专为无人机平台设计的Ku波段相控阵卫星通信系统（一）组成、功能、性能指标和接口关系

本文详细介绍一套专为无人机平台设计的Ku波段相控阵卫星通信系统——它不仅具备全自主知识产权，更融合了小型化、高速扫描、自主寻星等多项核心技术。通过深入解析其系统架构、关键技术与工程实现方案。

本文中介绍的无人机Ku相控阵卫星通信系统为成熟成品，已经在无人机上完成了装机适配，解决了和无人机之间的结构安装，电源特性、电气接口，载荷数据接口通信、环境适应性等问题。安装了Ku相控阵卫星通信系统的无人机在全国多个地点完成了长时间、几十个架次飞行作业任务。

系统接入中星卫星，亚太卫星等高轨大波束卫星，实现反向4Mbps的视频和数据传输。在技术上具备接入亚太6D高通量卫星系统，实现更小尺寸、更轻重量和更高带宽数据传输的能力。

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1、概述

无人机卫星通信系统承担着无人机遥控、遥测、载荷数据传输等重要使命。该系统通过构建基于同步轨道卫星中继的机地信息传输链路，确保无人机能够实时接收地面指挥中心的控制指令，并将飞行遥测和任务载荷（如侦察图像）数据回传至地面站，供指挥员进行态势判断与决策支持，从而保障无人机应用系统的作战效能与任务完整性。

本文全面介绍了一套高性能、高可靠性、适配无人机平台的Ku波段相控阵卫星通信系统的总体架构、技术要求、设计方案及关键特性。系统采用先进的相控阵天线技术和软件定义无线电平台，具备自主寻星、快速重捕、多机管理、强纠错解调等能力，满足特种行业应用场景需求。

2、技术要求

2.1 系统主要功能

• • 具备无人机遥控数据（上行链路）的可靠传输能力；
• • 支持无人机遥测数据、侦察图像及各类任务载荷数据（下行链路）的高速回传；
• • 可对卫星通信链路设备的工作状态和参数进行实时监视与远程控制；
• • 支持作业任务中的多机管理模式，允许单套地面站同时监控并调度多架无人机；
• • 内置自检功能，可在启动阶段自动检测各模块运行状态；
• • 机载与地面卫通终端均配备加解密数据接口，可外接选配加密设备，实现端到端数据加密；
• • 机载天线具备卫星参数记忆功能，上电后可自动锁定目标卫星；
• • 机载卫星通信终端内置MEMS组合导航装置，能够独立完成姿态测量并自主完成初始对星；
• • 机载终端支持与载机惯性导航系统（INS）连接，利用载机提供的高精度姿态信息实现精准快速寻星。

2.2 主要性能指标要求

系统性能指标

• • 工作频段：Ku频段
• • 接收频段：10.7 ~ 12.75 GHz；
• • 发射频段：13.75 ~ 14.5 GHz；
• • 信息传输速率：（接入高轨大波束卫星系统）
• • 前向速率（地面 → 飞机）：≥ 128Kbps；
• • 反向速率（飞机 → 地面）：≥ 4 Mbps；
• • 通信体制：FDMA/SCPC（频分多址/单路单载波）；
• • 传输误码率：≤ 1×10⁻⁶；
• • 传输延时：单跳延迟 ≤ 350 ms。

机载卫星通信终端技术指标要求

• • 机载相控阵天线类型：Ku频段；
• • 发射EIRP（等效全向辐射功率）：≥ 48.5 dBW（法向）；
• • 接收G/T值（增益噪声温度比）：≥ 9.5 dB/K（法向）；
• • 首次对星时间：≤ 2分钟（含惯导初始化时间）；
• • 失锁重捕时间：≤ 2秒；
• • 天线跟踪范围：
• • 方位角：0°～360°连续可调；
• • 离轴角：0°～60°；
• • 供电及功耗：DC 18V～36V输入，峰值功耗 ≤ 600 W；
• • 总重量：≤ 20 kg。

地面卫星通信站技术指标要求

• • 天线等效口径：2.4 米；
• • 天线运动范围：
• • 方位角：0°～360°；
• • 俯仰角：10°～85°；
• • 极化角：±90°。
• • 天线增益：
• • 发射增益：≥ 48 dBi（@12.5 GHz）；
• • 接收增益：≥ 47 dBi（@12.5 GHz）；
• • 功放输出功率：最大 25 W；
• • 数据接口：至少1个以太网口、1个光纤接口；
• • 展开作业时间：≤ 30分钟；
• • 撤收作业时间：≤ 30分钟；
• • UPS后备供电能力：≥ 30分钟。

使用环境要求

• • 工作温度：
• • 机载设备：-45℃ 至 +55℃；
• • 贮存温度：
• • 机载设备：-45℃ 至 +70℃；
• • 低气压适应性：机载设备需适应海拔 ≥ 10,000 m 的飞行高度；
• • 淋雨防护等级：地面设备可在中雨条件下持续工作；
• • 抗风能力（地面设备）：
• • 5级风（10.7 m/s）下保持跟踪精度；
• • 8级风（20.7 m/s）作用下结构不损坏。

2.3 电气接口要求

机载卫星通信终端

对外接口包括：

• • 2 路直流电源接口，分别为机载天线系统与机载卫通调制解调器供电；
• • 2 路异步 RS422 接口；
• • 1 路同步 RS422 接口；
• • 2 路以太网接口；
• • 1 路 SDI 视频接口（选配）。

地面卫星通信站

对外接口包括：

• • 2 路交流 220 V 电源接口（分别用于设备供电）；
• • 2 路以太网接口；
• • 1 路光纤接口。

3. 设计方案

3.1 设计原则

系统设计遵循“先进性、实用性、可靠性、安全性、可扩展性和可维护性”的基本原则。采用成熟可靠的技术路线，在保证高性能的同时兼顾成本效益与实战部署需求。重点突出以下几点：

• • 先进性：采用相控阵天线与软件定义调制解调技术，提升系统集成度与响应速度；
• • 小型化与轻量化：针对无人机平台空间受限的特点，优化结构布局与材料选择；
• • 高可靠性：通过冗余设计、模块化热插拔与严格筛选元器件，提高系统稳定性；
• • 开放性与兼容性：对外提供标准通信协议接口，易于接入现有指控体系；
• • 自主可控：核心部件全部自主研发，掌握底层算法与硬件设计。

3.2 适用范围

本系统适用于中高空长航时无人机、垂直起降固定翼无人机、直升机及其他需要远距离超视距通信能力的无人飞行器平台。典型应用场景包括：

• • 边境巡逻与海关监管；
• • 远海搜救与渔业监控；
• • 灾情评估与应急通信；
• • 国防侦察与电子对抗；
• • 能源管线巡检等民用与特种领域。

3.3 系统总体方案

无人机卫星通信系统由机载卫星通信终端与地面卫星通信站两大部分组成，通过地球同步轨道通信卫星建立双向透明转发链路。

3.3.1 卫星通信原理

卫星通信是利用地球静止轨道（GEO）通信卫星作为中继站，实现远距离无线通信的技术手段，广泛应用于地面网络无法覆盖区域的通信保障。

通信链路由两条路径构成：

• • 前向链路：地面站 → 同步卫星 → 机载终端（遥控指令上传）；
• • 反向链路：机载终端 → 同步卫星 → 地面站（遥测与图像回传）。

3.3.2 系统组成

完整系统包括以下组成部分：

3.3.3 系统连接关系

系统各组件间通过专用线缆连接，形成完整的信息交互通道。

• • 机载通信终端与飞控系统之间通过异步RS422串口连接；
• • 光电吊舱可根据输出格式选择SDI或百兆以太网接口。若采用SDI，则机载调制解调器须配备视频编码板；
• • 保留一个同步RS422接口，用于与视距超短波链路互通作为备用信道；
• • 保留一个百兆以太网接口，作为未来升级或扩展用途；
• • 机载终端将视频、遥测、图像、天线状态等数据经卫星发送至地面站，由地面控制站进行分发处理；
• • 地面站接收来自机载端的数据流，同时将遥控指令、参数更新等信息经上行链路下发给指定机载终端。

未完待续。

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