+ 高文生　中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所

臨近空間飛行器衛(wèi)星信息傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

+ 高文生中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所

給出了臨近空間飛行器衛(wèi)星信息傳輸?shù)囊环N實(shí)現(xiàn)方法，簡(jiǎn)述了系統(tǒng)組成和工作原理，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，并給出了試驗(yàn)結(jié)果。

臨近空間 艇載衛(wèi)通站 前向鏈路 返向鏈路 散熱

1　概述

臨近空間是指距地面20～100km、介于天空和太空之間的空域，那里空氣稀薄，氣象狀況比較單純，常規(guī)的飛行器難以到達(dá)這個(gè)高度活動(dòng)，戰(zhàn)略地位重要。飛艇、浮空氣球等飛行器可在臨近空間長(zhǎng)期駐留或者巡游，執(zhí)行情報(bào)收集、偵察監(jiān)視、通信保障等任務(wù)。

臨近空間飛行器駐空時(shí)間長(zhǎng)，活動(dòng)范圍往往超出無(wú)線電通視范圍，采用視距鏈路不能實(shí)現(xiàn)地面站與飛行器的通信要求，而衛(wèi)星中繼數(shù)據(jù)鏈路具有通信距離遠(yuǎn)、通信不受地埋條件限制等優(yōu)勢(shì)，是超視距情況下飛行器與地面站信息傳輸?shù)淖罴咽侄巍?/p>

某無(wú)人浮空飛艇工作在臨近空間，最大升限24000米，在飛艇上安裝衛(wèi)星通信設(shè)備（簡(jiǎn)稱艇載衛(wèi)通站），地面配置相應(yīng)的地面衛(wèi)通站，采用衛(wèi)星中繼手段，可以實(shí)現(xiàn)地面和飛艇之間超視距情況下的遙控、遙測(cè)數(shù)據(jù)和其它載荷信息的傳輸。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成和工作原理

地面控制站和飛艇之間的信息交互包括：地面站向飛艇發(fā)送4kbps的遙控信息，用于飛艇的飛行控制和設(shè)備參數(shù)的設(shè)置；飛艇向地面站發(fā)送2.048Mbps的復(fù)合信息，用于傳輸壓縮視頻流、飛艇狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)等復(fù)合信息。

為此，設(shè)計(jì)Ku頻段衛(wèi)星信息傳輸系統(tǒng)，使用Ku頻段商用通信衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)飛艇和地面站之間的信息傳輸。衛(wèi)星信息傳輸系統(tǒng)由艇載衛(wèi)通站、衛(wèi)通地面站、以及所使用的Ku通信衛(wèi)星組成。地面站到飛艇的信息傳輸稱為前向鏈路，前向鏈路信息流程為：遙控指令信息送Ku頻段衛(wèi)通地面站進(jìn)行擴(kuò)頻、調(diào)制、變頻、放大并發(fā)向衛(wèi)星，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)，發(fā)向艇載衛(wèi)通站；艇載衛(wèi)通站接收、放大、變頻后，送解擴(kuò)解調(diào)器恢復(fù)出遙控?cái)?shù)據(jù)流送到艇載控制設(shè)備。飛艇到地面站的信息傳輸稱為返向鏈路，返向鏈路信息流程為：艇上載荷信息、飛艇狀態(tài)信息和設(shè)備狀態(tài)信息等復(fù)接成復(fù)合數(shù)據(jù)，輸入到調(diào)制器進(jìn)行信道編碼、調(diào)制，變頻為中頻信號(hào)后送入Ku頻段射頻單元，射頻單元經(jīng)過(guò)變頻放大，由天線發(fā)向衛(wèi)星，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)，傳送到Ku頻段衛(wèi)通地面站，地面站接收、放大、變頻后，送解調(diào)器恢復(fù)出基帶復(fù)合數(shù)據(jù)，送到地面控制站進(jìn)一步解析。

系統(tǒng)組成和工作示意圖如圖1所示。

圖1　臨近空間飛艇衛(wèi)星信息傳輸系統(tǒng)工作示意圖

2.2 技術(shù)體制

前向鏈路傳輸?shù)孛鎸?duì)飛艇的遙控指令信息，安全性要求高，需要具有較好的信號(hào)隱蔽性和較強(qiáng)的抗干擾、抗截獲能力，且傳輸速率相對(duì)較低，選用直接序列擴(kuò)頻的碼分多址（CDMA）方式。通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻處理，降低發(fā)送信號(hào)的功率譜密度，減少在任務(wù)期間被發(fā)現(xiàn)的概率，并具備一定的抗干擾能力；采用擴(kuò)頻方式還可以實(shí)現(xiàn)多載波復(fù)用，當(dāng)一個(gè)地面站對(duì)多個(gè)飛艇通信時(shí)時(shí)，多個(gè)飛艇的前向鏈路可通過(guò)采用不同的擴(kuò)頻碼，占用相同的載波頻率，有效節(jié)省系統(tǒng)占用帶寬。

返向鏈路采用FDMA多址方式，當(dāng)多個(gè)飛艇工作時(shí)，每個(gè)飛艇分配獨(dú)立的載波，地面站對(duì)應(yīng)配置相應(yīng)的解調(diào)終端，載波分配和資源管理流程簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的配置比較明確。

考慮到衛(wèi)星帶寬資源的限制，為提高帶寬利用率，系統(tǒng)采用功率效率較高的QPSK調(diào)制、相干解調(diào)方式。

在編碼方式的選擇上，由于艇載衛(wèi)通站體積和功耗受限，天線增益低，發(fā)射機(jī)輸出功率受限等因素，造成艇載發(fā)射EIRP值不高，因此需采用高增益的糾錯(cuò)編碼方式，以盡可能降低系統(tǒng)的解調(diào)門限載噪比。為此，信道編碼選用1/2 LDPC碼，LDPC碼全稱為低密度奇偶校驗(yàn)碼，是一種稀疏線性分組碼，可以有效地降低解調(diào)門限，提高鏈路傳輸性能，使用1/2 LDPC編碼方式，在誤碼率為1×10-6時(shí)，信號(hào)的解調(diào)門限為4dB（Eb/ N0）。另外，LDPC碼本身具有交織特性，能糾正突發(fā)錯(cuò)誤，避免了因加入外部交織而帶來(lái)的編譯碼延遲。同時(shí)該編碼方式還具有譯碼速度快，吞吐率高的優(yōu)點(diǎn)。

2.3 系統(tǒng)傳輸能力

通過(guò)鏈路計(jì)算，正確配置衛(wèi)通站的技術(shù)參數(shù)，保證系統(tǒng)輸出端信號(hào)的誤比特率（也稱誤碼率）滿足要求。鏈路計(jì)算的核心是系統(tǒng)載噪比的計(jì)算，與系統(tǒng)載噪比相關(guān)的因素包括衛(wèi)通站發(fā)射EIRP值、接收站的G/T值、傳輸過(guò)程中的各種損耗和引入的各種噪聲及干擾。

系統(tǒng)選用普通商用衛(wèi)星，工作區(qū)域的轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)選取見(jiàn)表1。

表1　衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)選取

艇載站受到空間限制，配置了0.6米口徑拋物面天線，為彌補(bǔ)艇載EIRP值的弱點(diǎn)，地面站配置了6.2米大口徑拋物面天線。艇載天線和地面天線的發(fā)射和接收性能見(jiàn)表2。

表2　天線技術(shù)指標(biāo)

表3　傳輸參數(shù)

以上參數(shù)確定后，通過(guò)計(jì)算系統(tǒng)載噪比，可以算出信道容量和每信道所需發(fā)射站的功率。在進(jìn)行鏈路計(jì)算時(shí)，需要考慮降雨影響，由于飛艇在遠(yuǎn)高于云層之上工作，故可不考慮飛艇到衛(wèi)星之間的降雨影響，僅考慮衛(wèi)星到地面站之間的降雨影響。此外，系統(tǒng)還為不可預(yù)測(cè)因素預(yù)留了3dB余量。

通過(guò)計(jì)算， Ku返向鏈路傳輸2.048Mbps信息時(shí)，艇載所需的輸出功率為37.1W，艇載站配置了Ku頻段40W發(fā)射機(jī)，可以保證返向信息的正確傳輸。前向信息速率為4kbps，地面站所需的輸出功率小于1W，考慮到地面站要兼具信息轉(zhuǎn)發(fā)的功能，配置了20W發(fā)射機(jī)，完全滿足系統(tǒng)需求。

2.4 站型方案

1）艇載衛(wèi)通站

艇載衛(wèi)通站由Ku頻段0.6米口徑天線單元、射頻單元和數(shù)據(jù)處理單元組成。設(shè)備組成和工作原理如圖2所示。

圖2　艇載衛(wèi)通站組成和工作示意圖

Ku頻段艇載天線為直徑0.6m賦形環(huán)焦天線，由于飛艇平臺(tái)較穩(wěn)定，天線采用程序引導(dǎo)加步進(jìn)跟蹤的跟蹤方式，能夠保證天線1/5波束寬度的跟蹤精度。天線座架采用A-E型座架，天線姿態(tài)控制采用陀螺加前饋補(bǔ)償伺服穩(wěn)定控制策略。

射頻單元包括Ku頻段LNA、下變頻器、Ku 頻段40W發(fā)射機(jī)等設(shè)備。完成信號(hào)低噪聲放大、頻率變換和功率放大等功能。

數(shù)據(jù)處理單元包括調(diào)制解調(diào)單元和接口監(jiān)控單元，主要完成業(yè)務(wù)接入、前向信息的解調(diào)譯碼、返向信息的編碼調(diào)制和設(shè)備監(jiān)控等功能。

艇載衛(wèi)通站對(duì)外通過(guò)RS422同步數(shù)據(jù)接口接收飛艇復(fù)合數(shù)據(jù)，并向飛艇的飛行控制設(shè)備發(fā)送遙控指令數(shù)據(jù)，飛艇通過(guò)RS422異步數(shù)據(jù)接口對(duì)艇載衛(wèi)通站進(jìn)行監(jiān)控，衛(wèi)通天線單元通過(guò)RS422異步串口接收慣導(dǎo)和GPS數(shù)據(jù)，設(shè)備均使用直流28V供電。

2）地面衛(wèi)通站

Ku衛(wèi)通地面站由6.2米天線系統(tǒng)、射頻設(shè)備、終端設(shè)備以及供配電等輔助設(shè)備組成。設(shè)備組成與工作原理如圖3所示。

圖3　Ku衛(wèi)通地面站組成和工作示意圖

3　關(guān)鍵技術(shù)

3.1 仿真分析

如何實(shí)現(xiàn)飛艇電子設(shè)備的散熱是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，艇載設(shè)備要求在高空24000米工作，在臨近空間，環(huán)境溫度為-55℃，絕對(duì)壓力為3.3KPa，空氣密度為0.038kg/m3，太陽(yáng)輻射約為1000W/m2。由于空氣密度低，通過(guò)空氣對(duì)流散熱效率非常低，主要依靠傳導(dǎo)和輻射散熱，發(fā)熱體熱量散不出去，造成本身溫度很高。

艇載衛(wèi)通站的主要發(fā)熱設(shè)備是Ku頻段40W發(fā)射機(jī)，總耗熱量為280W，發(fā)射機(jī)內(nèi)部的功率放大模塊設(shè)置保護(hù)溫度為85°，超過(guò)這一溫度時(shí)，發(fā)射機(jī)將停止工作。

用Icepak軟件對(duì)艇載衛(wèi)通站工況熱仿真建模，如圖4所示。對(duì)艇載衛(wèi)通站在地面和臨近空間兩種環(huán)境條件下的散熱狀況進(jìn)行仿真。

圖4　設(shè)備工況熱仿真建模

1）地面工作

考慮到地面聯(lián)試等情況，首先對(duì)發(fā)射機(jī)在地面工作進(jìn)行仿真，地面環(huán)境條件為：最高環(huán)境溫度55℃，絕對(duì)壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1.01×105Pa，空氣密度為1.0kg/m3，太陽(yáng)輻射忽略不計(jì)。

設(shè)備在地面工作時(shí)，主要依靠強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱。根據(jù)設(shè)備的熱性能指標(biāo)，對(duì)于Ku頻段40W發(fā)射機(jī)采用一個(gè)120mm×120mm軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5　地面條件Ku頻段40W發(fā)射機(jī)溫度分布圖

由仿真結(jié)果可知，在地面工作時(shí)，Ku頻段40W發(fā)射機(jī)功率放大模塊最高溫度為73.2℃，設(shè)備能正常工作。

2）臨近空間工作

當(dāng)發(fā)射機(jī)在臨近空間工作時(shí)，按飛艇升限24000米環(huán)境條件進(jìn)行仿真，此時(shí)環(huán)境溫度為-55℃，絕對(duì)壓力為3.3KPa，空氣密度為0.038kg/m3，太陽(yáng)輻射約為1000W/m2。Ku頻段40W發(fā)射機(jī)裝在天線座架上，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6　臨近空間條件Ku頻段40W發(fā)射機(jī)溫度分布圖

由仿真結(jié)果可知，在高空24000米工作時(shí)，Ku頻段40W發(fā)射機(jī)裝在天線座架上時(shí)，最高溫度為93.23℃，設(shè)備不能正常工作。

3.2 改進(jìn)措施

為了使發(fā)射機(jī)能在臨近空間正常工作，采取以下改進(jìn)措施：

1）在Ku頻段40W發(fā)射機(jī)功率放大模塊的底板鑲嵌熱管散熱器，建立低熱阻傳熱通道。 通過(guò)熱管傳熱通道將功率放大模塊工作時(shí)產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至散熱器，熱量再經(jīng)由散熱器輻射到外空間，并在熱傳遞路徑上各部件的接觸安裝表面均涂導(dǎo)熱脂， 降低熱阻，提高熱傳導(dǎo)效果；

2）加裝隔熱罩，隔離太陽(yáng)光輻射。設(shè)備上面裝一個(gè)直徑為1.5米的玻璃鋼罩，它的底沿距底板0.25米，主要用于高空中隔離太陽(yáng)輻射。在隔熱罩的外表面噴涂短波吸收率為0.17 、長(zhǎng)波發(fā)射率為0.87 的SR107白漆作為熱控涂層，在發(fā)射機(jī)殼體、隔熱罩內(nèi)表面、底板等部位噴涂高發(fā)射率的無(wú)光漆， 加強(qiáng)輻射散熱；

3）改變Ku頻段40W發(fā)射機(jī)安裝位置，將其由天線座架移到下面的天線安裝平臺(tái)上，將安裝平臺(tái)作為Ku頻段40W發(fā)射機(jī)散熱器的一部分，并使用高速風(fēng)機(jī)，在空氣密度減小的情況下，提供較大的體積流量和質(zhì)量流量。

采取以上措施后，再次在24000米環(huán)境條件對(duì)Ku頻段40W發(fā)射機(jī)進(jìn)行熱仿真，如圖7所示，最高溫度為43℃，能正常工作。

圖7　改進(jìn)后高空條件Ku頻段40W發(fā)射機(jī)溫度分布圖

4　試驗(yàn)結(jié)果

飛艇升空到15000米高度后，Ku衛(wèi)通天線按預(yù)定計(jì)劃執(zhí)行對(duì)星程序，天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星后，Ku發(fā)射機(jī)打開，Ku鏈路開通。飛艇升空到20100米，留空近2小時(shí)，在此期間，通過(guò)衛(wèi)星信息傳輸系統(tǒng)將紅外圖像和遙測(cè)數(shù)據(jù)高質(zhì)量地傳送到地面指揮控制站，并完成了地面站對(duì)飛艇的飛行控制和艇上設(shè)備的參數(shù)設(shè)置。飛艇下降到7000米時(shí)，設(shè)備電源關(guān)閉。試驗(yàn)過(guò)程中衛(wèi)星信息傳輸系統(tǒng)工作穩(wěn)定。