CN210327574U - 低轨卫星地面站 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种低轨卫星地面站，包括天线罩、天馈射频系统以及天线伺服系统，天馈射频系统与天线伺服系统均罩设于天线罩内，天线伺服系统包括转台，天馈射频系统包括高增益天线、功率放大器、接收机、上下变频模块以及中频处理模块，功率放大器、接收机以及上下变频模块均集成至高增益天线上，功率放大器与接收机均靠近高增益天线的馈电口，高增益天线安设于转台上，接收机、上下变频模块以及中频处理模块依次通信连接。本实用新型的地面站，能够追踪和捕获卫星，能够维持晴天条件下链路功率水平不会变化太大，以实现信息的高质量、宽带、低延迟、低损耗传输，总时延不超过10ms。

Description

低轨卫星地面站

技术领域

本实用新型涉及网络通信，尤其涉及一种低轨卫星地面站。

背景技术

随着通信和网络技术发展，特别是新时期移动通信的飞速发展，通信已经从传统的电话语音发展到高清实时流媒体传输，越来越丰富了人们的沟通手段，跨洋信息传输时延也从传统数秒减小为数十毫秒、进而还会降低至数毫秒，信息传输带宽也从数千比特每秒提高至数吉比特每秒。不同类型的通信网络在具有自身的独特优势，但也存在一些不足。固定宽带网络可以提供高带宽高稳定性的服务，但是网络的覆盖受地理因素的制约，且可移动性极为有限；移动互联网络可以保证通信终端的移动性，但是其通信质量受环境严重影响，且移动网路覆盖范围往往有限，在野外常常无法使用；卫星通信网络可以覆盖海洋、山区、沙漠等偏远地区，但网络不够灵活、系统管理也较为复杂，系统建设运营维护成本极高。

5G通信与卫星通信相结合被称为下一代移动通信，即6G。卫星的轨道越高其覆盖面积越大，但是通信的时延也越长，因此用于移动通信的卫星为满足低时延要求，卫星轨道高度为160～2000km，称为低轨卫星(LEO)，结合低轨卫星通信的5G通信可实现任意时间、任意地点、任意终端的高速互联通信。

低轨卫星轨道面低、速度高，绕地球旋转速度约7km每秒，过顶时间不超过45分钟，能够有效实现星地数据交换的时间不超过30分钟，因此地面站需要解决快速卫星捕获、跟踪、信息及时传输以及卫星飞过以后及时无缝切换下一颗卫星等问题。低轨卫星地面站的中继传输以及星际切换功能是解决过顶时间短、单星上资源有限等问题的关键设备。为了通信业务兼容性需要，低轨卫星地面站还要兼容中高轨卫星，能够与中高轨卫星建立通信联络。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种低轨卫星地面站。

本实用新型是这样实现的：

本实用新型实施例提供一种低轨卫星地面站，包括天线罩、天馈射频系统以及天线伺服系统，所述天馈射频系统与所述天线伺服系统均罩设于所述天线罩内，所述天线伺服系统包括转台，所述天馈射频系统包括高增益天线、功率放大器、接收机、上下变频模块以及中频处理模块，所述功率放大器、接收机以及上下变频模块均集成至所述高增益天线上，功率放大器与接收机均靠近所述高增益天线的馈电口，所述高增益天线安设于所述转台上，所述接收机、上下变频模块以及中频处理模块依次通信连接。

进一步地，还包括固定基座，所述天线罩罩设于所述固定基座上，所述转台安设于所述固定基座上。

进一步地，所述天线罩包括多块拼接的单元板块，每一所述单元板块均包括泡沫夹芯层以及包裹所述泡沫夹芯层的蒙皮。

进一步地，相邻的两个所述单元板块之间通过叠合的搭接部拼接，且两个所述搭接部之间采用尼龙螺钉连接。

进一步地，两个所述搭接部之间夹设有橡胶密封条。

进一步地，还包括载具，所述天线伺服系统可拆卸安装于所述载具上。

进一步地，所述高增益天线为双反射面环焦天线，所述双反射面环焦天线的主面为旋转抛物面，副面为椭圆曲线旋转形成，且副面的一个焦点与主面的焦点重合，另一个焦点布置在馈源的相位中心，副面的椭圆曲线的长轴与主面的法向方向有一个夹角，副面的椭圆面的焦点在外形上就构成一个环状。

进一步地，所述天线伺服系统还包括陀螺仪、GPS、三维磁罗盘、光纤陀螺仪、旋转变压器中的至少一种传感器。

进一步地，包括功率放大器主通道与功率放大器副通道，所述功率放大器主通道采用两个相同的功率放大器交替工作，所述功率放大器副通道的功率放大器与所述功率放大器主通道的功率放大器通过切换开关并联，且所述切换开关通过用于检测所述功率放大器主通道的功率放大器的工作状况的检测电路控制。

进一步地，所述转台为三轴转台，三轴分别为下方位轴、俯仰轴、上方位轴，方位旋转角度为360度，俯仰旋转角度为90度。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型的地面站，针对的是低轨卫星，通过天线伺服系统来完成高增益天线与卫星的初始对准，以达到追踪和捕获卫星的目的，而天馈射频系统则用于接收卫星的射频信号，且通过上下变频模块与中频处理模块来调制解调射频信号，链路计算中考虑了Ka波段30dB的雨衰，射频链路中需采用自动增益控制功能，以维持晴天条件下链路功率水平不会变化太大，以实现信息的高质量、宽带、低延迟、低损耗传输，总时延不超过10ms。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本实用新型实施例提供的固定式地面站的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的移动式地面站的结构示意图；

图3为图1的固定式地面站的天线罩的结构示意图；

图4为图1的固定式地面站的天线罩的单元板块的拼接结构示意图；

图5为图1的固定式地面站的天线罩与固定基座配合结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参见图1以及图2，本实用新型实施例提供一种低轨卫星地面站，包括天线罩1、天馈射频系统2以及天线伺服系统3，当然还应该还有控制中心，用于控制地面站的各部分协调工作，天馈射频系统2与天线伺服系统3均罩设于天线罩1内，其中天线伺服系统3包括转台31以及驱动转台31转动的驱动部件，这里的驱动部件一般就是指伺服电机，通过伺服电机控制转台31旋转，而转台31采用三轴转台31，包括上方位轴、俯仰轴以及下方为轴，可以实现方位旋转角度为360度，俯仰旋转角度为90度，由此伺服电机应该为多个，各轴最大运动速度12度每秒，配合寻星算法可在数秒内完成卫星捕获。细化天馈射频系统2包括高增益天线21、功率放大器、接收机、上下变频模块以及中频处理模块，功率放大器、接收机以及上下变频模块均集成至高增益天线21上，用于卫星射频信号的接收与发射，中频处理模块完成调制解调，其接口为基带信号，功率放大器与接收机均靠近高增益天线21的馈电口，可以尽量降低功率损耗和降低系统噪声，高增益天线21安设于转台31上，进而通过转台31带动高增益天线21的旋转，接收机接收的射频信号通过上下变频模块转变为中频后传输至中频处理模块备，且在射频链路上增设自动增益控制功能，接收机、上下变频模块以及中频处理模块备依次通信连接，具体连接方式可以为线缆。在本实用新型，低轨卫星轨道约160～2000km，信号单途传输时间6.7ms，再计入电路处理时间，总时延不超过10ms，采用Ka频段卫星通信，虽然Ka频段卫星通信与传统的C、Ku频段相比较，具有传输容量大、同口径天线增益大等优点，也有点受雨衰影响大、链路损耗大等缺点，但是链路计算中考虑了Ka波段30dB的雨衰，射频链路中需采用自动增益控制功能，以维持晴天条件下链路功率水平不会变化太大，具体地上行频率(发射)为28.8～30.2GHz，下行频率(接收)为17.7～20.2GHz，频段高，频带宽，可以覆盖1.4GHz带宽。一般来说，这种地面站可以采用两种模式，一种为固定式，一种为移动式，其中固定式是固定在某一位置，而移动式则是通过机载的方式来移动接收卫星信号。针对两种不同，可以进行链路预算，假定固定式地面站发射功率50dBm，移动式地面站发射功率43dBm，且Ka波段雨衰按30dB计算，所有连接头、线缆的损耗合计按10dB计算，则固定式地面站和移动式地面站的链路预算如表1和表2所示：

表1固定式地面站上下行射频链路预算

表2移动式地面站上下行射频链路预算

由此再结合射频链路上的自动增益控制功能则可以维持晴天条件下链路功率水平不会变化太大。

以下就固定式地面站与移动式地面站两种实施例分别说明。

固定式地面站：

参见图1-图5，固定式地面站多建于偏远地区，例如钻井平台、海岛、高原无人区等地区，为确保整体的可靠性，地面站内部设置有多组备份设备，当一套设备出现故障，冗余设备能够自动识别并立即取代故障部分。由于地面站固定在某一位置，其体型整体比较大，可以分成天线罩1和机房5两大部分，其中天线罩1固定在一固定基座4上，以形成比较密封的空间，而天馈射频系统2与天线伺服系统3均位于该空间内，其中转台31安设于该固定基座4上，而机房5则作为控制处理中心，可以将天馈射频系统2的中频处理模块设置于该机房5内，两者之间采用线缆51连接。

其中固定基座4采用混凝土浇筑成型，在其内侧设置有角钢41，角钢41通过固定锚42与混凝土连接固定，而上述的天线罩1则与角钢41连接固定，且在两者的连接处之间填充有密封胶43。另外为保证能够充分承载高增益天线21自身的负荷，在45米/秒大风、降雨1000mm/h条件下能正常工作，不出现坍塌或倒伏。为防止卫星地面站天线遭受雷击，天线上方应安装避雷针，在浇筑固定基座4时应使固定基座4与高增益天线21一起可靠接地，接地电阻应小于4欧姆。机房5为砖混结构平屋面的建筑物，间隔10m使用接地桩，且外部铺设环型接地体，每个接地电阻阻值要小于3Ω，进出机房5的各种金属管线以及机房5内部所有设备的金属外壳进行接地处理，接地装置与机房5出入口之间保证一定的安全距离，机房5采用双支等高避雷针保护。机房5内部采用笼式避雷网，对电子设备进行屏蔽，所有进入机房5的线缆，均采用铠装电缆直接埋地的方式敷设至配电房，线缆两端的屏蔽层金属外皮就近接至接地装置。接收天线的馈线，串接避雷器SPD，且用多股铜芯线就近接至接地装置上。机房5设备的外壳均用多股铜芯线就近接至接地装置上。电力线缆和信号线缆，分别走强弱电金属线槽，且在线槽两端用的多股铜芯线就近接至接地装置上。

细化固定式地面站的天线罩1结构，可以分为两部分，其中上部分为半球形，下部分为圆柱形，半球形结构封堵圆柱形的上端口，圆柱形的底部安设于固定基座4的角钢上。一般来说半球形部分的直径有5.5米，则可以在天线罩1对应圆柱形的底部位置开设有供天线罩1进出的门户13，当然该门户13应该封堵。其中天线罩1的半球形部分包括多块可以相互拼接的单元板块11，而每一单元板块11则包括泡沫夹芯层111以及包裹泡沫夹芯层111的蒙皮112，表面覆有防老化涂层，经长期太阳辐射暴露后，表面不起皱、不龟裂、不失效，并有防雨疏水涂层，在沙尘长期侵蚀和特强沙尘暴气象环境下正常工作，具有抗盐雾、酸碱腐蚀能力，可防止霉菌生长。另外，相邻的两个单元板块11之间通过叠合的搭接部113拼接，且两个搭接部113之间采用尼龙螺钉12连接锁紧，可在内部完成安装，两个搭接部113之间夹有橡胶密封条，且采用性能较好的硅橡胶，保证天线罩1的防雨性能，由此这种结构的天线罩1具有电性能优异、抗风能力强、外表美观、运输安装方便等特点。

继续说明固定式地面站的天馈射频系统2，高增益天线21直径4.5m，K波段增益54dB，Ka波段增益58dB，采用普通一次反射面，口面直径4.5m，焦径比0.6，增益为54dB(K)和58dB(Ka)，馈源采用三根玻璃钢支杆支撑。由于固定式地面站一般建设于远海、深山、高原地区，要求整体具有极高的可靠性，根据系统可靠性计算，功率放大器是可靠性的薄弱环节，其他射频器件和模块的无故障工作时间均在千万小时级别，因此固定式地面站采用多级备份组件，采用多组冗余的功率放大器提高地面站的可靠性。具体的实现方式是包括功率放大器主通道与功率放大器副通道，其中功率放大器主通道采用两个相同的功率放大器交替工作，防止出现一台功率放大器持续长时间工作造成寿命降低，而功率放大器副通道设置一功率放大器，其与功率放大器主通道的功率放大器之间采用切换开关并联，由检验电路监控功率放大器主通道的功率放大器的工作情况，若出现故障，可及时切换到功率放大器副通道，这样，由三个功率放大器通过射频开关和监控电路实现了地面站可靠性的提高。

移动式地面站：

参见图2，移动式地面站包括载具，天线伺服系统3可拆卸安装于该载具上，这里的载具可以是车、船与飞机等，可以在移动过程中与卫星之间不间断通信。由于受载具影响，则这种结构的地面站应该质量与体积都不能过大，天线罩1由于体积比较小，可以采用整体结构，比如采用玻璃钢制作。

在移动式地面站中，高增益天线21为双反射面环焦天线，比如高增益天线21的口面直径0.6m，焦径比0.6，增益为38dB(K)和42dB(Ka)。双反射面环焦天线主面为旋转抛物面，副面为椭圆曲线旋转形成，且副面的一个焦点与主面的焦点重合，另一个焦点布置在馈源的相位中心，副面的椭圆曲线的长轴与主面的法向方向有一个夹角，副面的椭圆面的焦点在外形上就构成一个环状，双反射面环焦天线的主面和副面是共焦的旋转面一部分，它们共有的环焦的直径等于副面的直径，在对称轴线上，副面有一个锥形的尖顶的转折点。双反射面环焦天线的副面与与主面相比是倒转的反射，因此高增益天线21的馈源不在副面的反射场的照射范围之内，避免了馈源接收到副面反射的电磁波而影响馈源的性能，从而改善了馈源的驻波比特性。同时由于副面的倒转反射，高增益天线21的口面场分布更加均匀，从而提高了天线的口径效率。Ka频段由于波长短，对天线面的精度要求达到0.1mm(均方根值)。Ka频段由于频率高，天线增益高，波束宽度小，波束宽度足够小到超出了卫星定位精度，就必须利用伺服控制系统捕获和跟踪卫星。一般来说双反射面环焦天线主面由为整体旋压成型，辐射梁采用铝合金板与角铝铆接而成；副面数控加工制造，座架为立柱结构，具有安装方便、操作简单、机械强度高互换性好、精度高等特点。

另外，由于移动式地面站需要在移动过程中与卫星通信，则需要考虑载具扰动对其的影响，天线伺服系统3中需安装陀螺仪用于敏感机体扰动，控制天线伺服系统3补偿载具扰动的影响，从而使得高增益天线21在惯性空间的指向不变，除此之外天线伺服系统3还集成有GPS、三维磁罗盘、光纤陀螺仪、旋转变压器等多种传感器中的至少一种，另外还可融合载具惯性姿态测量单元的信息以及天线AGC信号强度等信息，通过驱动伺服电机来完成高增益天线21与卫星的初始对准以及载具运动过程中的动态对准，实现方位360度、俯仰0～90度的动态跟踪。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低轨卫星地面站，包括天线罩、天馈射频系统以及天线伺服系统，其特征在于：所述天馈射频系统与所述天线伺服系统均罩设于所述天线罩内，所述天线伺服系统包括转台，所述天馈射频系统包括高增益天线、功率放大器、接收机、上下变频模块以及中频处理模块，所述功率放大器、接收机以及上下变频模块均集成至所述高增益天线上，功率放大器与接收机均靠近所述高增益天线的馈电口，所述高增益天线安设于所述转台上，所述接收机、上下变频模块以及中频处理模块依次通信连接。

2.如权利要求1所述的低轨卫星地面站，其特征在于：还包括固定基座，所述天线罩罩设于所述固定基座上，所述转台安设于所述固定基座上。

3.如权利要求2所述的低轨卫星地面站，其特征在于：所述天线罩包括多块拼接的单元板块，每一所述单元板块均包括泡沫夹芯层以及包裹所述泡沫夹芯层的蒙皮。

4.如权利要求3所述的低轨卫星地面站，其特征在于：相邻的两个所述单元板块之间通过叠合的搭接部拼接，且两个所述搭接部之间采用尼龙螺钉连接。

5.如权利要求4所述的低轨卫星地面站，其特征在于：两个所述搭接部之间夹设有橡胶密封条。

6.如权利要求1所述的低轨卫星地面站，其特征在于：还包括载具，所述天线伺服系统可拆卸安装于所述载具上。

7.如权利要求6所述的低轨卫星地面站，其特征在于：所述高增益天线为双反射面环焦天线，所述双反射面环焦天线的主面为旋转抛物面，副面为椭圆曲线旋转形成，且副面的一个焦点与主面的焦点重合，另一个焦点布置在馈源的相位中心，副面的椭圆曲线的长轴与主面的法向方向有一个夹角，副面的椭圆面的焦点在外形上就构成一个环状。

8.如权利要求6所述的低轨卫星地面站，其特征在于：所述天线伺服系统还包括陀螺仪、GPS、三维磁罗盘、光纤陀螺仪、旋转变压器中的至少一种传感器。

9.如权利要求1所述的低轨卫星地面站，其特征在于：包括功率放大器主通道与功率放大器副通道，所述功率放大器主通道采用两个相同的功率放大器交替工作，所述功率放大器副通道的功率放大器与所述功率放大器主通道的功率放大器通过切换开关并联，且所述切换开关通过用于检测所述功率放大器主通道的功率放大器的工作状况的检测电路控制。

10.如权利要求1所述的低轨卫星地面站，其特征在于：所述转台为三轴转台，三轴分别为下方位轴、俯仰轴、上方位轴，方位旋转角度为360度，俯仰旋转角度为90度。

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