车载卫星通信地球站的发展趋势

20世纪60年代中期卫星通信进入了实用阶段后，人们就考虑到卫星通信地球站可搬移的问题，最初美国等国家提出通过运输可搬移的卫星通信地球站（Transportable earth sta-tion），车载卫星通信地球站是从可搬移卫星通信地球站演变而来。可搬移的地球站虽然可解决现场的临时卫星通信，但由于当时运用的是C频段卫星通信，加之卫星转发器增益低，卫星通信的设备体积大，安装不方便是一个需要解决的问题。随之可搬移卫星通信地球站演变成今天的车载卫星通信地球站，虽然今天这种车载卫星通信地球站通信方便，但对通信技术人员素质要求更高。

由于随着卫星通信应用技术不断的发展加之人们对国际上重大事件、重大赛事、重大自然灾害恢复报道的日益需求，卫星电视现场转播已是电视广播领域、应急通信领域等不可或缺的手段。另外，重大活动和重大自然灾害恢复所必需的临时通信和应急通信以及军事通信对车载卫星通信地球站的需求越来越多，技术要求越来越高。车载卫星通信地球站最大的特点是不受地域限制、不受光网的制约，通信地点不固定，哪里需要就到哪里。

车载卫星通信地球站主要分成两种：一种是“静中通”，另一种是“动中通”。

1.车载卫星通信地球站“静中通”

车载卫星通信地球站“静中通”—经过卫星公司入网的车载卫星通信系统根据需求到达指定地点，车辆停下后，调好车体的水平，油机发电或接上市电，根据事先安排好的通信卫星，打开卫星天线，利用GPS自动测得车载卫星通信地球站所在地区的经度和纬度，电子罗盘（Compass）测定车载卫星通信地球站车辆的朝向，通过卫星通信天线自动跟踪系统迅速计算后，天线根据计算所得的方位、仰角、极化参数进行跟踪对准所需的卫星，天线大致跟踪后，天线自动跟踪系统根据收到卫星信标强度进行细跟踪，直到跟踪到卫星信标信号场强最好或接近最好时跟踪完毕，然后与卫星公司进行调整极化、EIRP等测试，随后与相关地球站进行沟通卫星链路的测试，测试结束后开通卫星电路。这种最后卫星信标信号场强参与卫星天线自动跟踪方式称之为“信标跟踪”；没有卫星信标信号场强参与卫星天线自动跟踪方式称之为“指向跟踪”，这种“指向跟踪”跟踪精度不高，卫星天线自动跟踪后，需用频谱分析仪根据通信卫星的信标微调天线的方位、仰角和极化角，这种“指向跟踪”方式的天线系统价格低于同类“信标跟踪”的天线系统价格。近来不少厂家制造出根据DVB载频进行跟踪的卫星天线自动跟踪系统，这种天线最大的问题是一旦预设置的DVB载频突然失去了，必须另找跟踪的这颗卫星上的其他DVB载频。车载卫星通信地球站“静中通”在天线寻星时要尽量避开变电站、路边大型变压器等，这些变电站、路边大型变压器等产生的电磁场将会影响天线跟踪。车载卫星通信地球站一般使用的频段为C、X、Ku、Ka频段等。综上所述，车载卫星通信地球站的车停下来即“静中”进行卫星通信方式称之为车载卫星通信地球站“静中通”，是可通过车辆搬移的卫星地球站，如图2-5和图2-6所示。

图2-5 小型车载卫星通信地球站“静中通”

图2-6 阿根廷的车载卫星通信“静中通”移动护照车

2.车载卫星通信地球站“动中通”

车载卫星通信地球站“动中通”——顾名思义车载卫星通信地球站在车辆行驶中进行卫星通信。车载卫星通信地球站“动中通”关键技术在于卫星天线跟踪系统和车载卫星通信地球站“动中通”时设备的供电系统以及相关终端设备配合问题。就卫星天线外观可分成低轮廓和高轮廓两种，就卫星天线的技术性能可分为：相控阵卫星天线的“动中通”、抛物面卫星天线的“动中通”以及等效于抛物面卫星天线的“动中通”。其中相控阵“动中通”卫星天线轮廓最低，相控阵天线技术是从雷达天线延伸出来的天线技术，采用电扫描方式响应速度较快。相控阵天线最大的优势是波束方向的改变是电扫，而不是传统的机械扫描。波束方向改变迅速、无惯性。非常适合高速行驶中卫星通信车载“动中通”。例如：RaySat StealthRay 3000“动中通”卫星天线工作在Ku频段，由于其“动中通”天线由一片发信天线和两片收信天线构成，所以一反通常发信增益高于收信增益的惯例，天线的发信增益为27dBi，天线的收信增益为29.5dBi。通常等效于0.6m“动中通”卫星天线和0.55m由抛物面改进过的卫星天线的发信增益为35～36dBi，收信增益为32～35dBi。我们不难发现RaySat相控阵“动中通”卫星天线增益相对其他“动中通”卫星天线增益低得多，而且相控阵“动中通”卫星天线第一旁瓣相对主瓣仅为-12dB，天线性能不符合ITU、国际卫星通信组织INTELSAT的SSOG/IESS和美国联邦通信委员会FCC对卫星天线技术性能的标准。由于上述两大缺点，RaySat相控阵“动中通”卫星天线在我国车载卫星通信地球站“动中通”中用得不多。以色列的STARLING-Ku频段低轮廓“动中通”卫星天线属于平板裂缝天线系统结构，其等效天线口径为0.6m，其天线发射增益为36dBi，接收增益为34.5dBi，卫星天线第一旁瓣相对主瓣小于-14dB，符合国际卫星通信组织INTELSAT和美国联邦通信委员会FCC对卫星天线技术性能的标准。该站主要由以下几个部分组成：平板天线，功分网络，和差网络，填零天线，保护天线，开关等，平板裂缝天线是波导宽边开缝的平面阵列天线在工程上的简称，其辐射面有许多辐射缝，它们被分为若干个子阵，由发射机输出的高功率信号经过馈线系统到达和差网络，和差网络将能量分配给四个象限上的功分网络，功分网络再把能量通过激励缝、耦合缝传递到每个辐射缝发射出去，接收时反向进行，以实现收、发通道共用的功能。GPS的高精度定位中需要利用GPS载波相位观测值。由于车载“动中通”是车辆行驶中的卫星通信，载波相位测量中不可避免地会出现周跳（Cycle Slips），当车载“动中通”行驶中遇见高楼或进入隧道等信号被遮挡，导致卫星信号无法被跟踪，卫星信号信噪比过低，导致整周计数错误，接收机在高速动态的环境下有可能导致接收机无法正确跟踪卫星信号等，这些都是产生周跳的原因。图2-7显示了车载“动中通”车辆在运动中由于上述原因产生的周跳。STARLING-Ku频段低轮廓“动中通”卫星天线使用全球定位系统+惯性综合导航系统改善了系统精度，STARLING-Ku频段低轮廓“动中通”卫星天线运用了GPS/INS（Integrated Navigation System，综合导航系统）即GPS和惯导组合系统，GPS/INS的 组合加强了系统的抗干扰能力，解决了周跳等问题。

图2-7 周跳示意图

由于车载卫星通信地球站“动中通”在车辆行驶中不可避免上、下桥，道路不平整的颠簸和车辆的左右摆动等没有陀螺作为辅助跟踪的工具，“动中通”将会失去天线对卫星的跟踪。然而，在快速行驶中进行卫星通信的“动中通”天线综合导航系统（Integrated Navi-gation System）即惯导系统中不可或缺的是激光陀螺或光纤陀螺。激光陀螺和光纤陀螺的工作原理相同，基于1913年萨格奈克（Sagnac）阐述的萨格奈克效应，均采用光的干涉原理进行速率测量。但是，两者在光源、光路、结构和组成形式上存在差异以及对两者工艺的掌握程度上还是存在一定的差异。激光陀螺的光源是氦、氖气体，光的单一性好、噪音低；而光纤陀螺采用的是固体激光器，光的质量、噪声、温度稳定性、内部损耗、抗干扰性强等相对于激光陀螺较差，因此，激光陀螺的精度更高、稳定性更好，但激光陀螺也存在高性能、高成本即价格昂贵的问题，价格远高于光纤陀螺。这也是卫星通信“动中通”所要解决的问题，随着光纤陀螺技术的不断进步，将为推广卫星通信“动中通”带来福音。激光惯导“动中通”的主要特点：可在车体晃动高速运动情况下完成对星，即动态对星功能，可在高速行驶、上下坡、转弯时进行动态换星，可在卫星信号遮挡区时动中指向保持，以保障快速恢复通信。目前大部分“动中通”的卫星天线都具有“三轴联动”和馈源极化方向的自动跟踪功能，能实现系统的快速反应。车载卫星通信地球站“动中通”还具备“静中通”的天线自动寻星功能，可在无卫星信号状态下能自动对准卫星，而且“动中通”天线自动寻星的条件比“静中通”自动寻星方便，“静中通”自动寻星前需要放下汽车的支撑腿使汽车不来回晃动，还要将车体调水平，然后天线再自动寻星，而“动中通”天线自动寻星则不需要，可在任何高低不平的地面上车体晃动都可以进行卫星天线自动寻星，各种“动中通”如图2-8～图2-11所示。

图2-8 RaySat-Ku频段相控阵低轮廓“动中通”及其天线结构

a）RaySat-Ku频段相控阵低轮廓“动中通” b）RaySat-Ku频段相控阵低轮廓“动中通”天线结构

图2-9 以色列STARLING-Ku频段低轮廓“动中通”及其天线结构

a）以色列STARLING-Ku频段低轮廓“动中通” b）以色列STARLING-Ku频段低轮廓“动中通”天线结构

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图2-10 国产SOMA-550D-Ku频段中轮廓“动中通”及其天线结构

a）国产SOMA-550D-Ku频段中轮廓“动中通” b）国产SOMA-550D-Ku频段中轮廓“动中通”天线结构

图2-11 澳大利亚EM-SOLUTIONS-Ka频段高轮廓“动中通”及其天线结构

a）澳大利亚EM-SOLUTIONS-Ka频段高轮廓“动中通”

b）澳大利亚EM-SOLUTIONS-Ka频段高轮廓“动中通”天线结构

图2-12 取力发电系统

另外，“动中通”在行进中通信时突然卫星天线失控或经隧道、涵洞出来时大幅度寻星时，若这时“动中通”的发信机仍然发射着载频，那是非常危险的，这直接威胁到其他通信卫星的正常工作。当“动中通”卫星天线突然失控时或大幅度寻星时，大部分“动中通”卫星天线采取用天线自动控制射频禁止的方式禁止卫星天线向空中发射载频，但也有通过“动中通”中自己卫星Modem来控制，由于Modem没有输出也就没有发信载频，控制Mo-dem的有无输出也就起到了控制有无射频禁止。例如：COMTECH EF DATA ds-CDM570（L）-Modem当设置在“Rx-Tx Inhibit”位置时利用Modem有无收到来自动控制发信的射频发送或射频禁止，这样从根本上保障了“动中通”在行进中通信时突然卫星天线失控时及时关去发信载频，避免干扰其他卫星的正常工作。“动中通”卫星天线没有射频禁止功能，则Modem的射频禁止功能可作为补充，“动中通”卫星天线有此射频禁止功能，则Modem的射频禁止功能可作为备份。从而解决了当“动中通”卫星天线突然失控时对其他通信卫星的正常工作带来的威胁。

车载卫星通信地球站“动中通”关键技术除了卫星天线跟踪系统外就是车载卫星通信地球站“动中通”设备的供电系统，如果“动中通”没了供电，所有的设备就成了废铁，“动中通”无法工作。目前，车载卫星通信地球站“动中通”供电有两种：一种是电池供电，像蓄电池、锂电池供电，但这种供电方式时间短，不能长时间供电。另一种“取力”发电供电，这种“取力”主要是利用“动中通”中车辆发动机旋转时带传动装置带动小发电机来发电。这种供电的能源来自“动中通”汽车本身的燃油。市场上用的是美国奥兰取力发电机和水牛取力发电机，图2-12及图2-13为取力发电系统及安装图，取力发电系统一般可供电5kW或8kW，平均效率为75%～85%，而一般交流发电机在高转速时为70%，取力发电机其优点不仅效率明显高于一般交流发电机，而且能使用持续稳定电能输出，体积小不占用车辆有限空间，低噪声更环保，节省燃料，车辆行走或怠速时不停电。但其安装十分讲究，如果机械安装不好，会引起传动皮带的脱落，甚至发电机等部件损坏。另外，最好加装UPS，以免汽车发动机熄火时引起发电机停止工作以致断电。车载卫星通信地球站“动中通”中取力发电的运用对通信用电是一场革命，取力发电不仅可运用在车载卫星通信地球站“动中通”中，而且可广泛运用在军事通信上。

车载卫星通信地球站“动中通”除了上述的关键技术外，还需要终端设备的配合。例如：车载卫星通信地球站“动中通”在传输会议电视时遇到建筑物的阻挡、进涵洞或隧道，信号的丢失引起会议电视重新拨号，若信号连续不断地中断就要连续不断地拨号，而且拨号需要时间，这样中断的时间就更长。美国LIFESIZE的会议电视设备经过软件控制，即车载卫星通信地球站“动中通”进隧道到出隧道5min无需拨号，信号一有就迅速自动接通，这给车载卫星通信地球站“动中通”传输会议电视提供了方便。

图2-13 取力发电安装示意图和安装在车头内的取力发电机

a）取力发电安装示意图 b）安装在车头内的取力发电机

除上述Ku或Ka频段的车载卫星通信地球站“动中通”外，还有L频段的INMARSAT海事卫星陆上车载“动中通”。实际上最早车载卫星通信地球站“动中通”渊源于INMAR-SAT海事卫星陆上车载“动中通”，早在20世纪90年代就有了。1996年INMARSAT—Mm（Mini-M）终端产品出来不久，带有陆上车载“动中通”天线等相关设备问世。当时海事卫星陆上车载动中通与现在车载卫星通信地球站“动中通”不同的是可跟踪太平洋地区的卫星也可自动换星到印度洋地区的卫星，特别像上海、北京等地既是INMARSAT太平洋地区的卫星覆盖区，也是印度洋地区的卫星覆盖区。当INMARSAT海事卫星陆上车载“动中通”在INMARSAT太平洋地区的卫星覆盖区通信中遇高楼阻挡信号中断时，天线马上自动寻星到印度洋地区的卫星，保障通信的畅通。但其传输速率非常低：4.8Kbit/s语音电话业务，2.4Kbit/s数据传输。曾在2008年雪灾、汶川大地震中发挥过作用。近年来，INMARSAT海事卫星陆上车载“动中通”也有了发展，具有显著性能增强的INMARSAT海事卫星陆上车载“动中通”第二代产品探险者727解决了早期INMARSAT陆上车载动中通传输速率非常低的主要问题，可以保障移动中高速宽带通信，语言速率为4Kbit/s，标准数据高达432Kbit/s，保证带宽数据高达256 Kbit/s，按照以上数据传输1CF的活动图像已足够了。探险者727可应用在视频会议、现场直播、高质量语音广播、数据搜集、VPN、网络接入和电子邮件、流媒体、大文件传输等，如图2-14和图2-15所示。由于INMARSAT海事卫星全球覆盖，无论当你在世界任何时间任何地方行进，你都可以使用电话通信和持续的中高速数据连接。由于INMARSAT海事卫星探险者727快速且易配置的通信，在世界上被广泛运用在现场直播、远程医疗、视频会议以及灾害恢复的应急通信上。虽然，INMARSAT海事卫星陆上车载“动中通”天线等设备价格远低于一般车载卫星通信地球站“动中通”天线等设备价格以及通信覆盖能力强，由于使用L频段卫星通信所以比一般使用Ku和Ka频段的车载卫星通信地球站“动中通”雨衰也小得多。但其传输速率仍远低于一般车载卫星通信地球站“动中通”的传输速率，另外，INMARSAT海事卫星陆上车载“动中通”用户使用费用比较高。

图2-14 早期挪威INMARSAT陆上车载“动中通”

图2-15 INMARSAT BGAN探险家727陆上车载“动中通”

车载卫星通信地球站“动中通”虽然具有机动灵活、使用方便、边行驶边通信的高效率通信方式，适用于应急通信和军事通信，但在建筑群密集的大城市由于阻挡还存在中断次数过多和通信质量下降的问题需要在今后技术不断发展和进步中得到一些解决。