，尤其是当天线具有较为稳定的姿态且处于低频段时可以应用。该方式的天线增益利用率相对不高，在高动态跟踪中存在局限性。当机载宽带卫星通信系统天线处于低频段时可以采用程序+进步的跟踪方式，具有系统设计简单的特点，尤其是出现遮挡时能够在去除后及时恢复通信。2.3飞行性能与卫星天线的关系。安装通信站时通常在外部完成天线的安装，包括了机头位置和上部位置等，能够防止障碍物对天线造成遮挡，以保障良好的通信质量。为了防止在飞行中由于天线的存在而产生较大的阻力，在设计时可以采用流线型天线的形式。在应用流线型天线时，需要对飞机形态加以针对性设计。信号的传输速度会随着天线尺寸的增大而提升，因此在设计过程中也应该加强对天线尺寸的合理设计，从而协调重量与信号传输质量之间的关系。2.4机载设备重量体积和功率的限制。在机载设备的应用当中，应该考虑到质量、体积和功耗限制等因素的影响，尤其是在系统设计和设备研制的过程中，应该加强各要素的有效协调与平衡。模块化设计的方式在机载设备中较为常用，能够对其体积和质量加以控制，防止由于过多设备及功能对机载宽带卫星通信系统运行效率造成影响。为了能够有效控制系统的功耗，可以在设计中使用低功耗芯片。尤其是在小型飞机的机载宽带卫星通信系统当中，更应该严格控制功耗、质量和体积。2.5多普勒频移和噪声消除。在机载宽带卫星通信系统的应用中，由于存在较为快速的相对运动情况，因此为了保障接收方和发送方的良好通信状况，还应该考虑到多普勒效应对信号接收的影响，实现对信号中多普勒频偏成分的有效控制。卫星频率也会受到一定的限制，噪声存在于信号的长距离传输过程中，这也会对信号的传输造成严重影响，使得接收系统的接收功能和处理功能受到抑制。多普勒频移变化速率也会由于飞机的飞行速度变化和姿态变化而出现。在锁定载波时通常采用锁相环，能够实现对噪声的有效控制。2.6实例分析。方案设计：特性机载宽带卫星通信系统会受到外界多种因素的影响，包括了电离层的闪烁现象、大气折射现象和机身反射损耗传输等等。因此在方案设计当中除了要对天线进行合理选择外，还应该根据天线的基本特征选择合适的跟踪技术，促进设计力度的增强，充分发挥系统关键技术的优势特点。利用系统中心交换控制服务器对语音呼叫进行按需分发，满足无线通信联网系统的功能要求。VHF网关：在语音集群通信时，可以借助于IP网络通信技术和VHF通信技术，满足对制式的要求。VHF电台是平台中的关键组成，通过VHF网关的应用，能够满足系统的互通互联需求，与VHF手持台和附近作业船当中的VHF船载台进行有效通信。在连接陆地指挥中心管理台时，主要依靠海油IP专网，这就需要加强对VHF融合网关IP接口的合理设计。无线通信联网系统中心服务器应用于陆地指挥中心当中，为数据的传输和存储等提供保障，在平台与、处理厂、指挥中心、作业船进行通信的过程中，还要依靠管理调度平台。通信组规划及有线调度台功能规划：在对用户进行分组时需要以区域和部门为依据，有线调度台功能具有多样化特征，包括了呼叫转移、数字信令、全呼、组呼、单呼、广播呼叫、录音文件回放、监听和动态充足等等。集群对讲与调度、模式通信：单呼的方式应用于目标平台和陆地指挥中心当中，多选呼应用于多个目标平台与陆地指挥中心当中，全呼应用于所有平台和陆地指挥中心之间，监听功能的实现，有利于实现对目标平台的有效控制。通信终端可以由融合网关替代，连接在网关当中的VHF则可以通过网络呼叫陆地指挥中心，包含了多选呼、监听、全呼、单呼等多种通信方式，增进了陆地指挥中心与目标平台的沟通交流，为远程通信提供可靠保障。可视化图像信息展示：对基本信息和经纬坐标系加以采集，其中基本信息包含了平台的人员信息、设备信息、图片展示和采油量等等，对场景进行可视化模拟，在地图中完成有效嵌入。由于集中控制技术与数字化技术的应用，能够有效保障通信的安全性，同时促进语音质量的提升，满足多业务功能需求。同时，在频谱效率和信道互联中也具有明显的优势。在该系统设计当中，融合了集群对讲调度系统、VHF网关和图像化展示平台，能够在指挥调度中应用多种呼叫形式，增强对讲系统的群组化、数字化和可视化特征，保障在管理和调度中更具统一性。尤其是存在紧急状况时，能够采用直接对讲通信的方式对指挥调度加以辅助。在呼叫调度操作当中，借助于电子地图和可视化图像展示平台等，能够保障良好的直观性，促进通信效率的提升。对于语音能够实现自动化记录，实现对突发事件的深入分析及总结。

机载宽带卫星通信系统的应用，能够为通信质量与效率的提升奠定基础，在系统应用中应该明确其运行原理及特点，同时掌握多种天线技术及跟踪技术，通过对比分析选择可靠的技术类型，实现系统功能的有效优化。同时，明确飞行性能与卫星天线的关系、机载设备重量体积和功率的限制以及多普勒频移和噪声消除方法，真正发挥系统功能优势。

作者:张越 贺轶斐 范彬 汤彧 骆乐 单位:1.南京熊猫汉达科技有限公司 2.陆军装备部航空军事代表局驻上海地区航空军事代表室 3.南京熊猫汉达科技有限公司