太空飞行通信基站采用哪种连接器?

最近，软银首次向媒体公开了平流层通信平台无人机“HAPS”的“有效载荷”内部和最新技术。“HAPS”是一种滑翔机式中继基站，利用太阳能在平流层中持续飞行。“有效载荷”是指安装在HAPS中心的通信设备。

软银公司已着手开发卫星和平流层通信技术，作为其向 5G 和 6G 迈进的努力之一，其中之一是“HAPS”，并公布了从其飞行实验和通信测试以及开发问题中获得的一些知识。软银介绍了其中的的挑战和克服它们的一些解决方案，其中提到了连接器技术。

2020年，软银及其集团公司研制的HAPS“太阳滑翔机”成功在最高海拔62500英尺(约19公里)的平流层试飞。平流层飞行时间5小时38分钟，总飞行时间20小时16分钟。这次实验飞行的最低温度是-73度。

HAPS 飞越美国墨西哥，并进行了通信测试。视频通话是通过 LTE 通信(频段 28)和 Zoom 从美国和东京的多个基地进行的。

与地面的通信称为“馈线链路”，本次测试准备两条线路，主要使用E-Band频段(70-80GHz)。它由一个碗状天线和一个云台组成，并调整方向以跟随最佳通信方向。另一个是Wi-Fi，它是作为备份线路安装的，用于使用5GHz频段进行备份。Wi-Fi 通过捕获光束实现远距离通信。

“服务链路”使用 LTE 700MHz 频段中的 5MHz 宽度。他们不仅在室外而且在室内都成功地进行了通信测试。

“馈线链路的 E-Band 波段天线”是可以用手触摸的。由于E-Band频段的无线电波非常细小以至于被称为笔形波束，因此在通信过程中，地面基站和HAPS的这个天线都进行了精确的跟踪和定向同步。如果这个天线在平流层中移动一次，它在地面上将移动350m，所以它的精度是相当先进的技术。在飞行实验中，可以在不断开连接的情况下继续通信(所以有机会使用备用的Wi-Fi通信设备)。

HAPS 的三大挑战

一是“低温”和“热”的问题，因为它在平流层。这是一个矛盾的词，但低温需要用加热器加热到-70摄氏度。另一方面，平流层气压低，热量难以逸出。需要在不同于地面的独特环境中升温的同时高效向外散热的设计技术，以及稳定的硬件运行。结果，加热/散热措施成功，硬件工作正常。

由于平流层的温度在-70摄氏度左右，所以使用了很多发泡材料来保暖，还使用加热器来加热计算机、电路板和传感器。此外，为了减轻飞机的重量，系统强调效率。

在平流层，大气压低，受热的热量很难逸出，所以即使外界空气超低温，内部也可能过热，损坏设备。需要有一个进气口来散发热量。它是一种通过吸入外部空气温度来冷却的机构，但空气的量和流量是通过带有螺杆结构的 100 级控制阀的作用来调节的。

二是振动方面，本来预计会和汽车一样大，但实际上跟地铁慢跑的程度还小，在预期范围内。关于来自高空的通信质量，由于远距离而存在衰减的担忧，但预计未来可以在预期范围内(20 Mbps，5 MHz 宽度)实现高质量通信。

未来将致力于进一步提高环保性和减轻重量。这些技术将导致飞行持续时间的显著增加，通常，HAPS 的开发目标是 6 到 12 个月的连续飞行时间。另一种要开发的技术是“固定足迹”控制技术。

在用于服务链路的通信天线直接安装在飞机上并且基站本身在移动或漂浮在空中的HAPS中，存在当飞机的方向改变时可通信区域改变的问题。这被称为“移动单元问题”。“足迹固定”是一种控制技术，控制它并将通信区域固定和稳定到地面。

旋转连接器设计

在“固定足迹”中，作为对策，即使HAPS飞机掉头，可通过同步移动天线部分的方向，保持与地面的小区相同。已经提出了两种解决方案：“旋转连接器”和“多元件相控阵”。

“旋转连接器”由长方体连接器和电缆组成。连接器部分固定在飞行器上，有线电缆末端的通信设备始终在同一方向运行。

“旋转接头”的实机。它由长方体连接器和有线电缆组成，连接器和有线电缆具有允许无限旋转的结构。

该连接器和有线电缆具有允许无限旋转的结构。具体结构尚未公开，但通过设计，我们能够实现旋转连接器。

同时，HAPS内部使用模拟信号而不是数字信号进行传输处理。选择模拟的原因是为了省电。另一方面，由于模拟对噪声很敏感，因此担心传输信息会因旋转连接器而恶化，但在初步测试中没有确认恶化，预计可以充分利用它。