量ａ竹技２０１１年第２４卷第１０期ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｃｉ．＆Ｔｅｃｋ／Ｏｃｔ．１５．２０１１机载Ｋｕ、Ｋａ频段卫星通信系统综述艾文光１，赵大勇２，邓军２（１．中国电子科技集团公司第３９研究所，陕西西安７１００６５；２．空军装备研究院通信导航与指挥自动化研究所，北京１０００８５）摘要叙述了Ｋｕ频段和ｌ（ａ频段机载卫星通信系统的国内外发展现状，列举了几个典型的卫星通信系统技术指标，并简述了研制杌载卫星通信系统应注意的事项和技术途径，其中包括选择天线系统形式，合理分配系统指标，消除多普勒效应的影响等。关键词机栽卫星通信系统；Ｋｕ频段；Ｋａ频段中图分类号ＴＮ９２７＋．２；Ｖ２１７文献标识码Ａ文章编号１００７—７８２０（２０１１）１１—１３８—０３ＲｅｖｉｅｗｏｆｔｈｅＡｉｒｂｏｒｎｅＫｕａｎｄＫａ．ｂａｎｄＳａｔｅｌｌｉｔｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍＡＩＷｅｎｇｕａｎ９１，ＺＨＡＯＤａｙｏｎ９２，ＤＥＮＧＪｕｎ２（１．Ｎｏ．３９ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＧｒｏｕｐＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｘｉ’ａｎ７１００６５，Ｃｈｉｎａ；２，ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＮａｖｉｇａｔｉｏｎａｎｄＣｏｍｍａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＡｃａｄｅｍｙｏｆＡｉｒＦｏｒｃｅＥｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８５，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｉｓｐａｐｅｒｒｅｖｉｅｗｓａｔｈｅＫｕ－ｂａｎｄａｎｄＫａ－ｂａｎｄａｉｒｂｏｒｎｅｓａｔｅｌｌｉｔｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂｏｔｈａｔｈｏｍｅｏｕｒａｎｄａｂｒｏａｄ，ｃｉｔｅｓａｔｔｅｎｔｉｏｎｆｅｗｔｙｐｉｃａｌｓａｔｅｌｌｉｔｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ，ａｎｄｏｕｔｌｉｎｅｓｍａｔｔｅｒｓｔｈａｔｄｅｓｅｒｖｅａｎｄｓｏｍｅｔｅｃｈｎｉｃａｌａｐｐｒｏａｃｈｅｓｉｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｉｒｂｏｒｎｅｓａｔｅｌｌｉｔｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｓｙｓｔｅｍｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｉｍｐａｃｔｃｈｏｏｓｉｎｇｔｈｅｆｏｒｍｏｆａｎｔｅｎｎａｓｙｓｔｅｍ，ｒｅａｓｏｎａｂｌｙａｌｌｏｃａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ，ａｎｄｅｌｉｍｉｎａｔｉｎｇｔｈｅＤｏｐｐｌｅｒｅｆｆｅｃｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓａｉｒｂｏｒｎｅｓａｔｅｌｌｉｔｅｏｆｔｈｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｓｙｓｔｅｍｓ；Ｋｕ—ｂａｎｄ；Ｋａ－ｂａｎｄ；ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｔａｔｕｓ传统的机载超短波或短波通信存在信息速率低、传输容量小、通信范围覆盖小，通信质量不稳定等弱点；而机载卫星通信具备通信容量大、机动灵活、覆盖面积大等优势，因而受到国内外业界的关注。由于卫星资源和载机条件的，以往机载卫星通信应用并不广泛。随着技术的发展，已解决了卫星移动点波束、抗干扰、双向ＩＰ宽带等技术问题；同时，机载天线的自动跟踪、小型化等技术也已成熟，冈此机载卫星通信系统越来越受到军事通信领域的关注，同时机载卫星通信系统也有着巨大的民用价值。１级和战役级…，战术级机载站工作于ＵＨＦ频段，一般用于战略轰炸机和大型运输机的远程通信指挥；战役级机载站工作于Ｋａ和Ｋｕ频段，主要用于预警机和空中指挥所飞机的远程预警信息和指挥控制信息。美国全球鹰无人飞机上装备的卫星通信系统是机载Ｋｕ频段卫星通信典型的军事应用。全球鹰无人飞机上装备了多种通信系统（２］，如表１所示。其中机械座架的卫星通信天线为抛物面天线，发送速率最高可达５０Ｍｂｉｔ·ｓ～，通过卫星中继，可以在全球范围内任何位置与总部交互数据。３］，卫星通信天线的安装位置如图ｌ所示。机载Ｋｕ频段卫星通信美国空军现役机载卫星通信系统一般分为战术表ｌ全球鹰无人飞机上的通信链路收稿日期：２０１ｌ一０９．２２作者简介：艾文光（１９７ｌ一），男，硕士，高级工程师。研究方民用应用如ＯＲＢＩＴ公司ＡＬ一１６１４机载通信系统‘４｜，在空客Ａ３４０—６００飞机上进行了测试，符合ＲＴＣＡ一１６０Ｄ适航要求，天线直径为Ｏ．３７ｍ，主要技术指标如表２所示，组成框图及外观如图２所示。向：机载卫星通信系统，伺服控制技术。赵大勇（１９７仁），男，博士，高级工程师。研究方向：航空电子设备研制和系统集成。邓军（１９８２～），男，硕士，工程师。研究方向：信息处理。１３８————————ＷＷＷ．ｄｉｏｎｚｉｋｅｊｉ．ｏｒｇ————————芟女光．＃：机羲Ｋｕ、Ｋａ抽＆１９通信｝‰镕连…ｔ２≮蔷：．冀：’。“嚣淼竺Ｍｂｉｔ。．’“嚣篡ｌ器：拦：嚣：￡黧娄鉴一ＰＳＫＦＭ，ＡＭ；＝¨国内机载Ｋｕ频段卫星通信在特殊领域上有所应用，主要在２０００年以后，目前在公开资料上介绍较少。某测控机载卫星通信系统工作频段为‰频段，传目】“仝４＾”ｚ人机１１ｍ镕＾＆女《隹ｉ辕速率为双向６４ｋｂｉｔ·日．可扩展到５１２ｋｂｉｔ－ｓ～。改＾２装机型为运输机”。ＡＬ一１６１４ｍ《Ⅲ口￥《ｔ％☆＃＆＃１４０一㈣５№＃＆】０无人机测控与信息传输卫星中继数据链以Ｋｕ频７一１２７５Ｇ｝ｂ段为主用链路．ＵＨＦ频段为备用链路，信息速率为上＆＆ｍ行６４ｋｂｌ…，下行（２５６／２０４８）ｋｂｉｔ·ｓ，类似美“ｄＢｗ国全球鹰无人飞机的卫星通信系统”Ｊ。￡＊３２ｄＳｉ（１＾≈）《ｎ３００ｄＢｉ（Ｉｌ２５）某型机载Ｋｕ频段的卫星通信系统，改装机型为大０５ｄＢ／Ｋ型运输机，该最统主要技术指标与国外产品大体相当。６ｄＢ（＃Ⅲｍ）２Ｋａ频段卫星通信２５Ｗ￡＃ｊ１２ｋｈｉｌ＾１《ｎ３Ｍｂｉｔ３。随着卫星制造技术和毫米波技术的发展，机载卫星通信向ｌ（ａ频段发展已成为可能，可用频率扩展，星上采用星问链路、抗干扰技术，采用扩频、跳频技术。具有强的抗干扰能力。另外，Ｋａ频段卫星渡束可以形成移动的点渡求，灵活机动；ｌ（ａ频段频率抗电离层闪烁能力，电渡在核爆炸后能较快恢复到正常状态，因而在军事通信领域受到高度重视ｍ·。美事星（ｂｌｉＬｓｔａｔ）系统是最早使用Ｋａ频段的军Ｊ｝ｊ卫星系统．是美军ｃ４ＩＳＲ的核心，可提供高码率的语音、数据和附像信息”’。军事星有５０个ｂ频段转发器，上行频率为４３５－４５５ＧＨｚ：下行频率２０２～２１２ＣＨｚ。军事星卫星通信系统分为低数据宰（ＬＤＲ）和中数据率（ＭＤＲ），ＬＤＲ可以提供０５Ｗｏｉｔ·ｓ“的１９２个信道的数据通信，ＭＤＲ可以提供ｌ５４４Ｍｂｉｔｓ１的３２个信道的数据通信。由于Ｋａ频段的频率高、波束程窄，具备较强的抗截获能力；同时．机载站天线尺寸小、终端小型化，更适宜在。ｂ机上安装。民爿ｊＫａ频段的应用目前太多在试验阶段，如日本在基于该国的通信于广播试验卫星（ＣＯＭＥＴＳ）上进行Ｋ８频段航空卫星通信的试验系统”’。该试验系统在飞机的客舱后部ｆｌ，）安装了一幅具有开环卫星跟踪能力的Ｋａ频段有源相目２ＡＩ．一１６ｔ４“＃通＊｝‰＃目豆＂现控阵天线。系统的传输试验表明：当飞机以６００ｋｒａ／ｈ的巡航速度飞行时，接收信号的功率峰峰值稳定在——ｗｗｗｄｌａｎｚｉｋｅＪＩｏｆ９——１３９艾文光，等：机载Ｋｕ、Ｋａ频段卫星通信系统综述ｌｄＢ内；在天线的波束指向方向，来自机翼的反射波比置合理的捕获带宽并对频率变化快速跟随，同时采用高增益纠错方式，降低解调门限载噪比。对于消除多普勒频移，常用的方法有两种¨３ｌ：一种是导频法，即由地面站发射已知的标准频率，经卫星转发后由机载站自动频率控制环进行校正；另一种方式是利用机载惯导设备的数据，计算出飞机的速度，并由此对机载站的收发频率进行多普勒校正。在机载卫星通信系统设计中，还需要考虑具体的工程问题：（１）采用低抛面天线并优选卫星通信天绂在飞机上的安装位置。合理的安装位置可以减少飞杌机体对天线的遮挡，优化天线罩气动外形可以提高飞机操稳特性，并降低飞行油耗、提高续航时间。（２）电子设备小型化，并提高设备可靠性。采用符合ＧＪＢ４４１标准的ＡＴＲ机箱，可以有效利用空间，完成设备的／Ｊ、型化；标准化的结构还可以降低维修维护成本；同时碱少飞机设计师与设备设计师之间的协调工作，缩短韧制周期。（３）重视电磁兼容设计，避开与其他机载设备的电磁干扰，保证系统电磁兼容，必要时采用任务规划和频谱管理措施。参考文献［１］夏牧．未来军用飞机的卫星通信［Ｊ］．外军研究，２００４（３）：直射波的功率要低１８．５ｄＢ；为验证链路设计的准确性，在飞机飞越两个卫星天线波束时，测量ＣＯＭＥＴＳ的星载多波速天线的方向图，表明星载天线的方向图与卫星发射前的地面测试结果一致。对于Ｋａ频段的卫星通信系统天线，大型飞机上安装可以采用机械座架结构的天线；对于作战飞机或无人机而言，机载共形相控阵天线具有良好的空气动力学特性。由于机载卫星移动通信系统，其天线波束必须覆盖上半球面，单个相控阵天线很难满足要求，必须通过多个共形天线阵组合实现，因而天线单元数很多，对波束控制极其复杂∽ｊ，振子数量要求和天线的增益关系见图３所示¨引。由于天线成本与单元数成正比，现在单个２０ＧＨｚ单元的成本大约５０～１５０美元，４４ＧＨｚ单元的成本大约８０～２５０美元【１１１，因此相控阵天线总成本会很高。２５２０了Ｚ·１５∞≈蠢１０爸５０酽…Ｉ…＿…＇＇…’｜’雇乏≥？．一？≯譬喾薹一００扫描角度·●一４ｒ扫描角度一∞。扫描角度一７００扫描角度—·一８００扫描角度＋含阿轻１１８最低譬求ｄＢ／Ｋ）４９—６２．一禁攀糕…脒，［２］王永寿．无人机的通信技术［Ｊ］．飞航导弹，２００５（２）：２１—２２．２７．图３振子数量和天线的增益关系（２０ＧＨｚ）［３］［４］王德．美国无人机路线图中的无人机通信技术与通用性的标准［Ｊ］．飞航导弹，２００６（７）：２０—２４．ＯｒｂｉｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＧｒｏｕｐ．ＡＬ一１６１４ＴｘＲｘＫｕ—ＢａｎｄＡｉｒ．３发展展望目前我国尚未规划专门用于移动载体通信用的卫Ｓｙｓｔｅｍ［ＥＢ／ＯＬ］．（２００７—０５一１１）［２０１１－０３—２５］ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｏｒｂｉｔ—ｍａｒｉｎｅ．ｃｏｒｎ．［５］杨威．机载卫星通信技术发展及应用分析［Ｊ］．卫星应用，２００３（２）：３０—３５．ｂｏｒｎｅＳａｔｃｏｍＡｎｔｅｎｎａ星通信的频段【ｌ２｜，也没有专用于移动卫星通信的卫星，因此目前移动卫星通信利用于固定卫星业务的现有卫星是唯一选择。由于Ｋｕ频段或Ｋａ频段频率相对频率较高、相同速率情况下具有天线口径小、信息速率高、抗干扰能力强等优点，因此，机载卫星移动通信系统宜使用Ｋｕ频段或Ｋａ频段频率。由于相控阵天线总成本高，采用机械座架结构比较经济。在机载卫星通信系统中，高增益的机载天线波束宽度很窄，为能克服飞机载体扰动、偏航及横滚，即使飞机在高速飞行、非常颠簸的条件下，天线也能始终准确指向卫星，需要高精度的伺服系统，这样机载天线的伺服系统相当复杂。伺服系统是机载天线确保通信信道畅通的重要环节，需要研制高跟踪精度和高可靠性的伺服系统。注意消除多普勒效应的影响：由于飞机高速移动，特别在Ｋａ频段下，多普勒频移在信道速率低的情况下，对信号的解调和恢复都会产生严重影响，这需要设［８］［６］［７］郑同良．“军事星”卫星通信系统综述［Ｊ］．航天电子列抗，２００５（３）：５１—５３．康学海，艾文光，程会博．Ｋａ频段卫星通信新技术发展与研究成果［Ｃ］．昆明：第七届卫星通信新技术新业务学术年会，２０１ｌ：１４９—１５３．夏牧．日本在通信与广播—ｒ程试验卫星上的ｌ（ａ频段航空卫星通信试验［Ｊ］．通信导航与ｊ酱挥自动化，２００６（５）：７７—８５．［９］ＭＩＵＲＡＡ，ＹＡＭＡＭＯＴＯｓ。ＯＢＡＲＡ，Ｎ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａ‰一ｂａｎｄａｃｔｉｖｅｐｈａｓｅｄａｒｒａｙａｎｔｅｎｎａｆｏｒｍｏｂｉｌｅＳＡＴＣＯＭｓｔａ－ｔｉｏｎｓ［ｃ］．Ｉｎｄｉａ：Ｖｅｈｉｃｕｌａｒ８１４—８１８．ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，１９９９：『１０］ＷＩＬＬＩＡＭＧＣ．ＧｌｏｂａｌｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙｔｏａｅｒｏｓｐａｃｅｆｏｒｃｅｓＶｉａＳＡＴＣＯＭ［ＥＢ／ＯＬ］．（２００９—０８—１１）［２０１１—０５一１１］ｈｔ－ｔｐ：／／ｗｗｗ．ｄｏｄｃｃｒｐ．ｏｒｇ／ｅｖｅｎｔｓ．［１１］ＰＡｕＬＪ０．ＡＦＲＬ／ＩＦＧＣ，ＧＢＳ／ｍｉｌｓｔａｒａｉｒｂｏｒｎｅａｎｔｅｎｎａｌ［ＥＢ／ＯＬ］．（２００９—０ｌ—１２）［２０１１—０３—３０］ｈｔｔｐ：／／ＷＷＷ．ｉｔｓ．ｂｌｄｒｄｏｃ．ｇｏｖ／ｉｓａｒｔ／ａｒｔ９９／ｓｌｉｄｅｓ９９．［１２］全庆一，胡健栋．卫星移动通信［Ｍ］．北京：北京邮电大学出版社．２０００．［１３］霍曼．飞速发展的航空电子［Ｍ］．北京：航空工业出版社。２００７．１４０——ｗｗｗ．ｄｌａｎｚｉｋｅｊｉ．ｏｒｇ——机载Ku、Ka频段卫星通信系统综述
作者：作者单位：
艾文光， 赵大勇， 邓军
艾文光(中国电子科技集团公司第39研究所,陕西西安 710065)， 赵大勇,邓军(空军装备研究院通信导航与指挥自动化研究所,北京 100085)
引用本文格式：艾文光.赵大勇.邓军 机载Ku、Ka频段卫星通信系统综述[会议论文] 2011
