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[摘 要]叙述了Ku频段和Ka频段机载卫星通信系统的国内外发展现状，列举了几个典型的卫星通信系统技术指标，并简述了研制机载卫星通信系统应注意的事项和技术途径，其中包括选择天线系统形式，合理分配系统指标，消除多普勒效应的影响等。
[关键词]机载卫星通信系统 Ku频段 Ka频段
中图分类号：TN927.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）25-0244-01
1.机载Ku频段卫星通信
美国空军现役机载卫星通信系统一般分为战术级和战役级，战术级机载站工作于UHF频段，一般用于战略轰炸机和大型运输机的远程通信指挥；战役级机载站工作于Ka和Ku频段，主要用于预警机和空中指挥所飞机的远程预警信息和指挥控制信息。
美国全球鹰无人飞机上装备的卫星通信系统是机载Ku频段卫星通信典型的军事应用。全球鹰无人飞机上装备了多种通信系统，其中机械座架的卫星通信天线为抛物面天线，发送速率最高可达50 Mbit？s-1，通过卫星中继，可以在全球范围内任何位置与总部交互数据。
民用应用如ORBIT公司AL-1614机载通信系统，在空客A340-600飞机上进行了测试，符合RTCA-160D适航要求，天线直径为0.37m，主要技术指标如表1所示，组成框图及外观如图1所示。
国内机载Ku频段卫星通信在特殊领域上有所应用，主要在2000年以后，目前在公开资料上介绍较少。
某测控机载卫星通信系统工作频段为Ku频段，传输速率为双向64 kbit·s-1可扩展到512 kbit·s-1。改装机型为运输机。
无人机测控与信息传输卫星中继数据链以Ku频段为主用链路，UHF频段为备用链路，信息速率为上行6.4 kbit·s-1，下行（25.6/2048） kbit·s-1，类似美国全球鹰无人飞机的卫星通信系统。
某型机载Ku频段的卫星通信系统，改装机型为大型运输机，该系统主要技术指标与国外产品大体相当。
2.Ka频段卫星通信
随着卫星制造技术和毫米波技术的发展，机载卫星通信向Ka频段发展已成为可能，可用频率扩展，星上采用星间链路、抗干扰技术，采用扩频、跳频技术，具有强的抗干扰能力。另外，Ka频段卫星波束可以形成移动的点波束，灵活机动；Ka频段频率抗电离层闪烁能力，电波在核爆炸后能较快恢复到正常状态，因而在军事通信领域受到高度重视。
美国军事星（Milstar）系统是最早使用Ka频段的军用卫星系统，是美军C4ISR的核心，可提供高码率的语音、数据和图像信息。军事星有50个Ka频段转发器，上行频率为43.5～45.5 GHz；下行频率20.2～21.2 GHz。军事星卫星通信系统分为低数据率（LDR）和中数据率（MDR），LDR可以提供0.5 Mbit·s-1的192个信道的数据通信，MDR可以提供1.544 Mbit·s-1的32个信道的数据通信。由于Ka频段的频率高、波束很窄，具备较强的抗截获能力；同时，机载站天线尺寸小、终端小型化，更适宜在飞机上安装。民用Ka频段的应用目前大多在试验阶段，如日本在基于该国的通信于广播试验卫星（COMETS）上进行Ka频段航空卫星通信的试验系统。该试验系统在飞机的客舱后部安装了一幅具有开环卫星跟踪能力的Ka频段有源相控阵天线。系统的传输试验表明：当飞机以600 km/h的巡航速度飞行时，接收信号的功率峰峰值稳定在1dB内；在天线的波束指向方向，来自机翼的反射波比直射波的功率要低18.5 dB；为验证链路设计的准确性，在飞机飞越两个卫星天线波束时，测量COMETS的星载多波速天线的方向图，表明星载天线的方向图与卫星发射前的地面测试结果一致。
对于Ka频段的卫星通信系统天线，大型飞机上安装可以采用机械座架结构的天线；对于作战飞机或无人机而言，机载共形相控阵天线具有良好的空气动力学特性。由于机载卫星移动通信系统，其天线波束必须覆盖上半球面，单个相控阵天线很难满足要求，必须通过多个共形天线阵组合实现，因而天线单元数很多，对波束控制极其复杂，振子数量要求和天线的增益关系见图2所示。由于天线成本与单元数成正比，现在单个20 GHz单元的成本大约50～150美元，44 GHz单元的成本大约80～250美元，因此相控阵天线总成本会很高。
3.发展展望
由于Ku频段或Ka频段频率相对频率较高、相同速率情况下具有天线口径小、信息速率高、抗干扰能力强等优点，因此，机载卫星移动通信系统宜使用Ku频段或Ka频段频率。
由于相控阵天线总成本高，采用机械座架结构比较经济。在机载卫星通信系统中，高增益的机载天线波束宽度很窄，为能克服飞机载体扰动、偏航及横滚，即使飞机在高速飞行、非常颠簸的条件下，天线也能始终准确指向卫星，需要高精度的伺服系统，这样机载天线的伺服系统相当复杂。伺服系统是机载天线确保通信信道畅通的重要环节，需要研制高跟踪精度和高可靠性的伺服系统。
注意消除多普勒效应的影响：由于飞机高速移动，特别在Ka频段下，多普勒频移在信道速率低的情况下，对信号的解调和恢复都会产生严重影响，这需要设置合理的捕获带宽并对频率变化快速跟随，同时采用高增益纠错方式，降低解调门限载噪比。对于消除多普勒频移，常用的方法有两种：一种是导频法，即由地面站发射已知的标准频率，经卫星转发后由机载站自动频率控制环进行校正；另一种方式是利用机载惯导设备的数据，计算出飞机的速度，并由此对机载站的收发频率进行多普勒校正。
参考文献
[1] 王德.美国无人机路线图中的无人机通信技术与通用性的标准[J].飞航导弹，2006（7）：20-24.
[2] 郑同良.“军事星”卫星通信系统综述[J].航天电子对抗，2005（3）：51-53.
[3] 霍曼.飞速发展的航空电子[M].北京：航空工业出版社，2007.
[关键词]机载卫星通信系统 Ku频段 Ka频段
中图分类号：TN927.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）25-0244-01
1.机载Ku频段卫星通信
美国空军现役机载卫星通信系统一般分为战术级和战役级，战术级机载站工作于UHF频段，一般用于战略轰炸机和大型运输机的远程通信指挥；战役级机载站工作于Ka和Ku频段，主要用于预警机和空中指挥所飞机的远程预警信息和指挥控制信息。
美国全球鹰无人飞机上装备的卫星通信系统是机载Ku频段卫星通信典型的军事应用。全球鹰无人飞机上装备了多种通信系统，其中机械座架的卫星通信天线为抛物面天线，发送速率最高可达50 Mbit？s-1，通过卫星中继，可以在全球范围内任何位置与总部交互数据。
民用应用如ORBIT公司AL-1614机载通信系统，在空客A340-600飞机上进行了测试，符合RTCA-160D适航要求，天线直径为0.37m，主要技术指标如表1所示，组成框图及外观如图1所示。
国内机载Ku频段卫星通信在特殊领域上有所应用，主要在2000年以后，目前在公开资料上介绍较少。
某测控机载卫星通信系统工作频段为Ku频段，传输速率为双向64 kbit·s-1可扩展到512 kbit·s-1。改装机型为运输机。
无人机测控与信息传输卫星中继数据链以Ku频段为主用链路，UHF频段为备用链路，信息速率为上行6.4 kbit·s-1，下行（25.6/2048） kbit·s-1，类似美国全球鹰无人飞机的卫星通信系统。
某型机载Ku频段的卫星通信系统，改装机型为大型运输机，该系统主要技术指标与国外产品大体相当。
2.Ka频段卫星通信
随着卫星制造技术和毫米波技术的发展，机载卫星通信向Ka频段发展已成为可能，可用频率扩展，星上采用星间链路、抗干扰技术，采用扩频、跳频技术，具有强的抗干扰能力。另外，Ka频段卫星波束可以形成移动的点波束，灵活机动；Ka频段频率抗电离层闪烁能力，电波在核爆炸后能较快恢复到正常状态，因而在军事通信领域受到高度重视。
美国军事星（Milstar）系统是最早使用Ka频段的军用卫星系统，是美军C4ISR的核心，可提供高码率的语音、数据和图像信息。军事星有50个Ka频段转发器，上行频率为43.5～45.5 GHz；下行频率20.2～21.2 GHz。军事星卫星通信系统分为低数据率（LDR）和中数据率（MDR），LDR可以提供0.5 Mbit·s-1的192个信道的数据通信，MDR可以提供1.544 Mbit·s-1的32个信道的数据通信。由于Ka频段的频率高、波束很窄，具备较强的抗截获能力；同时，机载站天线尺寸小、终端小型化，更适宜在飞机上安装。民用Ka频段的应用目前大多在试验阶段，如日本在基于该国的通信于广播试验卫星（COMETS）上进行Ka频段航空卫星通信的试验系统。该试验系统在飞机的客舱后部安装了一幅具有开环卫星跟踪能力的Ka频段有源相控阵天线。系统的传输试验表明：当飞机以600 km/h的巡航速度飞行时，接收信号的功率峰峰值稳定在1dB内；在天线的波束指向方向，来自机翼的反射波比直射波的功率要低18.5 dB；为验证链路设计的准确性，在飞机飞越两个卫星天线波束时，测量COMETS的星载多波速天线的方向图，表明星载天线的方向图与卫星发射前的地面测试结果一致。
对于Ka频段的卫星通信系统天线，大型飞机上安装可以采用机械座架结构的天线；对于作战飞机或无人机而言，机载共形相控阵天线具有良好的空气动力学特性。由于机载卫星移动通信系统，其天线波束必须覆盖上半球面，单个相控阵天线很难满足要求，必须通过多个共形天线阵组合实现，因而天线单元数很多，对波束控制极其复杂，振子数量要求和天线的增益关系见图2所示。由于天线成本与单元数成正比，现在单个20 GHz单元的成本大约50～150美元，44 GHz单元的成本大约80～250美元，因此相控阵天线总成本会很高。
3.发展展望
由于Ku频段或Ka频段频率相对频率较高、相同速率情况下具有天线口径小、信息速率高、抗干扰能力强等优点，因此，机载卫星移动通信系统宜使用Ku频段或Ka频段频率。
由于相控阵天线总成本高，采用机械座架结构比较经济。在机载卫星通信系统中，高增益的机载天线波束宽度很窄，为能克服飞机载体扰动、偏航及横滚，即使飞机在高速飞行、非常颠簸的条件下，天线也能始终准确指向卫星，需要高精度的伺服系统，这样机载天线的伺服系统相当复杂。伺服系统是机载天线确保通信信道畅通的重要环节，需要研制高跟踪精度和高可靠性的伺服系统。
注意消除多普勒效应的影响：由于飞机高速移动，特别在Ka频段下，多普勒频移在信道速率低的情况下，对信号的解调和恢复都会产生严重影响，这需要设置合理的捕获带宽并对频率变化快速跟随，同时采用高增益纠错方式，降低解调门限载噪比。对于消除多普勒频移，常用的方法有两种：一种是导频法，即由地面站发射已知的标准频率，经卫星转发后由机载站自动频率控制环进行校正；另一种方式是利用机载惯导设备的数据，计算出飞机的速度，并由此对机载站的收发频率进行多普勒校正。
参考文献
[1] 王德.美国无人机路线图中的无人机通信技术与通用性的标准[J].飞航导弹，2006（7）：20-24.
[2] 郑同良.“军事星”卫星通信系统综述[J].航天电子对抗，2005（3）：51-53.
[3] 霍曼.飞速发展的航空电子[M].北京：航空工业出版社，2007.