论KU波段卫星通信在民航中的应用

杜 巍

中国民用航空西北地区空中交通管理局

远距离通过信号的传输和接收来交换信息，这就是电信通讯。卫星技术是实现这种数据交换的最常见和最有效的方法之一。卫星通信能够使用不同的频带波段，这取决于所需的通信类型。频带的定义是电磁波谱的范围，其中包括传送到或从卫星天线发出的波，分配给无线电通信的不同用途，例如广播、移动电话或无线电导航。最常用的频带波段是C、Ku、Ka，也有一些频带如X、L。

1 KU 波段通信

卫星技术发展迅速，卫星技术的应用也在不断增加。卫星不仅可以用于无线电通信，还可以用于天文学、天气预报、广播、制图和许多其他应用。由于可以使用的卫星频带多种多样，因此已制定了各种名称，便于查阅。

较高的频段通常提供更宽的带宽，但也更容易受到“雨衰减”(大气雨、雪或冰对无线电信号的吸收)造成的信号退化。由于卫星的使用、数量和尺寸的增加，在较低的频段，拥塞已经成为一个严重的问题。我国正在研究新的技术，以便使用更高的波段。

KU波段最著名的用途是进行卫星广播通信。KU波段在频率上位于中间，利用的是大约12～18 GHz的射频范围。这导致带宽处于中间范围[1]。

KU波段卫星通讯计算已经使用多年，并随着VSAT（甚小口径卫星终端站）的出现而广泛应用。KU波段的频率范围使高效率成为可能，其可用性水平可以保持在99.5%以上。此外，它允许使用小型设备，例如，74厘米的卫星天线的使用降低了其复杂性、物流成本以及服务安装。

在信号的传输和接收中，频段是通信的重要组成部分。随着时间的推移，需要使用KU频带频率，以前常使用的是C频带，尽管提供了非常高的服务可用性，但它的总体效率不是很好。正因为如此，KU频段的到来提高了效率，以更低的成本实现了更高的带宽。

尽管KU频段适用于任何需要高带宽的部门，但建议将其应用于石油、金融、矿业、航空和能源部门。目前，被授权制造卫星天线的公司的主要工作是更新地球接收信号所用的设备技术。如果KU频段与高温超导卫星的使用变得更加广泛，就可以实现更高的效率。

2 民航VSAT应用

KU波段卫星在航空上有许多商业应用，其中最引人注目的可能是VSAT（甚小口径卫星终端站）。使用甚小孔径终端跟踪民航客机航线是航空业开创的众多创新之一，其能有效地实时管理其庞大的航线运行，并降低事故发生几率。

与地面基站相结合，甚小孔径终端使中枢系统能够更精确地了解航线飞机位置，并调度飞机的飞行状态。其他行业甚至使用甚小孔径终端来传递订单，实时检查生产数据，以及其他通过有线网络处理的功能[2-3]。

甚小孔径终端为民航科技提供了一种在有线选择有限的地区提供接入的方法。除了偶尔由于太阳辐射导致卫星信号失真而中断外，甚小孔径终端网络一直运行良好。

甚小孔径终端网络在部署方面有很大优势。由于地面站与卫星通信为偏远地区提供服务所需的基础设施较少，因此民航选择甚小孔径终端进行部署。

这使得甚小孔径终端网络成为民航通信一个理想的选择，为远程工作站点提供连接，需要将每天的客机航线发回总部。甚小孔径终端也独立于当地电信网络，使其成为备份有线系统和降低业务恢复风险的理想系统。如果有线网络瘫痪了，地面基站仍然可以继续使用甚小孔径终端网络。

然而，甚小孔径终端也有局限性。最明显的是延迟，因为由于系统的一部分位于地球同步轨道上，信息到达天线和空间站需要时间。换句话说，需要大量来回通信而不是单向数据传输的协议会出现延迟。信号质量也会受到天气和其他建筑物的影响。

当甚小孔径终端打开电源时，它的操作状态由网络控制、监控中心和终端上的命令处理器评估。当满足以下条件时，才能启用VSAT传输：

1）VSAT确定正确接收和解释网络控制和监控中心产生的指定命令信号；

2）甚小孔径终端确认没有发现可能导致有害干扰的故障；

3）初始传输参数如频率、功率、调制、定时、编码方案等均符合预期性能。当甚小孔径终端以独立模式运行时，条件1）和3）不适用于点对点拓扑。

在确定甚小孔径终端的初始传输参数时，网络控制和监控中心可能会考虑以下几种情况：

-甚小孔径终端的地理位置（以确定传输时间、传播损耗以及终端是否获准在该地点操作）；

-甚小孔径终端方向的卫星增益（以确定朝向甚小孔径终端和从甚小孔径终端发射的功率）；

-本地雨量统计。

在甚小孔径终端运行期间，网络控制和监控中心及其自己的指挥处理器不断对其进行评估，以确保其正确运行，网络控制和监控中心或同等设施通常可以监测甚小孔径终端的运行状况，并确定甚小孔径终端是否出现故障。

当发生下列事件之一时，甚小孔径终端应停止传输：

1）VSAT从网络控制和监控中心失去控制载波；

2）甚小孔径终端探测到可能产生有害干扰的故障；

3）从网络控制和监控中心收到命令，指示VSAT改变发射频率；

4）目标卫星轨道位置与甚小卫星天线主瓣轴线的夹角超过允许范围；

5）甚小孔径终端被转移到没有行政许可的地理区域。

一旦导致上述关闭的问题得到解决，甚小孔径终端可能会恢复传输。然而，具有“点对点拓扑”和独立运行的甚小孔径终端网络在其本地故障消除后仍可继续传输，而不会收到来自另一甚小孔径终端运营商的信号，否则，如果故障消除后双方停止传输，网络将永远无法恢复。

此外，小孔径终端应接受国家通信中心或同等设施（如在紧急情况下）发出的“启用传输”/ “禁用传输”的命令。

3 VSAT硬件组成

VSAT（Very Small Aperture Terminal）是小口径天线卫星通信系统的简称，由中心站和众多远端小站形成的网状卫星网通信网络。VSAT，也就是使用小口径天线的用户地面站。VSAT系统以通信卫星为中继，实现VSAT与主站或VSAT之间的通信，能够提供各种电信业务。

VSAT有各种配置和尺寸，取决于预期的应用、操作频带和网络拓扑。然而，对于民航业VSAT，其硬件分为两部分：室外机组件和室内机组件。

室外机组件包括：

1）工作在Ku波段的1.2 m天线；

2）接收信号采用标准l波段LNB。LNB将卫星接收到的Ku波段信号转换为L波段信号；

3）发射机用于发射信号。发射机将VSAT传输的L波段信号转换为Ku波段信号。

4）OMT(正极换能器)利用发射信号和接收信号的不同极化和频率，将发射信号和接收信号分离。

室内机组件与室外机组件之间的两根IFL线缆。IFL（Inter-Facility Link）电缆承载LNB的入站、出站信号和24 V DC。

室内机组件包括以下IDU部件：调制器；解调器；2个串口和1个以太网端口。

通常，对于在集线器上工作的甚小孔径终端远程设备，大部分配置将从集线器远程执行。对于VSAT，通常通过IDU和供应商提供的电缆上的配置端口进行配置。

网络拓扑结构的差异可能会影响VSAT的控制和监控功能。在星形拓扑结构中，一般有一个“集线器”地面站，来自一组VSAT的用户流量集中在这里，并承担对VSAT的控制。但是，为了冗余目的，网络中可以使用多个枢纽地面站（即主枢纽地面站和备用枢纽地面站）。在VSAT之间通信时，必须使用“双跳”路径（2N阶延迟）。

在许多情况下，基于需求驱动协议的VSAT之间共享频谱。对于这类网络，出站（即集线器到甚小孔径终端）流量和入站（即甚小孔径终端到集线器）流量的传输速度通常是不对称的，以避免数据流量在集线器出现瓶颈。还应注意的是，具有不同特性（如天线直径、传输功率等）的VSAT可能在同一网络中工作。

在网状拓扑结构中，一组VSAT可以相互通信，而不需要hub地面站（即“单跳”连接，N阶延迟）。有一个网络控制和监控中心（NCMC）地面站（或多个冗余的NCMC地面站）来管理和控制这组VSAT。然而，用户流量不需要集中到NCMC地面站。在许多情况下，频谱在VSAT之间按需共享，传输速度随工位的不同而不同。还应注意的是，具有不同特性（如天线直径、传输功率等）的VSAT可能在同一网络中工作。

4 结论

近十年来，空中连接服务提供商一直承诺提供一种空中连接解决方案，提供真正的宽带空中体验。虽然服务产品确实有所改进，但不稳定的速度、不完善的覆盖范围和高昂的费用意味着，很少有运营商或他们的乘客能够确信，他们的机上连接体验与办公室差不多。

利用高技术、高性能的KU-Band卫星可以帮助建设一个卫星通信网络，最终将提供航空所需的低延迟、高速和全球可访问的连接解决方案。