（通信与信息系统专业论文）一种新型的车载式卫星通信地球站.pdf

南京邮电人学颂 ：研究生学位论文 摘要 摘要 车载式卫星通信地球站是安装在汽车上的卫星通信站，它利用载车的快速机动性，可 以快速赶到事件现场，构成高速信息信道，以满足实时通信的需求，是一种应用广泛的卫 星通信产品。本课题意在研发的车载式卫星通信地球站采用超小口径天线和微型通信终端 设备，在完成同样的通信业务的条件下，使得整套卫星通信设备以及其它设备可以安装在 一辆普通的越野车上，具有体积小、重量轻、低能耗的特点，大大提高了车载站的道路通 过性能和机动性能。它可以在任何地形迅速展开，自动对星并且跟踪，几分钟内即可建立 卫星通信链路，实现远程数据传输和实时视频传播。 本文以车载式卫星通信地球站的研制为背景，进行了大量的理论论证、系统设计和实 际设备调试，着重于车载式卫星通信地球站天线分系统和伺服控制分系统的设计。 论文首先介绍了课题的研究背景和应用前景以及本课题的主要研究内容。接着对系统 的总体设计方案进行了论述，分析了系统的设计要求，介绍了系统的工作原理及系统构成。 然后阐述了系统的天线分系统设计，通过比较选择了合适的天线类型，通过详细的链路计 算合理选择了天线口径，并且确定了天线的设计指标要求。之后完成了伺服控制分系统的 设计，介绍了伺服控制分系统的工作原理及构成，并进行了硬件选型及软件设计，重点阐 述了伺服控制分系统的软件设计要求、设计平台及软件模块化设计，针对软件调试过程中 的问题提出了软件抗干扰措施。最后对所设计系统的跟踪性能进行了实际测试，性能仿真 并且分析了影响跟踪性能的因素。测试结果表明，本车载式卫星通信地球站的研发是成功 的。 关键词：车载式，卫星通信，地球站，伺服控制系统，链路分析，跟踪性能 a b s t r a c t v e h i c l e - b 0 1 t l es a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ne a r t hs t a t i o ni sa ne a r t hs t a t i o nw h i c h i n s t a l l e do nt h ec a r i t saw i d e l ya p p l i e ds a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o np r o d u c tw h i c hc a l l a c h i e v et h er e q u i r e m e n to fr e a l t i m ec o m m u n i c a t i o n d e p e n do nt h er a p i d l y f l e x i b i l i t yo ft h ec a r , i tc a l lg e tt ot h el o c a t i o nt oe s t a b l i s ht h ei n f o r m a t i o nc h a n n e l i m m e d i a t e l y t h ev e h i c l e b o r n es a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ne a r t hs t a t i o nw h i c ht h i s p a p e ri n t r o d u c e sa d o p t sv e r ys m a l la p e r t u r ea n t e n n aa n dm i c r oc o m m u n i c a t i o n t e r m i n a l i tc a nb ei n s t a l l e do nac o m m o nc a rw i t hs m a l lv o l u m e ，l i g h tw e i g h ta n d l o wp o w e rw h e na c c o m p l i s h e st h es a m ec o m m u n i c a t i o ns e r v i c ea n dt h ep e r f o r m a n c e i sg r e a t l yi m p r o v e d i tc a nw o r ki na n ys i t u a t i o na n dt h ea n t e n n ac a np o i n tt ot h e s a t e l l i t ea u t o m a t i c a l l y , t h es a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o nl i n kw i l lb ee s t a b l i s h e di ns e v e r a l m i n u t e st os u p p l yr e a l t i m ed a t aa n dv i d e ot r a n s m i s s i o n t h i sp a p e rt a k e st h er & do ft h ev e h i c l e b o m es a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ne a r t h s t a t i o na st h eb a c k g r o u n d ，al o to ft h e o r e t i c a ld e m o n s t r a t i o n ，s y s t e md e s i g na n d e q u i p m e n td e b u g g i n gi sd o n e ，m a i n l ye m p h a s i z e so nt h ed e s i g no ft h ea n t e n n aa n d s e r v oc o n t r o ls u b s y s t e m t h ep a p e ri n t r o d u c e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ，a p p l i c a t i o nf o r e g r o u n da n dt h e r e s e a r c hc o n t e n t so ft h i ss u b je c tf i r s t l y , t h e nd i s c u s s e st h ed e s i g ns c h e m eo ft h e s y s t e m ，a n a l y z e st h ed e s i g nd e m a n da n di n t r o d u c e st h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n d c o m p o s i n go ft h es y s t e m n e x tt h ep a p e rg i v e st h ed e s i g no ft h ea n t e n n as u b s y s t e m ， c h o o s e st h ep r o p e ra n t e n n at y p eb yc o m p a r i s o na n dc h o o s e st h ep r o p e ra n t e n n a a p e r t u r eb yl i n kc a l c u l a t i o n ，a l s ot h ed e s i g ni n d e xi sc o n f i r m e d t h ep a p e r a l s og i v e s t h ed e s i g no ft h es e r v oc o n t r o ls u b s y s t e m ，i n t r o d u c e st h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n d c o m p o s i n go ft h es u b s y s t e m ，t h e ns e l e c t st h eh a r d w a r ea n dd i s c u s s e st h es o f t w a r e d e s i g n ，e s p e c i a l l yo nt h ed e s i g nd e m a n d a n dt h ed e s i g no fb l o c k i n gs o f t w a r ef o rt h e s e r v oc o n t r o ls u b s y s t e m t h es o f t w a r ea n t i - j a m m i n gm e t h o d sa r eb r o u g h tf o r w a r dt o s o l v et h ep r o b l e m so c c u r r e di nt h ed e b u g g i n g a tl a s tt h et r a c k i n gp e r f o r m a n c ei s t e s t e da n dt h ep e r f o r m a n c es i m u l a t i o ni sd o n e ，t h ef a c t o r sw h i c ha f f e c t st h et r a c k i n g p e r f o r m a n c ei sa l s oa n a l y z e d t h et e s t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h er & d o ft h es y s t e mi s s 1 l c c e s s i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文a b s t t a c t k e y w o r d s ：v e h i c l e b o r n e ，s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n ，e a r t hs t a t i o n , s e r v o c o n t r o ls y s t e m ，l i n ka n a l y s i s ，t r a c k i n gp e r f o r m a n c e i i i 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：e l 期： 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：导师签名：日期： 南京邮电人学硕：i ：研究生学位论文第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 卫星通信是航天技术、通信技术、信息技术和新材料技术的结合体，是世界高精尖技 术之一，在信息时代它体现了国家在高新技术领域的综合实力。卫星通信产业作为信息通 信业的重要组成部分，在国家信息基础设施建设、实现普遍服务、创建和谐信息社会和国 家信息安全战略中发挥越来越重要的作用。 卫星通信具有覆盖面大、频带宽、容量大、适用于多种业务、性能稳定可靠、机动灵 活、不受地理条件限制、成本与通信距离无关等优点，由于卫星通信的这些无法比拟的独 特优势，它可以作为地面通信网络的重要延伸和补充。建立天地一体的通信网络，实现在 任何地点、任何时间、与任何人、提供满足任何服务质量需求的通信服务目标，是未来通 信发展的趋势，同样也是卫星通信发展的一个重要契机。 卫星通信除了作为地面通信的重要补充之外，也是满足我国军事及其它特殊通信需求 的必要手段。卫星通信在过去、现在与将来都是我军通信的主要手段之一，尤其是在未末 台海的海匕通信和跨海通信中。 在紧急情况下保持各种形式的通信能力，是国家对重大事件反应能力的标志，是综合 国力的象征。国务院于2 0 0 6 年1 月8 日发布国家突发公共事件总体应急预案，要求“建 立健全应急通信、应急广播电视保障工作体系，完善公用通信网，建立有线和无线相结合、 基础电信网络与机动通信系统相配套的应急通信系统，确保通信畅通n 。这为我国卫星通 信产业的发展提供了难得的历史机遇，由于卫星通信具有组网灵活，建设周期短，不受地 理条件限制等特点，它在国家应急通信中的作用是无可替代的。 到2 0 2 0 年，我国卫星通信要实现的总目标是：卫星通信系统的技术、规模和应用成 为世界上最先进最发达的国家之一；卫星通信系统中卫星和地球站等设施的国产设备占主 导；卫星通信系统在全球无缝覆盖天地一体化综合信息网运营中发挥重要作用；卫星通信 系统在天基综合信息网运营中发挥重大作用弛1 。 目前，与国外同类产品相比，我国国产的卫星和地球站存在着性能差和市场占有率低 等差距，国外大公司的产品几乎垄断了我国卫星通信市场，这不仅严重阻碍了我国卫星通 信产业的发展，而且对我国的通信安全构成了极大的威胁。因此，研制具有自主知识产权 的卫星和地球站，逐步增加国产设备比例，是一项重大的战略任务，也是长远的奋斗目标。 南京邮电大学顾上研究生学位论文 第一章绪论 在此背景之下，我们开展了车载式卫星通信地球站的研究工作。 1 2 国内外发展现状 卫星通信地球站是卫星通信系统的重要组成部分之一，通常工作在微波频段 ( 3 0 0 m h z 3 0 0 g h z ) ，因此地球站实际上是微波无线电收信、发信站，用户通过地球站接 入卫星线路进行通信。地球站的功能是以最佳的性能价格比和可靠的方式，从卫星接收信 息或向卫星发送信息，同时保持要求的信号质量盼1 。 车载式卫星通信地球站是人们较为熟悉的卫星通信产品。在新闻直播现场，人们经常 可以看到它。车载站是安装在汽车上的卫星通信站，它利用载车的快速机动性，可以快速 赶到事件现场，构成高速信息信道，以满足实时通信的需求，是一种应用广泛的卫星通信 产品。 近年来，随着数字信号处理、可编程逻辑电路、微波集成电路和超小口径天线技术的 发展，车载式卫星通信地球站的研发正在向智能化、小型化方向发展，采用频段趋向于更 高频段，以完成高速率传输、高质量通信。 目前，我国的车载式卫星通信系统几乎都是进口臼3 ，主要是美国、以色列、日本等国 家的产品，国内研究类似项目的有几家公司，但还没有成熟的产品，普遍存在设备体积庞 大、笨重等问题，必须使用大型载车，影响了车载站的机动性能。并且设备的操作过于复 杂，严重影响了产品的推广应用。 l - 3 课题的研究目的和应用前景 本课题意在研发的车载式卫星通信地球站与现有的车载站不同，它采用了超小口径天 线和微型通信终端设备，在完成同样的通信业务的条件下，使得整套卫星通信设备以及其 它设备可以安装在一辆普通的越野车上，具有体积小、重量轻、低能耗的特点，大大提高 了车载站的道路通过性能和机动性能。它可以在任何地形迅速展开，自动对星并且跟踪， 几分钟内即可建立卫星通信链路，实现远程数据传输和实时视频传播。 本产品集成了车载式卫星通信系统和超小口径天线技术两大特点，它在抢险救灾、新 闻采访、科考探险、公安和军事等应急和特殊通信等领域将具有广泛的应用前景。 1 4 本文内容安排 本论文是以车载式卫星通信地球站的研制为背景，进行了大量的理论论证、系统设计 2 壹室坚皇盔堂堡圭堕塞生堂垡迨塞 箜二童堑笙 和实际设备调试，着重于车载式卫星通信地球站天线分系统和伺服控制分系统的设计。 本文内容安排如下： 第一章分析了车载式卫星通信地球站研发的背景、国内外发展现状、研究目的及应 用前景。 第二章阐述了车载式卫星通信地球站的系统设计要求和工作原理，制订出系统的总 体规划、系统结构与功能。 第三章进行了天线分系统的设计。介绍了各种天线类型，通过分析合理选择了本系 统采用的天线类型；根据业务要求进行了详细的链路分析，确定了本系统使用的天线口径； 最后总结了天线分系统的性能指标。 第四章介绍了伺服控制分系统的工作原理和分系统结构，同时进行了硬件设备选型。 第五章完成了伺服控制分系统的软件设计。结合实际分析了软件设计要求，介绍了 软件设计平台，对分系统软件的模块化设计进行了详细的阐述，最后提出了系统采用的软 件抗干扰措施。 第六章在系统硬件、软件设计工作完成的基础上，对系统的跟踪性能进行了测试及 仿真，并且分析了影响系统跟踪性能的因素。 第七章对全文的总结，并指出了下一步工作的方向。 南京邮电人学硕l 研究生学位论文 第二章系统总体设计方案 2 1 系统设计要求 第二章系统总体设计方案 系统设计要求是整个系统设计的依据，对车载式卫星通信地球站进行设计，首先必须 了解系统的设计要求，它将直接决定设计结果是否合理和实用。本车载式卫星通信地球站 的设计要求具体如下。 2 1 1 反应速度要求 系统反应速度是指从系统通电到实现通信业务所需要的时间。由于车载式卫星通信地 球站一般应用在应急及特殊通信等实时通信领域，要求能够快速的展开通信业务，因此对 系统的反应速度具有比较高的要求，本系统要求在5 分钟内展开设备，建立卫星通信链路。 2 1 2 通信业务要求 车载式卫星通信地球站作为一种卫星通信产品，要求具备v o l p 、i p 数据、图像传输等 功能，本系统具体业务性能如下： 1 i p 话音业务：速率为8 k b p s ，长话质量，可与p s t n 或p b x 连接，远程接入公用电话网 或用户电话网。 2 i p 数据业务：标准1 0 1 0 0 b a s e t ，具有i p 加速特性，速率最高可达2 m b p s ，通过固定 站用户路由设备可接入i n t e r n e t 或用户本地局域网。 3 图像传输业务：采用m p e g 4 视频压缩技术，可根据用户图象质量需要提供1 2 8 k b p s - - 一 2 m b p s 高速率高质量的图像，可接入用户既有视频会议系统。 2 1 3 系统可靠性要求 系统可靠性要求用可用度来表示，由于车载式卫星通信地球站是可修复设备，因此可 用度a 。定义为吲 a 。：塑堡一 ( 2 1 ) a j = 一 厶l o m t b f + m t t r 式中m t b f 为平均无故障工作时间；m t t r 为平均故障修复时间。 4 南京邮电人学硕? h 开究生学位论文第二章系统总体设计方案 本系统具体可靠性指标要求为：m t b f 3 n 0 0 h ，m t t r l h 。 2 1 4 工作环境要求 车载式卫星通信地球站作为一种应急通信产品，一般在环境比较恶劣的条件下开通使 用，因此需要能够承受比较恶劣的外界环境，具体指标要求见表2 - 1 。 表2 - 1 工作环境要求 工作风速1 4 m s 跟踪损失4 0 5 d b ( r m s ) ( 工作风速条件下) 保全风速2 0 m s 工作温度- 4 0 + 5 5 储存温度 - 5 5 + 8 5 海拔高度 6 0 0 0 m 工作 l3 m m h o u r 降雨 保全 10 0 m m h o u r ，不收藏 积雪( 保全)3 0 m m ，不收藏 相对湿度 0 - - - 1 0 0 太阳辐射 10 0 0 k c a l h o u r m 2 裹冰( 保全)全反射面2 5 m m 裹冰，不收藏 腐蚀沿海地区和工业污染地区 沙尘沙漠地区 地震水平0 3 9 ，垂直0 1 5 9 2 2 系统总体设计 2 2 1 系统工作原理 车载式卫星通信地球站主要是在地面通信网薄弱的地方，对突发事件完成大容量话 音、数据通信和图像传输功能。它通过车载音视频采集设备将现场的音视频信号送到编解 码器，然后通过卫星m o d e m 调制，再经过上变频、功率放大、经天线发射至同步轨道通信 卫星的转发器，转发器将该信号转发到中心站，构成入主站链路。中心站的音视频信号也 南京蛐电大学颂 研究生学位论文第= 章系统总体设计方案 送到编解码器，然后通过卫星m o d e m 调制，再经过上变频、功率放大、经天线发射至同步 轨道通信卫星的转发器，转发器将该信号转发至车载站，构成出主站链路。中心站可以通 过出主站链路进行指挥和调度。 器 f? j 2 22 工作频段选择 削2 1 系统1 ：作示意幽 在卫星通信中，工作频段的选择是一个十分重要的问题，它将直接影响整个i i 星通信 系统的通信容量、质量、可靠性、卫星转发器和地球站的发射助率、天线口径的太小阻及 设备的复杂程度和成本的高低等。 目前我们国内可用的卫星频段为：c ( 6 4 g i i z ) 和k u ( 1 4 1 1 g h z ) 频段。相比c 频段， k u 频段具有以下优点1 ： l k u 频段与地面微波通信频段错) r ，故车载式卫星通信地球站田在城市中问使用而不 受干扰。 2 k u 频段天线波束窄，邻星r 扰较小。 3 k u 频段频带宽，确利于传送多种业务与信息。 4 由于天线增益与工作频率的平方成正比，因此为获得相同的天线增益，k u 频段可采 用尺寸更小的天线。 牲于k u 频段的以上特点，结合本系统的超小口径天线设技术，我们将工作频段选 掸住k u 频段，接收频率为1 22 j 1 27 5 6 h z ，发送频率1 4 1 4 b g h z 。 纂 南京邮电人学顾l - r 0 d , 生学位论文 第二章系统总体设计方案 2 2 3 系统组成 本车载式卫星通信地球站由车顶部分和车内部分组成，系统组成如图2 2 所示。 馈线卜 l b u c 卜 输出 卫星m o d e m 0 9 米天线 l - l l n b 输入十 l 川叫呈州。吖。：南坦典l ， 。”“i i p 加速器1 ，土 t t 天线底鹰 i 信标辖收机l jljf 部分构成车顶分车部分结构如图2-3所示。卜图2-2系统组成框图图2-3车顶部分结车内分卜天线底板2一下限位3一天线底座箱体4-nb 5一天线反射面6一下限开关7一动电机 7 南京邮i u 人学顾i ：研究生学位论文第一二章系统总体设计方案 其中天线底座箱体内布局如图2 4 所示。 图2 - 4 天线箱体内布局 卜天线箱底盖2 一天线箱箱体3 一天线底座4 一电源5 一跟踪接收机6 一控制电路板 7 一电缆接口8 一驱动器 车项部分全套设备包括：主反射面、副反射面和喇叭组合、馈线与极化调整组合、天 线底座与传动装置组合、天线控制器、位置传感器、b u c 、l n b 、g p s 接收机。 车项部分所有设备安装在一个坚固且防水防震的长方体天线箱体内，该箱体体积小 巧，可直接固定在越野车车顶，无需对载车做任何改动。 2 车内部分构成 车内部分结构如图2 5 所示。 图2 - 5 车内部分结构 车内部分由逆变电源、便携式计算机、卫星m o d e m 、i p 加速器、以太网交换机、数 字视频服务器、电话机、传真机、摄像机构成，其中卫星m o d e m 、i p 加速器、以太网交换 8 南京邮电人学硕： ：研究生学位论文 机、数字视频服务器等设备安装在车厢机柜内， 通信业务。 第二章系统总体设计方案 用户可直接在车内控制整个车载站，完成 2 3 本章小结 本章从系统反应速度、通信业务、可靠性和工作环境等方面对车载式卫星通信地球站 提出了设计要求，阐述了系统的工作原理，对整个系统的构成进行了详细描述。 9 南京邮电人学硕士研究生学位论文第三章天线分系统设计 3 1 地球站天线介绍 第三章天线分系统设计 天线是一种将电磁波能量转换为相同频率的功率信号的能量转换器件。其功能是有效 地使发射功率转化为电磁波( 自由波) 能量，并发射到空间去，同时也将从空问接收到的 极为微弱的电磁波( 自由波) 能量有效地转换为同频信号的高频功率馈送给接收机。卫星 通信天线是卫星通信地球站中最主要和最重要的设备之一，它发送和接收卫星信号的能力 和效率直接决定了卫星通信地球站的质量口1 。 在设计车载式卫星通信地球站时，天线分系统的设计有着极其重要的作用。对于天线 分系统，我们有以下几方面的性能要求1 ： 1 天线增益 天线增益是决定地球站性能的关键参数，天线一定要具有高的定向增益，也就是必须 将信号的能量聚焦成为一个窄波束，以接收来自卫星天线或发向卫星天线去的信号，提供 足够的上行和下行载波功率。此外，天线辐射方向图的旁瓣必须很低，以减少来自其他方 向信号源的干扰，而且还要使进入其他卫星和地面系统的干扰达到最小。 计算天线增益的公式为 卟( 竿) 2 枞 ， 式中d 是天线口面的直径( m ) ；力是天线的波长( m ) ；r a 是天线的效率。 2 噪声温度 天线噪声温度一定要低，以使地球站等效噪声温度尽量低，从而减小下行载波带宽内 的噪声功率。为了达到低噪声，必须控制天线辐射方向图，以使它只接收卫星信号，使来 自其他信号源的能量最小。此外，天线的电阻损耗将低噪声放大器接到天线馈源的波导损 耗也应该尽可能小，因为它们都会影响天线系统的噪声温度。 接收机输入端的接收系统的总噪声温度可以表示为1 t = 瓦+ t + ( 3 2 ) 式中：无为接收机输入端的天线噪声温度，当天线仰角大于2 0 0 ，一般取瓦为5 0 k ：乏为 等效噪声温度；乃为馈线的噪声温度。 3 频带宽度 南京邮屯人学硕f ：研究生学位论文第三章天线分系统设计 由于卫星通信地球站都是进行多址连接的，因此要求天线有较大的带宽。通常要求标 准地球站具有5 0 0 m h z 以上的带宽，在该带宽内，应满足高增益、低噪声和匹配良好等要 求。 4 旋转性能 地球站天线的仰角和方向角按一般规定以静止卫星方向为中心，天线可旋转范围应大 于1 0 0 。 5 机械精度 地球站天线应尽可能提高机械精度，从而降低天线的接收和发送损耗。 3 2 天线类型选择 按天线辐射系统的配置划分，目前常用的天线类型有：卡塞格伦天线、格里高利天线、 偏置馈源天线和环焦天线。下面对各种类型天线做一介绍阳1 。 3 2 1 卡塞格伦天线 卡塞格伦天线是双反射面天线的一种，由一个喇叭天线( 馈源喇叭) 和两个反射面( 主 反射面和副反射面) 组成，如图3 - 1 所示。主反射面是一个旋转抛物面，副反射面为一旋 转双曲面，双曲面为一段双曲线绕轴旋转1 8 0 0 所形成，馈源喇叭置于旋转双曲面的实焦点 e 上，旋转抛物面的焦点和旋转双曲面的虚焦点f 在同一位置上。从馈源喇叭辐射出来的 自由电磁波在旋转双曲面上被反射到旋转抛物面上，在抛物面上再次被反射。由于双曲面 的焦点和抛物面的焦点重合，因此经主反射面和副反射面两次反射后便以平行于抛物面的 方向辐射到空中，形成定向辐射。卡塞格伦天线经过镜面修正后，效率高、噪声温度低； 馈源和低噪声放大器可以放在主反射器后部的设备室内，组装性能好；天线辐射方向图相 当好；适用于大中型地球站天线。 图3 1 卡塞格伦天线 l l 副反射器 一 z 南京邮电人学硕：j ：研究生学位论文第三章天线分系统设计 3 2 2 格里高利天线 格里高利天线也是一种双反射面天线，其基本结构是由一个喇叭天线( 馈源喇叭) 、 一个主抛物面和一个椭球面的副反射面组成。与双曲面一样，副反射面的椭球面也有两个 焦点：一个放在与主反射面焦点重合的位置上，另一个放在馈源喇叭的相位中心。如图3 2 所示，格旱高利天线的特点和卡塞格伦天线类似，不同之处在于格里高利天线的旋转抛物 面焦点是一个实焦点，所有波束都集中在这一点。 图3 - 2 格里高利天线 3 2 3 偏置馈源天线 无论是卡塞格伦天线还是格里高利天线，总有一部分电波能量被阻挡，造成天线增益 下降，旁瓣增益高。为避免这种情况发生，天线偏置技术就显得很重要。所谓偏置馈源天 线，就是将馈源或副反射面移出天线主反射面的辐射区，如图3 3 所示，这样就不会阻挡 主波束，从而提高了效率，改善了副瓣电平的性能。偏置型天线广泛应用于天线尺寸较小 的地球站。 图3 - 3 偏置馈源天线 1 2 南京邮电大学硕十研究生学位论文 第三章天线分系统设计 3 2 4 环焦天线 环焦天线主要由主反射面、副反射面和馈源喇叭三部分组成。主反射面由部分抛物面 组成，副反射面是由一段椭圆弧围绕与椭圆相交的直线旋转而得到的旋转曲面，并且椭圆 面凹对主反射面。图3 4 给出的是环焦天线沿机械轴的剖面图，图中弧线a a 。是抛物面的 一部分，弧线b b 。是椭圆的一部分，两个点f 、f 是副反射面( 即部分椭圆旋转曲面) 的 两个焦点，两个点的连线f f 与天线机械轴线有一个轴偏角，故环焦天线又称为偏焦轴天 线。其中天线椭圆副反射面的一个焦点f 。正好与抛物主反射面的焦点重合，另一个焦点f 也 正好是馈源喇叭的相位中心。由于天线是绕机械轴的旋转体，因此焦点f 构成一个垂直于 天线轴平面的圆环，所以称这种天线为环焦天线。天线副反射面有一个尖顶b ，b 与f 及 主反射面边缘a 处于一条直线上。电磁波的反射路径为f b f a l 、f c f d m 、f b f a n ， 因而可以消除副反射面对电磁波的阻挡，也可以基本消除副反射面对馈源喇叭的回射。由 于在主反射面和副反射面之间有一个阴影区，因此可以避免馈源对副反射面的阻挡，在天 线设计时不用考虑馈源对副反射面的影响，可以使馈源喇叭和副反射面靠得很近，这样有 利于在宽频带内降低天线的旁瓣和驻波比，提高天线效率。 图3 - 4 环焦天线 对于本车载式卫星通信地球站天线要求在宽频带内有较低的旁瓣、较高的口面效率及 较高的g t 值，并且系统采用超小口径天线技术，因此选用偏置馈源天线和环焦天线能够 满足性能要求，但是由于车载天线安装在载车顶部，考虑到偏置馈源天线机械结构上无需 将馈源置于天线中心轴上，便于自动收藏，因此采用偏置馈源天线。 3 3 天线口径选择 j 下确选择天线口径，是车载式卫星通信地球站天线分系统设计的重要工作，天线口径 大，增益高，但是投资大；天线口径小，投资小，但是增益低，不一定能完成通信业务， 1 3 南京邮电大学硕j j 研究生学位论文 第三章天线分系统设计 下面我们通过链路计算来确定车载式卫星通信地球站合适的天线口径。 3 。3 1 卫星参数确定 我们以中卫一号卫星转发器为例进行链路计算，卫星参数见表3 1 。 表3 - 1 中卫一号卫星参数 卫星轨道位置 东经8 7 5 0 接收：1 2 2 5 0 1 2 7 5 0 m h z 工作频段 发射：1 4 0 0 0 一- - 1 4 5 0 0 m h z 转发器带宽b = 3 6m h z 北京：e 缏只 - 4 9 6 2 d b w 等效全向辐射功率 南京：e i r p , , = 5 3 6 9 d b w 饱和功率通量密度w = - 8 4 d b w m 2 北京：鲁一s 8 2 a e k 品质因素 毓鲁= 7 3 5 d b k 转发器输入补偿i p b i = l o d b 转发器输出补偿i p b o = 4 d b 3 3 2 中心站参数确定 我们选择设在北京的6 2 米卫星通信天线作为中心站，中心站参数如下： 天线口径：6 2 m 天线效率：6 5 经度：1 1 6 3 0 e 纬度：3 9 3 0 n 仰角：3 5 1 0 1 4 南京邮电大学硕i b 研究生学位论文第三章天线分系统设计 3 3 3 车载站参数确定 车载站即本文要设计的系统，我们首先以车载站在南京的情况为例，车载站参数如下： 天线口径：待确定 天线效率：6 5 经度：1 1 8 7 纬度：3 2 o o n 仰角：3 9 7 0 3 3 4 信息参数确定 1 信息速率 由第二章的通信业务要求可知，本系统信息速率在2 m b p s 以内，因此租用2 m h z 转 发器带宽可以满足通信业务要求。 2 编码方式 本系统的编码采用t p c 编码，f e c 速率为3 4 。 3 调制方式 卫星通信中常用的调制方式有b p s k 和q p s k 调制，本系统综合传输速率和误码率 考虑，采用q p s k 调制n 。3 。 4 能噪比 本系统选用的卫星m o d e m 在b d 为5 0 d b 时，可达到1 1 0 棚的误码率要求，此时 能够保证信息传输质量。 3 3 5 链路分析 首先我们以南京的车载站为发送站向卫星发送信号，北京的中心站接收信号。发送信 号频率为e = 1 4 。2 5 g h z ，接收信号频率f , = 1 2 5 g h z 。假设车载站发射功率为4 瓦，天线口径 为0 6 米，下面通过链路计算验证车载站天线作为发送站的天线口径可行性2 引。 对于上行链路 车载站到静止卫星的距离 吒= ( r + 兄) 1 5 ( 3 3 ) 南京邮电大学硕士研究生学位论壅 笙三兰委堡坌墨竺堡i l i 耳咳j 甄五再面矛霸蟊1 i 再豆夏蘑夏苄蕉丙茇两地球站纬度；仍为地球站和卫星之式中r 为地球平均半径；r 为卫星距星下点高度；秒为地球站纬厦；仇为地球站和上星乙 阿经度差。 代入参数计算得 吃2 3 7 8 0 5 5 k m 由式( 3 1 ) ，车载站发射天线增益 q = ( 警) 2 材 扭4 ， 式中d 为天线口径；允为工作波长；7 7 为天线效率。 计算得 q _ ( 型黑巡) 2 o - 6 5 = 3 7 1 7 d b 发射天线等效全向辐射功率 ( e i r p ) ，= cg f ( 3 5 ) 式中p 为天线发射功率；q 为发射天线增益。 计算得 ( e i r p ) ，21 0 1 9 4 + 3 7 1 7 2 4 3 2 d b w 卫星转发器功率通量密度 形= 臀 ( 3 6 ) 式中为天线发射功率；g f 为发射天线增益：吃为地球站到静止卫星的距离。 计算得 彬= 4 3 2 - 1 0 1 9 ( 4 z ( 3 7 8 0 5 5 1 0 3 ) 2 ) = 1 1 6 x1 0 1 2 = - - 1 1 9 。3 5 d b m 2 中卫一号饱和通量密度形= - - 8 4d b m 2 ，输入补偿啦= 1 0 d b ，因此，卫星转发器 通量密度彬与( 哌一上鸭) 的差值为 形一( 形一1 p b , ) = - l1 9 3 5 - ( - 8 4 - 1 0 ) = 2 5 3 5d b ( 3 7 ) 由等效全向辐射功率和功率通量密度的线形关系得 1 6 ( e i r p ) ，= ( e i r p ) 。一以1 3 i d + ( 一2 5 3 5 ) ( 3 8 ) 式中( e i r p ) ，为此时卫星转发器的等效全向辐射功率；( 脚) 嚣卫星转发器最大饱和输出时 等效全向辐射功率；z 睨为输出补偿。 计算得 ( e i r p ) 。= 4 9 6 2 4 2 5 3 5 = 2 0 2 7 d b w 卫星转发器带宽b z = 3 6 m ，本系统租用带宽b t = 2 m ； 由于 ( 脚n ( 一一圳，g ( 鲁) 因此本系统是功率受限系统。 由式( 3 1 0 ) ，上行链路传播损耗 l p l = 2 0 l g ( 塑塑笔掣) = 2 0 7 1 5 d b 若大气、极化损耗忽略不计，馈线损耗设为l d b ，则上行链路的总损耗厶为2 0 8 1 5 d b 。 由式( 3 11 ) ，上行链路载温比 ( 豺( 删巩_ 噜 = 6 5 9 2 0 8 1 5 + 3 8 2 = 一1 3 8 4 3 d b k 由式( 3 1 2 ) ，上行链路载噪比 吼= ( 甜川晦川g b 一1 3 8 4 3 + 2 2 8 6 1 0 1 9 ( 1 4 x 1 0 6 ) = 2 8 7 1 d b 对于下行链路，由式( 3 1 0 ) ，下行链路传播损耗 翊坂塑婴筹掣) 2 1 塑室坚皇奎堂堡主堕塑竺堂垡丝奎蔓三里蒌垡坌墨竺丝盐 若大气、极化损耗忽略不计，馈线损耗设为l d b ，贝, u - v 行链路的总损耗厶为2 0 6 9 3 d b 。 由式( 3 1 ) ，车载站接收天线增益由公式 g ，。= ( 兰二兰! 生掣) 2 。6 5 = 3 6 。3 d b 由式( 3 2 ) ，系统总的噪声温度 t = 瓦+ t + l = 5 0 + 6 0 + 6 3 = 1 7 3 k 车载站接收天线品质因素 a - ，：3 6 0 3 1 0 1 9 1 7 3 ：1 3 6 5 d b 由式( 3 2 1 ) 和( 3 2 2 ) ，下行链路载噪比 ( 鼽= ( 衄巩_ + 等- 1 0 1 9 k - 1 0 1 9 坟 由式( 3 2 3 ) ，卫星链路总的载噪比 ( 号) 。坶= ( ( 熹) d 一。+ ( 号) 。一+ ( 号) 朋盯一1 一。 = ( 1 0 吒7 + 1 0 。2 0 4 7 + 1 0 。2 。0 4 5 ) 卅 e h 式( 3 2 5 ) ，系统能噪比 每= ( 跣圳- 附川g 峨 本系统使用的卫星m o d e m 在毛o 为5 o d b 时能够保证信息传输质量，因此车载站作 为接收站时此方案符合设计要求。 考虑雨衰备裕量等因素n5 1 ，我们将车载式卫星通信地球站的天线口径定为 0 9 x 0 6 6 米。 由于车载站机动性能强，要求必须能在任何地方开通运行，并且能够更换不同卫星， 表3 2 是以本车载站在南京和哈尔滨，使用中卫一号卫星、亚太iir 卫星和亚太五号卫星 为例，车载站天线的发送与接收性能，其中车载站仍使用4 瓦功放，中心站为设在北京的 南京邮i 【1 人学硕l - 研究生学位论文第三章天线分系统设计 6 2 天线，采用7 瓦发射功率。发送信号频率为e = 1 4 2 5g h z ，接收信号频率f ，= 1 2 5 g h z 。 表3 - 2 车载站天线收发性能 使用卫星车载站位置毛o ( d b ) 发送站1 0 0 9 南京 接收站 1 7 4 9 中卫一号 发送站 5 8 3 。哈尔滨 接收站1 2 8 发送站 1 0 5 4 南京 接收站 1 7 6 1 亚太iir 发送站 7 7 4 哈尔滨 接收站 1 5 3 4 发送站8 5 9 南京 接收站 1 8 3 9 亚太五号 发送站6 0 4 哈尔滨 接收站 15 6 3 由表中数据可以看出，本车载站设计的0 9 x 0 6 6 米天线口径能够满足通信业务要求， 并且留有一定的系统备余量。 3 4 天线性能指标 3 4 1 天线电性能指标 天线电性能指标规定了天线收发所需达到的性能指标要求，具体设计指标见表3 3 。 表3 - 3 天线电性能指标 名 称接收发射 工作频率( g h z ) 1 2 2 5 1 2 7 5 1 4 0 0 1 4 5 0 天线增益( d b i ) 3 8 0 + 2 0 l o g ( f 1 2 5 )3 9 5 + 2 0 l o g ( f 1 4 2 5 ) 天线噪声温度( k )5 5 典型g t 值( d b k ) 2 0 极化方式线极化 南京邮电人学硕l ：研究生学位论文第三章天线分系统设计 第一旁瓣电平( d b ) 一1 7 交叉极化隔离度( d b ) 3 33 3 ( 1 d b 波束内) 电压驻波比 1 3 01 3 0 收发隔离度( d b ) 8 0 馈线插入损耗( d b )0 3 5 0 3 3 4 2 天线机械性能指标 天线机械性能指标规定了天线的整体结构及性能，具体设计指标见表3 4 。 表3 4 天线机械性能指标 天线口径0 9 米o 6 6 米 天线座形式方位俯仰 天线转动方式电动 方位转动范围 1 9 0 0 俯仰转动范围 0 0 - - 9 0 0 极化调整范围9 0 0 0 1 0 s 5 0 s ( 方位) 驱动速度0 1 0 s 5 0 s ( 俯仰) 1 0 s ( 极化) 天线展开与收藏自动展开与收藏 天线箱总重量4 0 k g 接插件和转接头采用加固、防水、防腐和防尘措施 电缆布线采用走线盒或盖隐藏 全天候操作在黑夜、沙尘、严寒等情况下方便地操作 3 5 本章小结 本章首先对地球站天线进行了介绍，同时提出了天线分系统设计的性能要求；然后介 绍了各种天线类型，通过分析合理选择了本系统采用的天线类型；根据业务要求进行了详 细的链路分析，确定了本系统使用的天线口径；最后总结了天线分系统的性能指标。 南京邮电大学硕上研究生学位论文第四章伺服控制分系统设计及硬件实现 第四章伺服控制分系统设计及硬件实现 4 1 基本概念介绍 伺服控制分系统的作用是在车载式卫星通信地球站工作过程中，使天线的波束中心自 动、快速、准确地对准卫星，从而使通信系统保持正常工作。伺服控制分系统要完成这一 任务，必须知道天线波束中心和所要对准卫星的方位角仍、仰角眈和极化角，下面首 先介绍这三个基本概念n 6 1 。 如图4 一l 所示是静止通信卫星s 与地球站a 的几何关系。其中，设地球站a 的经、纬 度分别为仍和o l ，静止卫星s 的星下点s 的经度为仍，而伊= l 仍一缈：i 为星下点s 与地球 站之间的经度差。 s 图4 1 通信卫星s 与地球站a 的几何关系 为了进一步看清楚几何关系，我们把图4 - 1 中用斜线表示的一块地球表面a s b 画在 图4 2 中。 分 s 幽4 - 2 通信卫星s 与地球站a 的儿何关系分解 2 5 南京邮电大