一种基于IGSO卫星的通信方法

张伟伟 蔡文炳 梁亚娟 刘建

（1.陕西航天技术应用研究院有限公司 陕西省西安市 710100 2.63921 部队 北京市 100094）

1 引言

卫星通信具有通信覆盖区域大、通信距离远、通信频带宽、机动灵活组网等优势，广泛应用于军事、交通运输、抢险救灾、科考探险、公安等领域。但是目前国内通信卫星大部分为地球静止轨道（GEO）卫星，波束无法覆盖高纬度地区，对于极地科考、远洋舰船等特殊应用场景，存在通信盲区。

北斗三号全球卫星导航系统于2020年7月份正式建成开通，系统由3 颗地球静止轨道（GEO）卫星、3 颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星和24 颗中圆轨道（MEO）卫星构成[1]，面向全球提供定位导航授时（RNSS）、全球短报文通信（GSMC）和国际搜救（SAR）三种服务；在中国及周边地区，提供星基增强（SBAS）、地基增强（GAS）、精密单点定位（PPP）和区域短报文通信（RSMC）四种服务。除以上服务以外，IGSO卫星还搭载了高速数据传输和处理等新技术试验载荷[2]，可提供对地通信链路。

本文利用北斗三号IGSO卫星的新技术试验载荷，论证了一种基于IGSO卫星的通信方法，并研制了小型化相控阵终端，通过在轨测试，实现了星地双向数据传输，可为高纬度地区用户提供通信保障。

2 通信流程

通信流程包括终端身份认证、终端状态参数回传和终端控制等典型流程，如图1所示。

图1：通信流程

身份认证流程：地面站向卫星周期性发送广播帧，由卫星转发至终端；终端完成卫星信号捕获、同步，在广播帧中获取系统基本状态信息；终端向卫星发送身份认证数据包，卫星转发至地面站；地面站完成终端身份认证，并生成应答信息，发送至卫星；终端接收到应答包，判断身份认证是否成功。

终端状态参数回传流程：终端完成身份认证后，向卫星发送终端状态信息数据包，经卫星转发给地面站；地面站接收到终端状态信息，完成协议解析，获取终端状态，并通过卫星发送应答包；终端接收到应答包，判断状态参数回传是否成功。

终端控制流程：终端完成身份认证后，地面站通过卫星向终端发送控制指令数据包；终端接收到控制指令帧，完成协议解析，并生成控制指令应答包，通过卫星发送至地面站，判断控制指令发送是否成功。

3 终端设计

3.1 终端组成

由于IGSO卫星与地面存在相对运动，因此，不管是静止终端，还是移动终端，均要求终端具备实时跟踪卫星的能力。传统的终端采用机械伺服跟踪装置，体积大，结构复杂，可靠性低。而相控阵天线采用电扫方式，通过改变TR 芯片的相位控制波束指向，结构简单，可实现轻、薄、小设计，适用于机载、弹载等体积限制较高的载体，因此终端采用相控阵天线。

终端由天线和主机组成，天线采用相控阵形式，完成卫星的实时跟踪，下行信号接收和低噪声放大，上行信号放大和发射。主机完成Ka 频段信号的上下变频和基带信号调制解调处理，提供对外数据接口，其组成如图2所示。

图2：终端组成框图

3.2 相控阵天线设计

终端收发频段间隔大，因此天线采用接收和发射分离式阵面。阵元采用低剖面双馈圆极化技术，带宽宽，大角度扫描增益下降小，轴比性能优异。T/R 组件采用片式组件表贴综合网络技术，通过一次封装集成，实现了相控阵天线的轻、薄、小。

3.2.1 天线组成

天线由接收阵面、发射阵面、接收R 组件、发射T 组件和波束控制器组成，如图3所示。

图3：相控阵天线组成框图

接收信号处理流程：天线通过控制接口接收波束指令，运算后将相应的幅度相位信息通过控制网络写入到各个接收R 芯片的移相器和衰减器中。空间信号经各个天线单元接收后通过低噪声放大器进行放大，放大后的射频信号通过移相器和衰减器调整为所需的幅相状态，通过波束形成网络合成后输出。

发射信号处理流程：天线通过控制接口接收波束指令，运算后将相应的幅度相位信息通过控制网络写入到各个移相器和衰减器中。射频信号通过发射功率分配网络后通过移相器和衰减器调整为所需的幅相状态后，经功率放大后通过各个天线单元辐射输出。

3.2.2 单元及组阵设计

天线单元采用低剖面微带天线形式，采用方形贴片切角对表面电流产生微扰来形成圆极化波，提升贴片的交叉极化隔离度。（见图4）在组阵的过程中，尤其是大型的阵面，单元间的互耦，表面波的串扰等都会对天线的方向图、轴比产生影响[3]。本文采用添加围框与隔离柱的方式来减少组阵之后的耦合，展宽驻波及轴比带宽，大角度扫描增益下降减小，提升阵面的性能。

图4：天线组阵结构图

根据终端要求的接收G/T 值和发射EIRP 值，结合TR芯片特性、体积、功耗等因素，最终确定阵面规模为接收阵面32 阵元（4×8），发射阵面96 阵元（8×12），方位、俯仰面阵元间距满足以下公式：

根据公式（1）和（2），设计合适的阵元间距，保证波束扫描不出现栅瓣。

由表1 可知，在工作频带内，当阵面进行波束扫描时，天线阵面的有源驻波≤4mag，在后端射频器件正常工作的范围内。扫描60°是增益下降3.79dB，可以胜任大角度的扫描覆盖。扫描时，天线阵面轴比≤1.7，说明天线组阵后具有良好的圆极化性质，交叉极化隔离度高，不易被干扰。

表1：仿真结果汇总

3.2.3 收发组件设计如图5 和图6所示，收发组件包括接收组件和发射组件。接收组件主要由滤波器、接收多功能芯片组成，其中接收多功能芯片采用一体化设计，一个芯片集成4 个接收通道，一个接收芯片可对应4 个天线，所以32 个天线阵元只需要8只接收多功能芯片。发射组件也采用高度集成的发射多功能芯片，一个芯片集成8 个发射通道，一个发射芯片可对应8个天线，所以96 个天线阵元只需要12 只发射多功能芯片。该设计有效减少芯片的使用种类和数量，降低各通道间合成的复杂度，提高了接收和发射组件的集成度和可靠性。

图5：接收组件原理框图

图6：发射组件原理框图

收发组件与阵元采用高密度集成和垂直互联技术，从上向下依次为天线阵元、馈电网络、接收和发射芯片、合成网络，集成于一张多层微波复合板中，实现天线的轻薄设计。

3.2.4 波束控制器设计

波束控制器采集载体位置、姿态和卫星星历信息，计算波束指向，再将波束指向结果解算为各个接收和发射通道的幅度相位码，控制相控阵天线波束指向预定空域。并根据获得的信号幅度进行指向准确度的闭环判断，进行扫描和跟踪，根据判断结果进行指向精对准。如图7所示。

图7：波束控制流程

3.3 主机设计

3.3.1 主机组成

主机完成Ka 频段信号的上下变频和信号的调制解调，由Ka 频段上下变频模块和信号信息处理模块组成，如图8所示。

图8：主机组成框图

Ka 频段上下变频模块将接收天线输出的Ka 频段信号，下变频至中频，并进行放大和滤波，送入信号信息处理模块。信号信息处理模块输出的中频发射信号，上变频至Ka 频段后送入天线。

信号信息处理模块采用AD+FPGA+DSP 架构，完成接收信号的AD 采样、同步、解调、译码及解扰，发射信号的组帧、加扰、编码及扩频调制，对外提供数据接口。

3.3.2 信号处理流程

接收和发射信号格式相同，数据先进行校验，经加扰后，与帧头和分帧号复接，再进行LDPC 编码，编码后的数据经串并转换后进行扩频，将扩频后的数据进行QPSK 调制后发送到信道上，其处理流程如图9所示。

图9：信号格式

3.3.2.1 发射信号调制

发射信号采用全数字调制方式生成，发送数据送入FPGA 后，完成数据加扰、组帧、LDPC 编码，再对数据进行QPSK 调制，具体调制过程包括载波NCO 产生、伪码NCO 产生、载波相位查找表、插值和成形滤波等一系列处理环节，如图10所示。由于整个调制过程均在FPGA 内部实现，因此全数字调制器具有可靠性高、灵活性大、体积小以及实现硬件平台通用化等优点。

图10：发射信号生成原理框图

3.3.2.2 接收信号解调

要实现信号的解调，首先需要完成信号捕获，信号捕获采用载波和伪码二维搜索，如图11所示，完成载波频率和伪码相位的粗同步。

图11：接收信号捕获原理框图

粗同步完成后，通过载波跟踪和码跟踪实现信号的精确跟踪和解调，如图12所示。

图12：信号跟踪原理框图

3.3.2.3 解调数据译码

获得原始解调数据后，按照信号格式对数据进行LDPC译码、解帧、解扰，然后对外输出。

3.3.3 主机结构

主机机壳选择高强度的铝合金材料，材料强度高，耐盐雾，耐热，具有较强的抗腐蚀能力。螺纹连接部位全部采用镶嵌钢丝螺套的工艺，连结强度得到很好的保证，多次拆卸后不会损坏。对外连接器均采用不锈钢材质或黄铜镀金、镀镍工艺，连接稳定可靠。

铝合金零件表面处理主要采用喷砂和氧化工艺进行处理，氧化为一种铝材表面钝化工艺，可有效保护内层材料不受腐蚀。

4 仿真与测试

4.1 相控阵天线测试

相控阵天线设计完成后通过仿真、暗室校准测试，测试结果与仿真一致，达到了预期的效果，其关键技术指标见表2。

表2：天线技术指标列表

4.2 主机测试

通过实验室有线测试主机数据速率、误码率、动态范围等指标，测试场景如图13所示。通过测试表明主机传输速率≥5kbps，误码率≤10-5，多普勒≥800kHz，多普勒变化率≥11kHz/s。

图13：主机测试场景

4.3 终端对星测试

将IGSO卫星的波束指向试验地点，通过实际对星测试，验证终端的通信性能。试验包括静态场景测试和车载动态场景测试，测试结果表明终端可稳定跟踪卫星，通信链路连续，终端传输速率可达8kbps，误码率为0。

5 结束语

本文提出了一种利用北斗三号IGSO卫星的通信方法，并研制了小型化相控阵终端，通过实际对星测试，表明该方法切实可行，现阶段可为高纬度地区的用户提供稳定可靠的通信链路。