Ka频段双模式机载宽带卫星通信系统的制作方法

ka频段双模式机载宽带卫星通信系统
技术领域
1.本发明涉及一种ka频段双模式机载宽带卫星通信系统，尤其是基于平板相控阵技术的ka频段双模式民用航空机载宽带卫星通信系统。


背景技术：

2.卫星通信具有机动性强、覆盖范围广、传输容量大、可靠性高、组网灵活等诸多优点，已成为现代无线通信的重要手段之一。进入二十一世纪，卫星通信产业迎来了新一轮创新发展和升级换代高潮，进入了体系化发展和全球化服务的新阶段，特别是随着民用航空领域的飞速发展，实现万米高空的空地宽带移动互联成为民用航空市场的迫切需求。卫星通信的可用频谱资源很有限，建设宽带网必然要采用更高频率。实际上，根据不同波段频率，卫星连接可分为 l 频段、ku 频段和 ka 频段。所谓「ka 频段」（ka band），又称 30/20 ghz 波段，属于电磁频谱微波波段的一部分，频率范围为 26.5-40ghz。ka波段卫星通信特别适合宽带数字传输、高速卫星通信等需求，随着全球连接需求的增长，许多卫星通信系统日益采用 ka 频段。目前的宽带卫星业务基本是使用ka频段，利用ka频段宽带卫星通信可实现机载宽带空地互联，为航空公司提供话音和大流量数据通信业务、为飞机客舱旅客提供上网、电子商务、实时电视多媒体等服务，解决航空信息“孤岛”问题。ka频段宽带卫星通信凭借其高通量、广覆盖、低成本、终端小等优势，逐渐成为未来宽带卫星通信的发展方向和市场制高点，全球各地的卫星运营商及设备制造商均已开始加快筹建ka频段宽带卫星通信服务建设及民用航空领域机载宽带卫星通信系统研制步伐，计划中的宽带卫星通信网基本是采用ka频段，通过同步轨道卫星、非静止轨道卫星或两者的混合卫星群系统提供多媒体交互式业务和广播业务。
3.现阶段，机上互联网技术主要有两种：地对空连接（atg）：地面发射基站提供网络信号；卫星连接：卫星与地面网络进行数据传输。atg的优势在于，1）通信时延低：atg通过地面基站接入网络，通信距离远低于卫星；2）理论容量大：采用地面移动通信技术，单基站覆盖区域一般小于卫星单波束范围，在保证频率资源前提下，通信容量更大；3）飞机改装成本较低。虽然atg具备以上优点，但其缺点则更不容被忽视，主要如下：1）受限于频率资源：atg一般使用地面移动通信频率，很难获得管理机构较大的频率资源支持（截止2019年，中国还没有批准atg专用频率），而国外atg系统（gogo atg-4）受限于频率资源后，每次飞行的峰值数据速度限制在10mbps；2）覆盖区域受限：在网络塔较少的地区，比如大面积的沙漠，或者海洋等偏远地区无法搭建网络塔，从而无法再跨洋航线上使用；3）依赖地面建网，不利于快速推进；4）飞机退租较难：由于依赖于不同国家的atg网络，飞机退租时若购买方所在国无atg网络，则需要被迫拆卸atg设备。相比之下，机载ka宽带卫通的覆盖范围更广，基于国产卫星可以快速实现国土覆盖，基于inmarsat等国外卫星，可以快速实现全球覆盖；随着ka逐渐成为全球主流技术方向，大多数的航空公司也主推ka宽带卫通，有利于市场推广，此外，飞机退租、转售也较为容易。因此，ka宽带互联时代，机载宽带卫通发展势头迅猛。
4.机载ka宽带卫星通信系统利用地球静止轨道高通量卫星的ka频段传输通道，通过
安装在飞机上的机载宽带卫星通信系统，链接地面关口站及地面通信网络设施，实现飞机与地面通信网络的互通互联，为机上乘客提供互联网接入及其他电信增值业务。
5.随着全球空中互联技术的发展，为了适应未来国内外市场需求，又必然要求机载宽带卫星通信系统具备多模式工作能力，而目前报道的现有产品大多为单一工作模式。此外，现有民用航空机载宽带卫通系统的天线主要为传统机械式天线和可变倾角连续断面节阵列天线（victs），其中，传统机械式天线主要依靠水平、垂直机械伺服系统实现天线的精准对星，而这种伺服结构高度较大，需要安装高度较大的天线整流罩；victs天线虽然在垂直面不再采用机械方式，降低了天线厚度，气流特性较好，但该种天线频率范围较窄，且使用过程中需不断地校准以适应频率变化。目前，国内机载ka宽带卫通系统的自主研制基本处于原理样机阶段，且系统设计结构较为复杂，系统端机只支持单一卫星模式，难以适应未来国内外市场需求；系统天线多采用传统的动中通机械天线，体积大、扫描速度慢、对星精度差、重量大等是传统机械天线的弱点。


技术实现要素：

6.本发明的目的是针对现有技术存在问题，依据民用航空适航要求及行业标准，提供一种波束扫描范围宽，捕星速度快，安装剖面低，能够提升整个系统性能、降低成本，兼容两种不同的卫星通信网络，支持模式切换，采用全新的低成本平板相控阵天线技术的ka频段双模式机载宽带卫星通信系统。
7.本发明的上述目的可以通过以下技术方案予以实现：一种ka频段双模式机载宽带卫星通信系统，包括：固定在机舱外部的机载相控阵天线，以及设置在机舱内部，相连飞机电源的调制解调管理单元及机载相控阵天线供电单元，与调制解调管理单元机进行通信的载客舱网络服务器，其特征在于：首先，调制解调管理单元与机载相控阵天线建链天线控制管理单元根据飞机惯导系统输入参数，通过openamip协议与调制解调管理单元进行信息交互和配置软件控制波束跟踪对星过程，根据卫星波束信息进行波束捕获，锁定卫星，并获取前向信道及返向信道信息，完成天线捕星及对星；其次，机载相控阵天线配合调制解调管理单元，从卫星主站下载最新的配置软件版本，并根据主站下发的频率时隙规划与主站建立csc、sync信道连接，利用事先与主站协调一致的鉴权规则完成与主站的身份鉴权和认证，如果鉴权成功，则机载ka宽带卫星通信系统完成入网，机载ka宽带卫星通信系统和地面站建立双向通信链路，按分配的网络资源进行数据传输；然后，调制解调管理单元、通过集成了应用服务器、大容量存储、网络管理、路由交换等功能的机载网络服务器和无线接入点，接收来自机载用户无线通信设备以wi-fi方式接入互联网或访问客舱娱乐系统的ip数据进行组帧、编码、调制、加密及协议处理后，转换成中频信号发送至机载相控阵天线内置的ka上变频模块进行上变频与功率放大，转换成ka卫星射频信号，通过收发天线发射到卫星；收发天线接收下行ka卫星射频信号，发送至机载相控阵天线罩内置的ka下变频模块，将ka卫星射频信号下变频及低噪声放大后，转换成中频信号发送至调制解调管理单元进行解码、解调、解密等处理恢复ip数据流，通过客舱无线局域网发送给机载用户，实现机载ka宽带卫星通信系统通信服务。
8.本发明相比于现有技术具有如下有益效果：本发明采用相连机舱外部的机载相控阵天线，相连了机载导航系统、显控单元和
机载客舱网络服务器的调制解调管理单元modman及为舱外机载相控阵天线供电的天线供电单元kpsu，仅包含调制解调管理单元、机载天线及天线供电单元三个部分，简化了系统结构，大大降低了天线的剖面高度，减小各功能模块间的互连损耗，且天线的工作频段、eirp、g/t、极化方式、卫星跟踪方式等性能满足系统双模工作要求，该双模天线有利于提升整个系统性能，具有波束扫描范围宽、捕星速度快等优点，此外，其天线采用全新的相控阵天线技术，无需任何机械部件，天线更薄、重量更轻、剖面更低、尺寸更小、可靠性更高，且天线无需安装在雷达罩下，安装位置较为灵活，在未来使用过程中，天线改装及燃油经济性将得到大幅提升。相比于传统机械式天线，克服了传统机械式天线依靠水平、垂直机械伺服系统实现天线的精准对星，伺服结构高度较大，需要安装高度较大的天线整流罩的缺陷。
9.本发明采用ka频段双模式机载宽带卫星通信系统连接机载客舱网络服务器，提供机上互联网无线接入点，机载用户的无线通信设备以wifi方式接入互联网或客舱娱乐系统，调制解调管理单元对接收到的数据信号进行调制、编码、加密、协议处理等，送入机载相控阵天线的ka上变频模块进行上变频，通过上变频模块将中频信号转换成ka宽带卫星射频信号并发射至卫星；同时，机载相控阵天线将接收到的ka宽带卫星的下行射频信号，通过ka下变频模块转换成中频信号，发射给调制解调管理单元，完成信号的解调、解码及解密等处理。相控阵天线的控制管理模块为天线内部独立的组成单元，用于实现收发天线的软件控制、波束跟踪及状态上报，通过以太网口与调制解调管理单元相连实现ka宽带卫星通信系统内部信息交互。系统具备双模式工作能力，通过系统调制解调管理单元适配两种卫星网络体制，可兼容两种卫星网络，具备自主选择模式切换功能，利用与天线的模式切换指令实现模式切换，通信覆盖面更广。
10.本发明配合机载相控阵天线，从卫星主站下载最新的配置软件版本，若非第一次上星，则确定好卫星网络，直接进入天线捕星、对星过程，然后根据卫星波束信息进行波束捕获，锁定卫星，并获取前向信道及返向信道信息，完成天线对星过程，对星成功后，ka宽带卫星通信系统和地面站建立双向通信链路，进入入网认证过程，进行鉴权，如果鉴权成功，分配对应的网络资源进行数据传输，提供通信服务；实现了空地大数据互联互通。通过用机上115v交流供电和429总线与机上惯导和导航卫星系统连接进行试飞验证，获取飞机实时姿态和位置信息，并根据飞行姿态和导航卫星系统信息实时调整系统机载天线指向，实现了与机上实时通信。上行速率不低于5mbps、下行速率不低于150mbps，具备了voip电话、微信文字/图片、网页浏览、在线视频及多方视频会议等功能的应用能力。实测的上、下行速率表明本发明所提出的机载卫通系统具备空地大数据实时传输的能力。
11.本发明具备重量轻、剖面低、易改装等特点，相对于传统机械天线卫通产品，重量大大减轻、气动阻力大为降低，还可适用于未来低轨卫星网络。跟踪卫星，实现空地实时互联。
附图说明
12.图1是本发明ka频段双模式机载宽带卫星通信系统组成框图；图2是图1的工作流程图；图3是图1的工作状态图。
具体实施方式
13.参阅图1。在以下描述的示意性优选实施例中，一种ka频段双模式机载宽带卫星通信系统，包括：固定在机舱外部的机载相控阵天线，以及设置在机舱内部，相连飞机电源的调制解调管理单元及机载相控阵天线供电单元，与调制解调管理单元机进行通信的载客舱网络服务器。首先，调制解调管理单元与机载相控阵天线建链，天线控制管理单元根据飞机惯导系统输入参数，通过openamip协议与调制解调管理单元进行信息交互和配置软件控制波束跟踪对星过程，根据卫星波束信息进行波束捕获，锁定卫星，并获取前向信道及返向信道信息，完成天线捕星及对星；其次，机载相控阵天线配合调制解调管理单元，从卫星主站下载最新的配置软件版本，并根据主站下发的频率时隙规划与主站建立csc、sync信道连接，利用事先与主站协调一致的鉴权规则完成与主站的身份鉴权和认证，如果鉴权成功，则机载ka宽带卫星通信系统完成入网，机载ka宽带卫星通信系统和地面站建立双向通信链路，按分配的网络资源进行数据传输；然后，调制解调管理单元、通过集成了应用服务器、大容量存储、网络管理、路由交换等功能的机载网络服务器和无线接入点，接收来自机载用户无线通信设备以wi-fi方式接入互联网或访问客舱娱乐系统的ip数据，进行组帧、编码、调制、加密及协议处理后，转换成中频信号发送至机载相控阵天线内置的ka上变频模块进行上变频与功率放大，转换成ka卫星射频信号，通过收发天线发射到卫星；收发天线接收下行ka卫星射频信号，发送至机载相控阵天线罩内置的ka下变频模块，将ka卫星射频信号下变频及低噪声放大后，转换成中频信号发送至调制解调管理单元，进行解码、解调、解密等处理恢复ip数据流，通过客舱无线局域网发送给机载用户，实现机载ka宽带卫星通信系统通信服务。
14.机载ka宽带卫星通信系统主要包括：位于机舱外部的机载相控阵天线，机载相控阵天线罩内置的、天线控制管理模块、收发天线、ka下变频模块、ka上变频模块及与机舱内部天线供电单元相连的电源模块，调制解调管理单元及天线供电单元通过飞机电源交流供电，天线供电单元包含ad/dc子电路和分发控制子电路，将飞机电源提供的交流电转成直流电，通过机舱外部机载相控阵天线的内置电源模块为其内部其它模块供电。
15.调制解调管理单元与天线供电单元通过422总线接口及离散线接口相连，其中，422总线接口用于调制解调管理单元获取天线供电单元kpsu的状态数据；离散线接口用于调制解调管理单元对天线供电单元进行上电使能控制。
16.调制解调管理单元相连ka上变频模块、ka下变频模块、天线控制管理单元、机载导航系统、显控单元、机载客舱网络服务器、客舱娱乐系统、驾驶舱通信网络和连接飞机电源的天线供电单元供电，调制解调管理单元modman及天线供电单元kpsu通过飞机电源交流供电，其中，modman通过内部电源模块转换成调制解调管理单元正常工作所需的电压；天线供电单元直接将飞机电源交流电转为机载相控阵天线正常工作所需的直流电，并通过机载相控阵天线罩内置的电源模块实现内部各模块供电。
17.机载客舱网络服务器为机上调制解调管理单元提供互联网无线接入点，机载用户的无线通信设备以wifi方式接入互联网或客舱娱乐系统。
18.天线控制管理单元为天线内部独立的组成单元，控制收发天线的软件、波束跟踪及状态上报，通过以太网口与调制解调管理单元相连，实现机载ka宽带卫星通信系统内部调制解调管理单元与机载相控阵天线的信息交互。
19.机载相控阵天线将接收到的ka宽带卫星的下行射频信号，通过收发天线送入ka下变频模块转换成中频信号，发送至调制解调管理单元完成信号的解调、解码及解密，恢复ip数据流，通过客舱无线局域网发送给机载用户；同时调制解调管理单元接收来自机载用户无线通信设备的ip数据，完成组帧、编码、调制、加密及协议处理，转换成中频信号送入ka上变频模块，上变频模块将中频信号转换成ka宽带卫星射频信号，通过发天线并发射至卫星。
20.ka频段双模式机载宽带卫星通信系统在运行过程中，机载相控阵天线基于openamip协议持续向调制解调管理单元发送当前位置信息，调制解调管理单元通过返向链路持续将位置信息发送给地面主站，地面主站监控ka频段双模式机载宽带卫星通信系统的位置并根据实际需要向机载宽带卫星通信系统发送波束切换命令，系统接收到波束切换命令后，判断波束切换方式，若为星内波束切换，则切换到目标波束，并重新开始对星流程；若为星间波束切换，则重新选择卫星网络模式，重新开始对星和入网流程。
21.参阅图2。ka频段双模式机载宽带卫星通信系统上电进入初始化过程，完成ka宽带卫星通信系统存储数据检查及上电自检，成功后根据存储的系统参数进行基本参数配置，进入基本参数配置过程，若失败，则提示失败告警信息，配置成功后根据飞机位置信息或最近保存的波束信息选择服务的卫星网络模式，进入卫星网络模式选择过程；在卫星网络模式选择过程中，调制解调管理单元判断卫星网络是否首次上星，是则安装参数配置软件在线升级，否则通过舱外机载天线捕星、对星，成功进行入网注册，并判断入网是否成功，是则提供卫星通信服务，再判断波束切换方式，若为星内波束切换，则切换到天线捕星，并重新开始对星流程；若为星间波束切换，则重新选择卫星网络模式，重新开始对星和入网流程。
22.调制解调管理单元确定好卫星网络，若为第一次上星，则对调制解调管理单元进行卫星模式下的初始安装参数配置，机载相控阵天线配合调制解调管理单元，从卫星主站下载最新的配置软件版本，若非第一次上星，则确定好卫星网络，直接进入天线捕星、对星过程，然后根据卫星波束信息进行波束捕获，锁定卫星，并获取前向信道及返向信道信息，完成天线对星过程，对星成功后，开始入网认证过程，需进行身份鉴权，如果鉴权成功，则成功入网，机载ka宽带卫星通信系统和地面站建立双向通信链路，，分配对应的网络资源进行数据传输，提供通信服务。
23.参阅图3。在可选的实施例中，机载ka宽带卫星通信系统上电后，包括：初始化状态、准备状态、入网状态、服务状态和维护状态，5种工作状态，分别为各状态的功能及准许进入/退出；始化状态上电重启，系统开机进入初始化状态，完成系统软硬件初始化、系统参数加载及配置、上电自检、系统状态记录及指示、卫星网络模式选择等功能，初始化完成退出；初始化完成或维护状态退出时，则进入准备状态，完成系统服务条件检测、系统状态记录及指示、持续状态监控等功能，飞机在地面/登录维护账户，具备服务条件或进入维护状态时退出维护账户。
24.机载ka宽带卫星通信系统准备状态满足入网条件、具备服务条件或通信链路中断或波束切换时进入入网状态，完成搜星、对星、入网注册、系统服务条件检测、系统状态记录及指示、持续状态监控等功能，入网成功或进入维护状态时退出，若不满足入网条件，返回准备状态，若满足入网条件，飞机在地面/登录维护账户，进入维护状态；入网成功时进入服务状态，完成ip数据通信、功率控制、波束切换、系统服务条件检测、系统状态记录及指示、
持续状态监控等功能，通信链路中断或波束切换，进入维护状态时退出。飞机在地面/登录维护账户，进入维护模式时进入维护状态，完成参数配置、系统软件加载、启动自检、日志查询及系统状态记录等功能，系统软件加载完成/退出维护模式或重启时退出。
25.上述已详尽描述了本发明专利的实施例，本领域内的技术人员在了解其基本创造性概念后，则可对本实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明专利的设计精神和范围。本发明专利权利要求包含这些修改和变型。