衛(wèi)星通信基本原理
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衛(wèi)星通信基本原理范文第1篇
關(guān)鍵詞：衛(wèi)星通信；消防救援；技術(shù)手段
1引言
中國是一個(gè)災(zāi)難頻發(fā)的國家。自然災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，并且隨著當(dāng)今社會(huì)日益增多的大型活動(dòng)，突發(fā)的緊急災(zāi)害事故及社會(huì)公共安全事故越來越頻繁的發(fā)生，給人民生命財(cái)產(chǎn)和國民經(jīng)濟(jì)造成了很大的損失。這使得人們進(jìn)一步意識(shí)到完善應(yīng)急通信體系的重要性。
衛(wèi)星應(yīng)急通信系統(tǒng)是為滿足各類緊急情況下的通信需求而產(chǎn)生的，而自然災(zāi)害，尤其是社會(huì)事件等突發(fā)公共安全事件發(fā)生的規(guī)模和地點(diǎn)都無法提前預(yù)知和準(zhǔn)備。這些通信設(shè)備在發(fā)生災(zāi)害的時(shí)候就需要臨時(shí)組裝，來接收現(xiàn)場的圖片視頻影音資料，這些信息對(duì)于處理突發(fā)事件，有十分重要的作用。通過衛(wèi)星通信來建立臨時(shí)或應(yīng)急的通信能力幾乎都是預(yù)案中的首選，并且發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。
隨著科技發(fā)展，衛(wèi)星通信顯示出了更加重要的作用，在文章介紹了衛(wèi)星通信的基本原理和組成，在消防應(yīng)急中的應(yīng)用等等。
2衛(wèi)星通信在消防應(yīng)急中的應(yīng)用
2.1衛(wèi)星通信的基本原理、組成及優(yōu)勢(shì)
衛(wèi)星通信的原理就是利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)或反射無線電信號(hào)，在多個(gè)地球站之間進(jìn)行的通信。地球站是指設(shè)在地球表面的無線電通信站。
衛(wèi)星通信系統(tǒng)是由地面部分和空間部分兩部分構(gòu)成的。通信衛(wèi)星實(shí)際上就足一個(gè)懸掛在空中的通信中繼站。它居高臨下，視野開闊，只要在它的覆蓋照射區(qū)以內(nèi)，不論距離遠(yuǎn)近都可以通信，通過它轉(zhuǎn)發(fā)和反射電報(bào)、電視、廣播和數(shù)據(jù)等無線信號(hào)。
衛(wèi)星通信與其他通信方式相比較，有以下的特點(diǎn)：（1）通信距離可以達(dá)到遠(yuǎn)，且費(fèi)用與通信距離無關(guān)。（2）通信容量大，適用多種業(yè)務(wù)傳輸。衛(wèi)星通信使用微波頻段，可以使用的頻帶很寬。（3）廣播方式工作，可以進(jìn)行多址通信。通常，其他類型的通信手段只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，而衛(wèi)星是以廣播方式進(jìn)行工作的，只要是衛(wèi)星覆蓋的區(qū)域，都可以進(jìn)行通信，這些地球站可共用同一顆通信衛(wèi)星來實(shí)現(xiàn)多邊通信，即進(jìn)行多址通信。（4）可以自發(fā)自收進(jìn)行監(jiān)測。發(fā)信端地球站同樣可以接收到自己發(fā)出的信號(hào)，從而可以判斷傳輸質(zhì)量好壞。（5）無縫覆蓋能力。利用衛(wèi)星移動(dòng)通信，可以不受氣候條件、地理環(huán)境和時(shí)間的限制，建立覆蓋全球性的海、陸、空一體化通信系統(tǒng)。（6）安全可靠性。與其他方式相比，衛(wèi)星通信所受的約束和障礙更加少，所以其安全可靠性很好。
主要缺點(diǎn)是：傳輸時(shí)延大。以300000km/s的速度傳播的電波，要經(jīng)過240ms～260ms的延時(shí)，加上終端設(shè)備對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理時(shí)間等，延時(shí)還要增加很多，根據(jù)國際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)建議，單程傳輸不要超過400ms；在南緯75°以上和北緯75。以上的高緯度地區(qū)，由于同步衛(wèi)星的仰角低于5°難以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信；同步軌道的位置有限，不能無限度地增加衛(wèi)星數(shù)量和減小星間間隔；每年有天文現(xiàn)象發(fā)生，十分影響通信。例如存在不可避免的日凌中斷和星食發(fā)生；衛(wèi)星壽命一般為幾年至十幾年，要做長遠(yuǎn)的部署和計(jì)劃，故要做好承擔(dān)一定風(fēng)險(xiǎn)的準(zhǔn)備。
2.2衛(wèi)星通信在消防應(yīng)急中的具體應(yīng)用
2.2.1消防指揮VAS衛(wèi)星通信的組成
一般來說，具體到消防方面，其應(yīng)急指揮通信系統(tǒng)由應(yīng)急指揮中心（中心站）和事故現(xiàn)場側(cè)設(shè)備組成，兩者通過地球同步軌道衛(wèi)星建立通信連接。事故現(xiàn)場側(cè)由應(yīng)急通信車（車載站）和現(xiàn)場采集設(shè)備（編寫站）組成。
（1）地面固定主站。主站的作用：通過衛(wèi)星對(duì)車載站進(jìn)行管理控制，并且提供地面固定網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)轉(zhuǎn)接。
（2）應(yīng)急通信中的指揮車。應(yīng)急通信車組成是由車輛、VSAT車載、設(shè)備無線局域網(wǎng)設(shè)備等。通信車經(jīng)VSAT衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，并且對(duì)應(yīng)急現(xiàn)場進(jìn)行最基本的信息采集、車載視頻監(jiān)控、信息處理、指揮控制、多業(yè)務(wù)作業(yè)終、端通信保障、綜合保障。
（3）便攜站。由主設(shè)備箱、天線箱、輔助設(shè)備箱以及便攜發(fā)電機(jī)構(gòu)成。在公共交通（民航、鐵路）系統(tǒng)可用的情況下，便攜站的應(yīng)用靈活，既可以通過別的運(yùn)輸工具將便攜站運(yùn)抵現(xiàn)場，作為遠(yuǎn)端移動(dòng)站使用，也可以放置在前線指揮部作為衛(wèi)星地面站使用。
2.2.2消防應(yīng)急衛(wèi)星的應(yīng)用
（1）衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)方式概述。為了保證災(zāi)難救援現(xiàn)場和應(yīng)急指揮部的通信，需要的最基礎(chǔ)的業(yè)務(wù)就是語音、視頻及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，下文簡單的介紹一下這3種業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)方式。在搶險(xiǎn)救災(zāi)現(xiàn)場，語音通話是最基本、最重要的業(yè)務(wù)需求，語音業(yè)務(wù)包含2個(gè)方面：一是解決現(xiàn)場工作人員之間的通話；另一個(gè)是解決現(xiàn)場人員撥打和接聽系統(tǒng)電話或公網(wǎng)電話的問題。現(xiàn)場工作人員之間的語音通話通過車載集群設(shè)備來解決，這可以滿足救援人員之間互相通話。現(xiàn)場人員撥打電話的方法是利用海事衛(wèi)星電話，海事衛(wèi)星電話的特點(diǎn)是不受天氣限制，特別是海事衛(wèi)星車載設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)中通，但是海事衛(wèi)星電話也存在的問題，這就是話路少、資費(fèi)高。在搶險(xiǎn)救災(zāi)過程中，視頻業(yè)務(wù)的互通既可以使后方的領(lǐng)導(dǎo)和指揮人員直觀地了解現(xiàn)場的情況，實(shí)現(xiàn)直接交流。視頻業(yè)務(wù)主要是采用VSAT衛(wèi)星通道完成的。在國網(wǎng)主站配置基于H.323協(xié)議的MCU（MultipointControl Unit，多點(diǎn)控制單元），主站的MCU接入應(yīng)急救災(zāi)指揮中心電視系統(tǒng)；在車載站和便攜站配置會(huì)議電視終端，會(huì)議電視終端通過VSAT衛(wèi)星通道接入主站的MCU，這樣，就相當(dāng)于一個(gè)遠(yuǎn)端會(huì)場，實(shí)現(xiàn)視頻回傳及參加電視會(huì)議。搶險(xiǎn)救災(zāi)現(xiàn)場的視頻圖像可以通過無線圖像傳輸設(shè)備（單兵）、車頂可升降攝像頭及車內(nèi)攝像頭采集獲得。
搶險(xiǎn)救災(zāi)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)包括內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)和外網(wǎng)數(shù)據(jù)。內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)可分為現(xiàn)現(xiàn)場指揮辦公的郵件、Web瀏覽等；外網(wǎng)數(shù)據(jù)主要包括瀏覽Internet、收發(fā)外網(wǎng)郵件等。在通信車，現(xiàn)場使用無線局域網(wǎng)設(shè)備的無線數(shù)據(jù)訪問辦公室工作人員。內(nèi)部網(wǎng)數(shù)據(jù)通過VSAT衛(wèi)星頻道、網(wǎng)站訪問防火墻安全認(rèn)證后救援指揮中心。衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸格式的IP包和支持TCP/IP協(xié)議，所以數(shù)據(jù)服務(wù)訪問實(shí)現(xiàn)比較簡單，通過將一個(gè)衛(wèi)星設(shè)備和救援指揮中心信息網(wǎng)絡(luò)路由器連接可以實(shí)現(xiàn)。
（2）衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以通過衛(wèi)星通信指揮車裝載，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式處理消防救援。應(yīng)急通信指揮車是衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的一個(gè)地面站，它可以十分迅速的在火災(zāi)現(xiàn)場或者各類別的應(yīng)急現(xiàn)場建立小型移動(dòng)指揮站，這樣可以實(shí)施對(duì)消防部隊(duì)的直接指揮和對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場的事故緊急處理。通信指揮車可以通過衛(wèi)星信道進(jìn)行指揮，與此同時(shí)可以直接與消防中心進(jìn)行語音圖片等信息的雙向交流，接收消防中心所下達(dá)的有效指令；利用指揮車上的350MHz車載臺(tái)與消防調(diào)度中心保持實(shí)時(shí)通信與聯(lián)絡(luò)；利用GPS進(jìn)行定位，隨時(shí)發(fā)送指揮車所在的位置以及行車方向和所在環(huán)境等；車頂上的攝像設(shè)備可以隨時(shí)收集災(zāi)難現(xiàn)場的情況，然后傳送回消防調(diào)度站，有利于消防人員及時(shí)布置消防設(shè)施和消防力量；車上工作人員可以攜帶小型攝像機(jī)深入應(yīng)急現(xiàn)場，將最新最真實(shí)的前方情況傳送出來。這樣就實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)式作戰(zhàn)，更有利于救援方案的實(shí)施。
（3）衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以有效的幫助消防中心對(duì)倉庫、生產(chǎn)廠房等監(jiān)控點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生。衛(wèi)星通信系統(tǒng)是一個(gè)巨大的寬帶網(wǎng)絡(luò)，可以通過信道對(duì)監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦有危險(xiǎn)發(fā)生，比如說倉庫著火等，系統(tǒng)便會(huì)發(fā)出警報(bào)，這樣消防中心就會(huì)收到報(bào)警信息，然后根據(jù)消防指揮中心中關(guān)于失火地點(diǎn)的資料和商家的信息確定救援方案。消防中心還可以遠(yuǎn)程控制攝像機(jī)進(jìn)行有效的處警指揮。
（4）32星通信可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警和處警一體化。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中空間信息平臺(tái)可以提供空間數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)、顯示、應(yīng)用和管理功能，包括GIS/GPS/RS空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)及關(guān)鍵區(qū)域空間數(shù)據(jù)。這些既可以及時(shí)的發(fā)現(xiàn)發(fā)生火災(zāi)的地址等詳細(xì)情況，也可以及時(shí)的估測所需消防力量，派出消防隊(duì)伍，集中調(diào)度重要應(yīng)急資源，而且實(shí)時(shí)的更新現(xiàn)場的信息，有利于隨時(shí)調(diào)整消防方案，實(shí)現(xiàn)了報(bào)警和處警一體化，更加快速有效率的完成救援活動(dòng)。
2.3衛(wèi)星通信在消防中應(yīng)用的需要改進(jìn)的地方
（1）目前，我國應(yīng)急救援通信系統(tǒng)均是局域性設(shè)置，需要形成社會(huì)聯(lián)動(dòng)的通信體系，這樣才利于適于應(yīng)對(duì)重大災(zāi)害事件；（2）各部門均建有獨(dú)立的指揮中心，造成重復(fù)投資，資源浪費(fèi)，接處警和效率難以提高；（3）現(xiàn)有各救災(zāi)部門應(yīng)急救援通信網(wǎng)絡(luò)融合性差，難以保證有效協(xié)調(diào)運(yùn)作；（4）現(xiàn)有通信裝備的集成效能不能滿足重大災(zāi)害事件作戰(zhàn)要求，利用率較低，互通性能差；（5）沒有法定的通信技術(shù)、管理方式，以指導(dǎo)未來規(guī)劃性建設(shè)。
衛(wèi)星通信基本原理范文第2篇
【關(guān)鍵詞】 便攜式衛(wèi)星通信站 衛(wèi)星天線 終端單元 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)
一、引言
隨著應(yīng)急通信指揮系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大，便攜式衛(wèi)星通信站已成為應(yīng)急通信的一種重要通信組成部分。便攜式衛(wèi)星通信站通過與地球同步軌道衛(wèi)星組網(wǎng)形成衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)話音、數(shù)據(jù)、音視頻和廣域網(wǎng)接入功能的多媒體通信業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)如電話、傳真、電傳、電報(bào)、圖像、可視電話、話帶數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)、復(fù)用數(shù)據(jù)、電話會(huì)議等功能，廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、搶險(xiǎn)救災(zāi)、新聞采訪、科考探險(xiǎn)、公安、軍事等應(yīng)急和特殊通信領(lǐng)域。
二、技術(shù)方案
2.1 系統(tǒng)組成及功能
便攜式衛(wèi)星通信站主要由便攜式衛(wèi)星天線單元（含天線、伺服、BUC、LNB）和終端單元（含衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器、交換機(jī)、視頻會(huì)議終端、VOIP、矩陣、顯示器、3G圖傳、單兵圖傳接收機(jī)等）組成。整套系統(tǒng)可由2人完成操作使用，總質(zhì)量不大于60Kg。便攜式衛(wèi)星通信站基于VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)，通過便攜天線，可與后方指揮中心建立基于IP的透明鏈路。主要特點(diǎn)是簡單、方便，易于運(yùn)輸，適應(yīng)應(yīng)急性指揮通信的要求，能夠在較短時(shí)間內(nèi)迅速搭建一個(gè)衛(wèi)星通信平臺(tái)，并建立起與主站的通信連接。便攜式衛(wèi)星通信站原理框圖如圖1所示，該系統(tǒng)具備衛(wèi)星通信、視頻會(huì)議、VOIP語音通話等功能。在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，通過單兵式微波圖像傳輸系統(tǒng)將野外現(xiàn)場的聲音、圖像等相關(guān)資料實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖銛y站，再通過VSAT衛(wèi)星系統(tǒng)和專業(yè)視頻會(huì)議系統(tǒng)將其傳送到國家、省、市級(jí)指揮中心，為領(lǐng)導(dǎo)總攬全局，果斷決策，正確指揮提供直接的現(xiàn)場信息。本文設(shè)計(jì)的便攜式衛(wèi)星站具備“一鍵式”對(duì)星功能，同時(shí)采用雙跟蹤尋星模式，尋星時(shí)間小于3分鐘，跟蹤精度小于0.2度。為滿足不同場合不同業(yè)務(wù)量的需求，天線單元可選用等效口徑1m或1.2m天線面，功放選用20W～40W功率功放，組合配置，用于提供傳輸不低于2Mbps的通信業(yè)務(wù)。
2.2 便攜式衛(wèi)星天線單元
便攜式衛(wèi)星天線單元分為天線分系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)三部分。便攜式衛(wèi)星天線原理圖如圖2所示。
天線是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的重要組成部分，是便攜站射頻信號(hào)的輸入和輸出通道，天線系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)通信系統(tǒng)的性能。便攜式衛(wèi)星天線采用格里高利雙反射偏饋型天線設(shè)計(jì)，天線單元包括主反射面、副反射面、饋源及其支架、高頻頭及雙工器等。天線面的材質(zhì)主要有鋁合金、玻璃鋼以及碳纖維等，考慮到高增益、低噪聲溫度，展開、收藏、攜帶方便，天線設(shè)計(jì)為碳纖維復(fù)合材料的雙反射面天線。該天線面在+130℃中溫壓固化成型，可在-50℃～+80℃環(huán)境中使用，具有強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕、膨脹系數(shù)幾乎為零的特性。當(dāng)天線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星時(shí)，地面用戶發(fā)出的基帶信號(hào)經(jīng)過地面通信網(wǎng)絡(luò)傳送到便攜站，便攜站通信設(shè)備對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行處理，使其成為射頻載波后發(fā)送到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器。衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收地球站上行頻率發(fā)送來的射頻載波，經(jīng)過放大和變頻處理后，再轉(zhuǎn)發(fā)到地球站，由地球站天線接收。天線分系統(tǒng)的饋源、高頻頭將天線面接收的射頻載波處理為中頻信號(hào)，中頻信號(hào)經(jīng)過功分器后一路信號(hào)解調(diào)處理后給基帶處理器，通過地面網(wǎng)絡(luò)傳送給用戶，另一路信號(hào)經(jīng)信標(biāo)接收機(jī)和DVB-S載波跟蹤接收機(jī)輸出AGC電平給天線控制器，為伺服控制提供信號(hào)電平指示。
伺服控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，用于控制天線準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星。包括：伺服控制器、電子羅盤、GPS接收機(jī)、信標(biāo)接收機(jī)、DVB-S載波跟蹤接收機(jī)、執(zhí)行電機(jī)及驅(qū)動(dòng)部分。伺服控制系統(tǒng)工作原理為：在系統(tǒng)上電后開始搜索衛(wèi)星信號(hào)，通過GPS接收機(jī)獲取接收天線所在地的經(jīng)度、緯度和高度，結(jié)合控制器存儲(chǔ)的被搜索衛(wèi)星的在軌經(jīng)度，將這些角度信息送入控制器進(jìn)行計(jì)算，獲得天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星所需要的理論方位角、俯仰角和極化角。然后通過姿態(tài)測量傳感器得到天線實(shí)時(shí)的方位角、俯仰角和極化角，與計(jì)算所得的理論角度進(jìn)行比較，若不等，則驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)天線逐步減小差值，完成天線的搜索與初始對(duì)準(zhǔn)。隨后進(jìn)入步進(jìn)跟蹤模式，在方位、俯仰方向上按一定步進(jìn)小角度運(yùn)動(dòng)，同時(shí)與信標(biāo)接收機(jī)或DVB-S載波接收機(jī)配合使用將天線鎖定在最佳跟蹤位置，完成衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤。伺服控制設(shè)計(jì)基于Microchip公司的dsPIC處理器方案，它是一種具有單片機(jī)和DSP綜合功能的16位CPU，不但具有豐富的模塊，I/O接口，支持多種電機(jī)控制，強(qiáng)大的中斷功能，同時(shí)還兼具DSP高速運(yùn)算能力，是嵌入式系統(tǒng)的一種高性價(jià)比解決方案。為了滿足高精度控制，做到精確對(duì)準(zhǔn)，本系統(tǒng)通過將GPS、數(shù)字羅盤、天線控制器、執(zhí)行電機(jī)結(jié)合AGC電饋形成系統(tǒng)大閉環(huán)的方式，完成天線對(duì)衛(wèi)星的穩(wěn)定跟蹤。對(duì)于DVB載波跟蹤方式，由于數(shù)字高頻頭的解調(diào)過程需要幾秒鐘時(shí)間，所以存在對(duì)衛(wèi)星信號(hào)反饋較慢的缺點(diǎn)，但是載波有帶寬較寬，比較容易捕獲，數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。信標(biāo)是一個(gè)單載波，存在難捕獲，易受干擾的缺點(diǎn)，但是信標(biāo)接收機(jī)能快速反饋衛(wèi)星信號(hào)的強(qiáng)弱。本系統(tǒng)采用了DVB載波和信標(biāo)跟蹤并存的方式，當(dāng)一種方式無法對(duì)星時(shí)，可自動(dòng)切換到另一種對(duì)星方式，從而確保了天線指向有效對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。伺服轉(zhuǎn)臺(tái)采用俯仰、方位型天線架座，同時(shí)極化可調(diào)，執(zhí)行電機(jī)通過驅(qū)動(dòng)器電流的32細(xì)分，在減小噪聲和震動(dòng)的同時(shí)，提高了控制精度。通過安裝限位開關(guān)對(duì)零點(diǎn)與限位位置進(jìn)行定位。
遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由手持終端控制設(shè)備或筆記本組成，向伺服控制系統(tǒng)輸入要對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星的位置信息、步進(jìn)指令（步數(shù)以及方向）、開始運(yùn)行指令、復(fù)位指令以及停止指令等，同時(shí)也可以在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上顯示天線的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息以及角度波動(dòng)情況，提供良好的人機(jī)對(duì)話功能。
2.3 終端單元
終端單元集VOIP語音、傳真、視頻采集及編解碼傳輸、視頻顯示回放、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)等多種功能于一體，預(yù)留與各種非衛(wèi)星通訊終端設(shè)備（如計(jì)算機(jī)）的接口，具備與衛(wèi)星通訊網(wǎng)絡(luò)間的實(shí)時(shí)雙向通訊功能。終端單元集成于手提箱內(nèi)，防塵、防震、體積小、重量輕、攜帶方便，采用積木式結(jié)構(gòu)，可根據(jù)用戶需要選擇不同衛(wèi)星通信體制設(shè)備終端單元，并根據(jù)具體需要，對(duì)功能模塊進(jìn)行選配。終端單元原理框圖如圖3所示。
終端單元的核心設(shè)備是衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器，其主要功能是完成基帶信號(hào)的編/解碼、調(diào)制/解調(diào)等信號(hào)處理，且自身帶有IP路由功能，通過設(shè)置網(wǎng)關(guān)，局域網(wǎng)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠連入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與其他衛(wèi)星站之間的網(wǎng)絡(luò)通信、視頻會(huì)議、數(shù)據(jù)通信等。
三、結(jié)構(gòu)方案
便攜式衛(wèi)星通信站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心部件是電/手動(dòng)二維轉(zhuǎn)臺(tái)，它的結(jié)構(gòu)形式直接關(guān)系到整個(gè)便攜式衛(wèi)星通信站的外形、重量、體積等。該轉(zhuǎn)臺(tái)分為上、下腔體兩個(gè)部分，方位和俯仰驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)均布置在上腔體中，下腔體布置支撐結(jié)構(gòu)和接插件。俯仰驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用雙軸伸步進(jìn)電機(jī)加成品減速器的方式：俯仰電機(jī)一端與減速器相連，一端與手動(dòng)手柄相連，減速器一端與電機(jī)相連，一端與天線組件相連，帶動(dòng)天線組件做俯仰方向的轉(zhuǎn)動(dòng)；方位驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用雙軸伸步進(jìn)電機(jī)加自制減速機(jī)構(gòu)（蝸輪蝸桿加圓柱齒輪）的方式：方位電機(jī)一端與手動(dòng)手柄相連，一端與蝸桿相連，通過自制減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)上腔體和天線組件做方位方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，上、下腔體的結(jié)合處加密封圈，能有效防塵、防雨。方位驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中有蝸輪蝸桿，能有效自鎖，可防止大風(fēng)對(duì)天線面在方位方向上的吹移，俯仰驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)外加鎖緊裝置，可防止大風(fēng)對(duì)天線面在俯仰方向上的吹移；極化裝置所需的驅(qū)動(dòng)力矩很小，采用單軸伸步進(jìn)電機(jī)加成品減速器和同步帶驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)方式。
天線面采用可拆卸的剖分結(jié)構(gòu)形式，共分為六瓣，除主瓣與轉(zhuǎn)臺(tái)固定連接外，其余五瓣可拆卸，通過專門的快裝機(jī)構(gòu)拆裝。整個(gè)控制系統(tǒng)模塊裝在一個(gè)腔體內(nèi)，該腔體采用碳纖維開模加鑲嵌散熱金屬塊的方式制造，蓋板采用倒扣結(jié)構(gòu)形式，配合碳纖維腔體邊緣的密封橡膠條，和轉(zhuǎn)臺(tái)配合使用，能有效散熱且能密封防雨。
四、軟件設(shè)計(jì)
便攜式衛(wèi)星通信站實(shí)現(xiàn)一鍵對(duì)星功能采用程序跟蹤與步進(jìn)跟蹤相結(jié)合的跟蹤方式，即：先利用程序跟蹤實(shí)現(xiàn)天線的粗對(duì)準(zhǔn)，再采用步進(jìn)跟蹤實(shí)現(xiàn)天線的精對(duì)準(zhǔn)，可以提高系統(tǒng)跟蹤的速度與精度。
程序跟蹤將需要搜索的衛(wèi)星的軌道信息（衛(wèi)星的在軌經(jīng)度、極化方式、下行頻率、符號(hào)率）預(yù)存入天線控制器中（在管理員權(quán)限下同時(shí)支持手動(dòng)輸入衛(wèi)星的在軌信息），讀取GPS、數(shù)字羅盤、傾角儀等傳感器數(shù)據(jù)，計(jì)算出天線俯仰、極化、方位的指向，向俯仰、方位、極化電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器發(fā)出命令，俯仰、方位、極化電機(jī)轉(zhuǎn)到指定位置實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星的搜索與跟蹤。程序跟蹤的關(guān)鍵是通過兩點(diǎn)GPS位置信息計(jì)算天線的指向角度，主要涉及到大地坐標(biāo)系到載體坐標(biāo)系的矩陣變換算法。
步進(jìn)跟蹤是在程序跟蹤后，在天線方位角±10°、俯仰角±2°范圍內(nèi)以“Z”字型方式掃描空域，精密調(diào)整天線指向，在信標(biāo)信號(hào)或載波信號(hào)鎖定后，微調(diào)天線找出信號(hào)的最大值指向角度，此時(shí)鎖定衛(wèi)星。
五、結(jié)論
我公司設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的便攜式衛(wèi)星通信站具備全自動(dòng)“一鍵對(duì)星”能力，設(shè)備從展開、跟蹤、對(duì)星、調(diào)整、收藏均可全自動(dòng)完成，安裝簡單，無須較準(zhǔn)，快速對(duì)星，通過VSAT通信網(wǎng)，可在較短時(shí)間內(nèi)迅速搭建一個(gè)高品質(zhì)的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。目前該系統(tǒng)已在四川省人防辦、綿陽市人防辦、雅安市人防辦、南充市人防辦投入使用，客戶反映良好。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] 胡正飛，訪繼東. 便攜式衛(wèi)星通信地球站結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2006，19（3）：4～6
衛(wèi)星通信基本原理范文第3篇
雨衰的機(jī)理及影響
1、雨衰的產(chǎn)生
當(dāng)電波穿過降雨的區(qū)域時(shí)，雨不僅吸收電渡能量，而且對(duì)電波產(chǎn)生散射。這種吸收和散射共同形成電波衰減?散射還能導(dǎo)致大范圍無線電干擾，并對(duì)電波存在去極化效應(yīng)，稱這些衰減和干擾為雨衰。
這種衰減呈現(xiàn)非選擇性能和緩慢的時(shí)變特性，是導(dǎo)致信號(hào)劣化，影響系統(tǒng)可用性的主要因素。因此，雨衰問題也就成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中必須考慮的重要問題。雨衰的大小與雨滴直徑與波長的比值有著密切的關(guān)系，當(dāng)信號(hào)的波長比雨滴大時(shí)，散射衰減起決定作用。當(dāng)電磁波的波長比雨滴小時(shí)，吸收損耗起決定作用。無論是吸收或散射作用，其效果都使電波在傳播方向遭受衰減；當(dāng)電磁波的波長和雨滴直徑越接近時(shí)衰減越大，一般情況下(比如中短波)電磁波的波長遠(yuǎn)大于雨滴直徑，故衰減很小，C波段信號(hào)受雨衰的影響也可以忽略。對(duì)于10GHz以上的電磁波，雨衰的影響就非常明顯了，在鏈路計(jì)算中必須考慮雨衰的影響。頻率越高，雨衰的影響越大，大雨和暴雨對(duì)電磁波的衰減要比小雨大得多。圖1是國際無線電咨詢委員會(huì)(CCIR)(現(xiàn)為國際電聯(lián)(ITU))提供的雨衰與頻率和降雨大小的關(guān)系圖，從圖1中可以很清楚地看出Ku波段信號(hào)受雨衰的影響。如圖1所示，降雨對(duì)電波的衰耗為實(shí)線，而云、霧引起的衰減為虛線。Ku波段頻率較高[(12-18)GHz]，波長與雨滴的大小可比擬，受雨衰的影響比較嚴(yán)重。由圖1和圖2可看出，在Ku波段，中雨(雨量為4mm／h)以上的降雨引起的衰耗相當(dāng)嚴(yán)重。若電波穿過雨區(qū)路徑長度為10km時(shí)，對(duì)于Ku波段上行線路，衰耗為2dB左右，下行線路的衰耗為1dB左右；在暴雨(雨量為100 mm／h)情況下，每公里的損耗強(qiáng)度較大，但雨區(qū)高度一般小于2km，暴雨引起的衰耗將超過10dB以上。隨著降雨強(qiáng)度的加大，在Ku波段降雨衰減系數(shù)也急劇增加，其降雨衰減量與降雨強(qiáng)度幾乎成正比。而對(duì)于C波段[(4-6)GHz]來說，雨衰的影響就不是很明顯，中雨區(qū)上行線路的衰耗為1dB左右，下行衰耗僅為0.4dB左右，即使是暴雨區(qū)上行線路總衰耗值也僅為1dB左右。
2、降雨噪聲
降雨引起的對(duì)電磁波吸收衰減也會(huì)對(duì)地球站產(chǎn)生熱噪聲影響，這種降雨噪聲折合到接收天線輸入端就等效為天線熱噪聲，對(duì)接收信號(hào)的載噪比有很大的影響，這種影響與衰減量的大小和天線結(jié)構(gòu)有關(guān)。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，每衰減0.1dB，噪聲溫度增加約57K。一般情況下，天線的仰角越高，降雨噪聲的影響越小。這是因?yàn)殡姶挪ù┻^降雨路徑較短，衰減量就小一些。 在沒有雨衰時(shí)，噪聲溫度不增加；在沒有波導(dǎo)損耗時(shí)，噪聲溫度只和降雨衰減量有關(guān)。由于噪聲溫度的增加直接影響到接收系統(tǒng)的G／T值，也就是直接影響到接收信號(hào)的載噪比，對(duì)信號(hào)可用度的影響甚至比降雨衰減更明顯，在鏈路計(jì)算時(shí)必須考慮其影響。
3、去極化現(xiàn)象
降雨不僅會(huì)使電波衰減，還會(huì)產(chǎn)生去極化作用，所以降雨對(duì)電波的吸收和散射特性也與入射波的極化波面有關(guān)。由于空氣阻力使雨滴變成略微扁平的形狀，在雨滴的兩個(gè)軸向引起的衰減稱為微分衰減，相位移稱為微分相移。這種現(xiàn)象對(duì)單極化傳輸系統(tǒng)影響并不大，但對(duì)于正交極化復(fù)用的雙極化傳輸系統(tǒng)，會(huì)造成極化隔離度降低，導(dǎo)致正交極化的信號(hào)互相干擾加大。這種降雨引起的去極化現(xiàn)象，對(duì)線極化和圓極化都有影響。我們常使用交叉極化鑒別度來表示極化純度。一般情況下，當(dāng)天線仰角大于15°時(shí)，交叉極化鑒別度在超過年平均時(shí)間的0.1％時(shí)，可望達(dá)到27dB，0.01％時(shí)為20dB，0.001％時(shí)為15dB。如圖3所示。暴雨區(qū)Ku波段的微分衰減可達(dá)2dB左右(雨區(qū)高度按2km計(jì)算)。對(duì)于正交極化復(fù)用的衛(wèi)星系統(tǒng)，降雨引起的去極化作用會(huì)使極化隔離度降低，產(chǎn)生極化誤差，導(dǎo)致干擾增加。
降低雨衰影響的措施
考慮Ku頻段抗雨衰策略時(shí)，首先應(yīng)準(zhǔn)確得到某一特定區(qū)域的降雨衰減。它要求進(jìn)行長期的觀察測量，得到長期連續(xù)的降雨實(shí)測數(shù)據(jù)(如連續(xù)多年的每分鐘降雨率)，獲取該區(qū)域精確的降雨統(tǒng)計(jì)特性，并通過實(shí)測數(shù)據(jù)，計(jì)算該區(qū)域的降雨衰減。通過迭代，補(bǔ)充完善降雨統(tǒng)計(jì)特性，以獲取該區(qū)域在各種條件下降雨衰減的真實(shí)情況。在此基礎(chǔ)上可以采取如下抗雨衰策略：
1、鏈路的備余量
它是傳統(tǒng)通信鏈路設(shè)計(jì)中常用的方法。如C頻段衛(wèi)星通信鏈路通常留3dB余量，Ku頻段衛(wèi)星通信鏈路通常留6dB余量。在一些降雨較少的地區(qū)(如沙漠地區(qū))，完全可通過鏈路余量來滿足系統(tǒng)可用度要求；在高降雨地區(qū)，完全靠這種方法不現(xiàn)實(shí)，應(yīng)在具備適當(dāng)鏈路余量的基礎(chǔ)上，綜合考慮其他方法。但這種方式將會(huì)占用過多的衛(wèi)星資源，在晴空時(shí)造成資源浪費(fèi)，下大雨時(shí)，可能又不夠用。
2、功率控制
對(duì)于Ku波段的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，建議在地球站設(shè)置上行鏈路自適應(yīng)功率控制(AUPC)，或者進(jìn)一步采用以網(wǎng)絡(luò)管理為基礎(chǔ)的全網(wǎng)自動(dòng)功率控制(APC)或動(dòng)態(tài)功率控制(DPC)系統(tǒng)，才能有效地對(duì)抗降雨衰耗的影響。
(1)上行鏈路自適應(yīng)功率控制(AUPC)。如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)的功率余量方法，將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的通信容量，而且降雨的時(shí)間比例較小。因此，必須采用自適應(yīng)功率控制技術(shù)以提高系統(tǒng)通信容量并保證鏈路的可靠性。其基本原理是：各地球站在監(jiān)測來自衛(wèi)星的信號(hào)強(qiáng)度的同時(shí)，計(jì)算鏈路降雨衰耗，然后自適應(yīng)調(diào)整地球站的發(fā)射功率，從而動(dòng)態(tài)地補(bǔ)償鏈路的雨衰，使信號(hào)保持在一個(gè)合適的工作電平，從而使衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收到地球站發(fā)射的信號(hào)電平與晴空時(shí)基本相同。在更先進(jìn)的衛(wèi)星系統(tǒng)中還能做到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行自適應(yīng)功率控制，這樣能更好地克服雨衰對(duì)Ku波段衛(wèi)星通信的影響。上行功率控制又分成開環(huán)上行功率控制和閉環(huán)上行功率控制兩種。
設(shè)備的開環(huán)上行功率控制是地球站利用接收衛(wèi)星信標(biāo)信號(hào)電平的變化量測出下行線路的雨衰值，進(jìn)而去控制地球站發(fā)送設(shè)備的中頻衰耗器或射頻衰耗器，使衰減器減小的數(shù)值與上行線路雨衰值大體相同。開環(huán)上行功率控制工作原理比較簡單，所用設(shè)備較少，投資較小，但精度較低。
閉環(huán)上行功率控制是地球站將接收來的衛(wèi)星信標(biāo)信號(hào)，與通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器環(huán)回信號(hào)或某一特定信道的通信業(yè)務(wù)信號(hào)的C／N(或S／N)值進(jìn)行比較，然后去控制地球站的上行功率。這樣一來，上行信號(hào)的雨衰值和上行功率控制的控制量有較高的準(zhǔn)確度。因此在閉環(huán)上行功率控制中必須將控制信道與通信信道分開，所用設(shè)備較多，費(fèi)用較高。
(2)自動(dòng)功率控制(APC)。上行功率控制是針對(duì)衛(wèi)星通信上行線路的降雨衰耗所采取的技術(shù)措施，但對(duì)于衛(wèi)星通信的下行線路也要充分考慮降雨衰耗。為了解決這一問題，己成功研制了同時(shí)控制上行線路和下行線路降雨衰耗的自動(dòng)功率控制系統(tǒng)(APC)，這種動(dòng)態(tài)功率控制是以衛(wèi)星通信的網(wǎng)管系統(tǒng)為基準(zhǔn)的。該網(wǎng)管系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地測出各個(gè)地球站的接收電平值，將該值與基準(zhǔn)電平(晴天時(shí)的正常接收電平值)進(jìn)行比較，將比較結(jié)果通過網(wǎng)管信息傳輸通道傳送給相應(yīng)的地球站，控制該地球站的發(fā)信設(shè)備的輸出功率。因此，采用自動(dòng)功率控制能使衛(wèi)星通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性大大提高，也使衛(wèi)星通信得到了廣泛的應(yīng)用，大大地節(jié)約衛(wèi)星通信的資源。
3、采用編碼及降速率技術(shù)
在雨衰較大時(shí)，可以采用前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)(FEC)來減小傳輸?shù)恼`碼率。通過減小編碼率來獲得編碼增益的提高，如編碼率為1/2的卷積碼，當(dāng)采用維特比譯碼時(shí)，其編碼增益可達(dá)5dB。當(dāng)然減小編碼率也必須有個(gè)限度，一方面當(dāng)編碼率減小到一定程度時(shí)，若再進(jìn)一步減小編碼率，多獲得的編碼增益將改善很小；另一方面減小編碼率會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)容量的減小。此外，還可以通過自適應(yīng)速率降低技術(shù)(ARP)來克服雨衰的影響，通過減少衰減信道的數(shù)據(jù)速率來增加信道容量，降低速率所帶來的增益與速率減少成正比，例如速率減少至1/4時(shí)，增益為5dB。使用糾錯(cuò)編碼和降速率技術(shù)，可以補(bǔ)償不同程度的雨衰；但隨著深度的增加，有效可用容量減少。
4、空間分集技術(shù)
在多雨或衛(wèi)星仰角很低的地區(qū)，由于Ku波段的特點(diǎn)，降雨衰減非常大，采用空間分集技術(shù)(也稱站分集技術(shù))是一種很有效的辦法。其原理是基于降雨的空間分布不均勻性，在相隔一定距離的兩個(gè)地點(diǎn)設(shè)置地球站，通過兩個(gè)地球站進(jìn)行信號(hào)的分集接收，類似于地面蜂窩移動(dòng)通信的空間分集技術(shù)，也可以單獨(dú)切換到雨衰較小的地球站進(jìn)行單鏈路通信。主要從分集改善因子和分集增益兩個(gè)指標(biāo)來衡量分集改善的質(zhì)量，其分集改善的效果隨兩站間距離的增大而增大。但超過一定距離后，其改善程度就非常小。在空間分集帶來增益好處的同時(shí)，也是需要付出代價(jià)的。網(wǎng)絡(luò)投資成本大幅上漲，而且需要非常復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)。需要指出的是空間分集技術(shù)不僅僅局限于兩個(gè)站址，可以采用多個(gè)站址同時(shí)分集接收，當(dāng)然其代價(jià)就更高了。
5、極化方式的選擇和天線的選擇
不同雨滴形狀對(duì)信號(hào)的衰減也不相同。隨著雨滴的體積的增大，雨滴在水平方向的直徑也逐漸增大。
此時(shí)，雨滴對(duì)水平極化波的衰減比對(duì)垂直極化波的衰減大，這也意味著在10GHz以上頻率，垂直極化波比水平極化波的抗雨衰性能要好。接收天線的增益與接收天線的口徑有著直接的關(guān)系，因此適當(dāng)加大接收天線的口徑，可以較明顯地提高天線增益。口徑越大，其增益越高，系統(tǒng)覆蓋范圍越大。當(dāng)然，其成本也會(huì)明顯增加。
6、采用低噪聲高增益的優(yōu)質(zhì)高頻頭（LNB)現(xiàn)用于接收Ku頻段衛(wèi)星信號(hào)的LNB，一般噪聲系數(shù)為0.8dB，噪聲系數(shù)在0.6dB便是十分低的噪聲，如使用噪聲系數(shù)為0.7dB的，其增益可達(dá)到60dB。如果受某些因素的制約，而不想或無法去增大接收天線的口徑，可首先考慮使用低噪聲高增益的優(yōu)質(zhì)LNB，而且這要比增大天線口徑的成本低。
衛(wèi)星通信基本原理范文第4篇
通信技術(shù)正以前所未有的速度得以發(fā)展和應(yīng)用，它與計(jì)算機(jī)技術(shù)相互融合和滲透形成現(xiàn)代通信技術(shù)，如衛(wèi)星通信、微波通信、移動(dòng)通信、光纖通信等都屬于現(xiàn)代通信技術(shù)，它與我們息息相關(guān)，給我們的工作和生活帶來了日新月異的變化。因此，《現(xiàn)代通信技術(shù)》課程不僅要在通信工程專業(yè)開設(shè)，同時(shí)還有必要在非通信工程專業(yè)開設(shè)。
1 現(xiàn)代通信技術(shù)課程的目標(biāo)與內(nèi)容
《現(xiàn)代通信技術(shù)》作為一門為非通信工程專業(yè)本科學(xué)生開設(shè)的課程，是通過知識(shí)的加工和優(yōu)化，在原《現(xiàn)代通信系統(tǒng)》與《通信原理》等課程基礎(chǔ)上整合而成，并向應(yīng)用性方向拓展[1]。由于非通信工程專業(yè)的學(xué)生沒有學(xué)習(xí)過《現(xiàn)代通信系統(tǒng)》和《通信原理》課程，所以課程目標(biāo)是“輕理論，重應(yīng)用”，使學(xué)生初步了解關(guān)于通信系統(tǒng)的基本概念、數(shù)字通信系統(tǒng)的組成；了解現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的電信交換、衛(wèi)星通信、微波通信、移動(dòng)通信、光纖通信等通信系統(tǒng)的基本原理、組成框架和最新應(yīng)用內(nèi)容。
現(xiàn)代通信技術(shù)課程由通信網(wǎng)基礎(chǔ)技術(shù)、電信交換、無線通信、移動(dòng)通信和光傳輸網(wǎng)五大主要組成部分[2]，詳見圖1。
圖1 現(xiàn)代通信技術(shù)課程主要內(nèi)容
通信網(wǎng)基礎(chǔ)技術(shù)包括模擬通信和數(shù)字通信（強(qiáng)調(diào)數(shù)字通信系統(tǒng)）、數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)如信源編碼技術(shù)、信道復(fù)用技術(shù)等、數(shù)字信號(hào)的基帶傳輸、調(diào)制技術(shù)和差錯(cuò)控制技術(shù)等；電信交換包括常用的交換方式如電路交換和分組交換、數(shù)字程控交換、isdn（綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)）和智能網(wǎng)；無線通信包括無線傳播的基本特性、無線通信的關(guān)鍵技術(shù)、典型的無線通信微波通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成和應(yīng)用；移動(dòng)通信包括移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)、典型的移動(dòng)通信系統(tǒng)gsm、cdma和3g系統(tǒng)的原理、技術(shù)體制及應(yīng)用發(fā)展；光傳輸網(wǎng)包括管傳輸系統(tǒng)的組成和原理、sdh光傳輸網(wǎng)技術(shù)、光波分復(fù)用技術(shù)等。WWw.133229.COm
2 傳統(tǒng)的現(xiàn)代通信技術(shù)教學(xué)方式的特點(diǎn)
傳統(tǒng)的教學(xué)方法是以知識(shí)學(xué)科體系為中心，先講述理論，在進(jìn)行一些驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)。《現(xiàn)代通信技術(shù)》課程的教學(xué)方式一致沿襲本科教育中學(xué)科體系的教學(xué)模式，從通信網(wǎng)基礎(chǔ)技術(shù)到無線通信、移動(dòng)通信等，都過于側(cè)重理論，偏重知識(shí)的積累，內(nèi)容豐富，公式與性質(zhì)多，抽象難懂，這種教學(xué)方式的主要特點(diǎn)和弊端如下：
2.1 學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)感到枯燥，無法進(jìn)行創(chuàng)新能力培養(yǎng)。對(duì)于現(xiàn)代通信技術(shù)課程來說，知識(shí)抽象、枯燥，特別是講到通信原理等摸不著看不見的知識(shí)時(shí)，學(xué)生更是不知所云。很多學(xué)生僅僅是被動(dòng)地在學(xué)習(xí)，沒有主動(dòng)參與的熱情，體會(huì)不到學(xué)習(xí)的樂趣，更談不上創(chuàng)新能力了。
2.2 教學(xué)過程中以原理知識(shí)為核心，而忽略了學(xué)生的數(shù)學(xué)功底和理論推導(dǎo)能力，使其缺乏學(xué)習(xí)的積極性；教學(xué)方法也是以傳授知識(shí)為主，忽視了學(xué)生的能力培養(yǎng)和工程設(shè)計(jì)鍛煉，導(dǎo)致知識(shí)與能力不協(xié)調(diào)。
2.3 理論和實(shí)際沒有很好地聯(lián)系起來，對(duì)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用只作點(diǎn)綴，學(xué)生動(dòng)手環(huán)節(jié)較少，更缺乏現(xiàn)場操作的經(jīng)驗(yàn)，無法滿足崗位需求。
3 現(xiàn)代通信技術(shù)課程的教學(xué)思路和教學(xué)模式
考慮到非通信工程專業(yè)的學(xué)生基本上沒有學(xué)習(xí)過包括通信原理、信號(hào)與系統(tǒng)、隨機(jī)過程等課程，在教學(xué)中必須從實(shí)際出發(fā)，因材施教，遵循深入淺出、易于理解的原則，力求簡潔明了，突出科普性，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣[3]。采取“多挖坑少鉆井”的方法，對(duì)現(xiàn)代通信技術(shù)課程中較深的知識(shí)進(jìn)行必要的刪減，比如通信網(wǎng)基礎(chǔ)技術(shù)中的調(diào)制技術(shù)、語音編碼，電信交換中的數(shù)字交換單元的工作原理、信令系統(tǒng)，無線信道特性分析、擴(kuò)頻技術(shù)等知識(shí)點(diǎn)，只能進(jìn)行簡單的講解，使學(xué)生明白這些知識(shí)的基本概念。
3.1 教學(xué)內(nèi)容模塊化。
本課程對(duì)理論知識(shí)不要求過度深入，避免復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，建立模塊化的教學(xué)模式，參考圖1的課程內(nèi)容，將現(xiàn)代通信技術(shù)作為一個(gè)整體任務(wù)，并按主要內(nèi)容將這一任務(wù)分解成任務(wù)模塊：通信網(wǎng)基礎(chǔ)技術(shù)模塊、電信交換模塊、無線通信模塊、移動(dòng)通信模塊和光傳輸模塊，每個(gè)模塊又分解為幾個(gè)子模塊。每個(gè)教學(xué)模塊都以具體的項(xiàng)目案例引出教學(xué)內(nèi)容，將枯燥的理論教學(xué)完全融入到一個(gè)個(gè)具體的任務(wù)中，抽象的知識(shí)就得到了具體的體現(xiàn)。這種教學(xué)方案不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可以培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。
3.2 教學(xué)方法多樣化。
課堂教學(xué)質(zhì)量的好壞直接影響到教學(xué)效果。“滿堂灌”的傳統(tǒng)教學(xué)方法已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)在以“學(xué)生為主體”的課堂，而采用類比引證等深入淺出的方法進(jìn)行多維立體教學(xué)，則可事半功倍，大大提高教學(xué)質(zhì)量。
3.2.1 多維立體教學(xué)。
隨著多媒體技術(shù)的應(yīng)用，課堂上老師大都使用ppt進(jìn)行教學(xué)，不停地播放幻燈片，授課信息量大，內(nèi)容多，但這種教學(xué)方法很容易忽視學(xué)生對(duì)內(nèi)容的理解和接受程度。多維立體教學(xué)，就是靈活使用現(xiàn)代教學(xué)手段，使用“多媒體+網(wǎng)絡(luò)+板書”的教學(xué)模式，采用多種方法展現(xiàn)抽象的知識(shí)點(diǎn)，在圖、文、聲、像等方面為學(xué)生提供直觀感受，讓他們?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)理解和接受大量的最新信息[4]。課堂上，可以充分利用多媒體放映ppt、圖片、動(dòng)畫和視頻等，課后學(xué)生可以登錄教學(xué)網(wǎng)站下載學(xué)習(xí)資料，通過網(wǎng)絡(luò)、論壇與老師進(jìn)行互動(dòng)交流。例如，在學(xué)習(xí)衛(wèi)星通信時(shí)，可以插入衛(wèi)星通信系統(tǒng)的圖片，播放最新衛(wèi)星通信的相關(guān)視頻等，讓學(xué)生直觀地理解相關(guān)內(nèi)容。
3.2.2 善于類比。
本課程設(shè)計(jì)很多的原理、概念，若只是將這些抽象的知識(shí)敘述出來則顯得枯燥無味，學(xué)生不易理
轉(zhuǎn)貼于
解，而將這些知識(shí)與現(xiàn)實(shí)生活中我們常接觸的事物做類比則可以很好地理解[6]。例如，在講解無線通信中電磁波按照傳播方向的分類時(shí)可以將其與臺(tái)球的運(yùn)動(dòng)做類比，如圖2所示，這樣將抽象的看不見摸不著的電磁波也可以很容易的知道它包括直射波、反射波、繞射波和散射波等。
圖2 臺(tái)球的運(yùn)動(dòng)
再如，在講解移動(dòng)通信中的切換技術(shù)時(shí)，切換包括軟切換和硬切換，什么是切換？什么是軟切換？什么是硬切換呢？同樣也可以采取類比的方法。假設(shè)你在一個(gè)工作崗位呆久了，由于這樣或那樣的原因，想調(diào)整一下，但你不能終端工作，直接變成空閑狀態(tài)，因?yàn)槟愫茉诤豕ぷ魉鶐淼氖找妫悴幌Ｍ@個(gè)收益中斷（切換的目的就是為了提供無中斷的數(shù)據(jù)傳輸）。根據(jù)崗位變動(dòng)時(shí)，交接工作地開展方式不同可以把崗位變動(dòng)分為溫柔換崗（類似于軟切換）和強(qiáng)行換崗（類似于硬切換）。溫柔換崗就是在和新的工作崗位進(jìn)行聯(lián)系時(shí)，舊崗位的工作也不已下載中斷，而是進(jìn)行相應(yīng)的交接工作；強(qiáng)行換崗就是和舊崗位徹底中斷，然后建立和新崗位的聯(lián)系。根據(jù)類比引出軟切換和硬切換的概念，學(xué)生就很容易理解了。
這種類比的方法不僅可以調(diào)節(jié)課堂氣氛，還可以深入淺出地將抽象難懂的知識(shí)讓學(xué)生在輕松地氣氛中理解并掌握。
衛(wèi)星通信基本原理范文第5篇
關(guān)鍵詞： 極化分離； 單脈沖； 低噪聲放大器； 船載衛(wèi)通站
中圖分類號(hào)： TN927?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）15?0055?03
Design of tracking and communication polarization separation device
in shipborne satellite communication station
ZHOU Jian?feng， BAI Yong?bo， HUANG Kun
（China Satellite Maritime Tracking and Control Department， Jiangyin 214431， China）
Abstract： The monopluse tracking mode is usually adopted in large?aperture shipborne satellite communication station. The output error signal is composed of the difference signals coupled with high?order mode and the sum signals from communication network through sum?difference network synthesis for demodulating and tracking. This mode required same tracking polarization and communication polarization， so it limits the application of satellite communication station. The basic structure of feed source network and the working principle of monopluse tracking are analyzed in this paper. The 2：1 low?noise redundancy control system was adopted instead of 1：1 low?noise redundancy control system. It can realize the tracking and communication polarization separation， and can track the A polarization beacon. The flexibility of shipborne satellite communication station was improved by flexible selection of A or B polarization transponder.
Keywords： polarization separation； monopulse； low noise amplifier； shipborne satellite communication station
0 引 言
現(xiàn)代通信衛(wèi)星為了提高頻譜利用率，一般均采取了極化頻譜復(fù)用技術(shù)，即通信衛(wèi)星可以在兩個(gè)信道采用同一頻率而互不干擾地傳輸兩組獨(dú)立的信息，兩組信道在極化方式上不相同，可以避免互相干擾。電波的極化有兩種類型，電場矢量在直線方向來回振蕩的電磁波稱為線極化波，固定振幅的電場矢量作圓周旋轉(zhuǎn)的電磁波稱為圓極化波，其中線極化波根據(jù)矢量直線運(yùn)動(dòng)方向又區(qū)分為垂直極化和水平極化，而圓極化波根據(jù)兩個(gè)分量的相位關(guān)系又區(qū)分為左旋圓極化和右旋圓極化[1]。
衛(wèi)星通信中一般發(fā)射和接收極化方式不相同，例如發(fā)射極化為垂直極化，則接收極化一般為水平極化，而通信衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器通常都具有A、B兩種極化方式，所謂A極化，對(duì)于線極化衛(wèi)星而言，是指發(fā)射水平極化接收垂直極化，對(duì)于圓極化衛(wèi)星而言，是指發(fā)射右旋極化接收左旋極化；所謂B極化，對(duì)于線極化衛(wèi)星而言，是指發(fā)射垂直極化接收水平極化，對(duì)于圓極化衛(wèi)星而言，是指發(fā)射左旋極化接收右旋極化，用于跟蹤的衛(wèi)星信標(biāo)信號(hào)也有兩種極化方式。相應(yīng)的衛(wèi)星通信地球站的定義則相反。
在某船載衛(wèi)通站中，為了適應(yīng)與不同衛(wèi)星通信的需要，天線具有雙線雙圓極化方式，可以根據(jù)需要靈活選擇，但是由于船載衛(wèi)通站在運(yùn)動(dòng)載體上工作，其對(duì)跟蹤精度有著較高的要求，一般大口徑天線均采用單脈沖跟蹤方式，而單脈沖跟蹤方式需要在靜態(tài)環(huán)境下對(duì)跟蹤接收機(jī)的相位進(jìn)行校準(zhǔn)，且同時(shí)只能對(duì)一種極化方式進(jìn)行校相，一旦需要在海上從A極化方式切換為B極化方式工作時(shí)，就需要重新校相，但在動(dòng)態(tài)條件下校相，目前還存在一定的困難，這樣就給海上通信帶來風(fēng)險(xiǎn)，本文分析船載衛(wèi)通站跟蹤的基本原理和饋源網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)組成，提出一種將跟蹤極化與通信極化方式分離的方法，可以提高系統(tǒng)工作的靈活性。
1 基本結(jié)構(gòu)與原理
某船載衛(wèi)通站采用雙線雙圓極化方式，采用單通道單脈沖跟蹤方式，其饋源網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)由TE21模耦合器、差模合成網(wǎng)絡(luò)以及頻譜復(fù)用網(wǎng)絡(luò)組成，差模耦合器由2個(gè)正交的TE21模分耦合器組成，4根耦合臂Ⅰ和4根耦合臂Ⅱ組成2個(gè)在極化上正交的TE21模分耦合器，分別輸出左旋極化信號(hào)和右旋極化信號(hào)，該信號(hào)稱為差信號(hào)，經(jīng)低噪聲放大器（該低噪稱為跟蹤低噪，也稱差低噪）放大后送入和差網(wǎng)絡(luò)。
在頻譜復(fù)用網(wǎng)絡(luò)中，主要包括收發(fā)線圓轉(zhuǎn)換器、極化面旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、正交模變換器以及雙工器等器件，其主要作用是進(jìn)行線圓轉(zhuǎn)換、極化角轉(zhuǎn)換以及收發(fā)信號(hào)的隔離。網(wǎng)絡(luò)可以同時(shí)輸出兩種極化方式的信號(hào)，對(duì)于發(fā)送端口而言，其接收來自高功率放大器的信號(hào)，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后通過天線將上行信號(hào)發(fā)送至衛(wèi)星，對(duì)于接收端口而言，其信號(hào)從網(wǎng)絡(luò)輸出后經(jīng)低噪聲放大器（該低噪稱為通信低噪，也稱和低噪）放大后，送入和差網(wǎng)絡(luò)與差信號(hào)進(jìn)行合成后，耦合成一路跟蹤信號(hào)送跟蹤接收機(jī)，一路下行通信信號(hào)送下變頻器等設(shè)備進(jìn)行通信。
跟蹤接收機(jī)系統(tǒng)主要作用是將天線饋源網(wǎng)絡(luò)中生成的方位誤差信號(hào)和俯仰誤差信號(hào)對(duì)和信號(hào)進(jìn)行歸一化并轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)，此信號(hào)送到天線伺服系統(tǒng)，由伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)天線朝誤差減小的方向運(yùn)動(dòng)，從而確保天線始終對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。
跟蹤接收機(jī)系統(tǒng)包括低噪放大器、和差網(wǎng)絡(luò)和跟蹤接收機(jī)，其中和差網(wǎng)絡(luò)安裝在天線上，其功能是完成和差信號(hào)的單通道合成。差低噪輸出的信號(hào)經(jīng)過隔離器后由0～π調(diào)制器調(diào)制為抑制載波的差信號(hào)，在合成網(wǎng)絡(luò)內(nèi)與和信號(hào)合成一路跟蹤信號(hào)送到接收機(jī)。和低噪輸出的信號(hào)在合成網(wǎng)絡(luò)內(nèi)耦合出一路作為跟蹤信號(hào)與誤差信號(hào)合成單通道，主信號(hào)經(jīng)過隔離后輸出至下變頻器用于通信[2]。跟蹤接收機(jī)系統(tǒng)工作原理如圖2所示。
2 存在問題
在工程實(shí)際中，為了提高系統(tǒng)可靠性，跟蹤低噪和通信低噪均采用1∶1熱備份方式工作，通過低噪控制器選擇一路低噪工作，而低噪信號(hào)輸入端一般固定接入在某一極化方式的端口上，例如，一般情況下，通信使用A極化信號(hào)，則和信號(hào)與差信號(hào)都接入右旋極化端口，這樣跟蹤A極化信標(biāo)，通信使用A極化轉(zhuǎn)發(fā)器，由于采用單脈沖跟蹤方式，在使用前需在碼頭靜態(tài)條件下進(jìn)行校相。系統(tǒng)連接關(guān)系如圖3所示。
圖3 1∶1低噪冗余倒換系統(tǒng)連接示意圖
但是這種連接方式存在的問題是使用不靈活，通信與跟蹤的極化方式必須相同，也就是說輸入和差網(wǎng)絡(luò)的兩路信號(hào)極化方式必須相同，因?yàn)橥ㄐ诺驮胼敵龅男盘?hào)需送入合成網(wǎng)絡(luò)耦合出兩路信號(hào)分別用于跟蹤和通信，當(dāng)需要從A極化轉(zhuǎn)發(fā)器更換為B極化轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)，就必須要更換天線上的線纜，將跟蹤低噪和通信低噪的輸入信號(hào)從右旋極化端口更換為左旋極化端口，更換電纜后，由于電纜接口緊固程度不相同，會(huì)導(dǎo)致和差通道相位發(fā)生變化，必須要重新進(jìn)行校相，這樣就限制了B極化轉(zhuǎn)發(fā)器的使用范圍，即要進(jìn)行A/B極化方式切換，必須要在碼頭靜態(tài)條件下進(jìn)行，否則無法進(jìn)行跟蹤，但在實(shí)際工作中，由于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器資源有限，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)A極化轉(zhuǎn)發(fā)器難以租用的情況，需在動(dòng)態(tài)環(huán)境下切換到B極化方式工作，但由于無法進(jìn)行靜態(tài)的校相，更換為B極化后天線無法跟蹤衛(wèi)星，從而無法使用，這樣就給船舶通信帶來困難。
3 優(yōu)化設(shè)計(jì)
從A極化通信方式改為B極化通信方式，對(duì)于上行鏈路而言，只需要對(duì)高功率放大器輸出的信號(hào)進(jìn)行切換即可，不存在限制，但對(duì)下行鏈路而言，現(xiàn)有的連接方式要求通信與跟蹤極化方式必須相同，需要更換和差通道線纜，從而導(dǎo)致更換B極化后需要重新校相，限制了B極化轉(zhuǎn)發(fā)器的使用。因此，為了解決該問題，可以考慮將通信與跟蹤極化方式分離，即允許跟蹤和通信采用不同的極化，這樣會(huì)避免更換通信極化方式后對(duì)跟蹤方式的影響。當(dāng)跟蹤與通信均采用A極化時(shí)，仍采用現(xiàn)有連接關(guān)系不變，當(dāng)需要B極化通信時(shí)，跟蹤仍采用A極化方式，但通信使用B極化方式，即采用A極化跟蹤B極化通信方式工作，其連接關(guān)系如圖4所示。
圖4 2∶1低噪冗余倒換系統(tǒng)示意圖
與原有系統(tǒng)相比，跟蹤低噪仍采用1∶1系統(tǒng)，但通信低噪改用2∶1系統(tǒng)，通信網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)極化的信號(hào)均輸入到低噪中，輸出兩路極化信號(hào)分別至和差網(wǎng)絡(luò)和下變頻器設(shè)備，在這種方式下，跟蹤接收機(jī)可以固定跟蹤A極化信標(biāo)，而通信設(shè)備則可根據(jù)需要采用A極化或B極化方式通信，若采用A極化方式，則采用和差網(wǎng)絡(luò)輸出的下行信號(hào)接入下變頻器，若使用B極化方式，則采用通信低噪直接輸出至下邊頻器的信號(hào)，切換時(shí)只需要更換下行線纜即可，無需重新校相，可以大大提高衛(wèi)通站使用的靈活性。采用2∶1系統(tǒng)后，備份的低噪同時(shí)作為在線兩路低噪的備份，任意一路低噪故障時(shí)可以切換到備用低噪工作，可以提高系統(tǒng)可靠性。
要實(shí)現(xiàn)跟蹤與通信極化的分離，除了使用2∶1冗余低噪系統(tǒng)外，還可以采用兩套1∶1冗余低噪系統(tǒng)，即跟蹤使用一套1∶1冗余低噪系統(tǒng)，通信采用兩套1∶1冗余低噪系統(tǒng)，采用這種方式后系統(tǒng)可靠性更高，通信所使用的A極化信號(hào)與B極化信號(hào)是完全獨(dú)立的，但是這種方式帶來的問題是安裝所需要的空間較大，由于船載衛(wèi)通站為了實(shí)現(xiàn)全過頂無盲區(qū)跟蹤，一般采用A?E?C三軸結(jié)構(gòu)，其高頻箱尺寸相對(duì)較小，通信網(wǎng)絡(luò)及低噪放大器均安裝于高頻箱內(nèi)，低噪放大器由于采用波導(dǎo)連接且中間有轉(zhuǎn)換關(guān)節(jié)，因此尺寸較大，對(duì)安裝空間有一定的要求，而采用2∶1系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于其安裝尺寸與1∶1系統(tǒng)相比增加不多，但是可實(shí)現(xiàn)兩路極化信號(hào)的輸入，可能的影響是A、B兩路極化信號(hào)之間相互干擾對(duì)通信帶來影響，下面對(duì)該問題進(jìn)行分析。
A、B極化信號(hào)之間相互干擾帶來的影響就是對(duì)交叉極化隔離度指標(biāo)的影響，船載衛(wèi)通站交叉極化隔離度的指標(biāo)要求一般為大于30 dB，采用2∶1系統(tǒng)時(shí)，A極化信號(hào)和B極化信號(hào)分別采用不同的波導(dǎo)倒換開關(guān)輸入輸出，而普通射頻倒換開關(guān)的隔離度可以達(dá)到大于40 dB，可以滿足極化隔離度的要求。因此，采用2∶1低噪冗余倒換系統(tǒng)可以滿足使用要求。
4 結(jié) 語
船載衛(wèi)通站相比一般固定衛(wèi)通站而言，其組成更為復(fù)雜，工作方式更為靈活，采用1∶1低噪冗余倒換系統(tǒng)時(shí)，跟蹤極化方式與通信極化方式必需相同，而單脈沖跟蹤方式又要求船載衛(wèi)通站更換信標(biāo)后需要在靜態(tài)條件下重新校相，因此這就限制了船載衛(wèi)通站在動(dòng)態(tài)條件下進(jìn)行通信極化轉(zhuǎn)換，通過分析船載衛(wèi)通站的饋源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)工作原理，本文分析了限制動(dòng)態(tài)進(jìn)行極化轉(zhuǎn)換的原因，提出了將跟蹤極化與通信極化相分離的方案，采用2∶1冗余低噪倒換系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)跟蹤與通信極化的分離，從而解決了動(dòng)態(tài)條件下進(jìn)行通信極化轉(zhuǎn)換后無法跟蹤的難題，并結(jié)合工程實(shí)際分析采用兩套1∶1系統(tǒng)與采用2∶1系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，以及采用2∶1系統(tǒng)后對(duì)通信性能的影響，為工程實(shí)現(xiàn)提供了解決方案。
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