CN108667469B - 能适应小倾角通信卫星和高速运动条件下的双向卫星通信终端 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能适应小倾角通信卫星和高速条件下的双向卫星通信终端，地面站收发终端包括wifi收发模块、wifi收发天线及具有扩频功能的基带收发板卡，wifi收发模块连接wifi收发天线及基带收发板卡，基带收发板卡与地面站设备连接；用户收发终端包括wifi收发模块、wifi收发天线、具有扩频功能的基带收发板卡、上变频模块、下变频模块、圆柱形螺旋发射天线阵列及圆柱形螺旋接收天线阵列，wifi收发模块连接wifi收发天线及基带收发板卡，基带收发板卡与上、下变频模块连接，上、下变频模块分别与圆柱形螺旋发射天线阵列及圆柱形螺旋接收天线阵列连接。本发明能适应小倾角通信卫星和高速运动条件下的双向卫星通信。

Description

能适应小倾角通信卫星和高速运动条件下的双向卫星通信 终端

技术领域

本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种能适应中国区域卫星通信导航系统(CAPS)小倾角通信卫星和高速运动条件下的双向卫星通信终端。

背景技术

面对我国蓬勃发展的国民经济对导航定位、信息采集、应急通信的迫切需求，卫星通信是必不可少的通信手段。光纤通信和地面蜂窝移动通信的迅速崛起，占领了通信的主要市场，逼迫卫星通信技术不断地向提高频带利用率，提高信息传输速率，提高环境适应性，提高性价比的方向发展，中国区域卫星通信导航系统(CAPS)小倾角通信卫星和高速运动条件下的卫星通信技术由此产生。

利用同步通信卫星上的转发器，转发由地面导航中心站发射的调制有测距码和导航电文的载波信号，向地面广播，实现无源卫星导航的设计理念，是CAPS系统实现定位的核心原理。CAPS系统同步通信卫星上的富余的转发器，还可以转发由地面卫星通信中心发射的通信信号，这是CAPS系统的通信功能。CAPS系统将地球定点卫星通过改变轨位和姿态控制，使同步通信卫星演变成小倾角的倾斜轨道卫星，对同步卫星仅实施经度方向位置的保持与调整，不作纬度方向位置的保持与调整，让它在纬度方向自由漂移。这样，可以用较少的卫星姿态调整燃料保持卫星的工作轨道，极大地延长同步通信卫星的使用寿命。这样就开辟定点通信卫星的第2个生命周期利用——导航通信应用生命周期。一般，CAPS系统可以延长同步卫星使用寿命5-8年，这样就极大降低了CAPS系统所采用定点卫星的通信费用。

从定位导航的角度看，利用定点通信卫星漂移为小倾角的同步倾斜轨道卫星成为导航定位系统的又一类星座，则可以改善星座的空间布局，减小DOP值，提高定位精度。

定点通信卫星成为小倾角卫星用于转发式卫星定位系统后，其卫星轨道参数仍需要由测定轨系统预报。对于卫星导航定位对星座的要求来说，并不要求卫星严格处于赤道同步轨道位置上，在纬度方向有漂移量反而更好，而且漂移量越大越好。退役卫星不作纬度方向控制后，每年可使卫星在南北方向增大漂移幅度，漂移增大速率每年约0.75°～0.94°间变化，变化的周期约为18.8a。漂移的累计效应使卫星的轨道倾角随着时间的推移不断变大，最大可达到14.5°左右，然后又逐渐减小，成为一颗小倾角的同步轨道导航和通信卫星。

但是，利用CAPS导航卫星上的转发器作为通信通道使用时，卫星通信终端需要适应卫星±8°小倾角运动导致的卫星信号场强衰落。

在通用航空、高速列车等高速运动环境中实施卫星通信，要求卫星通信终端在高速不稳定运动条件下，天线与卫星间的相对位置和角度都在剧烈变化的环境下能可靠通信，这就要求卫星通信终端具有强的抗衰落能力、实时远距离传输能力，强抗干扰能力和优秀的误码率指标。同时由于用户数往往又很多。因此，亟需一种卫星通信设备低价，能适应中国区域卫星通信导航系统(CAPS)小倾角通信卫星和高速运动条件下的卫星通信、高速运动体等使用费用便宜、应用环境苛刻的卫星通信系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过中国区域卫星通信导航系统(CAPS)小倾角通信卫星转发的能在高速运动环境下工作的语音和数据双向通信终端。

本发明提供了一种能适应小倾角通信卫星和高速运动条件下的双向卫星通信终端，用于小倾角通信卫星和高速运动条件下的双向卫星通信，包括地面站收发终端及用户收发终端；

地面站收发终端包括wifi收发模块、wifi收发天线及具有扩频功能的基带收发板卡，wifi收发天线与wifi收发模块连接，wifi收发模块与基带收发板卡连接，基带收发板卡用于与地面站设备连接；

用户收发终端包括wifi收发模块、wifi收发天线、具有扩频功能的基带收发板卡、上变频模块、下变频模块、圆柱形螺旋发射天线阵列及圆柱形螺旋接收天线阵列，wifi收发天线与所述wifi收发模块连接，wifi收发模块与基带收发板卡连接，基带收发板卡与上变频模块及下变频模块连接，上变频模块与圆柱形螺旋发射天线阵列连接，下变频模块与圆柱形螺旋接收天线阵列连接。

进一步地，该卫星通信终端还包括用于与地面站收发终端及用户收发终端通信的控制手柄，控制手柄包括wifi收发模块、wifi收发天线及编解码芯片板卡，wifi收发天线与wifi收发模块连接，wifi收发模块与编解码芯片板卡连接。

进一步地，地面站收发终端还包括电源模块，电源模块为220V电源插座或5V直流锂电池组。

进一步地，地面站收发终端还包括数据输出串口，数据输出串口与基带收发板卡连接。

进一步地，地面站收发终端还包括机壳，wifi收发模块及基带收发板卡安装于机壳内。

进一步地，用户收发终端还包括电源模块，电源模块为220V电源插座或5V直流锂电池组。

进一步地，用户收发终端还包括靠近上变频模块安装的散热装置。

进一步地，用户收发终端还包括机壳，wifi收发模块、基带收发板卡、上变频模块、下变频模块及散热装置安装于机壳内。

进一步地，控制手柄还包括与编解码芯片板卡连接的音频输出插孔、音频输入插孔及外接5V电源插孔。

进一步地，控制手柄还包括外壳，wifi收发模块及编解码芯片板卡安装于外壳内。

借由上述方案，通过能适应小倾角通信卫星和高速条件下的双向卫星通信终端，能适应小倾角通信卫星和高速运动条件下的双向卫星通信，在条件更好的正规静止轨道通信卫星GEO和低速运动环境下也能适应工作。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是扩频通信的原理图；

图2是不同直径螺旋天线的方向图；

图3是本发明能适应小倾角通信卫星和高速条件下的双向卫星通信终端螺旋天线的结构示意图；

图4是本发明能适应小倾角通信卫星和高速条件下的双向卫星通信终端主站收发终端的内部结构图；

图5是本发明能适应小倾角通信卫星和高速条件下的双向卫星通信终端用户收发终端的内部结构示意图；

图6是本发明能适应小倾角通信卫星和高速条件下的双向卫星通信终端控制手柄的内部结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明通过螺旋天线阵列和扩频通信技术来对抗小倾角卫星和高速运动导致的场强衰落和信号不稳定。

扩频通信：

根据香农(C.E.Shannon)在信息论研究中总结出的信道容量公式，即香农公式：

C＝W×Log2(1+S/N)；

式中：C为信息的传输速率；S为有用信号功率；W为频带宽度；N为噪声功率。

由上式可以得出：

为了提高信息的传输速率C，可以从两种途径实现，既加大带宽W或提高信噪比S/N。换句话说，当信号的传输速率C一定时，信号带宽W和信噪比S/N是可以互换的，即增加信号带宽可以降低对信噪比的要求，当带宽增加到一定程度，允许信噪比进一步降低，有用信号功率接近噪声功率甚至淹没在噪声之下也是可能的。扩频通信就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处，如图1所示，a为解扩后的原始信息，b为频谱扩展，信息功率谱密度下降，c为传输中受噪声干扰，d为解调后，噪声功率谱密度下降，信息功率谱密度上升，原始信息被恢复。

螺旋天线阵列：

螺旋天线(helical antenna)由导电性能良好的金属螺旋线组成，用同轴线馈电，同轴线的心线和螺旋线的一端相连接，同轴线的外导体则和接地的金属网(或板)相连接。螺旋天线的辐射方向与螺旋线圆周长有关。当螺旋线的圆周长比一个波长小很多时，辐射最强的方向垂直于螺旋轴；当螺旋线圆周长为一个波长的数量级时，最强辐射出现在螺旋旋轴方向上。

当D/λ＝0.25～0.46(即一圈螺旋周长约为一个波长)时，天线沿轴线方向有最大辐射，并在轴线方向产生圆极化波。这种天线称为轴向模螺旋天线。当D/λ进一步增大时，最大辐射方向偏离轴线方向。

法向模螺旋天线(D/λ<0.18)实质上是细线天线，因此，它的特性与单极细线天线相仿，具有8字形方向图。

单一天线的方向性是有限的，为适合各种场合的应用，将工作在同一频率的两个或两个以上的单个天线，按照一定的要求进行馈电和空间排列构成天线阵列。构成天线阵列的天线辐射单元称为阵元。天线阵列的工作原理可以看成是电磁波(电磁场)的叠加。对几列电磁波来讲，当它们传到同一区域时，按照叠加原理，电磁波将产生矢量叠加。叠加结果不仅与各列电磁波的振幅大小有关，而且与它们在相遇区间内相互之间的相位差有关。正是由于位于不同位置上的发射天线所发出的电磁波传到同一接收区域造成的空间相位出现差别，必然引起几列电磁波在相遇区域形成同相位叠加，总场强增强，反相位叠加，总场强削弱。总场强的增强和削弱区域在空间保持相对固定，就相当于用天线阵列改变了单个天线的辐射场结构。本实施例中螺旋天线阵列的两个阵元都通过功率分配器连接到馈线，对于每个阵元，还有相位偏移、功率分配和阻抗匹配等问题，但是他们都接收来自于馈线的功率(假设为发射天线)，因此这种天线阵也叫“被驱动阵列”。

本实施例将图2中a和b组合，成为二阵元螺旋通用航空卫星通信天线阵列，合成的场型图在指向卫星的轴线方向和当飞机剧烈倾斜时的螺旋旋轴方向都有稳定的增益，适合通用航空器应用；

本实施例将图2中b和c组合，成为二阵元螺旋天线高速铁路卫星通信阵列，该阵列在小倾角卫星漂移的±8°小倾角运动和高铁高速运动时保持稳定的增益。

本实施例的螺旋天线使用平行双线缠绕柱状介质棒而成，平行双线是一种开放式的传输线，其电场向外部延伸。当平行双线扭曲变形时就会引起辐射，其馈电点相位差180°。外形结构如图3所示。

参图4所示，该能适应小倾角通信卫星和高速条件下的双向卫星通信终端包括地面站收发终端，该地面站收发终端包括一个机壳3，在机壳3内部有一块wifi收发模块12，在机壳3上装有外接电源模块5，电源模块5可采用220V电源插座或能输出5V直流电的锂电池组，以及数据输出串口7(FEMALE)，wifi收发模块12通过数据线10与具有扩频功能的基带收发板卡9连接，wifi收发模块12通过数据传输线与wifi收发天线11相接，基带收发板卡9通过射频线6及射频线8与外部地面站设备相连，数据输出串口7与基带收发板卡9连接。

在本实施例中，地面站收发终端通过wifi收发天线11将要传输的语音数据接收进来，通过wifi收发模块12传输到具有扩频功能的基带收发板卡9，经过扩频、载波调制、D/A变换后，通过卫星地面站设备经卫星天线发送出去。此外地面站收发终端通过卫星天线将回传信号接收，经低噪放、下变频之后，传送给基带收发板卡9，进行A/D变换、解调、解扩，解调后的信号通过wifi收发模块12及wifi收发天线11传送给控制手柄。

参图5所示，该双向卫星通信终端还包括用户收发终端，该用户收发终端包括一个机壳13，在机壳13内部有一块wifi收发模块27，在机壳13上装有电源模块22，电源模块22采用外接220V电源或5V输出锂电池组，以及数据输出串口15(FEMALE)，wifi收发模块17通过数据线与wifi收发天线28相连，通过数据线14与具有扩频功能的基带收发板卡16连接，基带收发板卡16通过射频线17与上变频模块18通信，通过射频线26与下变频模块25通信，上变频模块18通过射频线19连接小型圆柱形螺旋发射天线阵列20，下变频模块25通过射频线24连接小型圆柱形螺旋接收天线阵列23，上变频模块18旁边设有散热装置21，散热装置21可采用散热片或风扇，以便通过散热片或风扇对终端内部进行温度调控，数据输出串口15与基带收发板卡16连接。

在本实施例中，用户收发终端的wifi收发模块27将接收到的数据通过数据线传输到具有扩频功能的基带收发板卡16，经过扩频、载波调制、D/A变换后，通过上变频模块18调制成射频信号之后经螺旋发射天线阵列20发送出去。螺旋接收天线阵列23将接收到的信号传输到下变频模块25，经低噪放、变频之后，传送给基带收发板卡16，再通过具有扩频功能的基带收发板卡16进行A/D变换、解扩、解调，将解调后的信号通过wifi收发模块27及wifi收发天线28传送到控制手柄。

参图6所示，该控制手柄包括一个外壳1，在外壳1内部有一块编解码芯片板卡2，在机壳1上装有外接5V电源插孔5、音频输入插孔6、音频输入插孔7，编解码芯片板卡2通过数据线与wifi收发模块3相连，通过数据传输线与音频输出插孔6、音频输入插孔7相连，wifi收发模块3通过数据传输线与wifi收发天线4相连。

在本实施例中，控制手柄的编解码芯片板卡2将采集到的语音数据进行压缩编码，通过数据线传送到wifi收发模块3，经wifi收发模块3通过wifi收发天线4发送出去。另一方面，wifi收发天线4将接收到的信号经wifi收发模块3传送给编解码芯片板卡2，经芯片进行解码，最后获得语音信息，实现经卫星转发器转发的双向语音通话。

本实施例提供的能适应中国区域卫星通信导航系统(CAPS)小倾角通信卫星和高速运动条件下的双向卫星通信终端，通过控制手柄拨号的方式呼叫所需用户，通过公用或专用通信网传输到地面站，完成拨号后由手柄里的编解码芯片进行数据压缩和编码，将编码后的数据通过wifi传送到地面站收发终端，再通过终端带扩频功能的基带收发板卡进行扩频调制、载波调制、D/A变换，将调制后的中频信号通过地面站设备，经变频和功率放大之后，通过卫星天线向空间的卫星方向发射。通信信号经卫星转发传输至用户终端，用户收发终端通过小型圆柱形螺旋接收天线阵列将信号接收后传输到下变频模块，经低噪放、变频之后，再传送给带扩频功能的基带收发板卡，带扩频功能的基带收发板卡进行A/D变换、解调、解扩，解调后的信号使用wifi传送给控制手柄中的编解码芯片板卡，芯片进行最后的解码，获得语音信息。而用户通过控制手柄将采集后的语音数据使用编解码芯片板卡进行数据压缩和编码，将编码后的数据使用wifi传送到用户收发终端，通过收发终端中的带扩频功能的基带收发板卡进行扩频调制、载波调制、D/A变换，调制后的中频信号传送到上变频模块，经变频和功率放大之后，通过小型圆柱形螺旋发射天线阵列向卫星发射。地面站收发终端通过卫星天线将回传信号接收，进行低噪放、下变频之后，传送给带扩频功能的基带收发板卡，带扩频功能的基带收发板卡进行A/D变换、解调、解扩，解调后的信号使用wifi接口和公用或专用通信系统传送到控制手柄中的编解码芯片板卡，经芯片进行解码，最后获得语音信息。

本发明通过采用螺旋天线阵列和扩频通信技术，可以保证在小倾角卫星和高速运动环境通信下实现可靠的卫星通信。

本发明只需要编解码芯片板卡、wifi收发模块及wifi收发天线就能组成一个控制手柄；只需要wifi收发模块及wifi收发天线、具有扩频功能的基带收发板卡、上变频模块、下变频模块、螺旋收发天线阵列就能组成一个微型的卫星收发终端，因此，具有结构简单、体积小、便于携带的优点，且可以在L波段、S波段、C波和Ku波段使用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种能适应小倾角通信卫星和高速条件下的双向卫星通信终端，用于小倾角通信卫星和高速运动条件下的双向卫星通信，其特征在于，包括地面站收发终端及用户收发终端；

所述地面站收发终端包括wifi收发模块、wifi收发天线及具有扩频功能的基带收发板卡，所述wifi收发天线与所述wifi收发模块连接，所述wifi收发模块与所述基带收发板卡连接，所述基带收发板卡用于与地面站设备连接；

所述用户收发终端包括wifi收发模块、wifi收发天线、具有扩频功能的基带收发板卡、上变频模块、下变频模块、圆柱形螺旋发射天线阵列及圆柱形螺旋接收天线阵列，所述wifi收发天线与所述wifi收发模块连接，所述wifi收发模块与所述基带收发板卡连接，所述基带收发板卡与所述上变频模块及下变频模块连接，所述上变频模块与所述圆柱形螺旋发射天线阵列连接，所述下变频模块与所述圆柱形螺旋接收天线阵列连接；

将D/λ＝0.25～0.46和D/λ>0.5的螺旋天线组合，成为二阵元螺旋天线高速铁路卫星通信阵列，在小倾角卫星漂移的±8°小倾角运动和高铁高速运动时保持稳定的增益。

2.根据权利要求1所述的能适应小倾角通信卫星和高速条件下的双向卫星通信终端，其特征在于，还包括用于与所述地面站收发终端及用户收发终端通信的控制手柄，所述控制手柄包括wifi收发模块、wifi收发天线及编解码芯片板卡，所述wifi收发天线与所述wifi收发模块连接，所述wifi收发模块与所述编解码芯片板卡连接。

3.根据权利要求2所述的能适应小倾角通信卫星和高速条件下的双向卫星通信终端，其特征在于，所述地面站收发终端还包括电源模块，所述电源模块为220V电源插座或5V直流锂电池组。

4.根据权利要求3所述的能适应小倾角通信卫星和高速条件下的双向卫星通信终端，其特征在于，所述地面站收发终端还包括数据输出串口，所述数据输出串口与所述基带收发板卡连接。

5.根据权利要求4所述的能适应小倾角通信卫星和高速条件下的双向卫星通信终端，其特征在于，所述地面站收发终端还包括机壳，所述wifi收发模块及基带收发板卡安装于所述机壳内。

6.根据权利要求2所述的能适应小倾角通信卫星和高速条件下的双向卫星通信终端，其特征在于，所述用户收发终端还包括电源模块，所述电源模块为220V电源插座或5V直流锂电池组。

7.根据权利要求6所述的能适应小倾角通信卫星和高速条件下的双向卫星通信终端，其特征在于，所述用户收发终端还包括靠近所述上变频模块安装的散热装置。

8.根据权利要求7所述的能适应小倾角通信卫星和高速条件下的双向卫星通信终端，其特征在于，所述用户收发终端还包括机壳，所述wifi收发模块、基带收发板卡、上变频模块、下变频模块及散热装置安装于所述机壳内。

9.根据权利要求2所述的能适应小倾角通信卫星和高速条件下的双向卫星通信终端，其特征在于，所述控制手柄还包括与所述编解码芯片板卡连接的音频输出插孔、音频输入插孔及外接5V电源插孔。

10.根据权利要求9所述的能适应小倾角通信卫星和高速条件下的双向卫星通信终端，其特征在于，所述控制手柄还包括外壳，所述wifi收发模块及编解码芯片板卡安装于所述外壳内。