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解 决 方 案
一种轻小型S波段卫星中继通信机的设计与
实现
1,2
1
3
饶浩 ，梁显锋 ，张津舟 ，安军社 1
1.中国科学院国家空间科学中心；2.中国科学院大学；
3.华为科技有限公司(北京)
摘要：针对远海无人值守浮标与岸基站间的实时、可
靠和高速率通信需求，研制了一种轻小型S波段卫星中继
通信机。通过采用高集成度的零中频接收单元和25W高效
率GaN功放发射单元，实现了对岸站遥控指令（2kbps）
的接收和浮标载荷数据（2Mbps）的实时回传。通过提
高收发隔离度和实时解算接收信噪比，确保了海上卫星
通信的高可靠性。通过射频前端和信号处理单元等硬
件的一体化设计，实现了整机的轻小型化（尺寸约为
192mm×134mm×92mm，质量小于2.0kg）和低功耗（低于
80W）。四级海况下的海上试验表明，S波段中继通信机
能够满足复杂海况条件下远海浮标的实时高速率双向通
信需求，大回路数据通信误码率Pe＜10-5。
关键词：浮标；S波段链路；卫星中继通信机；零中
频
卫星通信因其通信距离远、覆盖面积大、数据容量大、灵 收机结构和高效率GaN功率放大器，实现了整机的轻小型化和低
活性高、不受地理位置和自然环境限制等优点，被世界各国广 功耗设计，并使收发链路单元满足了卫星双向S波段卫星中继通
泛应用于深远海浮标与岸基站之间的实时数据传输 [1-4] 。例如， 信链路的要求。同时，S波段中继通信机还利用快速伪码捕获算
美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的监测浮标采用Argos卫星 法实时解算接收到的卫星信号信噪比，作为通信天线闭环跟踪
VHF波段或铱星L波段链路资源，可完成浮标与岸基站之间数据 卫星前向信号的参考依据，进一步提高了海上浮标远程通信的
[5]
速率最大为9.6kbps的实时通信任务 。各国海洋维权执法浮标 可靠性。
通过国际海事卫星(Inmarsat)BGAN（宽带全球区域网，Broad
band Global Area Network）商用业务L波段卫星中继通信终端 一、技术方案
[6]
实现与岸基站之间最大464kbps数据传输 任务，这也是目前国 S波段中继通信机主要包括信号处理单元、射频前端和双路
内大容量远海观测浮标数据回传所能达到的最高通信速率。 滤波器等功能单元。S波段中继通信机原理框图如图1所示，各
随着海洋环境监测以及远海装备的快速发展，浮标载荷 单元电路集成设计在铝合金屏蔽结构中。
的功能和任务越来越多样化，相应装备获得的数据量也越来越 图1 S波段卫星中继通信机系统框图
[7]
大 ，特别是部分装备获取的图像数据需要实时回传到岸基站
处。这些海上远程实时通信任务的数据速率需求已经超过了
第四代国际海事卫星所能提供的数百kbps的链路通信能力。例
如，高清视频压缩后的数据速率约为2Mbps，而现有的海上浮标
端卫星中继通信设备难以满足视频图像数Mbps的高码率数据传
输需求。目前，我国已有在轨中继卫星网络S波段链路资源支持
最大4MHz带宽的数据通信，可用于海上远程高速率数据传输任
[8]
务 。
因此，利用我国中继卫星资源，中国科学院国家空间科学 图1中，信号处理单元包括直接下变频器、ADC（模数转换
中心研发了一种轻小型S波段卫星中继通信机，用于接收卫星转 器）、调制器和FPGA（现场可编程门阵列）。其中，直接下变
发的扩频BPSK调制、2kbps码率的遥控指令信息（前向链路）； 频器可直接将前向卫星信号下变频至零中频信号；AD芯片将模
并向卫星发送来自浮标的2Mbps码率、QPSK调制的实时图像监测 拟零中频调制信号转换为数字信号；FPGA对数字信号进行解扩
数据，由卫星中继到岸基站（返向链路）。现代化小型浮标平 解调处理，最终通过网口将解调后的遥控数据实时发给浮标。
台受能源和资源的限制，对通信功能单元的体积、重量及功耗 同时，FPGA也接收来自浮标的图像载荷数据，完成信道编码后
均有严格要求。因此，S波段中继通信机采用集成化的零中频接 输出IQ基带信号；调制器完成基带信号的正交调制后输出返向
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