一种基于“伪卫星”原理的空中通信中继系统设想

柯 伦，斯 扬

一种基于“伪卫星”原理的空中通信中继系统设想

柯 伦1，斯 扬2

（1中国空间技术研究院研究发展部 北京 100094 2北京空间飞行器总体设计部 北京 100094）

针对地面和天基通信网络难以覆盖的区域和场景，提出一种基于“伪卫星”原理的空中通信中继系统。系统将天基Ku/Ka频段通信载荷配置在空基平台上，利用现有装备的卫星通信终端，将通信卫星和地面通信网络有机整合为“天空地”一体化通信网络。系统具有体系扩容、覆盖提升、网络提速和系统健壮的特点，在未来的通信中可发挥重要作用。

伪卫星；空中通信；中继系统

引 言

随着通信技术的发展，以4G基站为核心的地面通信网络和以通信卫星为核心的天基通信网络都已经开展了大规模的应用，天地一体化通信网络也在迅速发展。但在一些特定区域和场景下，如在山区、无人区开展反恐维稳、抢险救灾活动中，通信终端和前线指挥所之间需要较大的通信带宽实时传输高清图像、视频等现场信息，经处理后形成的少量重要数据还需要远距离回传至后方指挥所。一般情况下，这些特定区域地面通信网络无法覆盖，而基于现有通信卫星管理模式，难以在短时间内申请到足够多的卫星通信带宽资源，且在山区卫星通信链路容易受遮挡，难以保障数据通信需求。因此，空基转信平台成为一种可能的解决方案。目前国内外的研究工作主要集中在利用飞艇、长航时无人机等空基平台作为空中基站来实现通信功能[1-3]，该模式存在两个问题：一是需要配备专用通信设备，无法兼容现有配发的大量卫星通信终端设备；二是系统健壮性不足，一旦无人机故障，整个区域就完全失去通信能力[4,5]。本文尝试将天基、空基和地基通信作为一个整体来考虑，系统解决以上问题。

本文提出的“伪卫星”原理，是将天基Ku/Ka频段通信载荷安装在无人机等空基平台上，在特定区域内替代通信卫星实现信号转发功能，支持已经广泛配备的地面Ku/Ka频段卫星通信终端设备。地面终端实现对空、对天通联，形成地面卫星通信终端-空基平台-通信卫星的“天空地”一体化通信网络，可大幅提升系统效能和健壮性，有效解决现有天基通信资源和地面通信资源支持能力不足的问题[6,7]。与L、S等卫星通信频段相比，Ku/Ka频段能提供足够大的通信带宽，通信速率从kb/s量级提高到Mb/s量级，可以有力支持高清图像、视频实时传输需求。

空基平台“伪卫星”通信中继系统的特点如下：

①系统兼容，覆盖提升。由于空基平台采用卫星通信载荷，因此现有的地面卫星通信装备可与空基平台直接通联，提升了系统兼容性。相对于卫星，空基平台对山区等特定区域的覆盖能力更强，可实现随行信号覆盖，大幅减少遮挡盲区。

②体系扩容，区域提速。空基平台与地面终端的通信距离短、信号强，可构建覆盖地面终端的“局域网”，实现大量用户的宽带交互，与通信卫星的“广域网”相配合，可以满足各种通信需求。

③自适应切换，系统健壮。地面终端主要依靠空基平台实现区域内宽带通信，也可通过空基平台进行卫星中继通信，或直接联通卫星，多种通信方式可自适应切换，大幅提升了系统健壮性。

1 系统方案构想

1.1 系统构成

空基平台“伪卫星”具备Ku/Ka频段通信能力，通过建立空基平台-地面终端、空基平台-通信卫星的通信链路，空基平台上的天基通信载荷可替代通信卫星实现信号转发功能，构建高效灵活的通信网络体系。

图1 “伪卫星”通信网络体系

如图1所示，特定区域内存在障碍物，障碍物两边的用户无法直接通信，卫星通信链路也受到遮挡。依靠区域内高空飞行的空基平台“伪卫星”，用户可以就近接入地面终端，地面终端采用卫星通信设备与“伪卫星”通联，实现区域内宽带通信。空基平台也可提供稳定的通信卫星中继链路，实现重要数据的远程传输。

1.2 应用模式

1.2.1 区域通信增强模式

空基平台通信系统采用转发工作方式，地面用户以卫星通信终端（车载、背负式“动中通”设备）为中心，形成分布式星形网络结构，可以快速构建区域覆盖的通信网络，为用户实时提供随行通信服务。区域通信增强模式下的典型通信链路为“地面终端-空基平台-地面终端”，如图2所示。

1.2.2 超视距通信模式

当地面用户需要与后方指挥所通信时，空基平台可以提供稳定可靠的中继链路，通过通信卫星实现超视距通信。超视距通信模式下的典型通信链路为“地面终端-空基平台-通信卫星-地面终端”，如图3所示。地面终端也可根据实际通信需求，通过能量检测、链路状况预估等手段，在空基平台、通信卫星之间切换，获得最佳通信效果。

1.3 空基平台载荷

空基平台载荷是整个系统的核心部分，通过在高空、长航时空基平台上搭载通信载荷，提供三个主要功能：①替代通信卫星，实现区域通信增强覆盖；②为地面终端提供中继通道；③搭载IP路由器，构建基于IP体制的“天空地”一体化网络。

图2 区域通信增强应用模式

图3 超视距通信应用模式

Fig. 3 Beyond visual range communication application schema

空基平台载荷由转发器子系统、天线子系统和运控子系统等组成[8,9]，如图4所示，主要包括：①对地区域增强Ku/Ka频段载荷，采用与通信卫星兼容的天基通信载荷设计方案，兼容现有的卫星通信终端，实现区域通信增强，用户可在空基平台和通信卫星之间无缝切换；②对天卫星通信Ku/Ka频段载荷，采用0.6m口径天线，与通信卫星建立稳定可靠的通信链路，转发地面终端信号，实现超视距通信；③综合路由器，在IP包路由转发的基础上，实现地面终端、空基平台、通信卫星的数据快速交换功能，实现“天空地”网络融合；④频谱检测处理器，检测覆盖区的在用频率，实现频谱资源自适应管理，消除空基平台和卫星系统的相互干扰；⑤信标机，提供信标信号，地面终端通过信标检测接入空基平台或卫星通信系统。

图4 空基平台载荷构成

2 系统可行性分析

本系统的空基平台采用中空长航时无人机，可以支持突发性、短时段行动需求。经调研，现有中空长航时无人机起飞载荷重量一般为60kg～300kg，极限飞行高度约8km，实用飞行高度约6km，续航时间25小时～48小时[2]。采用燃油发动机，可提供10kW以上的电源功率。

无人机上安装的对地区域增强Ku/Ka频段载荷采用卫星通信载荷方案，地面终端采用现有的Ka频段0.6m天线“动中通”设备，充分利用了现有装备的卫星通信终端和现有成熟技术，具有良好的工程可行性。

2.1 无人机飞行高度

无人机最大覆盖范围为

表1 空基平台最大覆盖范围

2.2 区域通信容量

与通信卫星相比，空基平台可以在特定区域内提供更大的通信容量。

一般通信卫星点波束的覆盖区直径达600km～1000km，通信带宽在整个覆盖区内由数十个用户共享，仅能为单个用户提供约2Mb/s~10Mb/s的通信速率。

无人机覆盖区直径50km，通信距离短、信号强。若地面终端天线口径0.6m、发射功率40W，无人机配置±80°覆盖的全向天线、发射功率25W，可实现100Mb/s通信容量，支持大于50个地面终端开展流媒体、视频等高速通信业务。

2.3 地面终端天线指向

设定无人机盘旋直径5km、巡航速度100km/h、飞行高度7000m，采用MATLAB软件编程分析覆盖区内不同位置地面终端天线的转动角度、角速度需求，结果示于图5、图6。

由图中可见，地面终端天线的方位转动范围0～360°，最大角速度0.64°/s；俯仰转动范围14°～71°，最大角速度0.17°/s。现有“动中通”设备可以满足上述需求[9]。

图5 地面终端天线转动范围分析结果

图6 地面终端天线转动角速度分析结果

2.4 重量功耗

与卫星载荷相比，无人机上的载荷可以通过取消备份、降低功率、提高集成度降低重量功耗。按照图4所示的载荷构成情况，分析无人机载荷的重量功耗，结果见表2。对无人机的载重要求为40kg，功率要求为390W。现有中型无人机可以提供足够的载荷能力[10]。

表2 无人机载荷重量功耗核算表

3 系统关键技术

3.1 空中通信平台与通信卫星兼容技术

地面终端可与空基平台和通信卫星同时通信，必然存在同频干扰的问题。由于“伪卫星”和地面终端都具备Ku/Ka双模收发能力，可以根据需求切换工作频段。也可基于频谱检测处理器，检测覆盖区的在用频率，实现频谱资源自适应管理。关于此类技术已经开展了大量研究，具有良好的技术可行性[11,12]。

3.2 自适应链路切换技术

地面终端可以采用能量检测、链路状况预估等手段，通过自适应切换设计，自动选择空基平台或通信卫星进行通信，优先接入空基平台，减少卫星负载。

空基平台配备有Ku和Ka频段的信标机，与通信卫星的信标频点不同。地面终端可以通过切换信标接收频率，调整天线指向通信卫星或“伪卫星”。

3.3 低剖面卫通天线技术

为了保障连续可靠通信，空基平台应具备长航时能力，需要实现良好的气动外形。传统反射面天线体积大、剖面高、风阻大，难以应用于中小型空基平台。需采用平板阵列天线、相控阵天线、VICTS天线等技术，开发Ku/Ka频段低剖面卫通天线，

4 结束语

在空基平台上装载天基Ku/Ka频段通信载荷，建立“伪卫星”空中通信中继系统，充分整合天基和地基优势，与通信卫星和地面通信网络共同构建“天空地”一体化通信网络，可以在特定区域和应用场景提升覆盖能力和通信容量，地面终端可在通信卫星和“伪卫星”之间自适应切换。系统涉及的空基平台、载荷等可以依靠现有成熟技术，充分利用现有装备的卫星通信终端，具有良好的工程可行性。

该系统具备扩展性强、覆盖范围广、通信容量大、系统健壮等优势，可解决偏远地区、复杂地形条件下通信系统构建问题，为反恐维稳、抢险救灾活动提供通信保障，满足高清图像、视频实时传输需求。

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Conceptual study of airborne relay system based on pseudo-satellite principle

KE Lun1, SI Yang2

（1. China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China;2. Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China）

An airborne relay system based on pseudo-satellite principle is proposed for areas and scenarios that are difficult to cover by ground and satellite communication networks. The space-based Ku/Ka-band communication payload is deployed on an airborne platform. By making full use of existing satellite terminal equipments, the airborne communication platform, the communication satellites and the ground communication network are organically integrated into a space-sky-ground communication system, which has the characteristics of system expansion, improved coverage, network acceleration and robustness. The system can play an important role in future communications.

Pseudo-satellite; Airborne communication; Relay system

V19

A

CN11-1780(2019)03-0011-06

柯伦 1976年生，硕士，高级工程师，主要研究方向为系统工程和卫星应用技术。

斯扬 1979年生，硕士，高级工程师，主要研究方向为航天器通信系统技术。

2018-12-30

2019-05-16

TEL:010-68382327 010-68382557

Email:ycyk704@163.com