CN111010224A - 一种用于海上移动平台的s波段卫星通信终端 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于海上移动平台的S波段卫星通信终端，包括：抛物面天线、伺服跟踪装置和S波段卫星中继通信机；所述抛物面天线位于伺服跟踪模块顶部，抛物面天线、伺服跟踪模块均电性连接于S波段卫星中继通信机；所述抛物面天线，用于接收卫星前向电波信号，同时将返向电波信号辐射到空间；所述伺服跟踪装置，用于计算平台和卫星的指向，利用接收信号强度值对该指向进行修正，根据修正后的指向控制抛物面天线指向卫星；所述S波段卫星中继通信机，用于实现终端和中继卫星的双向通信，输出岸基指令信息给海上移动平台；将接收信号强度值实时反馈给伺服跟踪装置。本发明的卫星通信终端体积、重量、功耗小，满足小至1m直径的海上浮标应用需求。

Description

一种用于海上移动平台的S波段卫星通信终端
技术领域
本发明涉及海上卫星通信领域，具体涉及一种用于海上移动平台的S波段卫星通信终端。
背景技术
海洋技术是国家海洋战略的重要支撑，海洋监测技术进行海洋开发、控制、综合管理的基础。随着卫星通信、卫星遥感、水声遥测以及传感器等技术的不断发展和成熟，海洋监测已进入从空间、沿岸、水面及水下对海洋环境立体监测的时代。海洋监测平台种类繁多，如主动、被动和拖拽等监测平台。海洋浮标作为一种广泛使用的被动监测平台，具有全天候、长期连续和定点监测的特点，可在无人值守及海况恶劣条件下长时间工作，是其他海洋监测手段无法替代的。海洋浮标体积小、易于布放，目前已在我国海洋台站、海洋工程、海洋调查等领域使用了将近30年，完全替代了采用人工观测方式。国外浮标技术先进，如美日等国部署的ARGO浮标、法国研制的Provor CT新型浮标、加拿大AXYS公司生产的TRIAXYS系列浮标和荷兰的波浪骑士等。国内浮标技术经历多次迭代，已日趋成熟，主要有2H23型、HFB-1型、南浮1号、科浮2号、FZF2-1型、FZS1-1型。
我国自研制海洋监测浮标以来，数据传输系统先后采用过多种数据通信方式，主要包括岸基移动通信、海上无线通信和海洋卫星通信。岸基移动通信受网络基站枢纽或有源中继体的制约，仅适合海岸附近的通信。受复杂海上信道环境影响，电磁波传播不稳定、传输距离受限于视距范围、抗干扰能力差，使得海上无线通信也无法为任意海域的浮标提供通信服务。相反，全球“无缝隙”的覆盖能力使得卫星通信在海洋浮标通信中拥有不可替代的地位。此外，国外气象数据采集、海洋运输和渔业、浮标数据采集和应急通信也在尝试流星余迹通信技术。流星余迹通信作为一种新的传输手段，具有功耗小，成本低，传输距离远，可靠性高，保密性好，生存能力强的优点。但是流星余迹通信国内相关研究较少，未具备实际应用条件。此外，近年来商业航天大肆兴起，火箭发射和卫星制造成本大幅降低，各国也纷纷开始布局实施天基物联网系统。2019年8月，美国SpaceX公司的小卫星共享火箭计划将卫星每公斤载荷的发射费用降低到5000美元。MEMS、SoC和COTS技术日益成熟，大幅降低了通信卫星的制造成本。卫星通信的迅速发展将极大促进海洋技术的不断演进。
当前，国内外海上浮标主要依靠美国铱星网络、发过Argos、国际海事卫星和我国北斗卫星与岸基进行通信，通信速率不超过100kbps。目前，海上卫星通信带宽将升级为数Mbps，能够满足海洋观测数据的急剧增长需求。相比而言，海上小型浮标平台能源和资源受限，高海况下，处于随机剧烈运动状态，是海上检测平台中对通信终端要求最苛刻的平台之一。高速率通信需要保证足够的信噪比和发射功率，受平台能源限制，卫星通信终端需要采用定向天线。当设置在剧烈运动的浮标上时，目前的卫星通信终端都无法实现对卫星信号的快速跟踪，而且目前的卫星通信终端也无法满足现在的浮标小型化应用要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提供了一种卫星通信终端，能够实现五级以内海况条件下海上平台(浮标、船舶和水下无人机等)与岸基间2Mbps的高速率实时远程通信。
为了实现上述目的，本发明提供了一种用于海上移动平台的S波段卫星通信终端，固定在海上移动平台上，包括：抛物面天线、伺服跟踪装置和S波段卫星中继通信机，三者集成于水密天线罩内；所述抛物面天线位于伺服跟踪模块顶部，抛物面天线、伺服跟踪模块均电性连接于S波段卫星中继通信机；
所述抛物面天线，用于接收卫星前向电波信号，同时将返向电波信号辐射到空间；
所述伺服跟踪装置，用于计算平台和卫星的指向，利用接收信号强度值对该指向进行修正，根据修正后的指向控制抛物面天线指向卫星；
所述S波段卫星中继通信机，用于实现终端和中继卫星的双向通信；将海上移动平台的遥测数据进行信道编码、QPSK调制、功率放大和滤波后输出给抛物面天线；同时对抛物面天线接收的卫星信号进行放大、下变频、滤波、解扩、解调和译码后，输出岸基指令信息给海上移动平台；还用于将接收信号强度值实时反馈给伺服跟踪装置。
作为上述装置的一种改进，所述抛物面天线包括抛物面和天线馈源；
所述抛物面共分三层，中间层为芳纶纸蜂窝，里层和外层均为包裹蜂窝的纤维布，定型后在抛物面内表面碳纤维布上进行金属化处理；抛物面的安装盘在敷制过程中镶嵌在抛物面夹层内，为铝合金材料；
所述天线馈源采用宽频带双极化天线；采用3dB电桥实现左右旋圆极化，发射右旋圆极化，接收左旋圆极化。
作为上述装置的一种改进，所述伺服跟踪装置包括组合导航模块、姿态控制器、电机和传动部件；
所述组合导航模块，用于获取卫星的实时位置数据、平台的实时位置数据和姿态数据，采用组合导航算法，实时补偿平台扰动，输出平台指向卫星的方位角和俯仰角；
所述姿态控制器，用于根据S波段卫星通信机提供的卫星信号接收强度对卫星信号进行闭环跟踪，对所述组合导航模块输出的方位角和俯仰角进行修正，发送至伺服控制器；
所述伺服控制器，用于将方位角和俯仰角信息转化为实际的脉冲信号；
所述驱动控制模块，用于将电脉冲转化为方位角位移和俯仰角位移的控制；
所述电机包括俯仰电机和方位电机；俯仰电机用于在驱动控制模块的控制下实现俯仰方向的步进，方位电机用于在驱动控制模块的控制下实现方位方向的步进；
所述传动部件，包括俯仰传动部件和方位传动部件；所述俯仰传动部件连接俯仰电机和天线，用于在俯仰电机的步进下带动天线在俯仰方向转动，所述方位转动部件连接方位电机和天线，用于在方位电机的步进下带动天线在方位方向转动。
作为上述装置的一种改进，所述组合导航模块包括：用于姿态测量的惯性单元、用于定位导航的BD/GPS单元和姿态解算单元；
惯性单元包括三个正交陀螺仪和三个正交加速度计，测量平台在惯性空间对应轴向的角速度和加速度并输出至指向解算单元；
BD/GPS单元，用于提供平台当前位置信息，包括经纬度和高程信息；
指向解算单元，用于根据惯性单元输出的数据计算平台的惯导偏航角、滚动角和俯仰角；然后再根据卫星的位置信息和平台当前位置，计算平台指向卫星的俯仰角和方位角，具体过程为：
计算卫星在地球坐标系下的直角坐标矢量；
根据平台当前位置建立东北天地理坐标系；
计算地球坐标系到东北天地理坐标系的转换矩阵；
根据该转换矩阵，计算卫星在东北天地理坐标系下的方向余弦矢量；
根据平台的惯导偏航角、滚动角和俯仰角建立惯导坐标系；
计算东北天地理坐标系到惯导坐标系的转换矩阵；
根据该转换矩阵，计算卫星在惯导坐标系下的方向余弦矢量；
根据卫星在惯导坐标系下的方向余弦矢量，计算平台指向卫星的俯仰角和方位角。
作为上述装置的一种改进，所述姿态控制器包括天线寻零单元、天线寻星单元、跟踪单元和失锁及确认单元；
所述天线寻零单元，用于通过霍尔开关得到天线平台的绝对角度；
所述天线寻星单元，用于控制天线波束俯仰角到指向解算单元输出的俯仰角度上，并在方位角度上水平旋转360°，解算接收到的卫星信号接收强度RSSI，当获得RSSI最大值且该值大于阈值A时，记录RSSI最大值对应的天线位置；将天线转到信号最大值对应的位置完成对卫星的捕获；
所述跟踪单元，用于当捕获到卫星后，记录卫星目标的方位，当平台姿态变化时，根据组合导航模块输出的信息，每隔10ms实时修正天线的位置，使天线始终指向目标的位置，并开展实时动态的圆锥扫描，在信号最大的位置2°附近始终寻找RSSI最大值，当寻找到一个修正周期内新的最大信号值时，更新最大值和其对应的位置信息，更新周期为1分钟；调整天线围绕最新的最大值继续圆锥扫描，从而完成实时的卫星跟踪；从而获得最优方位角和俯仰角，发送至伺服控制器；
失锁和确认单元：用于当RSSI当前值突然出现小于阈值A的情况，进入丢星确认状态，此期间依旧保持圆锥扫描状态，状态持续30s，30s内如果出现RSSI值大于阈值A的情况，状态解除；如果30s始终没有RSSI值始终小于A，则让天线在当前最大值的位置附近±7°范围内做正弦扫描，扫描2分钟；RSSI值没有超过阈值4，则在±10°范围内做正弦扫描，持续5分钟；RSSI值没有超过阈值A，则在±15°范围内做正弦扫描，持续10分钟；RSSI值没有超过阈值A，则在±25°范围内做正弦扫描，持续5分钟，RSSI值没有超过阈值A，则所述天线寻零单元和天线寻星单元依次启动。
作为上述装置的一种改进，所述方位传动部件包括：方位转台、方位大齿轮，方位小齿轮和导电滑环；所述方位电机通过齿轮啮合带动方位大齿轮，方位大齿轮和方位小齿轮齿数分别为120和12；所述导电滑环设置在方位活动转台上，用于电源和数据的传输；所述俯仰传动部件包括：天线基座、俯仰大齿轮，俯仰小齿轮、传动皮带及限位装置；俯仰电机通过皮带连接俯仰大齿轮，俯仰大齿轮和俯仰小齿轮的齿数分别为174和20。
作为上述装置的一种改进，所述S波段卫星中继通信机包括信号处理单元、前向接收射频前端、返向发射射频前端、双路腔体滤波器、S波段频率源以及二次电源变换单元；
所述信号处理单元，用于完成前向接收信号的处理和返向基带到调制信号处理；具体为：前向接收一路扩频信号，首先进行信号捕获、跟踪、位同步处理，在完成解调、解扩；然后将数据流信息经帧同步、译码解帧后，通过网络接口输出给浮标控制器；返向基带数据为来自网口的浮标采集数据，经RS编码、交织及加扰后，经返向发射射频前端调制和放大；
所述前向接收射频前端，用于将接收到的S波段射频信号下变频为70MHz中频信号；
所述返向发射射频前端，用于将基带信号调制到射频信号，经滤波和功率放大器后输出射频调制信号；
所述双路腔体滤波器位于天线馈源和收发射频前端之间，用于完成前向接收和返向发射信号隔离；
所述S波段频率源，用于产生本振信号，完成接收射频信号的下变频功能；
所述二次电源变换单元，用于将来自浮标供电接口的+24V一次电源变换为信号处理单元、前向接收射频前段、返向发射射频前端所需的工作电源。
作为上述装置的一种改进，所述双路腔体滤波器包括：返向链路腔体滤波器和前向链路腔体滤波器；
所述返向链路腔体滤波器，用于抑制发射调制信号边带；
所述前向链路腔体滤波器，用于抑制发射调制信号的主瓣信号，从而保证前向接收链路的信噪比。
作为上述装置的一种改进，所述天线罩包括天线上罩、天线下罩和天线底板；所述天线上罩是透明的；
所述天线上罩和天线下罩均采用蜂窝夹层玻璃纤维；天线上罩和天线下罩由6个不锈钢锁扣连接，两者之间设置密封垫圈天线；当天线上罩和天线下罩通过锁扣拉紧时挤压密封垫圈进行防水；天线下罩的底部粘接有软体橡胶，同时设有挡水裙边；
所述天线底板采用铝蜂窝结构，嵌于天线下罩底部，天线下罩与天线底板之间涂抹耐环境硅胶以增加防水性能；
天线下罩粘接有密封垫圈，当天线下罩与天线底板通过螺钉连接时，挤压天线下罩的密封垫圈使防水密封；同时天线下罩与天线底板之间涂抹耐环境硅胶以增加防水性能。
作为上述装置的一种改进，所述卫星通信终端还包括：温度控制单元，用于将天线罩内的低压蒸汽吸入并压缩为高压蒸汽后排至冷凝器，冷凝器将高压蒸汽制冷并液化，再次排给天线罩，天线罩内空气不断循环流动，将天线罩内环境温度控制在35°以内。
本发明的优势在于：
1、本发明的移动终端解决了小型海上平台能源资源受限问题，突破了海上卫星信号跟踪技术。
2、本发明依靠中继卫星系统实现浮标、船舶和潜艇等海上移动平台与地面数据中心的双向远程实时通信功能，具备接收海上平台2Mbps的观测数据并转发到卫星链路，同时接收卫星链路发送的控制参数和命令后转发给海上平台；
3、本发明通过快速跟踪技术使S波段卫星通信终端可工作于五级以内海况条件；温度控制单元使终端在高温暴晒环境下处于最佳工作温度；玻璃钢天线罩使终端能够防水、防盐雾、透波；终端设计合理，集成度高；
4、本发明的卫星通信终端体积、重量、功耗小，能够满足小至1m直径的海上浮标应用需求；
5、本发明的卫星通信终端环境适应能力强，可工作在恶劣天气(云雾雨)或五级以内海况条件下，防水、放盐雾、防晒。
附图说明
图1为本发明海上S波段卫星通信终端的结构前侧图；
图2为本发明海上S波段卫星通信终端的结构后侧图；
图3为本发明的自动对星的示意图；
图4为本发明的组合导航模块计算天线指向的示意图
附图标记：
1、天线馈源 2、天线上罩 3、伺服跟踪装置
4、天线下罩 5、抛物面天线 6、S波段卫星中继通信机
7、俯仰电机 8、伺服控制器 9、方位电机
10、驱动控制模块 11、惯导单元
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明提供了一种S波段卫星通信终端，能够提供覆盖海域高速率远程实时通信服务，数据通过网络接口输入；通过抛物面天线接入中继卫星网络。
如图1和图2所示，该卫星通信终端主要包括天线罩、抛物面天线5、伺服跟踪装置3、S波段卫星中继通信机6和温度控制单元。
其中，抛物面天线5、伺服跟踪模块3、S波段中继通信机6和天线罩12分别进行减重设计。其浮标重心越低、离浮心越远，浮标平台受风浪影响越小，姿态越稳定，越有利于对星。因此，浮标平台对S波段卫星通信终端的重量要求严格。抛物面天线5通过采用芳纶纸蜂窝减重；伺服跟踪模块3通过镂空和以通信机作为抛物面天线设计减重；S波段中继通信机6采用高集成度设计减重，总重2.2kg；天线罩采用蜂窝夹层玻璃纤维和铝蜂窝结构，在保证机械强度的情况下实现了减重设计。S波段卫星通信终端(不含温度控制单元)，共48kg，尺寸为Φ110cm×110cm，96V锂电池供电，功耗小于100W。
抛物面天线5包括：抛物面和天线馈源1；抛物面口径0.9m，收发增益大于20dB，波束宽度约10°。抛物面采用模具敷制而成，敷制厚度为12mm，共分三层，中间层为11mm芳纶纸蜂窝，里层和外层均包裹蜂窝的纤维布，其单边厚度为0.5mm。工艺处理定型，表面光洁、美观。定型后在抛物面内表面碳纤维布上进行金属化处理，厚度为0.1～0.2mm。抛物面安装盘在敷制过程中镶嵌在抛物面夹层内，为铝合金材料，有镂空减重处理。
天线馈源1采用特殊的宽频带双极化天线，结构简单，易于调试。天线馈源1采用3dB电桥实现左右旋圆极化，发射右旋圆极化，接收左旋圆极化。采用半钢性同轴电缆连接天线馈源1与S波段卫星中继通信机6，易于成型、屏蔽性好、稳定。
接收时，经抛物面反射后，电波汇聚到天线馈源1；由于天线馈源1位于抛物面的焦点上，天线馈源1可接收到卫星信号最大能量。发射时，信号从天线馈源1向抛物面辐射，经抛物面反射后，向空间辐射。电波经抛物面反射后，沿抛物面法向平行辐射。
抛物面天线5固定在天线基座上，天线基座采用方位-俯仰型两轴座架，这种形式的天线座结构紧凑、承载能力大、调整测量方便。
伺服跟踪装置3包括组合导航模块、姿态控制器、伺服控制器8、驱动控制模块10、电机和传动部件；
组合导航感知平台实时姿态、定位信息，实时解算指向角度，并控制伺服机构修正或补偿平台姿态变化，提供稳定海上导航平台，确保天线指向的稳定性。卫星通信终端的自动对星设计为开环加闭环模式，开环模式采用组合导航算法，实时补偿平台扰动，输出方位角和俯仰角；闭环模式搜索精确方位，并始终寻找卫星信号强度最大值的指向(方位和俯仰)。自动对星的过程如图3所示。
组合导航模块包括用于姿态测量的惯性单元11、用于定位导航的BD/GPS单元和指向解算单元。
惯性单元11包括三个正交陀螺仪和三个正交加速度计，测量平台在惯性空间对应轴向的角速度和加速度并输出至指向解算单元。惯性单元11安装在底座水平面上，与移动平台平面平行，航向零度方向与天线方位零度方向重合。
BD/GPS单元用于提供平台当前位置信息，包括经纬度和高程信息；
指向解算单元，用于根据惯性单元11输出的数据计算平台的惯导偏航角、滚动角和俯仰角；然后再根据卫星的位置信息和平台当前位置，计算平台指向卫星的俯仰角和方位角，如图4所示，具体过程为：
计算卫星在地球坐标系下的直角坐标矢量；
根据平台当前位置建立东北天地理坐标系；
计算地球坐标系到东北天地理坐标系的转换矩阵；
根据该转换矩阵，计算卫星在东北天地理坐标系下的方向余弦矢量；
根据平台的惯导偏航角、滚动角和俯仰角建立惯导坐标系；
计算东北天地理坐标系到惯导坐标系的转换矩阵；
根据该转换矩阵，计算卫星在惯导坐标系下的方向余弦矢量；
根据卫星在惯导坐标系下的方向余弦矢量，计算平台指向卫星的俯仰角和方位角。
所述姿态控制器以100Hz的数据更新速率稳定输出指向角度(方位和俯仰)。闭环模式分为四个过程：捕获、跟踪、失锁、确认。
捕捉过程：系统初始化完成后，姿态控制器控制天线波束俯仰角到根据组合导航模块解算的参考俯仰角度上，并在方位角度上水平旋转360°，解算接收到的卫星信号接收强度(RSSI)，并记录下信号最大值对应的天线位置。在无遮挡的正常通信环境下，RSSI电平值随角度变化应该是一个逐渐变大在变小的过程，且RSSI电平最大值应该大于RSSI阈值，试验得到的阈值为A。当出现这样的有效信号时，自动将天线转到信号最大值对应的位置完成对卫星的捕获。让遇到遮挡或者无卫星信号时，捕捉过程将一直保持。
跟踪过程：当捕获到目标后，记录卫星目标的方位(地理坐标)，当平台姿态变化时，根据组合导航模块反馈的信息，实时(10ms)修正天线的位置，使天线始终指向目标的位置。同时，为了更进一步精确跟踪卫星和消除惯导本身的精度及漂移的影响，实现实时动态的圆锥扫描，再信号最大的位置2°附近始终寻找RSSI最大值，当寻找到一个修正周期内新的最大信号值时，更新最大值和其对应的位置信息，更新周期为1分钟；调整天线围绕最新的最大值继续圆锥扫描，从而完成实时的卫星跟踪。以上过程均需满足RSSI电平值大于阈值4。
失锁过程：当天线在已跟踪状态下受到外界环境遮挡干扰，会出现丢星情况。当RSSI当前值突然出现小于阈值A的情况，姿态控制器进入丢星确认状态，此期间依旧保持圆锥扫描状态，状态持续30s，30s内如果出现RSSI值大于阈值A的情况，状态解除；如果30s始终没有RSSI值始终小于A，系统判定丢星失锁，开始重新寻星状态。
失锁确认：姿态控制器将先让天线在当前最大值的位置附近±7°范围内做正弦扫描，扫描2分钟；AGC值没有超过阈值4，则在±10°范围内做正弦扫描，持续5分钟；RSSI值没有超过阈值A，则在±15°范围内做正弦扫描，持续10分钟；RSSI值没有超过阈值A，则在±25°范围内做正弦扫描，持续5分钟，RSSI值没有超过阈值A，则系统回到寻零初始化状态，进入到捕捉过程。以上过程任意阶段出现RSSI值大于A的情况，系统进入锁定状态。
所述伺服控制器8，用于将方位角和俯仰角信息转化为实际的脉冲信号；
伺服控制器8接收姿态控制器输出的方位角和俯仰角，调整驱动控制模块10使电机转动，从而控制天线波束指向。伺服控制器加电寻找零位，然后实时执行姿态控制指令，方位360°连续旋转，俯仰0°～90°，速度60°/s。
所述驱动控制模块10，用于将电脉冲转化为方位角位移和俯仰角位移的控制；
所述电机包括俯仰电机7和方位电机9；俯仰电机7用于在驱动控制模块的控制下实现俯仰方向的步进，方位电机9用于在驱动控制模块10的控制下实现方位方向的步进；
所述传动部件，包括俯仰传动部件和方位传动部件；所述俯仰传动部件连接俯仰电机7和天线，用于在俯仰电机7的步进下带动天线在俯仰方向转动，所述方位转动部件连接方位电机9和天线，用于在方位电机9的步进下带动天线在方位方向转动。
俯仰传动部件采用皮带传动方案。俯仰旋转角设计为0°～90°，俯仰大带轮和小带轮的齿数分别为120和12，齿形选用XL型，节距为5.08，该传动的传动比为10。因齿形同步带转动过程中磨损较小，齿轮部分采用ABS高强度塑料制作，较金属齿轮可以减轻不少的重量。电机采用无刷步进电机，转矩：1.5N·m，容许转速：0～300r/min。
方位传动部件采用齿轮的方式传动，可实现360°连续旋转。方位大齿轮固定不动，电机则固定在转台的加强筋板上，方位电机通过小齿轮带动整个转台围绕旋转中心转动。大齿轮和小齿轮的齿数分别为174和20，模数1.5，传动比为8.7。电机选用无刷步进电机ASC系列，保持转矩为：5N·m，容许转速：0～300r/min。活动转台机构主要由转台、圆形支撑底座、方位驱动子系统组成。活动转台与圆形支撑底座间安装一个端面轴承和径向限位装置，在活动转台的中心位置同心安装有一汇流环，主要用于电源输入、信号的与输出。
抛物面天线和S波段卫星通信机6安装在天线基座两侧，实现俯仰转动的配平。
伺服跟踪装置3固定在固定底座上，固定底座采用对称式结构，与方位固定圆盘经螺钉固联，中央开设一个小于固定圆盘内径的圆孔，并与活动转台的支撑底座经螺钉固联成一体。固定底座与天线下罩固连在一起。
所述S波段卫星中继通信机6实现终端和中继卫星的双向通信，将海上移动平台的遥测数据进行信道编码、QPSK调制、功率放大和滤波后输出给抛物面天线；同时对抛物面天线接收的卫星信号进行放大、下变频、滤波、解扩、解调和译码后，输出岸基指令信息给海上移动平台；此外，将接收信号强度值实时反馈给伺服跟踪模块，进行快速跟踪。
所述S波段卫星中继通信机6包括信号处理单元、前向接收射频前端、返向发射射频前端、双路腔体滤波器、S波段载频源以及二次电源变换单元，所有电路集成设计在一套结构中。
所述信号处理单元，用于完成前向接收信号的处理和返向基带到调制信号处理；具体为：前向接收一路扩频信号，首先进行信号捕获、跟踪、位同步处理，在完成解调、解扩；然后将数据流信息经帧同步、译码解帧后，通过网络接口输出给浮标控制器；返向基带数据为来自网口的浮标采集数据，经RS编码、交织及加扰后，经返向发射射频前端调制和放大；
所述前向接收射频前端，用于将接收到的S波段射频信号下变频为70MHz中频信号；
所述返向发射射频前端，用于将基带信号调制到射频信号，经滤波和功率放大器后输出射频调制信号；
所述双路腔体滤波器位于天线馈源和收发射频前端之间，用于完成前向接收和返向发射信号隔离；所述双路腔体滤波器包括：返向链路腔体滤波器和前向链路腔体滤波器；
所述返向链路腔体滤波器，用于抑制发射调制信号边带；
所述前向链路腔体滤波器，用于抑制发射调制信号的主瓣信号，从而保证前向接收链路的信噪比。
所述S波段频率源，用于产生本振信号，完成接收射频信号的下变频功能；
所述二次电源变换单元，用于将来自浮标供电接口的+24V一次电源变换为信号处理单元、前向接收射频前段、返向发射射频前端所需的工作电源。
如图1所示，所述天线上罩2和天线下罩4采用蜂窝夹层玻璃纤维；天线上罩2和天线下罩4由6个不锈钢锁扣连接，天线下罩4粘接有软体橡胶，同时设有挡水裙边。当上、下罩通过锁扣拉紧时挤压密封垫圈来防水；
所述天线底板采用铝蜂窝结构，嵌于天线下罩4底部，天线下罩4与天线底板之间涂抹耐环境硅胶以增加防水性能；
天线下罩4粘接有密封垫圈，当天线下罩4与天线底板通过螺钉连接时，挤压天线下罩的密封垫圈使防水密封。同时天线下罩4与天线底板之间涂抹耐环境硅胶以增加防水性能。
温度控制单元13可将天线罩内环境温度控制在35°以内，悬挂于浮标侧面。温度控制模块将天线罩内的低压蒸汽吸入并压缩为高压蒸汽后排至冷凝器，冷凝器将高压蒸汽制冷并液化，再次排给天线罩，罩内空气不断循环流动，达到降低温度的目的。海上工作期间，外部环境温度达到+40℃左右，天线罩内部，几乎没有空气循环，不能依靠对流散热降低设备工作温度。经测试，系统工作期间，设备外壳工作温度可达到+65℃，内部电子元器件温度超过了+85℃的温度上限，导致设备性能下降。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种用于海上移动平台的S波段卫星通信终端，固定在海上移动平台上，其特征在于，包括：抛物面天线、伺服跟踪装置和S波段卫星中继通信机，三者集成于水密天线罩内；所述抛物面天线位于伺服跟踪模块顶部，抛物面天线、伺服跟踪模块均电性连接于S波段卫星中继通信机；
所述抛物面天线，用于接收卫星前向电波信号，同时将返向电波信号辐射到空间；
所述伺服跟踪装置，用于计算平台和卫星的指向，利用接收信号强度值对该指向进行修正，根据修正后的指向控制抛物面天线指向卫星；
所述S波段卫星中继通信机，用于实现终端和中继卫星的双向通信；将海上移动平台的遥测数据进行信道编码、QPSK调制、功率放大和滤波后输出给抛物面天线；同时对抛物面天线接收的卫星信号进行放大、下变频、滤波、解扩、解调和译码后，输出岸基指令信息给海上移动平台；还用于将接收信号强度值实时反馈给伺服跟踪装置。
2.根据权利要求1所述的用于海上移动平台的S波段卫星通信终端，其特征在于，所述抛物面天线包括抛物面和天线馈源；
所述抛物面共分三层，中间层为芳纶纸蜂窝，里层和外层均为包裹蜂窝的纤维布，定型后在抛物面内表面碳纤维布上进行金属化处理；抛物面的安装盘在敷制过程中镶嵌在抛物面夹层内，为铝合金材料；
所述天线馈源采用宽频带双极化天线；采用3dB电桥实现左右旋圆极化，发射右旋圆极化，接收左旋圆极化。
3.根据权利要求1所述的用于海上移动平台的S波段卫星通信终端，其特征在于，所述伺服跟踪装置包括组合导航模块、姿态控制器、电机和传动部件；
所述组合导航模块，用于获取卫星的实时位置数据、平台的实时位置数据和姿态数据，采用组合导航算法，实时补偿平台扰动，输出平台指向卫星的方位角和俯仰角；
所述姿态控制器，用于根据S波段卫星通信机提供的卫星信号接收强度对卫星信号进行闭环跟踪，对所述组合导航模块输出的方位角和俯仰角进行修正，发送至伺服控制器；
所述伺服控制器，用于将方位角和俯仰角信息转化为实际的脉冲信号；
所述驱动控制模块，用于将电脉冲转化为方位角位移和俯仰角位移的控制；
所述电机包括俯仰电机和方位电机；俯仰电机用于在驱动控制模块的控制下实现俯仰方向的步进，方位电机用于在驱动控制模块的控制下实现方位方向的步进；
所述传动部件，包括俯仰传动部件和方位传动部件；所述俯仰传动部件连接俯仰电机和天线，用于在俯仰电机的步进下带动天线在俯仰方向转动，所述方位转动部件连接方位电机和天线，用于在方位电机的步进下带动天线在方位方向转动。
4.根据权利要求3所述的用于海上移动平台的S波段卫星通信终端，其特征在于，所述组合导航模块包括：用于姿态测量的惯性单元、用于定位导航的BD/GPS单元和姿态解算单元；
惯性单元包括三个正交陀螺仪和三个正交加速度计，测量平台在惯性空间对应轴向的角速度和加速度并输出至指向解算单元；
BD/GPS单元，用于提供平台当前位置信息，包括经纬度和高程信息；
指向解算单元，用于根据惯性单元输出的数据计算平台的惯导偏航角、滚动角和俯仰角；然后再根据卫星的位置信息和平台当前位置，计算平台指向卫星的俯仰角和方位角，具体过程为：
计算卫星在地球坐标系下的直角坐标矢量；
根据平台当前位置建立东北天地理坐标系；
计算地球坐标系到东北天地理坐标系的转换矩阵；
根据该转换矩阵，计算卫星在东北天地理坐标系下的方向余弦矢量；
根据平台的惯导偏航角、滚动角和俯仰角建立惯导坐标系；
计算东北天地理坐标系到惯导坐标系的转换矩阵；
根据该转换矩阵，计算卫星在惯导坐标系下的方向余弦矢量；
根据卫星在惯导坐标系下的方向余弦矢量，计算平台指向卫星的俯仰角和方位角。
5.根据权利要求4所述的用于海上移动平台的S波段卫星通信终端，其特征在于，所述姿态控制器包括天线寻零单元、天线寻星单元、跟踪单元和失锁及确认单元；
所述天线寻零单元，用于通过霍尔开关得到天线平台的绝对角度；
所述天线寻星单元，用于控制天线波束俯仰角到指向解算单元输出的俯仰角度上，并在方位角度上水平旋转360°，解算接收到的卫星信号接收强度RSSI，当获得RSSI最大值且该值大于阈值A时，记录RSSI最大值对应的天线位置；将天线转到信号最大值对应的位置完成对卫星的捕获；
所述跟踪单元，用于当捕获到卫星后，记录卫星目标的方位，当平台姿态变化时，根据组合导航模块输出的信息，每隔10ms实时修正天线的位置，使天线始终指向目标的位置，并开展实时动态的圆锥扫描，在信号最大的位置2°附近始终寻找RSSI最大值，当寻找到一个修正周期内新的最大信号值时，更新最大值和其对应的位置信息，更新周期为1分钟；调整天线围绕最新的最大值继续圆锥扫描，从而完成实时的卫星跟踪；从而获得最优方位角和俯仰角，发送至伺服控制器；
失锁和确认单元：用于当RSSI当前值突然出现小于阈值A的情况，进入丢星确认状态，此期间依旧保持圆锥扫描状态，状态持续30s，30s内如果出现RSSI值大于阈值A的情况，状态解除；如果30s始终没有RSSI值始终小于A，则让天线在当前最大值的位置附近±7°范围内做正弦扫描，扫描2分钟；RSSI值没有超过阈值4，则在±10°范围内做正弦扫描，持续5分钟；RSSI值没有超过阈值A，则在±15°范围内做正弦扫描，持续10分钟；RSSI值没有超过阈值A，则在±25°范围内做正弦扫描，持续5分钟，RSSI值没有超过阈值A，则所述天线寻零单元和天线寻星单元依次启动。
6.根据权利要求5所述的用于海上移动平台的S波段卫星通信终端，其特征在于，所述方位传动部件包括：方位转台、方位大齿轮，方位小齿轮和导电滑环；所述方位电机通过齿轮啮合带动方位大齿轮，方位大齿轮和方位小齿轮齿数分别为120和12；所述导电滑环设置在方位活动转台上，用于电源和数据的传输；所述俯仰传动部件包括：天线基座、俯仰大齿轮，俯仰小齿轮、传动皮带及限位装置；俯仰电机通过皮带连接俯仰大齿轮，俯仰大齿轮和俯仰小齿轮的齿数分别为174和20。
7.根据权利要求1所述的用于海上移动平台的S波段卫星通信终端，其特征在于，所述S波段卫星中继通信机包括信号处理单元、前向接收射频前端、返向发射射频前端、双路腔体滤波器、S波段频率源以及二次电源变换单元；
所述信号处理单元，用于完成前向接收信号的处理和返向基带到调制信号处理；具体为：前向接收一路扩频信号，首先进行信号捕获、跟踪、位同步处理，在完成解调、解扩；然后将数据流信息经帧同步、译码解帧后，通过网络接口输出给浮标控制器；返向基带数据为来自网口的浮标采集数据，经RS编码、交织及加扰后，经返向发射射频前端调制和放大；
所述前向接收射频前端，用于将接收到的S波段射频信号下变频为70MHz中频信号；
所述返向发射射频前端，用于将基带信号调制到射频信号，经滤波和功率放大器后输出射频调制信号；
所述双路腔体滤波器位于天线馈源和收发射频前端之间，用于完成前向接收和返向发射信号隔离；
所述S波段频率源，用于产生本振信号，完成接收射频信号的下变频功能；
所述二次电源变换单元，用于将来自浮标供电接口的+24V一次电源变换为信号处理单元、前向接收射频前段、返向发射射频前端所需的工作电源。
8.根据权利要求7所述的用于海上移动平台的S波段卫星通信终端，其特征在于，所述双路腔体滤波器包括：返向链路腔体滤波器和前向链路腔体滤波器；
所述返向链路腔体滤波器，用于抑制发射调制信号边带；
所述前向链路腔体滤波器，用于抑制发射调制信号的主瓣信号，从而保证前向接收链路的信噪比。
9.根据权利要求1所述的用于海上移动平台的S波段卫星通信终端，其特征在于，所述天线罩包括天线上罩、天线下罩和天线底板；所述天线上罩是透明的；
所述天线上罩和天线下罩均采用蜂窝夹层玻璃纤维；天线上罩和天线下罩由6个不锈钢锁扣连接，两者之间设置密封垫圈天线；当天线上罩和天线下罩通过锁扣拉紧时挤压密封垫圈进行防水；天线下罩的底部粘接有软体橡胶，同时设有挡水裙边；
所述天线底板采用铝蜂窝结构，嵌于天线下罩底部，天线下罩与天线底板之间涂抹耐环境硅胶以增加防水性能；
天线下罩粘接有密封垫圈，当天线下罩与天线底板通过螺钉连接时，挤压天线下罩的密封垫圈使防水密封；同时天线下罩与天线底板之间涂抹耐环境硅胶以增加防水性能。
10.根据权利要求1所述的用于海上移动平台的S波段卫星通信终端，其特征在于，所述终端还包括：温度控制单元，用于将天线罩内的低压蒸汽吸入并压缩为高压蒸汽后排至冷凝器，冷凝器将高压蒸汽制冷并液化，再次排给天线罩，天线罩内空气不断循环流动，将天线罩内环境温度控制在35°以内。
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