高通量便携式卫星通信系统的重要性

高通量便携式卫星通信系统的重要性

吴拥军  陶亚军

中国电信股份有限公司安徽传输线路维护局，安徽合肥230041

摘要：本文首先介绍卫星通信系统的主要优缺点。讲述便携卫星系统的通信原理和系统结构，着重分析高通量便携卫星的应用。在了解结构和原理的基础上，通过实践性、可靠性、循环性、经济性等方面可以看出高通量便携卫星系统应用的重要性。并说明我国目前高通量便携卫星通信系统的发展方向和趋势。

关键词：卫星通信系统；原理；应用

1、绪论

当今世界，信息成为一种重要的战略资源，特别是随着5G时代的到来，推动着信息科学的进步。卫星通信将弥补传统网络的不足之处，完成任意人在全球任意地方、任意时间进行任意方式的通信。

卫星通信发展初始，卫星通信（系统）以其通信距离远，具有多址联接能力等主要特点获得广大人群认可与选择，在重大外交、赛事（转播）中得到发挥作用。在民用信息传输领域获得了普遍的运用。但是，当地震来临，暴雨来袭，特大洪水灾害突然发生。突发疑难重疾，急需多学科远程医学手术进行，应急救援行动，乃至国防建设的格局部署的需要。传统的卫星通信技术是否都能丝毫无压力应对？

我国是人口大国，且人口分布不均匀。但是人们对于网络的需求是一样的，特别是近几年受全球疫情影响，人们的生活、工作已经不能离开网络资源的支持，在人口密集的东部，地面网络可以提供大带宽、高容量、低成本的以太网，而在我国西部地区，高通量的卫星网络很好的弥补了人们的网络需求。随着卫星设备技术的更新，网络的普及，牵引宽带多媒体接入商业的应用，对于推进天地一体化网络布局极具基础作用和深远的意义。在这些系统性全局性实际需要的应用场景下。当传统卫星系统满足不了通信质量与通信实时同步高精度要求的情况，又怎样去实现信息高带宽低延迟（接近零延迟）传播的突破与技术飞跃呢？

2、卫星通信基本原理

卫星通讯是指地球上（地面、水面和低层大气中）的无线电地球站之间与用人造卫星作中继站而进行的通信。在卫星的信号覆盖区域以内，通信不受距离影响。

图1 卫星通信原理

2.1我国卫星通信简介

上世纪70年代，中国发射了第一颗人造地球卫星——东方红一号，其质量超过了前苏联、美国、法国和日本四国第一颗人造地球卫星的总和。所以说，我国的卫星技术是在一个高的水平上发展，但较之其他掌握卫星通信的美国，俄罗斯，起步时间比较晚。

图2 高通量卫星应用趋势

高通量卫星诞生后，我国历经收购运营和自主研制阶段，快速发展起了高通量卫星事业。

我国目前最具代表力的一颗高通量卫星亚太6D于2020年7月9日20点11分成功发射，

是我国高通量通信卫星研制能力达到国际先进水平的一面崭新旗帜和闪亮名片。

图3 亚太6D技术参数

亚太星通于深圳卫星关口站利用1米陆地便携站，在亚太6D卫星1号波束下进行大带宽速度试验。前向速率能够达到280Mbps；返向采用32APSK 3/4的调制方式，回传速率居然达到了令人瞠目结舌的195Mbps，超过了我国卫星通信行业的最高回传速率数据，这使得亚太6D卫星的卓越性能得以彰显。

图4 卫星通信系统的应用

目前我国高通量同步轨道卫星的发展已经具备国际先进水平，特别是中国电信集团在应急卫星系统的应用也是与时俱进，卫星应急系统专人负责，在具备了多年的卫星设备及系统使用的基础上，积极学习，努力创新。从只使用单个卫星资源到多个卫星资源，从C频段到KU和KA频段，从2G到5G的快速发展，从理论到实践，无一不反应中国电信时代责任。

2.2便携式卫星通信系统的结构与组网

便携式地球站卫星通信系统可以从天线分系统、伺服控制系统和远程监控系统这三大系统来进行研究。

图5

便携式卫星通信地球站、高通量卫星与其他地面站之间形成了卫星通信网络，该网络是以高通量卫星为核心通过星状组网联成的，实现如电话、图像互传、可视通话、视频会议、无线网络等功能，被广泛应用在抢险救灾、探险勘探、军事等应急突发事件和特殊通信方面。

3、高通量便携式卫星通信系统的工作原理

3.1系统工作原理

高通量卫星，在同等带宽条件下，数据吞吐量能达到相较传统通信卫星几倍甚至几十倍。         

图6 卫星星状组网

在技术设计上，高通量卫星集成了多点波束和频率复用技术。

图7 传输链路

多点波束技术是通过将覆盖区域分割为多个互不重叠的点波束范围，波束的宽度对天线增益有一定影响，波束的宽度越窄则天线的增益越高。同时将卫星的可用频带也分成一定数量的子段波，所有点波束之间可以实现子波段复用，在不相邻的点波束之间，不同用户都可以出于不同目的使用相同频率同时进行同时通信，每个波束可使用的频率范围并没有发生改变，但同样的频率在不同的波束内得到了重复的使用，大大提高了卫星的通信容量。

图8 高通量卫星与传统卫星波束技术比较

3.2系统组成结构

高通量便携式卫星通信系统在空间上可分成空间段、地面段和用户段。系统工作频段为Ku和Ka频段，用户链路一般由具体需要来决定。空间段为一颗高通量通信卫星，多为同步静止轨道卫星；地面段指建于地球表面用来监测和控制卫星的关口站和控制中心；用户段则是能够接收和发射无线电信号的终端，在本系统中为便携式地球站。

图9 高通量便携式卫星通信系统应用

图10 高通量便携式卫星站原理图

3.2.1电子信息分系统

系统内部构建一套以交换机为核心的10/100M以太网络，所有基于IP的设备均可通过交换机实现数据交换。

图11 系统内部连接示意图

图12 信息采集子系统连接图

4、高通量便携式卫星通信系统的应用

4.1卫星调制解调器系统

随着芯片技术的发展，超大规模集成电路，现场可编程门阵列芯片的升级，卫星调制解调器的功能也得到了很大程度的提升，同时体积也逐步减小，质量减轻，从功耗节能层面来讲也有很大程度的进步。这样就能很好的简化通信单元模块，高密度集成，卫星天线系统和卫星通信系统，做到真的意思上便携，为应用层提供良好的使用体验和可靠性保证。

下面我们做一下卫星调制解调器的技术对比：

表1 卫星调制解调器的技术对比

  通过上面三个重要指标我们不难发现超大规模集成电路和芯片的发展对设备的更新的重要性。                 

    再举例说明，十年前的便携卫星通信系统，体积为2立方米，分为三个箱子，重量在一百公斤，线缆众多，适应起来比较繁多，建立卫星通信链路时间约为20分钟到30个小时。而现在的高通量便携卫星系统，将卫星调试解调器、音视频会议终端、交换设备、路由器等全部集成在卫星天线里，形成一个整体，体积和重量均较小一半以上，去除了繁琐的线缆连接，提高了可靠性，减少了用户使用建立卫星链路的时间，实现了简单，便捷，可靠的应用体验。

图13 调制解调器总体方案设计

4.2便携式卫星天线系统

便携式卫星通信站，主要是用于多种应急通信系统。我国有着许多条件恶劣的地区，若受到地震，滑坡泥石流等灾害则会更为严重，一般的车载卫星站无法进入到灾害现场，这时就需要便携站出场。

图14 便携式卫星天线结构

图15 YJSC-10超轻型卫星便携站

便携式卫星通信地球站体积小，重量轻，设计简洁、操作简单等优势，可以无误的全自动搜索，经过简单培训的通信技术人员就能够熟练操作，在3分钟内搭建卫星通信，形成通信链路，这使其在应急通信中发挥着重要作用。我国的便携站技术也发展迅速，如上图，超轻型卫星便携站（产品型号：YJSC-10），完全国产化、相控阵天线、纯中文操作界面，整站重量仅仅为5.5Kg，非常的小巧以便于携带。

当紧急情况发生的时候，通信人员能够将此设备带入现场，快速启动，搭建通信链路，恢复通讯，传递出有效的信息。

5、高通量便携式卫星通信系统应用重要性

5.1实践中高通量便携卫星系统应用的有效性

去年发生在夏天的河南暴雨事件，牵动着全国人民的心，抢险人员奔赴在第一线，为防汛救灾工作打通了信息的链路。江西省应急管理厅援豫抢险救援队在郑州地势最低的白沙河镇开展救援工作过程中，用Ka高通量卫星站为现场和后方指挥中心架设起了通信链路。利用技术，充分保障了视频指挥及救援工作的正常进行。据统计。发生暴雨灾情以来至去年7月28号，共有17套Ka高通量卫星站参与到救援通信保障工作。在大面积的网络恢复之前，使得灾害视频回传，政府数据传送等关键服务得以正常进行。日最高单站峰值速率最大高达107Mbps。此次救灾任务的进行过程中，Ka高通量卫星站，充分发挥到它的便携稳定高速特点，提供了高质量的通信网络保障。

当高通量便携式卫星通信系统系统链路搭建完成后，其特有的高通量特点，使得卫星不仅能够支持语音通话，而且能够支持图片和视频等载体信息的传输。更好的满足了人们的分享与传输方式更丰富，比较文字更富有情感性信息的需求。并且在应急通信的实际场景过程中，能够传递出更大的更有效的信息，方便政府和国家层面进行决策和部署。

当灾情发生的第一时间和现场。往往会造成交通干线系统的毁坏甚至瘫痪，而在车辆不能够到达的地点，便携设备就可以随着单兵迅速的到达，快速的搭建部署，第一时间恢复通信传达出受灾地点的重要紧急相关信息，发挥其它车载系统所不能够完成的任务功效。

5.2应用的可靠性

高通量便携式卫星通信系统具有很强的可靠性。ka高通量便携式卫星站较ku传统卫星站更轻。首先，多点波束可以加强天线的发射和接收增益，可搭配低功率功放；其次，Ku频段卫星若想提供高带宽，就需要配备功率更大的功放或者更大的天线面，同时高功率功放也意味着需要额外的供电系统支持其运行。一般而言，能提供同等高带宽的Ku频段传统卫星站，质量要高达Ka频段高通量卫星的5倍以上，毫无便携性可言。因此，就为Ka频段的高通量卫星便携站提供了充足的诞生需要。

Ka频段的高通量卫星便携站，不仅可以给前线应急通信设备提供足够带宽的外网，而且前线可以围绕Ka频段的高通量卫星便携站搭建前线指挥部，通过Ka频段的高通量卫星链路，与后方指挥部进行高清画质的音视频通信。基于这点，一台Ka频段的高通量卫星便携站所提供的卫星网络，就能够解决前线救援现场断网问题。在应急救援中不可或缺。

5.2.1可靠性设计

在系统可靠性设计时按照国家标准采用可靠性预计的方法进行论证，建立系统可靠性模型。有关可靠性涉及的定义引用国家标准GB 3187-1994《可靠性、维修性术语》。

1）平均无故障工作时间MTBF

平均无故障工作时间MTBF是指系统在它的使用寿命期内的某个观察期累积工作时间和故障次数之比，即：

MTBF=累计工作时间/故障次数

当失效函数为指数分布时：MTBF=1/λ。

2）维修度

这是指系统在规定使用条件下，在规定时间内按照规定的程序和方法进行维修时保持或恢复到能完成规定功能状态的概率。

平均修复时间MTTR为：

MTTR=修复时间的总和/故障次数

3）有效度A

可以修复的系统在某些时刻具有或维持其规定功能的概率。

稳态有效度的数值A为：

A=MTBF/（MTBF+MTTR）

经计算：系统有效度≥99.4%，平均修复时间MTTR≤0.5小时。

5.2.2维修性设计

系统设计充分考虑系统的维修性，保障系统故障时可及时、快速、方便地维修。

1)系统设备尽可能选用标准产品，易于检修和更换。设置可快速拆装的检修门，便于设备维修的需要。

图16 高通量便携站集成电路设备仓

2)设备插箱安装三节钢质导轨导轨和走线钢带，便于设备抽出实现前维护。

3)配套系统野外使用，日常检修、维护工具和土木工具等，以保障系统维修的顺利进行。

5.3应用的循环性

高通量便携式卫星通信系统具有很强的循环性。比如在汶川地震发生情况，携带有地面便携站的应急抢险官兵到达灾情所发生的第一现场，在运输设备，应急生活物资与运输医疗急救用具的车辆不能进入的情况下，迅速展开单兵作业，第一时间采取徒步或空降在内的任何方式携带便携设备进入，搭建起便携地面站，连接卫星系统，恢复紧急通信。

能够第一时间把灾区的受灾范围。伤亡情况等灾情数据重要信息用于传递给所需要的有关领导和决策部门。等到后续的过程中地面的通信系统联接完全恢复通信能力时候就可以实现便携地面站。而当发生洪水或森林火灾的突发性其它灾害时候。又可以再次携带同样设备来执行相似的紧急恢复通信作业。

实现了同样一套设备在多次事件中的重复使用。充分可靠的发挥了便携卫星系统的使用效能。做到了一套设备在多个地点，多次场景的重复使用。充分发挥了便携设备循环使用的价值。以节约制造成本的方式提高了其经济实用价值。

5.4系统应用的经济价值

高通量便携式通信卫星系统在各方面都有有很高的经济优势，这个经济优势是相对于车载通讯卫星和卫星电话而言的。高通量卫星比较常规卫星在建造火箭、发射火箭、发射保险方面的费用来说，与普通的常规卫星基本保持一致。但常规卫星在1吉比特每秒的成本却是一颗高通量卫星的50倍。

   该系统常常被应用于应急通信的场合里面。而往往发生灾情的场合，车载卫星天线无法进入。这时就使得车载卫星天线这个十数倍制造成本的“大个头”只能呆在一旁，却发挥不出应有的通信效用。而此刻的高通量便携式通信卫星系统却和官兵组成了通信突击队的角色。虽然只是在临时性的使用，但他发挥效用的场合，却是关键时刻。

6、总结

我国地势复杂，人员密集，是全世界信号覆盖率最高的国家，但是仍然不少地区没有网络。地处沙漠、隔壁、森林的无人区域。云南省会泽县娜姑镇炉房村或者大山深处的某个不知名的乡村仍然无法使用网络。而伴随网络题速。互联网或专网的接入。4G和5G网络基站更多，宽带需求也将变得更大，会有更多的卫星中继宽带需求。这些机会将为高通量宽带卫星通信提供市场。这种卫星终端可以接入移动，联通，电信三大运营商的核心网。而在没有运营商基站信号覆盖的地方，可以使用ka高通量卫星终端配合便携基站。来提供网络覆盖。

卫星便携站由传统材料朝向碳纤维材料的应用发展，更好的实现了材料的轻量化，极大减轻设备的重量。提高了设备的便携性。高强度塑料结构件的使用也大大的为便携站的质量减轻耐用度增加提供了改进和应用方向。为公安武警人防边防等应急指挥网络建设工作提供了保障。高通量便携式卫星通信系统亚太6D的投入使用，也为智慧航运带来了新的机会。在安全，健康，决策，辅助和能效等领域发挥着独有的作用。

未来，通信网络架构将会是天基网（高中低轨卫星组网）和地面移动网联合构成的新型网络架构。该新型网络更加灵活、高效和安全。向着更更高质量的通信服务，更低的价格。更高的市场参与度的方向高质量发展。

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