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獨家|低軌衛(wèi)星動中通的現(xiàn)狀和前景展望

2024-09-25 16:57:45 作者:天行控制

一、前言

衛(wèi)星動中通是指衛(wèi)星終端能夠在移動中進行通信,其中衛(wèi)星終端可以安裝在汽車、火車、輪船、飛機等各類交通載體上。傳統(tǒng)的衛(wèi)星固定通信業(yè)務(wù)僅能為固定地球站提供通信業(yè)務(wù),有了動中通,即使在沒有地面信號的海洋、天空或偏遠地區(qū)的汽車、火車上,乘客也能通過衛(wèi)星接入通信網(wǎng)絡(luò)。


太空探索技術(shù)(SpaceX)公司迄今已將3000多顆星鏈衛(wèi)星送入軌道,目前已開始為部分大型郵輪提供海上高速互聯(lián)網(wǎng)連接;國內(nèi),2022年3月銀河航天發(fā)射了6顆低軌寬帶試驗衛(wèi)星,并依托該試驗星座,成功開展了車載動中通測試,突破了實際車輛行駛條件下,終端天線波束實時精確跟蹤低軌衛(wèi)星的技術(shù)難題,實現(xiàn)了運動中的持續(xù)衛(wèi)星通信,邁出了低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用探索的重要一步。


本文以低軌車載動中通為例,介紹衛(wèi)星動中通原理、國內(nèi)外發(fā)展狀況、應(yīng)用前景和未來趨勢。

二、衛(wèi)星動中通原理及分類

1.原理

從用戶體驗出發(fā),希望通信終端網(wǎng)速高、小巧輕便,使用不受約束,“想在哪用,就在哪用”。隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展,手機已經(jīng)可以做到非常小巧且通信速率很高,在行駛的汽車、火車、輪船(只要周邊有信號)上均可自由使用,基本滿足了人們的需求。但對衛(wèi)星通信來說,由于衛(wèi)星距離地表太遠,如同步軌道衛(wèi)星距離我們有36000km,無線電信號在傳播過程中損耗巨大,所以傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信終端,一般或尺寸巨大,或通信速率極低,很難二者兼顧。因此國際電信聯(lián)盟(ITU)之前將衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)定義為兩類,一類稱作衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)(FSS),一類稱作衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)(MSS),前者天線較大,采用C、Ku、Ka等較高的頻段,僅能固定在原地使用,通信速率可達幾M到幾十Mbit/s;后者終端可手持,采用L、S等低頻段,可像手機一樣移動使用,速率通常僅有幾k到幾百kbit/s。這種受到技術(shù)制約的分類,必然會嚴重影響使用者的用戶體驗,也促使了衛(wèi)星動中通場景的產(chǎn)生。


衛(wèi)星動中通終端通常由兩個部分組成,一部分類似傳統(tǒng)的衛(wèi)星終端,包括天線、射頻、基帶處理等模塊,實現(xiàn)衛(wèi)星信號的收發(fā)處理,但衛(wèi)星天線需要方向可快速調(diào)整;另一部分是衛(wèi)星的跟蹤控制系統(tǒng),可根據(jù)衛(wèi)星信號或載體姿態(tài)的變化,控制天線快速準確地對準和跟蹤衛(wèi)星。兩者配合,從而實現(xiàn)終端在移動中通信。


2.分類

高軌動中通是指依托高軌(主要為同步軌道)通信衛(wèi)星實現(xiàn)的移動通信。由于衛(wèi)星距地球過遠,需要大口徑的高增益天線精確對準衛(wèi)星才能進行通信。所以高軌動中通主要需解決在平臺運動中,衛(wèi)星終端天線如何克服運動的方向變化,保持天線指向的問題。


低軌動中通則是指依托低軌通信星座實現(xiàn)的移動通信。傳統(tǒng)的低軌通信星座系統(tǒng)頻段低、波束寬,對波束指向要求較低,通信速率較低。近年興起的低軌寬帶通信星座,在具備通信速率高、天線口徑小等優(yōu)點的同時,對天線技術(shù)和波束指向控制的要求也大大提高。

三、動中通發(fā)展狀況

1.高軌衛(wèi)星動中通發(fā)展狀況

衛(wèi)星動中通終端最早應(yīng)用于美軍,為快速前進的部隊與其指揮官、友軍和后方間保持實時通信,后續(xù)隨著技術(shù)的發(fā)展和成本的下降,逐步應(yīng)用到新聞直播、警用、海事、航空等民用領(lǐng)域。傳統(tǒng)同步通信衛(wèi)星所采用的動中通終端天線主要有反射面+機械傳動天線、平面陣列+機械傳動天線、相控陣天線、相控陣結(jié)合機械掃描天線等多種類型。


反射面+機械傳動天線是指通過機械傳動機構(gòu)和伺服跟蹤系統(tǒng)來控制反射面天線的方向,使其在載體運動過程中始終指向衛(wèi)星位置,實現(xiàn)動中通。為了降低天線的高度,反射面天線通常會拆用切角拋物面或柱形拋物面等,會較大降低天線的增益和收發(fā)性能。


平面陣列+機械傳動天線則是將上述天線中的反射面替換為平面陣列,平面陣列由許多輻射單元組成,可以將天線的輪廓做得較低,但口徑不易做大,增益性能相對受限,成本較反射面高。


平板相控陣天線的天線陣面也是由許多個輻射單元(稱為陣元)組成,單元數(shù)目可以從幾十個到幾萬個,這些單元有規(guī)則地排列在平面上,構(gòu)成陣列天線。但工作時,天線陣面在物理上固定不動,而是通過控制陣列中輻射單元的饋電相位來改變所合成波束的指向,以達到波束掃描的目的,稱之為電掃。


相控陣結(jié)合機械掃描天線可改善波束掃描范圍有限、價格昂貴等問題,在船載等對終端尺寸要求不高的場景下較為適用。 


國內(nèi)的衛(wèi)通平板相控陣天線也是最近十年間才開始逐步發(fā)展的。此前高軌動中通天線主要還是采用反射面或平面陣列+機械傳動方式。


2.低軌衛(wèi)星動中通發(fā)展概況

隨著國外一網(wǎng)、SpaceX等公司掀起了一波低軌互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展熱潮,動中通開始向低軌衛(wèi)星動中通的方向發(fā)展。由于相控陣電掃的速度極快,非常適合低軌星座中快速跟蹤切換的工作場景,因此在低軌通信星座的建設(shè)興起后,相控陣天線受到了廣大廠家的關(guān)注。


隨著國內(nèi)射頻芯片技術(shù)的發(fā)展,國內(nèi)也有多家研究機構(gòu)、高校和企業(yè)開始研究開發(fā)平板相控陣天線。由于多數(shù)采用了瓦片式天線陣面設(shè)計,這一階段相控陣天線樣機的尺寸和輪廓得到了較大的優(yōu)化。


但因為一網(wǎng)和星鏈等低軌星座未能在國內(nèi)落地,國內(nèi)目前僅有少量低軌試驗衛(wèi)星在軌,大部分天線和終端樣機僅能通過同步軌道衛(wèi)星進行通信驗證,未在低軌星座中實際工程驗證其收發(fā)、跟蹤和動中通性能,離產(chǎn)品化尚有較大距離。


3.銀河航天衛(wèi)星動中通技術(shù)研發(fā)和測試

(1)產(chǎn)品情況

銀河航天衛(wèi)星動中通天線(圖1)通過與業(yè)界頂尖廠家合作,采用了國產(chǎn)的低成本高性能硅CMOS射頻T/R芯片和瓦片式天線陣面設(shè)計,在單塊多層PCB電路板上集成了微帶天線面、饋電網(wǎng)絡(luò)和射頻T/R芯片,使平板相控陣天線產(chǎn)品具備尺寸小、增益高、功耗低、成本低等優(yōu)點,提升了用戶體驗。

天線主要指標:

·通信頻段:Ka,頻分雙工

·EIRP:≥40dBW(法向)

·G/T值:法向≥8.5dB/K(法向)

·掃描角:方位角0°—360°,法向離軸角0°—60°

·天線尺寸:680mm×400mm×60mm

·重量:9.5kg

QQ圖片20240925170226.png

(2)測試過程與結(jié)果

實際測試時,低軌動中通終端天線通過定制夾具安裝在測試車輛的車頂行李架上,終端基帶單元擺放在車輛后備箱內(nèi),兩者間通過中頻電纜連接,如圖2所示。

QQ圖片20240925170327.png

測試時,測試人員將低軌衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù)下載進終端,啟動天線的波束控制軟件和終端基帶單元,進行了車載動中通終端的跑車試驗。測試的內(nèi)容包括在行駛過程中,相控陣天線波束對衛(wèi)星的跟蹤情況、信號的信噪比、通信時延和穩(wěn)定性,以及互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的訪問表現(xiàn)等。測試結(jié)果表明,該低軌動中通終端可在高速行駛(最高超過時速100km/h)、拐彎和上下坡等條件下實現(xiàn)對低軌衛(wèi)星的穩(wěn)定跟蹤,信噪比變化與理論計算相符,通信時延約在20~40ms范圍,可流暢訪問網(wǎng)頁、在線視頻或和他人進行視頻通話,用戶體驗良好。


跑車試驗的結(jié)果表明,該型車載動中通終端在技術(shù)上解決了車輛行駛過程中,對相控陣天線波束的控制問題,克服了在車輛顛簸、轉(zhuǎn)彎等情況下,精確地跟蹤快速運動的低軌衛(wèi)星的技術(shù)難題。在工程實現(xiàn)方面,成功實現(xiàn)了小型化、低成本的車載相控陣天線的產(chǎn)品化,讓國產(chǎn)車載衛(wèi)星天線突破了以往笨重的外形和相控陣的昂貴價格門檻,在未來有望像汽車、甚至手機一樣普及應(yīng)用。

四、低軌衛(wèi)星動中通的應(yīng)用前


1.低軌衛(wèi)星動中通應(yīng)用特點

低軌衛(wèi)星動中通最大的優(yōu)勢,一是覆蓋范圍廣,且不受地理條件限制;二是可以支持汽車、輪船、飛機等各類移動平臺,這使其可以和地面移動通信形成良好的互補?,F(xiàn)在4G/5G的通信體驗雖好,但也存在一個嚴重的短板,就是對地面基礎(chǔ)設(shè)施,也就是對基站的依賴非常高。一旦來到地面條件惡劣,或者海上等其他無法連接光纖的地方,就無法布設(shè)4G/5G網(wǎng)絡(luò)。隨著技術(shù)和經(jīng)濟的發(fā)展,用戶對通信的需求越來越高,未來的數(shù)字生活場景定義也需要隨時隨地可接入寬帶通信網(wǎng)絡(luò)。低軌衛(wèi)星動中通可以和地面移動通信網(wǎng)絡(luò)相互補充,真正實現(xiàn)通信的天地融合、無縫覆蓋。


2.應(yīng)用前景

(1)為船舶和飛機等提供互聯(lián)網(wǎng)訪問服務(wù)

高速率、小尺寸、低輪廓的低軌衛(wèi)星動中通的應(yīng)用前景其實非常廣闊。譬如航空和航海都是傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信剛需領(lǐng)域。由于低軌衛(wèi)星軌道低,鏈路損耗遠低于同步軌道衛(wèi)星,再結(jié)合技術(shù)上的進步,目前的平板相控陣動中通終端,已經(jīng)可以做到約1/4平方米尺寸甚至更小,接近筆記本電腦的厚度,相比之前的動中通天線大大縮小,可以方便地安裝在汽車、船舶和飛機上,最高通信速率仍可達數(shù)百Mbit/s,可以讓人們在任何地方都方便地接入高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。


(2)為垂直行業(yè)提供動中通相關(guān)解決方案

低軌通信可以和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制、無人駕駛等結(jié)合起來,用低軌互聯(lián)網(wǎng)賦能電力、采礦、林業(yè)、交通運輸、生態(tài)環(huán)境等垂直行業(yè),打造新的行業(yè)應(yīng)用模式。譬如將低軌動中通安裝在礦車上,就可以實現(xiàn)遠程操控偏遠礦場里的各類挖掘和運輸車輛,解決施工安全和人力不足的痛點,提供智慧礦山等行業(yè)解決方案。


(3)應(yīng)用于無人平臺和寬帶物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集等場景

未來隨著技術(shù)的發(fā)展和成本進一步降低,可以展望,低軌的相控陣終端可以做到像平板電腦甚至手機大小,依然可達到數(shù)十兆的通信速率。低軌終端就可以安裝到各種中小型無人機上,用來實現(xiàn)在偏遠無信號地區(qū)的電力巡檢、工地勘察等任務(wù);和各類攝像頭和傳感器結(jié)合,用于在森林、沙漠、邊防、海上平臺、浮標等地域和場景下的數(shù)據(jù)采集回傳等。真正在未來實現(xiàn)每個人、甚至每件物體都連接在網(wǎng)絡(luò)上,做到萬物互聯(lián)。


(4)服務(wù)應(yīng)急通信保障

在應(yīng)急通信領(lǐng)域,低軌動中通可以安裝在應(yīng)急通信車或大型應(yīng)急無人機上,通過與5G基站相結(jié)合,實現(xiàn)災(zāi)后應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的快速部署開通。在近年的水災(zāi)和地震搶險中,安裝高軌衛(wèi)通設(shè)備和5G基站的翼龍無人機已多次大顯身手。但由于高軌衛(wèi)通速率受限,往往僅能為災(zāi)區(qū)提供窄帶短信服務(wù)。若采用低軌動中通寬帶通信,則可以提供話音和寬帶上網(wǎng)等業(yè)務(wù),更好地保障救災(zāi)搶險任務(wù)。

五、低軌衛(wèi)星動中通的發(fā)展趨勢

一是持續(xù)提升低軌動中通終端的性能,并不斷降低成本。隨著技術(shù)的進步,在低軌衛(wèi)星動中通終端方面,必然會朝著進一步提升終端的傳輸性能,不斷優(yōu)化減小終端尺寸和低功耗,以及降低終端的量產(chǎn)成本方向發(fā)展。作為低軌終端天線的主流趨勢,預(yù)計相控陣天線會通過迭代優(yōu)化硅基CMOS芯片、收發(fā)共面、多波束等技術(shù),在天線尺寸、收發(fā)增益和成本間達到最佳的平衡點,并通過量產(chǎn)快速降低終端成本,讓低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)走入千家萬戶。


二是加快低軌系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。低軌衛(wèi)星動中通,并不僅僅是終端層面的問題,需要從整個星座通信系統(tǒng)的角度綜合考慮。要發(fā)揮出低軌通信的優(yōu)勢,讓低軌衛(wèi)星動中通用得更好,首先需要加快我國低軌寬帶通信星座的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),快速縮小我國與美歐航天大國在低軌建設(shè)方面的差距,包括技術(shù)上采用星載多波束相控陣天線、跳波束等先進技術(shù),發(fā)射部署更多的衛(wèi)星,優(yōu)化通信覆蓋和用戶容量,以及推進星地一體通信體制乃至整個網(wǎng)絡(luò)的融合,才能讓動中通用得更好,真正做到網(wǎng)絡(luò)無處不在。


三是進一步開拓探索更合適的應(yīng)用場景,優(yōu)化用戶體驗。在用戶和應(yīng)用側(cè),通過讓終端更小、適用場景更廣,可以安裝到從小汽車、長途客貨車、高鐵、郵輪、貨輪,乃至大小飛機甚至航天器等各種交通工具上,為用戶提供一種無感而又無處不在的寬帶網(wǎng)絡(luò)連接體驗??梢詰?yīng)用在日常的互聯(lián)網(wǎng)上網(wǎng),或是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景:包括采礦、電力等行業(yè)和遠程操控、協(xié)同作業(yè)、智能物流、智能巡檢等場景,以及寬帶物聯(lián)網(wǎng)等場景中,讓通信更好地改善我們的生活。




來源:《衛(wèi)星應(yīng)用》2023年第2期

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