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。

有产品需求、业务合作，技术交流的朋友，文章末尾有联系方式。

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。

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，满足严苛的军用与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：

• 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：-40℃ 至 +55℃；

• 地面设备（舱外）：-40℃ 至 +65℃；

• 地面设备（舱内）：-10℃ 至 +65℃；

• 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；

• 3 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（分别用于设备供电与空调供电）；

• 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，预留两个额外的RS422接口以备后续扩展；

• 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。

3.4 机载卫星通信终端

机载终端是系统的核心设备之一，负责完成无人机与卫星之间的数据交换，集成了天线系统、调制解调器与电源管理单元。

功能特点

• 一体化集成设计：将天线、射频前端、波束控制器、MEMS姿态传感器与电源模块集成于一体，极大简化安装流程；

• 快速波束切换：基于相控阵电子扫描机制，波束指向变化时间小于 0.5 ms，显著优于传统机械转动天线；

• 多种寻星模式：

• 上电后依据上次保存的卫星位置参数自动启动对星；

• 支持外部注入经纬高坐标，结合惯导数据快速定位卫星方向；

• 支持MEMS组合导航自主初始化对星，适用于无惯导输入场景；

• 宽电压输入与高效电源管理：支持18–36 V DC输入，具备过压、欠压与过流保护机制；

• 远程监控能力：可通过地面站实时获取天线角度、信噪比、跟踪状态等信息。

工作流程简述

1. 上电初始化：系统自检并加载配置参数；

2. 导航校准：MEMS或外部惯导提供姿态数据；

3. 卫星搜索：根据预设参数或外部引导开始扫描；

4. 锁定跟踪：一旦捕获卫星信标即进入闭环跟踪模式；

5. 数据通信：建立上下行链路，开始数据收发。

3.5 地面卫星通信站

地面站作为系统的指挥中枢，负责链路管理、信道分配、多机调度与任务控制。主要由2.4米口径电动静中通天线、车载卫通调制解调器、监控管理软件与辅助电源系统构成。

主要功能

• 一键对星：操作人员按下按钮后，天线自动展开、调平、搜索并锁定目标卫星；

• 实时监控与告警：监控管理软件可显示各链路状态、误码率、信号强度、天线位置等；

• 网络管理能力：支持单站管理多架无人机，动态分配业务信道，避免频率冲突；

• 冗余备份机制：配备UPS电源与双网卡热备，保障关键任务不断连；

• 移动部署能力：所有设备安装在改装车辆或方舱中，适合野外机动使用。

3.6系统工作流程

系统准备阶段

1. 卫通调制解调器启动根据卫星运营商分配的频率资源，预先设置机载与地面调制解调器的网管信道、发射/接收频点。其他参数（如调制方式、数据率、功率等级）可根据任务需求设定，或沿用上次配置。

2. 天线寻星

• 机载天线根据存储的卫星参数自动启动对星，完成后进入跟踪模式；

• 地面天线在通电后，人工触发“一键对星”指令，天线自动完成展开、调平、搜索与锁定过程。用户可在控制器界面查看当前方位角、俯仰角、极化角、信标强度等参数。

3. 网络建立与参数同步地面网管调制解调器周期性广播系统配置信息，各机载终端接收后反馈自身状态。地面站软件据此识别在线节点，并为其分配业务信道资源（如频率、调制方式等）。

系统工作阶段

• 地面网管调制解调器持续监测网络拓扑变化，动态调整资源配置；

• 机载端将视频、遥测、图像等数据经卫星链路上行送至地面站，地面解调解码后分发至相关终端；

• 地面下发遥控指令、参数更新等信息，由机载终端接收并转发至飞控或其他任务设备；

• 系统保持全天候稳定运行，支持突发中断后的快速恢复。

系统结束阶段

1. 任务结束后，操作员通过监控管理软件下达停止跟踪指令，机载天线退出跟踪并复位；

2. 手动操作地面天线控制器，将天线收回并锁紧，防止运输过程中因颠簸造成损伤；

3. 切断电源，完成撤收。

4. 关键技术

4.1 天线稳定跟踪

面对无人机高速飞行、剧烈机动带来的视线扰动，天线必须具备高动态下的精确指向能力。系统采用复合跟踪策略：

• 惯性引导+闭环跟踪：结合MEMS或载机惯导的姿态输出预测卫星方向，缩小初始搜索范围；

• 信标跟踪环优化设计：采用高增益锁相环与自适应滤波算法，有效抑制平台振动带来的相位抖动；

• 失锁重捕机制：当因遮挡或姿态突变导致失锁时，能在2秒内完成重新捕获。

4.2 基于自主可控知识产权的射频片上系统

系统核心射频芯片采用国产研制的射频SoC（System on Chip），具备如下优势：

• 高集成度：将多通道的T/R组件、移相器、衰减器、驱动放大器集成于单一芯片；

• 低成本与低功耗：CMOS工艺利于大规模生产，整机功耗较GaAs方案降低30%以上；

• 全自主知识产权：摆脱对进口器件依赖，保障供应链安全；

4.3 规模可扩展的相控阵天线子阵

系统架构支持模块化扩展，可通过级联多个相控阵天线子阵实现更大孔径与更高增益。

支持灵活组合（如2×1、2×2、4×4阵列），便于根据不同无人机型号与通信带宽需求定制化配置。

5. “三化”、“六性”设计

5.1 “通用化、模块化、标准化”设计

• 通用化：统一接口定义与通信协议，支持不同机型快速适配；

• 模块化：关键组件（如天线阵面、调制解调单元、机载电源）采用独立封装，便于更换与升级；

• 标准化：遵循GJB系列军用标准，确保产品一致性与互换性。

5.2 可靠性设计

• 选取工业级及以上元器件；

• 关键电路采用冗余设计；

• MTBF计算结果 ≥ 600 h（机载），≥ 500 h（地面）。

5.3 维修性设计

• 模块化结构支持热插拔更换；

• 故障定位精度达板级；

• 提供远程诊断接口；

• 平均修复时间 MTTR ≤ 0.5 小时。

5.4 测试性设计

• 内建BIT（Built-In Test）功能，支持开机自检、周期性巡检；

• 支持远程诊断与日志导出；

• 可通过地面软件读取各模块状态码，快速定位故障点。

5.5 保障性设计

• 提供完整的备件清单与维修手册；

• 支持OTA远程升级；

• 建立全生命周期技术服务档案。

5.6 安全性设计

• 所有外壳接地良好，防静电与雷击；

• 电源具备隔离保护；

• 数据接口设有防误接、ESD设计；

5.7 环境适应性

• 满足高低温、低气压、振动冲击、砂尘、盐雾等恶劣环境要求；

• 具有防盐雾、防腐蚀、防潮、防水设计，适合海边或海上作业环境；

• 地面天线做防腐蚀涂层处理；

5.8 电磁兼容性设计

• 严格按照 GJB 151B-2013 进行布板与屏蔽设计；

• 所有数字与射频走线做阻抗匹配与隔离；

• 关键信号加入磁环与滤波器；

6. 卫星资源选择

系统设计兼容主流商用Ku频段地球同步轨道通信卫星（如亚太6D、亚洲9号等）。选星原则包括：

• 覆盖范围涵盖主要作业区；

• 下行/上行带宽充足；

• 信关站分布合理，延迟低；

• 支持SCPC/FDMA体制；

• 具体使用频率需根据运营商规划及国家无线电管理部门审批确定。

7. 自主可控设计

本系统从芯片、模块到整机完全实现国产化：

• 相控阵T/R芯片采用自主研发射频SoC；

• 调制解调算法基于FPGA软核实现，拥有完整知识产权；

• 天线控制器软件为自主研发嵌入式系统；

• 关键算法代码不依赖第三方闭源库；

• 支持定制化修改接口协议、工作模式与安全策略。

• 自主可控不仅提升了系统的安全性与灵活性，也为后续迭代升级提供了坚实基础。

8.系统特点和优势总结

• 小型化、低剖面：采用高增益、轻质材料制成的相控阵天线，显著降低风阻与安装高度，特别适合无人机紧凑空间；

• 集成化、一体化设计：将天线、导航、射频、电源多功能集成，减少外部连接，提升可靠性；

• 高速扫描能力：波束指向切换时间 < 0.5 ms，远超传统伺服天线，适应高机动飞行场景；

• 低工作门限：解调灵敏度低，配合强纠错编码，在极低信噪比环境下仍可稳定通信；

• 全自主产权：系统核心组件均为自主研发，从根本上解决“卡脖子”问题，保障信息安全与长期发展。