临近空间飞行器卫星信息传输系统的实现

+ 高文生　中国电子科技集团公司第五十四研究所

临近空间飞行器卫星信息传输系统的实现

+ 高文生中国电子科技集团公司第五十四研究所

给出了临近空间飞行器卫星信息传输的一种实现方法，简述了系统组成和工作原理，对关键技术进行了分析，并给出了试验结果。

临近空间 艇载卫通站 前向链路 返向链路 散热

1　概述

临近空间是指距地面20～100km、介于天空和太空之间的空域，那里空气稀薄，气象状况比较单纯，常规的飞行器难以到达这个高度活动，战略地位重要。飞艇、浮空气球等飞行器可在临近空间长期驻留或者巡游，执行情报收集、侦察监视、通信保障等任务。

临近空间飞行器驻空时间长，活动范围往往超出无线电通视范围，采用视距链路不能实现地面站与飞行器的通信要求，而卫星中继数据链路具有通信距离远、通信不受地埋条件限制等优势，是超视距情况下飞行器与地面站信息传输的最佳手段。

某无人浮空飞艇工作在临近空间，最大升限24000米，在飞艇上安装卫星通信设备（简称艇载卫通站），地面配置相应的地面卫通站，采用卫星中继手段，可以实现地面和飞艇之间超视距情况下的遥控、遥测数据和其它载荷信息的传输。

2　系统设计

2.1 系统组成和工作原理

地面控制站和飞艇之间的信息交互包括：地面站向飞艇发送4kbps的遥控信息，用于飞艇的飞行控制和设备参数的设置；飞艇向地面站发送2.048Mbps的复合信息，用于传输压缩视频流、飞艇状态和设备状态等复合信息。

为此，设计Ku频段卫星信息传输系统，使用Ku频段商用通信卫星，实现飞艇和地面站之间的信息传输。卫星信息传输系统由艇载卫通站、卫通地面站、以及所使用的Ku通信卫星组成。地面站到飞艇的信息传输称为前向链路，前向链路信息流程为：遥控指令信息送Ku频段卫通地面站进行扩频、调制、变频、放大并发向卫星，经卫星转发器转发，发向艇载卫通站；艇载卫通站接收、放大、变频后，送解扩解调器恢复出遥控数据流送到艇载控制设备。飞艇到地面站的信息传输称为返向链路，返向链路信息流程为：艇上载荷信息、飞艇状态信息和设备状态信息等复接成复合数据，输入到调制器进行信道编码、调制，变频为中频信号后送入Ku频段射频单元，射频单元经过变频放大，由天线发向卫星，经卫星转发器转发，传送到Ku频段卫通地面站，地面站接收、放大、变频后，送解调器恢复出基带复合数据，送到地面控制站进一步解析。

系统组成和工作示意图如图1所示。

图1　临近空间飞艇卫星信息传输系统工作示意图

2.2 技术体制

前向链路传输地面对飞艇的遥控指令信息，安全性要求高，需要具有较好的信号隐蔽性和较强的抗干扰、抗截获能力，且传输速率相对较低，选用直接序列扩频的码分多址（CDMA）方式。通过对信号进行扩频处理，降低发送信号的功率谱密度，减少在任务期间被发现的概率，并具备一定的抗干扰能力；采用扩频方式还可以实现多载波复用，当一个地面站对多个飞艇通信时时，多个飞艇的前向链路可通过采用不同的扩频码，占用相同的载波频率，有效节省系统占用带宽。

返向链路采用FDMA多址方式，当多个飞艇工作时，每个飞艇分配独立的载波，地面站对应配置相应的解调终端，载波分配和资源管理流程简单，系统的配置比较明确。

考虑到卫星带宽资源的限制，为提高带宽利用率，系统采用功率效率较高的QPSK调制、相干解调方式。

在编码方式的选择上，由于艇载卫通站体积和功耗受限，天线增益低，发射机输出功率受限等因素，造成艇载发射EIRP值不高，因此需采用高增益的纠错编码方式，以尽可能降低系统的解调门限载噪比。为此，信道编码选用1/2 LDPC码，LDPC码全称为低密度奇偶校验码，是一种稀疏线性分组码，可以有效地降低解调门限，提高链路传输性能，使用1/2 LDPC编码方式，在误码率为1×10-6时，信号的解调门限为4dB（Eb/ N0）。另外，LDPC码本身具有交织特性，能纠正突发错误，避免了因加入外部交织而带来的编译码延迟。同时该编码方式还具有译码速度快，吞吐率高的优点。

2.3 系统传输能力

通过链路计算，正确配置卫通站的技术参数，保证系统输出端信号的误比特率（也称误码率）满足要求。链路计算的核心是系统载噪比的计算，与系统载噪比相关的因素包括卫通站发射EIRP值、接收站的G/T值、传输过程中的各种损耗和引入的各种噪声及干扰。

系统选用普通商用卫星，工作区域的转发器参数选取见表1。

表1　卫星转发器参数选取

艇载站受到空间限制，配置了0.6米口径抛物面天线，为弥补艇载EIRP值的弱点，地面站配置了6.2米大口径抛物面天线。艇载天线和地面天线的发射和接收性能见表2。

表2　天线技术指标

表3　传输参数

以上参数确定后，通过计算系统载噪比，可以算出信道容量和每信道所需发射站的功率。在进行链路计算时，需要考虑降雨影响，由于飞艇在远高于云层之上工作，故可不考虑飞艇到卫星之间的降雨影响，仅考虑卫星到地面站之间的降雨影响。此外，系统还为不可预测因素预留了3dB余量。

通过计算， Ku返向链路传输2.048Mbps信息时，艇载所需的输出功率为37.1W，艇载站配置了Ku频段40W发射机，可以保证返向信息的正确传输。前向信息速率为4kbps，地面站所需的输出功率小于1W，考虑到地面站要兼具信息转发的功能，配置了20W发射机，完全满足系统需求。

2.4 站型方案

1）艇载卫通站

艇载卫通站由Ku频段0.6米口径天线单元、射频单元和数据处理单元组成。设备组成和工作原理如图2所示。

图2　艇载卫通站组成和工作示意图

Ku频段艇载天线为直径0.6m赋形环焦天线，由于飞艇平台较稳定，天线采用程序引导加步进跟踪的跟踪方式，能够保证天线1/5波束宽度的跟踪精度。天线座架采用A-E型座架，天线姿态控制采用陀螺加前馈补偿伺服稳定控制策略。

射频单元包括Ku频段LNA、下变频器、Ku 频段40W发射机等设备。完成信号低噪声放大、频率变换和功率放大等功能。

数据处理单元包括调制解调单元和接口监控单元，主要完成业务接入、前向信息的解调译码、返向信息的编码调制和设备监控等功能。

艇载卫通站对外通过RS422同步数据接口接收飞艇复合数据，并向飞艇的飞行控制设备发送遥控指令数据，飞艇通过RS422异步数据接口对艇载卫通站进行监控，卫通天线单元通过RS422异步串口接收惯导和GPS数据，设备均使用直流28V供电。

2）地面卫通站

Ku卫通地面站由6.2米天线系统、射频设备、终端设备以及供配电等辅助设备组成。设备组成与工作原理如图3所示。

图3　Ku卫通地面站组成和工作示意图

3　关键技术

3.1 仿真分析

如何实现飞艇电子设备的散热是系统实现的关键技术，艇载设备要求在高空24000米工作，在临近空间，环境温度为-55℃，绝对压力为3.3KPa，空气密度为0.038kg/m3，太阳辐射约为1000W/m2。由于空气密度低，通过空气对流散热效率非常低，主要依靠传导和辐射散热，发热体热量散不出去，造成本身温度很高。

艇载卫通站的主要发热设备是Ku频段40W发射机，总耗热量为280W，发射机内部的功率放大模块设置保护温度为85°，超过这一温度时，发射机将停止工作。

用Icepak软件对艇载卫通站工况热仿真建模，如图4所示。对艇载卫通站在地面和临近空间两种环境条件下的散热状况进行仿真。

图4　设备工况热仿真建模

1）地面工作

考虑到地面联试等情况，首先对发射机在地面工作进行仿真，地面环境条件为：最高环境温度55℃，绝对压力为一个标准大气压1.01×105Pa，空气密度为1.0kg/m3，太阳辐射忽略不计。

设备在地面工作时，主要依靠强迫风冷散热。根据设备的热性能指标，对于Ku频段40W发射机采用一个120mm×120mm轴流风机进行强迫风冷。仿真结果如图5所示。

图5　地面条件Ku频段40W发射机温度分布图

由仿真结果可知，在地面工作时，Ku频段40W发射机功率放大模块最高温度为73.2℃，设备能正常工作。

2）临近空间工作

当发射机在临近空间工作时，按飞艇升限24000米环境条件进行仿真，此时环境温度为-55℃，绝对压力为3.3KPa，空气密度为0.038kg/m3，太阳辐射约为1000W/m2。Ku频段40W发射机装在天线座架上，仿真结果如图6所示。

图6　临近空间条件Ku频段40W发射机温度分布图

由仿真结果可知，在高空24000米工作时，Ku频段40W发射机装在天线座架上时，最高温度为93.23℃，设备不能正常工作。

3.2 改进措施

为了使发射机能在临近空间正常工作，采取以下改进措施：

1）在Ku频段40W发射机功率放大模块的底板镶嵌热管散热器，建立低热阻传热通道。 通过热管传热通道将功率放大模块工作时产生的热量传导至散热器，热量再经由散热器辐射到外空间，并在热传递路径上各部件的接触安装表面均涂导热脂， 降低热阻，提高热传导效果；

2）加装隔热罩，隔离太阳光辐射。设备上面装一个直径为1.5米的玻璃钢罩，它的底沿距底板0.25米，主要用于高空中隔离太阳辐射。在隔热罩的外表面喷涂短波吸收率为0.17 、长波发射率为0.87 的SR107白漆作为热控涂层，在发射机壳体、隔热罩内表面、底板等部位喷涂高发射率的无光漆， 加强辐射散热；

3）改变Ku频段40W发射机安装位置，将其由天线座架移到下面的天线安装平台上，将安装平台作为Ku频段40W发射机散热器的一部分，并使用高速风机，在空气密度减小的情况下，提供较大的体积流量和质量流量。

采取以上措施后，再次在24000米环境条件对Ku频段40W发射机进行热仿真，如图7所示，最高温度为43℃，能正常工作。

图7　改进后高空条件Ku频段40W发射机温度分布图

4　试验结果

飞艇升空到15000米高度后，Ku卫通天线按预定计划执行对星程序，天线对准卫星后，Ku发射机打开，Ku链路开通。飞艇升空到20100米，留空近2小时，在此期间，通过卫星信息传输系统将红外图像和遥测数据高质量地传送到地面指挥控制站，并完成了地面站对飞艇的飞行控制和艇上设备的参数设置。飞艇下降到7000米时，设备电源关闭。试验过程中卫星信息传输系统工作稳定。