动中通在浮筏通信系统中的应用研究

李王辉 白钢华

摘  要：当前陆地通信系统主要是通过通信基站作为信号中继站，由若干通信基站相连接，形成巨大的信号覆盖区域。陆地通信系统建设成熟最大的因素在于陆地的相对稳定性。所以，稳定性非常差的海洋就导致了海上通信系统建设的难度异常高，而海洋范围占据地球的三分之二以上，所以，如果能在海洋中建设技术成熟的通信系统，那么对于全球的通信网络形成将会有里程碑式的意义。当前海洋通信主要采用的是浮筏通信系统，中继方式采用的是微波中继，但微波通信有很大的缺陷，就是传输距离近，仅仅能覆盖以浮筏为中心，直径70km的区域，难以满足发展越来越快的远海通信要求。而卫星通信系统并没有距离限制，所以，如果能将卫星的地面通信系统装到浮筏上，那么使通信突破距离的限制则将变成现实，这对于提高海上通信系统的稳定性有极大的帮助。

关键词：动中通;浮筏通信;自动跟踪

中图分类号：TN927.2     文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）17-0061-03

Abstract：The current terrestrial communication system is mainly used as signal relay station through communication base station，which is connected by several communication base stations to form a huge signal coverage area. The biggest factor of land communication system maturity is the relative stability of land. Therefore，the very poor stability of the ocean leads to the extremely high difficulty in the construction of maritime communication system，and the ocean area occupies more than two-thirds of the earth，so if the construction of mature communication system in the ocean，then the formation of global communication network will have a landmark significance. At present，floating raft communication system is mainly adopted in marine communication，and microwave relay is adopted in relay mode. However，microwave communication has a great defect，that is，the transmission distance is close，which can only cover the area with a diameter of 70km centered on floating raft，it is difficult to meet the requirements of offshore communication which is developing faster and faster. However，the satellite communication system has no distance limit，so if the satellite ground communication system can be installed on the raft，then the communication breakthrough distance limit will become a reality，which will be of great help to improve the stability of the maritime communication system.

Keywords：communication in moving;pontoon communication;automatic tracking

0  引  言

在水下被試品实验的整体结构中，浮筏通信的作用举重若轻。其利用微波中继的方式进行通信，优势是可以水下通信、双向通信，并且通信速度快。但是其缺点也很明显，那就是通信覆盖距离很小，只有直径70km的范围，这对于浩瀚的海洋来说，想要实现全覆盖，其成本难以估计，而且对海洋生态也是一种破坏。而卫星通信系统则能够用其最大的优势弥补浮筏通信的缺点，即不受距离限制，而且通信带宽也能满足通信要求。动中通是新一代的卫星通信系统，其通信效率和速度都比上一代有极为显著的提高，所以研究动中通卫星通信应用到浮筏通信系统的难点和可行性，对于弥补当前浮筏通信系统的通信距离缺陷，实现远海高速通信有着战略性意义。

1  动中通卫星通信系统简介

动中通的全称是“移动中的卫星地面站通信系统”。按照使用频率、传输带宽和传输速率等标准划分，动中通集合了传统FSS和MSS通信系统的优势于一身，能够在高速移动的同时保持高速、稳定、高质量的信息传输。当前在车辆、轮船、飞机等移动载体上的应用越来越普遍。

2  将动中通卫星通信系统装到浮筏上的重难点

根据未来的试验设想以及模拟，加装动中通到浮筏上的任务内容要求了浮筏通信系统在五级下限海况条件下也能满足正常的通信需要。简单来说，浮筏通信系统由牵引船和海上平台构成，平台和牵引船之间由电缆连接，牵引船通过电缆向平台供电并且拖拽移动，平台由海面下两米的平台基座和海面上的筏体以及天线构成。其特点是基座重量轻、筏体体积很小，这种特点也就决定了其在海面极端天气下的处境，那就是当海水大范围搅动时，平台基座在水下随之晃动，进而海面上的筏体就会更大幅度的摇摆，这样一来，微波无法持续地输出和输入，通信也就会中断，所以就要考虑在极端天气导致的筏体大幅度晃动的条件下如何实现动中通天线对于信号的快速匹配性捕捉以及稳定的跟踪。

海面上筏体的体积相对很小，受大风和海下基座的影响，筏体上架设的天线也很短，距离海面很近。如此一来，如果遇到大风天气时，海水水汽的弥漫极有可能导致卫星天线的潮湿，甚至导致电线短路的情况，而遇到更加极端的台风、海啸等天气状况时，巨大的海浪多半是要淹没筏体的，甚至海水会侵入筏体内部，造成平台进水情况。这两种情况都会不可避免地导致卫星信号的减弱甚至中断。所以，这就需要研究在将动中通加装到筏体上时如何削弱海水运动造成的卫星信号中断的情况。

地球各个部分的大气活动都不尽相同，主要是因为太阳活动的影响和自身的磁场作用。其中电离层的变化尤其复杂，尤其是在低纬度地区更加严重，电离层中存在变化无常的谷区结构，还有其中的不规则体经常出现，这就会导致严重的空间内部天气变化，而这些变化会极大地影响无线电波、微波等通信信号的传输，进而影响卫星对于地面的定位、导航的精确度以及通信质量。

卫星通信系统和卫星自动跟踪系统是动中通的主要结构。自动跟踪系统的作用就是始终让天线对准卫星，不受载体移动的干扰。主要设备有天线座、载体测量、伺服和数据处理设备，这几大主体结构在陆地各种载体上的运行都非常顺畅，原因就是各个部分的位置选择和组合不受空间和载体承重面积、体积的限制。但是在筏体上安装这些结构，由于浮筏本身的体积就很小，承重极限也非常低，所以动中通在陆地上的结构分布和安装标准在浮筏上都不能直接适用。因此，就需要考虑如何改造浮筏的安装面以及动中通各部分结构的位置和体积分布组合，以满足其在浮筏上安装的各种条件。

3  动中通加装浮筏的可行性推演

3.1  天线的选择可行性推演

天线的选择主要受两种因素影响：第一，发射天线的误差区间。为了尽可能减小信号发射天线对于卫星指向的误差，应该选用1.2m的Ku天线，并且要保证筏体运动的过程中，跟踪天线的设定误差小于0.1°。还有，天线馈源也需要进行旋转跟踪，想要在不干扰其他转发器正常工作的情况下保证有效的信号发射和传输功率，它的垂直极化隔离度必须大于30dB，水平极化隔离度也是如此;第二，考虑到浮筏的体积和承重限制条件，天线的口径选择也不应该超过1.2m，天线总重量必须要在200kg以下。而且，天线外需要设置透波能力非常好的天线罩体，以求尽可能地保持无线电波传输的效率，减小无线电波的损耗。另外，考虑到海水的侵入和浊化以及对于信号的削弱问题，天线罩的罩体材料的选择必须要求防水或者排水性极好，让水在罩体上能不做停留，迅速流走，或者也可以在天线罩外涂上憎水的防护材料，只要相同的排斥水体作用极好的材料就能够使用。最后，考虑到低纬度的信号传输复杂条件，2轴天线的功率、传输效果和稳定性都稍差，所以面对低纬度地区的复杂天气条件，3轴天线具有更好的适应性，因此应该选用3轴天线。

3.2  跟踪方式的选择可行性推演

浮筏作为载体，在移动过程中，其地理位置和自身的仰角和姿态都会发生剧烈变化，此时卫星天线对于卫星的基准方向就会发生偏离，导致中断通信。所以必须排除浮筏在移动中导致的这些干扰因素，使得浮筏能够一直对准卫星。

动中通的自动跟踪系统主要有三大结构，分别是GPS、经纬仪还有捷联惯导系统，工作原理就是测量出载体的航向角、水平角还有经纬度，然后根据载体，也就是浮筏的移动姿态自动调整好浮筏以海平面为基准的天线仰角，并且在浮筏移动条件下保持逆同步转动，从而保证信号的极大值，使天线始终对准卫星。

动中通的天线指向方式优势在于能够实现盲区接轨，就是说在和天线之间有阻隔时，仍然能保持对准卫星的方向状态，并且信号的恢复时间非常快，受到遮挡的因素影响非常小，缺点就是动中通的多脉冲跟踪比单脉冲跟踪精度稍差一些，所以可以提高陀螺仪的精度，以此提高自动跟踪的精度。

机械跟踪天线和相控阵跟踪天线是通信卫星天线系统中的两大类，前者主要是2轴或多轴跟踪天线，目前应用很广泛。相控阵天线的特点是高速跟踪和低剖面，但是仰角过低时，其增益会下降，而且其造价非常昂贵。

指向方式和混合跟踪是天线采用的主要跟踪方式，指向方式前面已经提过了，混合跟踪本质上是单脉冲跟踪方式和混合跟踪方式的结合。单脉冲跟踪不受卫星摆动的影响，而且精度很高，但其天线波束比较窄，初始捕捉信号和丢失后的二次再捕捉都很困难。另外，指向系統不用考虑捕捉信号的问题，使用非常快捷和方便，缺点是跟踪精度很低。因此，采用动中通的混合跟踪方式可以尽可能地发挥其优势。

所以，可以设想，在五级下限的海况条件下，浮筏摆动幅度大、频率高，对于天线摆脱趋势非常大，而且海浪会漫过天线，甚至侵入，仰角和姿态极其不稳定。在这种条件下，如果采用单脉冲跟踪方式，那么天线就会丢失准星，并且会频繁地二次捕捉，这种情况下对于信号的传输效率和保真度会大大削弱，进而通信系统的可靠性也会大大下降，因此，应该使用指向方式。

通过市场调查反馈以及在国内外几家动中通厂家的数据参考和考察，动中通产品已经相对成熟并且应用面和市场前景都非常广阔。在快艇、小型轮船和小型陆地汽车上的应用效果都非常不错，其摇摆的速度和幅度都较浮筏的摇摆速度和幅度要小，天线跟踪的效果也比浮筏的跟踪方式更好。所以，将动中通安装在浮筏上的可行性是很高的。

4  结  论

综上所述，海上浮筏通信系统的发展已经遇到了瓶颈期，其自身缺陷和工作环境都决定了其上限。此时，动中通的出现为海上通信的发展开辟了一条新的发展道路。并且，通过对其进行可行性分析，可以得出这种设想可行的结论。这对海上乃至全球的通信网络建设都有巨大意义。

参考文献：

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作者简介：李王辉（1977.07-），女，汉族，河南鹤壁人，副教授，本科，研究方向：电子与通信技术;白钢华（1975.07-），男，汉族，河南鹤壁人，副教授，本科，研究方向：计算机网络技术。