VSAT卫星便携站的设计与实现

（南京熊猫汉达科技有限公司，南京 210004）

1 引言

VSAT（Very Small Aperture Terminal）是甚小口径卫星终端站，也称为终端站，在军事和民用领域都有着巨大的实用价值[1]。VSAT卫星通信系统是指利用大量小口径的终端站与一个大口径的主站协同工作组成的卫星通信网[2]。在卫星通信领域占据着举足轻重的地位，通常工作在Ku波段或者Ka波段，可实现2Mb/s以上的数据通信。VSAT卫星通信系统具有可靠性高、灵活性强、成本低的特点，特别适合拥有较大信息量和管辖众多偏远分支机构的部门使用。

本文设计的项目是某应急管理部门的VSAT卫星通信网，由1个VSAT中心站、几十个固定站、上百个车载站和众多个便携站组成，可实现全国范围内应急信息的互联互通和信息资源共享，主要为应急救援、应急搜救、森林消防、护林防火等提供全国统一的应急管理系统，在应急响应时形成高效联动的整体合力。

VSAT卫星便携站要求融入国家应急救援卫星通信体系，紧密结合国家天空地一体化网络发展战略，实现与VSAT卫星通信网互联互通，形成广域覆盖、随遇接入的应急通信能力，支撑应急救援现场远距离通信保障和扁平化的应急指挥，促进应急通信保障能力显著提升[3]。因此，技术指标如下：可与北京地区7.3米天线卫星地面站实现2Mb/s的数据传输；结构简单，可单人背负使用。

2 总体设计

卫星便携站主要有通信主机、卫星天线、组成。组成框图见图1。

图1 VSAT便携站组成框图

通信主机主要有双通道调制解调器、IP加速模块、路由交换模块等组成。天线设备由天馈设备、低噪放、功放组成。整站结构效果图如图2所示。

图2 VSAT便携站效果图

3 链路计算

本文设计的VSAT便携站采用的天线等效口径为0.75米，功放功率为16W。下面通过链路计算验证天线口径和功放功率满足国内任意地区的使用要求。

3.1 选定卫星和工作频率

本文所述VSAT卫星通信网采用亚洲九号卫星的资源，工作频段为Ku频段，上行频率：13.75GHz-14.50GHz，下行频率：12.25GHz-12.75GHz。

下面选择乌鲁木齐、沈阳、海口、拉萨等四个具有代表性的城市进行链路计算和性能分析。根据卫星公司提供的转发器参数如表1所示：

表1 城市及卫星参数表

3.2 雨衰计算

计算雨衰值之前首先要获得雨区的降雨强度RP和雨衰率YR。降雨强度可根据所在雨区从降雨强度表中查出，雨衰率可由雨衰率关系图得出，雨衰估算可根据以下公式算得

经计算可得出四个城市的雨衰值如表2所示。

表2 城市及雨衰值表

3.3 确定系统参数

本文设计的卫星网采用的调制方式为QPSK，编译码方式为3/4LDPC，最大通信速率为2048kb/s，门限EB/N0为3.5dB。

第二，开磷拥有行业领先的技术优势。开磷自主研发的锚杆护顶分段空场采矿法和磷化工全废料自胶凝充填采矿技术分别获得国家科技进步一等奖、二等奖，采矿技术水平世界一流、国内领先。独创的不需染色的本色精品磷酸二铵产品已成为中国磷酸二铵的第一品牌。

主站采用7.3米自动跟踪天线，跟踪损耗和线缆损耗小于1dB。

在进行功率计算时设定1dB的功率回退，以保证网控信号与业务信号的正常同时发送，并保留2dB的系统余量。

3.4 计算结果

根据系统链路公式：

等计算结果如下：

0.75米VSAT便携站发，7.3米主站收时，便携站所需的功放功率值如表3所示：

表3 便携站功放功率值表

可以看出16W功放可以满足使用要求，余量充足，设计合理。

0.75米VSAT便携站收，7.3米主站发时，主站所需的功放功率值及占星功率比如表4所示：

表4 主站功放功率值及占星功率比值表

可以看出主站的功放功率要求较小，占星功率比在合理范围内，设计合理。

综上所述，本文设计的VSAT便携站天线口径采用等效0.75米，功放功率采用16W可以满足在全国疆域范围内任意地区使用的要求。

4 通信主机设计

通信主机包括调制解调、网络交换和加速等功能。

4.1 调制解调设计

本文设计的调制解调模块包含两路独立收发调制解调器，一路用于宽带数据业务，一路用于窄带控制业务。宽带调制解调器同时具有随路话音功能，是通信双方交流的保底手段，也可通过主站接入地面程控交换网络，进而实现与市话的对接。

调制解调器硬件采用高中频架构的AD9361单芯片解决方案。AD9361是面向3G和4G基站应用的高性能、高集成度的射频收发芯片[4]。该器件集高速A/D转换器和D/A转换器，可以在多种工作模式下工作。同时集成了基带、RF前端、频率合成器等模块，同时提供可配置的数字接口。AD9361拥有两个独立的直接收发变频器，工作频率范围可达到6.0GHz，完全涵盖卫星中频信号。

AD9361接收变频器是一个直接变频系统，拥有自动增益控制、自我校准、数字滤波等功能，使其具有良好的噪声系数、线性度和采用精度。

图4 AD9361接收器示意图

AD9361发送变频器同样采用的是直接变频架构，提供差值滤波处理功能，在调制精度、动态范围、噪声等方面具有很好的表现。

图5 AD9361发送器示意图

有随路话音功能采用的是AMBE 2000芯片解决方案。AMBE 2000就是这样一种高性能、低功耗的实时语音编码解码芯片，并且本身具备FEC，VAD和DTMF功能[5][6]。本文设计实现了9.6kb/s低传输速率下优良的语音通信效果。语音系统实现框图如图4所示：

图6 AMBE2000实现框图

4.2 网络交换和加速设计

VSAT便携站本地网络分为控制网络和业务网络，在不同的网段，通过静态路由协议进行实现。控制网络用于本地便携站的参数设置和状态显示。业务网路连接宽带业务信道，用于网络业务的传输。

图7 网络交换示意图

卫星通信的一些固有特性对TCP/IP传输有一定的负面影响，如传播延迟大、传输误码率高、传播阻塞等[7]。为此本文设计的VSAT便携站业务信道端增加IP加速器，以提高TCP/IP协议在卫星链路上的性能[8]。

5 天线设计

本文设计的VSAT便携站天线采用0.75米偏馈碳纤维天线主面。单偏置抛物面天线是利用对称抛物面的一部分而避开馈源及其支杆的遮挡，这样不但消除了由于遮挡造成的旁瓣上升，又改善了馈源的输入驻波比[9]。

5.1 理论计算

按照边缘照射角度为39∞，直径为750mm的要求，如图8所示。

图8 偏馈反射面计算原理图

根据抛物面的基本定律，则有：

式中，f为母抛物面的焦距。

经计算可得，反射面是由中心与Z轴相距435.6mm的圆柱截取焦距为434.7mm的抛物面部分而形成的，馈源的轴线与AO连线重合。

5.2 主面结构

图9 天线面结构示意图

主面采用便携式碳纤维天线反射体，由六个反射板拼装而成，反射板之间通过搭扣组件连接成一体，结构简单、紧凑、合理。拼装结构的反射面板方便携带和拆装，结构稳定性好，使用寿命长，加工周期短。

6 结束语

本文通过链路计算、通信主机、天线等方面进行详细的设计，提供了一套使用的VSAT卫星通信便携站设计方案和实施方法。设计出的VSAT便携站体积小、重量轻、使用便捷，具有很强的推广前景。