卫星通信概论十篇

卫星通信概论篇1

作者简介：鄢建国（1980-），男，湖北仙桃人，副教授，研究方向为卫星大地测量。

《卫星导航定位技术》是面向地理信息系统、遥感专业研究生的一门专业选修课。该课程内容覆盖面广，授课内容包括卫星导航定位系统发展现状与趋势、卫星导航定位基本原理与算法、时间与坐标系统基本理论、导航定位误差源、周跳与整周模糊度解算，以及测量数据模型及其组合。卫星技术应用广泛且发展迅速，考虑到学生的专业背景以及知识需求，对课程的教学模式进行了深入思考，以区别于常规的逐课讲授，达到最佳的教学效果。

1 课程的教学目的

该课程的主要授课对象为地理信息系统和遥感专业的研究生，学习该课程的目的是加强对卫星导航定位系统的了解与认识，为研究工作中涉及到的导航定位技术问题提供基础。基于这一考虑，授课中以基本概念、基本原理为重点，介绍卫星导航定位系统的研究现状与趋势，以及与相关学科的结合。在这一课程的讲述中，以最成熟的全球定位系统（GPS， Global Positioning System）为例进行了讲解。

2课程的主要内容

卫星导航定位系统内容庞大，涉及到了大量的几何大地测量和天文学的基本概念，非大地测量专业的学生在学习过程中有一定困难。为了使学生能较好地掌握授课内容，在教学上依照“以点带面、前后呼应”的原则。依照这一原则，将授课内容分为以下几个部分：

1. 卫星导航定位系统发展现状与趋势。该授课内容为一综述性质，目的是扩展学生的知识面，同时激发学生对这一领域的兴趣与爱好。在讲解是，重点讲述了卫星导航定位系统在导航和定位两个领域中的应用。导航针对的用户为低精度用户，在不同的载荷平台，比如手机、车辆、无人机等有广泛的应用。以手机用户为例，通过实时定位，可以和电子地图结合起来进行导航，这与地理信息系统专业的学生研究方向较为吻合。对于定位则主要给出了国家陆太网络、三峡大坝形变监测、地震监测等例子，突出了导航定位系统在当今地球科学中的广泛应用和重要地位。最后对GPS之外的卫星导航系统，包括俄罗斯的GLONASS系统，欧洲的GALILEO系统和我国的北斗系统进行了较为详细的介绍，让学生对当前的卫星导航系统有更为深刻的认识；

2. 时间与坐标系统。这一部分是大地测量学科和天文学的基本理论知识，具有重要的地位。对这一部分的讲解主要是弥补非大地测量专业学生在该知识点上的不足。对于大部分地理信息系统和遥感专业的学生来说，接触到的时间系统局限于北京时，坐标则为我国北京54或西安80坐标系统。在授课中，对时间系统进行了系统的描述，以恒星时和太阳时进行了分类，给出了平时间系统和瞬时时间系统的转换关系，以及基于天文观测的时间系统和原子时标的融合。通过这一部分的介绍，学生能对时间系统建立较为系统的认识。对坐标系统的讲解类似，在讲解中，同时贯穿描述坐标系统转换中需要的转换参数的求解，以及卫星导航定位系统在其中起到的作用，以加强学生对导航定位系统科学应用的感性认识；

3. 测量模型与观测值组合。以卫星导航系统发射的载波和伪距信号为例，讲解了卫星导航定位的基本工作原理，让学生建立基于卫星开展导航定位的基本算法模型。通过伪距给出的简单定位模型，引入载波相位的测量模型。结合无线电信号的传播特征，给出了周跳和整周模糊度的概念，让学生明确了卫星导航定位的优势，以及需要客服的难点。基于单个卫星和测站测量模式的介绍，推广给出了卫星和测站之间的差分组合测量模式，建立了不同组合模式具有的优缺点。同时，给出了不同频率和不同测量类型（伪距测量和相位测量）之间的组合。通过这一部分的讲解，可以让学生建立清晰的定位的概念，同时引出问题，为后续授课做好铺垫；

4. 误差模型修正以及周跳和整周模糊度解算。在前面授课的基础上，针对高精度导航定位，给出了不同类型的误差，以及相应的模型修正。卫星导航定位中最主要的误差源包括接收机、卫星钟差和传播路径时延。结合信号传播特征，给出了电离层和对流层的误差影响特征以及模型修正公式，同时呼应测量值组合中消除电离层的内容，通过这种前后呼应的授课模式，加强学生对授课内容的理解和掌握。针对高精度卫星导航定位数据处理中的核心问题，周跳探测与整周模糊度修复，进行了较为细致的讲解。考虑到学生的背景，侧重讲解了解算方法的原理和实现方式，弱化了复杂的数学理论部分。

除了以上四个核心部分之外，还穿插安排了讲座报告，进一步拓展学生的视野。教学实践表明，基于“一点带面、前后呼应”的原则，在授课中通过给出一个关键的知识要点，在此基础上进行拓展，同时在不同授课内容中前后呼应，实现了学生对该课程的基本概念、基本原理的顺利掌握，对卫星导航系统有一清晰的认识，达到了较好的教学效果。

3 授课模式改进

对非大地测量专业的学生而言，单纯的基础理论授课显得较为枯燥，对于知

识的接受和掌握会带来困扰。基于这一考虑，我们在授课中采用了以下两个方式来激发学生的学习兴趣，以进一步提高教学质量。

1. 结合授课内容和学生专业背景，邀请领域专家做报告

通过邀请领域专家做专题报告，是激发学生的学习兴趣，了解该领域最前沿的研究问题和研究热点的重要途径。考虑到卫星导航定位系统在不同领域中的广泛应用，我们邀请了研究南极动力学的专家，做卫星导航定位系统在南极科学中的应用的报告。该报告给出了GPS在南极Dome A地形测量和冰流速测量中的应用，以及取得的重要成果，同时给出了GPS在南极气象、电离层、遥感影像等中的应用，有效地激发了学生的兴趣。

卫星通信概论篇2

关键词：卫星通信；发展现状；概述

中图分类号：TN927.23 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 (2012) 10-0251-01

一、卫星通信概述

卫星通信是一种微波中继通信，作为中继站，与发、收信地球站共同组成卫星通信链路。

目前的卫星通信系统，主要有固定业务的卫星系统(FSS)，移动业务的卫星系统(MSS)，和广播业务的卫星系统(BSS)，它们的组成部分不全都是相同的。一般的卫星通信系统是由空间阶段和地面阶段两个范围组成的，其中控制和管理卫星的检测站包含在空间段部分内。

卫星通信是指航天器与地球站之间或者地球站相互之间借助通信卫星转发器而进行传输的无线电通信,它主要涵盖卫星移动通信、卫星固定通信、卫星中继通信和卫星直接广播等四大领域。卫星通信技术是现代通信技术不断发展的重要成就,也是航空航天技术运用到实践中的重要方面。它具有容量大、覆盖面广、频带宽、稳定性灵活性强等优点。四十多年以来,它在国际国内通信、军事民用通信等领域得到了比较广泛的应用。

卫星通信网络是指通过人造地球卫星作为传播无线电波的中继站，从而达到两个及其以上的地面站之间进行相互通信的网络。其中，地面站也称为地球站，是指设置在在地球表面上的通信站点。通信卫星起到了一个传输无线电波的作用。卫星通信网络按照转发时间的长短，可分为立即转发式通信网络和延迟转发式通信网络。当卫星的运行轨道处在低轨道运行时，相对地面站来说，需要进行远距离的实时的通信，这时除了采用延迟转发方式之外，同时也可以利用多颗低轨道运行的卫星进行转发，这种网络就是一般所指的低轨道移动卫星通信网络。

二、国外卫星通讯技术发展概述

近年来，国外的卫星通信技术无论是在军事还是商业领域都有了长足的发展，有新型质量高、功率大、寿命长的卫星不断发射升空。目前世界最先进的卫星通信技术仍然被包括波音、劳拉、洛马、阿尔卡特以及休斯等美国和欧洲的几大实力雄厚的卫星制造商所掌握。欧洲为了缩短与美国的差距，正在努力研制新一代的大型通信卫星平台阿尔法舱。俄罗斯则是通过与欧洲和日本的国际合作的方式来大力推进本国卫星通信技术的发展。

毋庸置疑，美国是目前世界上通信卫星技术水平最发达的国家，其通信卫星技术发展计划已经进行了很长时间，并且在军事、商业等领域都已经形成了系列化的技术先进的卫星产品。目前其通信卫星计划主要包括美国国防部的转型卫星通信系统(TSAT)计划、空军宽带填隙卫星(WGS)计划和先进极高频(AEHF)卫星计划以及海军移动用户目标系统(MUOS)计划等。

在欧空局公布的未来通信卫星发展计划中，计划在2001-2010年间将逐步提高16-30kw的卫星比例，计划达到30%，而8-16kw的卫星比重达到40%，这些成果目前已经基本完成，这标志着欧洲通信卫星向着超大功率的方向不断发展。

俄罗斯于2006年公布了《俄联邦2006-2015年航天规划》，计划在这10年中，俄罗斯计划将与欧洲和日本联合建设并发射13颗通信卫星，其中的8颗则是属于快讯系列卫星。

在俄罗斯公布的一份关于俄罗斯通信业发展的报告中，俄罗斯的航天局对其未来10年（2010-2020年）通信卫星技术的发展趋势进行了预测。其内容大致包括以下：要掌握微波波段和光学波段技术进行相关项目；构建小型和中型卫星的低速率网络；宽带卫星通信利用大型卫星；在通信卫星上进行全部的信号处理；大力提高太阳电池的转化率。

三、国内卫星通讯技术发展概述

近些年来随着科技技术的发展，现代小卫星技术取得了长足的进展，这对我国航天技术发展和卫星技术的应用提出了更高的要求，国内的一些科技公司如中科院下属的所和厂、中国航天科技集团以及国内的许多大专院校如清华大学、北京大学、哈尔滨工业大学、成都电子科技大学等研究人员都对航天编队飞行星座系统的项目进行了大量的研究，其中有的对航天编队飞行星座系统提出了初步设想，并进入了专题项目的研究阶段，有的已经取得了明显的成果，如编队卫星的跟踪切换技术，激光终端机、单片微波集成接收机等问题已在实验室中得到很好的解决了，但这些与国外发达国家如美国、俄罗斯的星间通信技术相比，仍有不小的差距。

目前国内在这方面取得的比较明显的成果主要有以下几个方面：2004年4月19日，由哈工大牵头研制的“试验卫星一号”成功发射，并搭载了一颗科学实验小卫星“纳星一号”。“试验卫星一号”主要用于资源测量和环境监控，它是我国成果研制的第一颗传输性立体的测绘小卫星。而“纳星一号”是我国研制的首颗纳型卫星主要用于研究开发纳型平台测试和进行航空航天的高技术演示。

由中科院上海小卫星工程部进行的“创新一号”卫星研究项目中，以星上计算机一体化设计、低轨小卫星扩频通信等关键问题的解决为重点，并进行低轨道小卫星之间数据通讯的关实验，以解决存储转发通信的问题。

哈尔滨工业大学以解决星间激光通信和卫星编队飞行而进行的双星编队飞行项目也取得了很大进展。

参考文献：

[1]熊群力,姜康林.航天编队飞行星座的星间通信[J].无线电通信技术,2004,30(1):1-8

卫星通信概论篇3

运载火箭初始阶段研究工作

据zeenews网站2月25日报道，印度空间研究组织主席奈尔称，建造可重复使用的运载火箭（RLV）的工作已经进入研发工作的初始阶段。

作为可重复使用运载火箭概念的第一步，印度已经设想了一个可完全重复使用的二级运载火箭概念，该火箭拥有10吨低地球轨道运载能力。第一级是带翼箭体系统，可上升100千米左右高度，几乎达到轨道速度的一半。燃烧后，第一级再入大气层，像飞机一样水平着陆机跑道上。第二级释放有效载荷后再入大气层，利用安全气袋降落海面或陆地上，进行回收。奈尔表示，这仅是概念设想阶段，未来将开发许多先进材料、推进控制等方面的技术。为了验证可重复运载火箭技术，印度正在考虑制造一个小比例试飞载具。奈尔称，演示器任务要求的一些技术将包括带翼箭体结构超音速飞行的航空热力学、使用可重复使用热防护系统、先进轻型材料、自主导航、引导与控制系统着陆装置等。

洛・马将建造第三代GPS星群

由美国洛克希德・马丁公司设计建造的第二代GPS星群(Block IIR)为美军方及世界范围的民用客户提供了精确导航服务，首颗卫星于1997年7月23日成功发射。目前这28颗卫星的星座中有13颗运行的Block IIR卫星，包括首颗现代化的IIR卫星，该卫星对新增的军事、民用信号进行在轨试验后，近期将全面运行，为全球用户提供服务。目前，洛・马正在执行交付8颗IIR-M卫星的合同。第二颗现代化的GPS IIR-M卫星预计2006年从卡纳维拉尔角发射，第三颗已经交付存储，预备2006年晚些时候发射，第四颗卫星正在进行集成与试验。此外，公司还领导团队竞标建造第三代GPS，即Block III。新计划将面临全球军事转型及民事需求的挑战，包括改进型反干扰性能、提供系统安全与精确度以及可靠性。Block III将增强天基导航能力与卫星性能，并为定位、定时服务确定一个新的全球标准。

Swe-Dish将为

瑞典军队提供卫星通信装备

据spacenewsfeed网站报道，Swe-Dish公司已被选作FA150T 军用便携式系统的供应商， 该设备将用于瑞典海陆空三军网络之中。瑞典防卫物资管理局(Swedish Defence Material Administration)选择Swe-Dish公司制造的新型卫星通信装备已于2005年底交付，FA150T 军用便携式系统便于运输，并能够很快配置卫星地面终端。这种轻型天线设计经过优化能够减小尺寸、加大功率，且不影响能量和耐久力。FA150T 军用便携式系统是世界上最小型的经美国国防部信息系统局（DISA）认证的三频带终端，并能够在Ku、X和C波段上运作。

洛・马将为美国空军

建造第三颗AEHF卫星

洛克希德・马丁公司（洛・马）日前获得一份4.91亿美元的合同，为美国空军先进极高频（AEHF）计划建造第三颗卫星。先进极高频卫星将为服务于美国防部的作战人员提供高可靠性的、具有防护和抗干扰能力的全球通信。先进极高频系统是军事星系统的后继系统，它将比军事星卫星提供更大的容量和更高的数据传输率，从而能够进行战术军事通信，例如传送实时视频、战场地图和瞄准数据。首颗先进极高频卫星的开发正按计划进行。近期首颗卫星的核心结构已经送往洛・马太空与技术中心，准备与推进子系统进行集成。第二颗卫星即将建造完成。

Sirius 去年四季度

用户数量与亏损均增加

卫星广播服务业的领头羊Sirius Satellite Radio公司日前公布了2005年第四季度财报，结果由于营销成本的增加，公司在四季度的亏损更大，但是由于电台主持Howard Stern新开了一台广播节目，公司的付费用户数量迅速增长。Sirius公司公布的第四财季结果为：公司净亏损3.114亿美元，或每股净亏损23美分；在2004年同期，公司净亏损为2.619亿美元，或每股净亏损21美分。

质子号火箭发射未被禁止

据外电报道，俄罗斯联邦航天局长称，尽管3月1日的发射中火箭上面级出现故障，未能将ArabSat卫星送入预定轨道，但根据遥感勘测数据的分析显示，仍有机会将卫星送入轨道，并使用近两年。俄罗斯航天局3月3日又称，国家委员会要求调查引起“质子”号火箭发射失败的原因，并于3月30日之前完成。俄罗斯航天局一再重申不需要禁止“质子”号发射，下次发射定于5月进行。

五大航天局长

将聚会讨论空间站建造工作

卫星通信概论篇4

关键词：卫星；数字传输；广播电视；DVB-S2

中图分类号：TN943 文献标识码：A

1.概述

随着时代的发展，科技的日新月异，我们国家早已既“东方红1号”之后发射了“东方红2号”、“亚洲1号”、“亚洲2号”等卫星供我国卫星广播事业所用。“东方红1号”是我国进入卫星广播时代的标志，最后一个上星的省级台是1999年10月海南省电视台节目，自此所有的省台节目都可以通过卫星播送给广大观众。信息技术迅猛发展，通信行业与科技的融合使电视广播产业整体发生了变化，数字电视应运而生，它在电信之后成为引爆IT产业的又一热点话题。在半导体、电子信息技术后，电子行业在数字电视的带领下跨入了新时代。我国卫星广播的发展之路现今已经完成了从C频段向Ku频段、从模拟到数字、从转播到直播的3个过渡，但在很长一段时间内，还是会由C频段向Ku频段并存、收转和直播并存的局面，而且还有等待我们加倍努力要实现的从非广播电视专用卫星到专用的转变。

2.数字卫星广播传输标准概述

当前数字卫星广播的传输标准有美国的ATSC（Advanced Television Systems Committee）、日本的ISDB（Integrated Services Digital Broadcasting）和欧洲的DVB（Digital Viideo Broadcasting）3种，下面着重介绍DVB标准。DVB标准采用MPEG-2的压缩技术，它包含数字有线电视DVB-C、数字卫星电视DVB-S、数字地面电视DVB-T。为了有良好的抗干扰及抗噪声性能，DVB-S使用QPSK正交相移键控的调制方式，并采用RS码月卷积码级联的向前纠错的方法，使卫星转发器对信号的处理达到最优。在此基础上发展出来的DVB-S2标准，与DVB-S不同的是采用了ACM自适应编码调制方式，使用基于LDPC（Low-Density Parity-Check）的BCH（Boss-Chaudhuri-Hocquenghem）的前向纠错方法，使DVB-S2有了更强大的工作效率。

3.基于DVB-S2的数字卫星电视传输系统概述

数字卫星电视传输系统通常由以下4部分组成：上行发射站、广播卫星与设备、测控站和卫星地面接收站，其中基于DVB-S2的数字卫星电视传输系统是其重要组成部分，数据流通过基带扰码进行信号随机化处理，再经过FEC（Forward Error Correction）信道纠错编码之后，通过星座映射将bit流转化为符号流分层装入物理层帧中，进行基带滤波和正交调制及上变频形成微波射频信号，最后经过功率放大器由天线发射。（1）基带扰码。数字化设备都是处理“0”与“1”两个码元之间的关系来提取其中信息的，为了不在信号频谱中产生离散谱线、不因为系统非线性导致的谐波干扰，就要进行基带扰码。数字信号进入扰码器打乱连续出现的码元，并使二者统计概率各为约50%，在基带扰码过程中用线性反馈移位寄存器扩展信号功率谱，这样能够使信号更具有隐蔽性、抗干扰性及抗衰减性。（2）FEC编码。在数字信号中，为了防止外界信号干扰，保护信号不变异，要进行多重的纠错码设置。数字信号在解码过程中对错误信号十分敏感，每秒钟只要有非常小的误码就无法正常解码。而数字卫星信号之所以能顺利播放，又是得益于数字信号中的纠错码的设置。采用前向误差校正FEC方法，是为了降低数字信号的误码率，提高信号传输的可靠性。数据流一般包括ES流、PES流、TS流，ES流也叫基本码流是包含视频、音频或数据的连续码流；PES流也叫打包的基本码流，是将基本码流ES流根据需要分成长度不等的数据包，并加上包头就形成了打包的基本码流PES流。TS流也叫传输流，是由固定长度为188字节的包组成，含有独立时基的一个或多个节目，适用于误码较多的环境。（3）星座映射。在DVB-S2标准中，规定了4种调制方式，这4种格式的调制阶数为：QPSK（2bit/sHz）、8PSK（3bit/sHz）、16APSK（4bit/sHz）、32APSK（5bit/sHz）。QPSK为四相位移键控，一般可以看成正交的两路传播，一路I支路、一路为Q支路。输入的比特流分别映射成I/Q路的幅度信息，然后进行I/Q路调制，得到正交两路数据。为了和四进制载波配合，需要变换调制器输入的二进制数据为四进制，而二进制数据有4种组合即00、01、10、11，两两组合后分别代表四进制的符号。（4）物理层帧简介。完成星座映射后，数据被封装成物理层帧输出。DVB-S2物理层帧头由帧起始位置和物理层信令编码组成，后面是需要传输的有效数据。帧起始位置SOF顾名思义用于识别帧起始位置由26个二进制符号组成；信令编码PLSCODE长度为64个二进制符号，包含帧数据域调制方式、编码速度、导频是否存在等信息。

结语

世界各国的数字卫星电视传输技术发展前景广阔，由于数字卫星通信的信号质量好、覆盖面又较为广泛，从长远来看成本低，这些优点都使数字卫星电视传输的发展成为必然。与传统的广播电视传输相比较而言，卫星传输不受地理条件的限制，特别是传输容量大而且在压缩技术有了进一步发展前景后，卫星传输的优势更为明显。本文简要介绍萝数字卫星电视传输在我国的发展及基本知识，希望能为更深的技术研究提供理论支撑。

卫星通信概论篇5

关键词：卫星 导航系统 完好性 监测

中图分类号：P228 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）05-0130-02

1 卫星导航系统完好性概述

卫星导航系统完好性发展主要经过了以下四个阶段：第一阶段（1993～1994年）：1993年美国国防部开始对卫星导航系统完好性进行探究并基于上述体系中的安全性防范要求形成了SPS Singnal Specification。该卫星导航系统完好性文档实现了对卫星导航系统功能的全面展示，从不同指标方面对系统中的各项内容进行了细化描述，提升了完好性分析的评价效益。第二阶段（1995～2001年）：该阶段仍以SPS Singnal Specification文档为主但对其进行了一定修改。该文档中没有对Integrity内容进行明确，整体与1993年版差异不大。第三阶段（2001～2008年）：2001年美国依照自身技术发展状况对SPS Singnal Specification进行调整，形成了SPS PS文档。该文档不仅对RAIM进行明确，还定义了Integrity，整体内容标准发生明显转变。SPS PS文档在常规的基础上加入了服务性指标的自信内容，可靠性大幅上升。第四阶段（2008年以后）：该阶段SPS PS文档将SPS SIS作为核心标准内容，形成了完整的指标概念和连续性概念，完好性机制得到本质性提升。

2 分层卫星导航系统完好性分析

2.1 层次结构角度分析

从层次结构角度对卫星导航系统完好性进行划分时可以分为服务层和SIS层两大方面。服务层完好性主要指卫星导航系统在使用过程中对完好性故障问题的监测效果，是否能够达到准确警告提升服务安全质量；SIS层完好性主要指卫星导航系统是否能够对SIS中的内容进行全方面把握，在通讯范围内实现完好性故障监测及准确警告。

服务层完好性是在数据告警限值参数及告警风险参数的完好性状况，该内容体系层次非常庞大，完好性内容结构主要包括以下几方面，具体见图1。卫星导航系统需要及时对各项告警内容进行，通过服务内容中的水平告警限值、垂直告警限值、告警时间限值、告警内容限值等完成各项告警成功效果的改善，达到对风险的降低。尤其是在完好性风险中，卫星导航系统可以通过风险概率发生的可能性达到各项服务障碍的确定，从而检测系统是否存在问题，达到对问题的控制效果。上述参数在计算的过程中可以通过RAIM算法完成数据处理，从而确定AL、TTA、IR参数，提升故障监测效益。

SIS层完好性主要是在SIS信息采集、分析和处理上实现的置信度数据控制内容，可以有效提升对SIS层中问题警告的及时性和有效性。SIS层在正常运行的过程中能够从服务故障改良中对瞬时URE超出门限状况后告警概率的分析提升系统告警效益，从而改善卫星导航系统完好性指标；能够从告警时间中的各项电文操作完成告警信息提取，形成连续且动态变化的故障响应；能够在SIS URE NTE门限上提升测距精度，建立合理边界值数据，提升告警的可靠性；能够从告警标志中完成Alarm及Warning型告警，对SIS系统状态进行显示，从而降低卫星导航系统完好性问题发生的概率。

2.2 故障模式角度分析

故障模式角度分析主要是从卫星导航系统故障问题着手，依照故障问题产生的原因实施对应处理策略，从而保证各项故障信息能够得到有效解决。卫星导航系统完好性故障主要存在于信号层、服务层两方面。上述层次的完好性主要是由卫星描述数量的不同而作为主要故障分析依据，从而形成故障模式分析体系。以下笔者就上述层次的完好性故障产生因素进行深入探究。（1）信号层完好性故障产生的原因分析：影响卫星导航系统信号层完好性的因素包括许多中，可能是由于空间运动中各项数据准确性降低、故障源中信息状况转变等。部分接收机可以通过误差的分析达到各项故障的监测，以RAIM实现故障分析，例如控制段中问题上数据失误、空间段数据失误等。（2）服务层完好性故障产生的原因分析：造成该故障的因素主要包括SIS服务故障、空间卫星构型转变、卫星时钟和星历故障等几方面。这些因素可以造成卫星导航系统在使用的过程中无法及时对定位准确性进行有效告警，告警限值出现明显误差。严重时甚至造成定位结果无法使用，导致系统无效。

3 卫星导航系统完好性监测机制

3.1 基于用户段完好性的系统监测

接收机可以在接收到系统中的故障信息后自动依照固定逻辑处理方式完成完好性判断，依照判断结果对用于进行警告，让用户了解到定位解算的有效性、准确性和可靠性，从而提升用户段完好性监测控制质量，降低系统风险系数。基于用户段完好性的系统在监测的过程中接收到告警信息后在规范时间阶段内产生对应措施，在TTA规定指标中有效提升了完好性控制效益。

该系统在监测过程中将导航中的电文标志作为主要依据，通过标志中ICD文件指标实施电文分析性，从而达到系统完好性监测要求。但是当前卫星导航系统完好性控制中并没有过多设置自我保护措施，用户段完好性监测手段还有待提升。

3.2 基于控制段完好性的系统监测

控制段接收到SIS指标后可以第一时间完成性能故障判断并通过相应措施达到控制，从而提升卫星导航系统完好性效益，提升故障控制效益。当前基于控制段完好性的系统监测主要包括以下几方面内容：（1）通过导航电文达到体系上传，实现监测处理：该处理中主要从SIS服务层次出发，依靠导航电文达到性能偏移的转变。（2）通过SatZap命令实现传输，提升命令效益：该处理的过程中主要通过RPN指令完成C/A指标替代及处理，实现卫星体系的跟踪，从而达到SIS URE系统影响的控制。通过SatZap命令可以明显消除导航电文中出现的干扰现象，完好性指标可以得到进一步改善，但该命令无法对SIS进行及时跟踪。（3）通过非标准码的转发处理，提升命令效益：该处理方式以非标准码实现系统完好性提升，与SatZap命令效果一致。

在基于控制段完好性的系统运行过程中可以通过完好性预警措施的构建提升监测的实用性，以不同途径达到完好性与可用性之间的协调，最大限度提升卫星导航系统完好性指标。

3.3 基于卫星在轨的监测与干涉

卫星在轨系统主要通过在轨自主监测实现对作用于SIS性能的指标信息的采集、分析、控制，从而及时发现SIS性能的影响指标，对故障信息及时预警。除此之外，在上述过程中卫星在轨系统还可以依照预警信息进行逻辑处理，从逻辑分析形成最佳干涉方案，提升卫星导航系统的完好性，停止故障导致的SIS系统恶性循环。

卫星在轨监测及分析的过程中系统在监测到故障信息后通过非标C/A码对其进行预警，在各个子系统形成对应的导航电文。系统在接收到相关导航电文后能够依照0/1信号交替编码方式向GPS Block IIA、IIR以及IIR-M卫星发出告警信号，从而完成发播，实现故障纠正。

3.4 基于信号层的告警监测及时间分析

常规卫星导航系统在发现故障后告警时间需要在10s之内。当前卫星导航系统在工作的过程中出现故障后一般讲10s作为SISURE超过NTE门限后的信息发生最大时间延长周期，即在10s之内需要完成预警和告警，将告警信息发送到系统中完成信息接收。该过程中的监测要可以从不同指令时间出发，实施对应监测控制和分析。

基于信号层的告警监测过程中从告警时间上分析的过程中首先对导航系统应用内容进行确定，依照用户对系统的完好性需求分析形成对应告警时间指标的制定。然后在上述内容上对对应的指令环节进行设置，计算告警时间限值并对其进行验证，保证告警时间的有效性。最后要对其进行模拟应用，对该告警时间内的完好性监测效益进行模拟分析，适当调整告警时间。

4 结语

随着信息技术和控制技术的提升，卫星导航系统完好性监测已经得到了本质上的转变，各项监测内容逐渐完善，对工业领域和科学领域发展具有非常重要的作用。卫星导航系统完好性指标在应用的过程中要形成层次化监测结构，依照不同算法对完好性风险进行评估，从而确定最佳监测限值，提升监测的有效性和可靠性。

参考文献

[1]李作虎.卫星导航系统性能监测及评估方法研究[D].信息工程大学，2012.

卫星通信概论篇6

关键词：GNSS接收机；失锁重捕；位同步；帧同步

中图分类号：TN967 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）29-0167-03

随着我国北斗事业的快速发展，导航定位服务在人们日常生活中占据越来越重要的位置。卫星发射信号，GNSS导航接收机需要对信号进行捕获，跟踪，然后对数据进行位同步，帧同步处理，进而解析导航电文，得到卫星星历，伪距离等信息进行定位解算。不过，很多时候，由于建筑物遮挡了卫星信号，造成接收机通道的卫星信号失锁，当多颗卫星卫星信号被遮挡，会造成定位中断。在众多的导航芯片中，重捕获定位时间也是接收机重要的指标。比如，UBLOX芯片公司的重捕获时间大概在1秒左右，由于这涉及核心技术，这方面的具体算法并没有公布。针对这种情况，本文对失锁重捕获进行了比较深入的研究，提出一种GNSS接收机在失锁重捕下位边缘和帧同步判断的方法，国内大部分论文只是针对GPS接收机失锁重捕做仿真分析，本文对GPS和北斗模块用天线进行实时信号接收处理，接收机失锁跟踪成功到定位只需要1秒。

图1 失锁重捕获下接收机再次定位原理图

本文研究基于ALTERA公司的FPGA开发板DE2115搭建硬件平台，用天线接收实时的卫星信号，在PC上进行实时处理GPS和北斗信号，实时解算卫星和用户的PVT信息。冷启动[1]，在没有任何有用的信息时，用户接收机进行三维定位需要30秒以上的时间，针对接收机失锁情况下重新定位，施行提出一种失锁重捕情况下的GPS接收机快速帧同步方法[2]，能够在1毫秒时间内实现帧同步，本文针对此算法做出了改进，在短时间卫星信号失锁时，把失锁前的卫星到用户的伪距离锁存起来，避免了卫星位置的计算，减少了运算内存，加快了信号重新定位的时间；并且在此基础上，提出一种位边缘判断方法，一般来说，普通位同步成功需要的时间大概是几百毫秒，这种判断方法，使得不用经过比特同步，也可以定位成功。接收机在失锁下实现定位的具体算法流程如图1所示。

1 失锁重捕下接收机位边缘推断算法

一般来说，接收机在正常接收处理信号时，捕获信号进入跟踪通道，必须从数据中找到数据比特的边缘，接着才能实现帧同步，才能解调导航电文上的信息。载波环在数据解调时，解调出1毫秒宽的数据电平，而卫星电文中数据流持续20毫秒，所以要将20个1毫秒宽的数据合并起来组成一个20毫秒宽的正常数据比特。位同步之前并不知道那20个数据属于同一个比特，位同步它是接收通道根据一定算法确定当前接收信号在某一数据比特的位置，也就是比特起始边缘位置。直方图是一种比较基本稳定的方法[3]，一般接收机正常的位同步成功需要耗掉大概几百毫秒的时间，对于失锁重捕获状况下，几百毫秒的时间也是一个很大的比重。所以本文提出在重捕获下一种位边缘判断方法，该算法利用了失锁前的信息，反推出数据的位边缘，加快了恢复定位的时间。失锁重捕情况下位边缘判断算法关键在于判断位边缘[4]，在卫星信号失锁的时刻，记下当前的时间[Lock_time]，某通道位边缘[bit_temp]，码相位数值[cp_temp]，利用FPGA硬件跟踪环里面的1毫秒计数进行计数，当该卫星信号重新捕获跟踪成功后，记下1毫秒计数的数值[count]，假设当前时间为RTC，位边缘判断为[bit_count]，码相位计数是[cp]。

[bit_count=count%20+bit_temp] （1）

如果[cp_temp-cp>0.0009]，位边缘[bit_count]加1；如果[cp-cp_temp>0.0009]，位边缘[bit_count]减1；最后如果位边缘计数大于20。

[bit_count=bit_count-20] （2）

通过这种方法，就估计出数据流的比特边缘，为接下来帧同步判断算法做准备。

2 失锁重捕下GNSS接收机帧同步判断算法

2.1 失锁重捕下GPS接收机帧同步判断算法

帧同步目的是为了确定卫星信号的字帧边缘[5]，一般帧同步算法大概需要6秒，找到帧同步码[6]，从而将载波环解调出了的数据比特流划分为一个一个的字，进而估计卫星的发射时刻，组装伪距离。信号发射时间[ts]的构筑公式：

[ts=TOW+0.02（30word+bit）+0.001（c+cp/1023）] （3）

TOW是每一帧以秒为单位的周内时，word是接收到导航电文的字，每个字包含30个比特，bit是当前导航电文字的比特，c是当前比特中c整周的C/A码的导航电文，[cp]是当前这一周C/A码的码相位测量值，可以从跟踪环中读出来。假设[rcvTow]是信号接收时间，本地时间，[time]为某个通道的传播时间，卫星发射时间也等于接收时间减去信号的传播时间。卫星到用户的距离用r表示，我们把它在失锁前锁存起来，CC是光速，f是帧计数，TOW的计算值是6f。方法如下：

[ts=RcvTow-time] （4）

[time=r/CC] （5）

结合公式（3）（4）（5）可知：

[f=（rcvTow-r/CC）/6] （6）

[word=（rcvTow-6f-r/CC）/0.6] （7）

[bit=（rcvTow-6f-r/CC-0.6word）/0.02] （8）

从上面位边缘判断方法可知，

[rcvTow=Lock_time+count] （9）

所以重新构建发射时间为：

[ts=TOW+0.6word+0.02bit+0.001（bit_count+cp/1023）] （10）

2.2失锁重捕下北斗接收机帧同步判断算法

北斗的MEO卫星组装伪距离的方式和GPS卫星一样，所以失锁情况下GPS的帧同步算法也适用于北斗MEO卫星，而北斗GEO卫星的轨道较高，组装伪距离方式不一样。其公式为：

[f=（rcvTow-r/CC）/6] （11）

[word=（rcvTow-6f-r/CC）/0.06] （12）

[bit=（rcvTow-6f-r/CC-0.06word）/0.002] （13）

[ts=TOW+0.06word+0.002bit+0.001（bit_count+cp/1023）] （14）

当计算出信号的发射时间，就可以得到每颗卫星到用户的伪距离，利用现有的星历，进行PVT解算。

3 实验的数据（GPS+北斗）分析与验证，测试场景是低动态的

3.1 GPS+北斗卫星失锁前后的伪距离变化图（在30个数据点左右信号失锁，重新捕获）

数据如图2、图3所示。

图2 GPS卫星失锁重捕获下伪距离变化图

图3 北斗卫星失锁重捕获伪距离变化图

因为位同步和帧同步也是为了组装正确的伪距离，所以可以通过判断各个通道卫星的伪距离随时间的变化，验证该算法的准确性。从图2，3可以得知，卫星伪距离变化是有规律的直线，缓慢变小或变大，在第30个数据点左右直线中断是因为信号失锁，失锁前后伪距离没有出现大的跳动，说明位边缘判断，帧同步判断算法已经成功，组装好正确的伪距离，利用已经拥有的星历信息，然后接收机采用最小二乘或者卡尔曼滤波算法进行PVT解算[6]。

3.2 GPS+北斗失锁跟踪成功到定位成功的时间

GPS+北斗失锁跟踪成功到定位成功的时间如图4所示。

图4 接收机失锁跟踪成功到定位的时间

图4是GPS和北斗接收机单点定位时卫星失锁重捕成功到得到定位结果后的时间变化图，图4可知，从卫星信号失锁跟踪成功到最后解算定位成功需要的时间在1秒内，GPS所需的平均时间是430毫秒，北斗所需时间是657毫秒。

4 结论

本文通过详细论述GNSS接收机在低动态失锁重捕情况下位边缘判断算法，帧同步判断算法，成功实现组装伪距离，得出的实验结果分析可知，位边缘判断算法，帧同步判断算法能够提高失锁重捕所需要的时间，失锁跟踪成功到得出用户的三维坐标在1秒内便可以实现，该算法可应用于车载终端等导航设备。

参考文献：

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卫星通信概论篇7

（西安电子科技大学物理与光电工程学院，陕西 西安 710071）

【摘要】研究了降雨引起的衰减与去极化效应，根据ITU-R提出的雨衰减预报模型，计算了我国某些城市的地空雨衰减量。将离散雨介质视为一随机系统，利用系统辨识的方法，利用系统辨识的方法，结合某市实验数据得到了一个去极化分辨率的序列模型。

关键词 雨致衰减；去极化

The Effects Of Attenuation And Depolarization Induced By Rain

LI Ping-zhou　CHE Jun　YANG Fan

(School of science, Xidian University, Xi’an Shaanxi 710071, China)

【Abstract】The effects of attenuation and depolarization induced by rain in the ka waveband are discussed. according to the prediction model of rain attenuation put forward by itu-r,the rain attenuation quantity on satellite links was calculated in the 35 ghz frequency in several typical cities in china. the discrete rain medium was taken as a random system.a serial model for computing depolarization discrimination was given by using the system identification method with proportion experiment data in china.the calculated results show that this method is effective and straightforward

【Key words】Rain attenuation; Depolarization

我国的微波毫米波传播特性研究起始于上世纪七十年代，主要开展了地面毫米波传播特性的实验和理论研究，并对我国的降雨特性、雨滴尺寸分布以及云雨的遥感等，主要研究单位有中国电波传播研究所、西安电子科技大学和中科院大气物理研究所等。由于受我国技术水平和研究经费的限制，除在部分地区开展了一定的实验研究，取得了一定的成果之外，研究还不够深入。在微波毫米波传播时雨致衰减方面，虽曾对L、C和Ku波段卫星信号电波传播特性进行了有关试验和理论研究，得到了一些有用的结果，但取得的数据和测量的区域还很少，不足以取得适合我国不同地区的传播预测模式或验证国际上已有的预报模式。由于我国地域辽阔，气象类型的多样性，也造成微波毫米波传播特性的复杂性，因此，对于我国来说，开展雨致衰减特性研究，特别是卫星通信（地空路径）的雨致衰减特性研究是十分必要与紧迫的。

1　降雨衰减预报模型与计算

1.1　ITU-R地空雨衰减预报模式

ITU-R地空雨衰减预报模式

它是由DAH模式发展而来的。其既考虑了水平路径的不均匀性，又考虑了垂直路径的不均匀性。其预报方法仍是采用传统的半经验公式，并由0.01%时间雨衰减预报其它时间概率雨衰减。总的来看，概念比较明晰，应用简便。

地空路径电波传播示意图如图1所示，对于地空电路雨衰减预报需要输入以下参数：

R0.01:当地平均每年内0.01%时间被超过的降雨率(mm/h,1分钟积分时间)

hs:地面站海拔高度(km)

θ: 仰角(degrees)

φ: 地面站纬度(degrees)

λ: 地面站经度(degrees)

f: 频率(GHz)

Re:等效地球半径(通常默认为8500km,相当于4/3倍真实地球半径)

τ： 极化倾角（degrees）

具体预测步骤如下:

第一步：计算雨顶高度。由ITU-R P.839建议获得地球站所在地的年平均雨顶高度。

第二步：计算雨顶下斜路径长度Ls。当θ≥5°时,

如果雨顶高度hR小于或等于海拔高度hs,那么任何时间概率的雨衰减都将等于零，因而不必进行后续计算。

第三步：计算斜路径的水平投影：

LG=Lscosθkm(1-3)

图1　地空传播路径示意图

（A区：冰冻水凝物区；B：雨顶高度；C区：降雨区；D：地空路径）

第四步：得到当地0.01%时间被超过的降雨率R0.01(1分钟积分时间),如果没有当地的降雨实测数据,可从ITU-R P.837建议中得到一个估值。若R0.01为零，则任何时间百分比的预报雨衰减都为零，不需进行后续计算。

第五步：计算0.01%时间被超过降雨率的特征衰减：

最后，建议中也说明该模式是长期雨衰减的统计，有可能因为降雨的年际变化而造成较大的预报误差。

1.2　雨衰预报仿真算例

运用以上计算雨衰方法，以日本定点于136°E N-STAR通信卫星为例，并结合西安地区地理参数、0.01%时间概率的1分钟积分时间降雨率数据，计算工作频率f=35GHz的地球站到卫星的地空斜路径上的降雨衰减，采用参数如下：

西安地区0.01%时间概率的1分钟降雨率R0.01=19.2mm/h；已知该地区海拔高度HS=0.3969km；卫星所定点的经度?准1=136°E；取地面站的经度108°56′E，取地面站纬度φ=34.3°N；地球等效半径Re=8500km。获得结果如下：

图2和图3分别给出了在降雨率一定时，不同极化状态下，特征衰减及降雨衰减值与频率之间的关系，由图可以看出，随着频率的增大，特征衰减及衰减值分别增大，而且在相同频率下，水平极化时的特征衰减及雨衰值最大，圆极化次之，垂直极化时特征衰减和雨衰值最小。

2　降雨引起的去极化效应

卫星通信系统经常采用正交极化技术进行频率复用，以提高通信容量与频带利用率，而地空传播路径上的交叉极化效应是影响正交信道性能的关键因素。在10GHz以上频段交叉极化主要是由降雨引起的。降雨不仅会使电波衰减，还会产生去极化作用，所以降雨对电波的吸收和散射特性也与入射波的极化波面有关。由于空气阻力使雨滴变成略微扁平的形状，在雨滴的两个轴向引起的衰减称为微分衰减，相位移称为微分相移。这种现象对单极化传输系统影响并不大，但对于正交极化复用的双极化传输系统，会造成极化隔离度降低，导致正交极化的信号互相干扰加大。这种降雨引起的去极化现象，对线极化和圆极化都有影响。我们常使用交叉极化鉴别度来表示极化纯度，一般情况下，当天线仰角大于15度时，交叉极化鉴别度在超过年平均时间的0.1%时可望达到27dB，0.01%时为20dB，0.001%时为15dB。

2.1　雨致交叉极化的ITU-R预报模式

ITU-R预报模式是由一阶小变量近似发展而来的，其雨致交叉极化预报公式为：

各物理量含义与单位为：

f:工作频率，GHz

A:与XPD相同时间概率的同极化衰减，dB

ε:仰角，degrees

τ:相对于水平极化的极化角，degrees

σ:雨滴倾角的标准方差，degrees

p：年平均时间概率(%)

年平均时间概率的含义是在一年中p%的时间内XPD不超过XPD(p%)。对应1%、0.1%、0.01%和0.001%时间概率，ITU-R给出σ取值分别为0°、5°、10°、15°，考虑到数据库中其他概率点的数据以及实际工作的需要，本文拟合了σ与p的函数关系：

σ=-5lg p degrees(2-3)

该函数与ITU-R所给几个数值点重合。

由于冰晶层的去极化作用与降雨的去极化作用同时存在，因此计算地空路径雨致交叉极化时，需要考虑冰晶效应。ITU-R P.618-8建议推荐采用以下公式计算冰晶效应：

Cice=XPDrain×(0.3+0.1lg p)/2 dB(2-4)

则最终雨致交叉极化预报公式为：

XPD=XPDrain-Cice dB(2-5)

本文所有模式均采用以上公式计算冰晶效应。

基于二阶小变量近似，赵振维提出了基于不同雨滴尺寸分布、不同雨滴形状的几种预报公式。设雨滴尺寸分布为Laws-Parsons分布，当采用Pruppacher-Pitter型雨滴时:

R为雨滴等效半径(mm)。

2.2　雨致交叉极化仿真算例

在f=40 GHz系统中,降雨率取值范围在3~140mm/h进行计算得出：

图4　XPD随CPA变化图，实线为计算数值，点为实测数据

将结果与实测值和解析方法所得理论计算值比较,吻合较好，部分计算结果如图4所示,可见此方法是简便有效的。因此,在实际应用中可以利用少量的小降雨率时去极化分辨率以及降雨同极化衰减序列来递推相应的去极化分辨率。

3　雨衰对卫星通信的影响

卫星通信链路中，影响电波传播雨衰大小的相关参数主要有天线仰角、降雨层高度、卫星地面站的海拔高度、电波的频率与极化方式和降雨强度等，在进行卫星链路上雨衰计算时应正确的确定各种参数。卫星通信链路受降雨影响的程度还与电波的极化方式有关，其趋势是水平极化方式下的降雨衰减值略小于圆极化方式，而垂直极化方式下的降雨衰减值略小于圆极化方式。由此可知，降雨及去极化效应对卫星通信由很大影响，了解其对卫星通信链路上信号的具体影响情况就显得非常重要。

3.1　降雨噪声

降雨引起的对电磁波吸收衰减也会对地球站产生热噪声影响，这种降雨噪声折合到接收天线输入端就等效为天线热噪声，对接收信号的载噪比有很大的影响，这种影响与衰减量的大小和天线结构有关，根据经验，每衰减0.1dB，噪声温度增加约6.7K。一般情况下，天线的仰角越高降雨噪声的影响越小，这是因为电磁波穿过降雨路径较短，衰减量就小一些。降雨噪声可以用下面的公式来计算：

其中：R为雨衰值(dB)；W为馈源到LNB间的波导损耗(dB)；Train为雨的温度(K)。

由计算公式可以看出：在没有雨衰时，噪声温度不增加；在没有波导损耗时，噪声温度只和降雨衰减量有关。由于噪声温度的增加直接影响到接收系统的G/T值，也就是直接影响到接收信号的载噪比，对信号可用度的影响甚至比降雨衰减更明显，在链路计算时必须考虑其影响。

3.2　降雨衰减与系统噪声温度

在卫星通信中，雨滴产生的电波吸收衰减作为热噪声影响到地球站。该噪声是引起传播衰减和噪声增加的外部噪声之一。在线路设计中可等效为噪声温度：

其中，A为降雨衰减(dB)，Tr为降雨路径平均温度(取值在260K-280K之间)，通常难以测量获得，可由表面测量温度ts(K)估计的到：

由下图可以看出降雨引起的噪声温度与雨衰的关系：

图5　降雨引起的噪声温度与总路径衰减关系

图5由公式(3-1)计算获得的噪声温度tr值，它是总路径雨衰的函数。由图可以看出，噪声温度随着衰减值的增大而快速升高，当降雨总衰减为1dB时，噪声温度为56K，当衰减为5dB时，噪声温度为188K，当雨衰为10dB时，噪声温度达到250K左右，当雨衰值超过10dB是，噪声温度快速趋于饱和。且在衰减值低于10dB时，路径平均温度的大小对噪声温度的取值影响不大。

3.3　降雨对天线G/T值的影响

降雨对卫星通信传输链路的影响不仅体现在无限电波信号强度的衰落上，而且对降雨所在地卫星通信天线性能也会造成影响，具体表现为使天线系统的噪声温度增加，从而是天线的G/T值减少。

天线系统噪声温度增加的幅度与降雨衰落的程度相关，从雨衰值(dB)可直接推算出天线噪声温度的增加值(K)。参考ITU-R标准，可用下式计算：

式中，Ts为天线噪声温度的增加值；Tm为介质温度；A为雨衰值。

由于存在降雨噪声，使信号功率下降，且噪声温度上升，从而影响了卫星通信线路总的C/T值。

3.4　降雨对上下行链路载噪比的影响

由于雨衰而带来的传播衰落、G/T值变化必然对卫星通信上下行链路载噪比造成影响。

上行链路载噪比(C/T)u为：(C/T)u=EIRPe-Lu+(G/T)s(dBW/K)；式中，Lu为上行链路总损耗(dB)，包括上行链路自由空间损耗(dB)、去极化、大气吸收、降雨衰减、天线指向误差等损耗(dB);EIRPe为地球站发射某载波的有效全向辐射功率(dBW)；(G/T)s为卫星天线的G/T值。从该式中可以看出若上行链路总损耗由于雨衰而增加，则上行链路载噪比(C/T)u将会减少，若要保持(C/T)u不变，则只有改变地球站发射载波的有效全向辐射功率EIRPe，其结果是要么增大天线尺寸，要么增加发射机的发射功率。

下行链路载噪比(C/T)d为：(C/T)d=EIRPs-B00-Ld+(G/T)e(dBW/K)；式中，Ld为下行链路总损耗(dB)，包括下行链路自由空间损耗(dB)、下行极化、大气吸收、降雨衰减、天线指向误差等损耗(dB)；EIRPe为卫星有效辐射功率(dBW)；B00为卫星的输出补偿(dB)；(G/T)e为地球站天线的G/T值。由该式可以看出，若下行链路总损耗由于雨衰而增加，地球站天线G/T值由于雨衰而减少，这两项因素都会使下行链路载噪比(C/T)d，则只有改变卫星发射载波的有效全向辐射功率EIRPs，其结果又是要增加卫星功放的发射功率。

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卫星通信概论篇8

远程医学的概念最早由美国提出。50年代末,医学发展趋于专门化和技术化,卫生资源相对集中在城市,影响了卫生服务潜力的充分发挥。为寻找解决办法,美国学者(如Bird,1971;Bushshur,1975等)对利用电信技术联系身处异地的医护人员进行了研究,并提出了“Telemedicine”(远程医学)的概念,最初的定义是指医学保健专业人员利用电信技术,进行通讯交流,以提高医学保健服务的普及性。

1.1早期的远程医学活动(第一代远程医学)早期的远程医学活动中,美国国家宇航局(NASA)充当了重要角色。60年代初,人类开始了太空飞行,为调查失重状态下宇航员的健康及生理指标,NASA提供技术和资金在亚利桑那州建立远程医学试验台,为太空中的宇航员以及亚利桑那州Papago印第安人居住区提供远程医疗服务,其通信手段为卫星和微波技术,传递信息已包括心电图和X光片。1964年,美国国家精神卫生研究所提供48万美元支持Nebraska心理研究所和112英里外一家州立精神病医院之间通过双向闭路微波电视进行远程心理咨询。1967年麻省总医院与波士顿Logan国际机场医学中心通过双向视听系统为机场的工作人员及乘客提供医疗服务。阿拉斯加州远离美国本土,地广人稀,许多地区没有医生,为提高州内医疗服务水平,1972年~1975年该州利用空中AST-1卫星,使州内其他地区通过卫星地面接收装置,直接获得州立医院的医疗服务。参与了这项工作的斯坦福大学通讯研究所,认为卫星系统可为处于任何地域的人群提供有效的医疗服务。其他早期远程医学活动还有1974年NASA与休斯顿SCI系统的视频远程会诊试验等。早期远程医学活动并非美国独有,1977年加拿大太空计划包括通过Newfoundland纪念大学实施远程教育和医疗、1984年澳大利亚实施过“西北远程医学计划”等。60年代初到80年代中期的远程医学活动被美国视为“第一代”远程医学,这时期远程医学的进步是缓慢而又有限的。从主观上讲,远程医学没有得到政府及社会的充分认识和支持,没有及时地推广;客观上讲,当时信息高速公路正处于新生阶段,信息传送量极为有限,远程医学受到了通信条件的制约。

1.2现代远程医学活动(第二代远程医学)至80年代后期,随着现代通信技术水平的不断提高,一大批有价值的项目相继启动,它们代表了第二代远程医学,其声势和影响远远超过了第一代。从Medline中所收录的文献数量看,1988年~1997年10年间远程医学方面的文献数量呈几何级数增长。在远程医学系统的实施过程中,美国和西欧国家发展速度最快,联系方式多通过卫星和综合业务数据网(ISDN),它们在远程咨询、远程会诊、医学图像的远距离传输、远程会议和军事医学等方面取得了重要进展。

1.2.1现代远程医学在美国1988年美国提出远程医学系统作为一个开放的分布式系统的新概念。即从广义讲,远程医学包括应用现代信息技术,特别是双向视听通信、计算机以及遥控技术,向远方病人传送医学服务或医生之间的信息交流。同时美国学者还对远程医学与远程医学系统的概念作了区分,一个远程医学系统是指一个整体,它通过通信和计算机技术给特定人群提供可理解的医学服务。这一系统包括远程诊断、信息服务、远程教育等多种功能,它以计算机和网络通信为基础,针对医学资料(包括数据、文本、图片和声像资料)的多媒体特性进行远距离视频、音频信息传输、存储、查询比较及显示。

乔治亚州教育医学系统(GSAMS)是目前世界上规模最大、覆盖最广的远程教育和医学网络。这个网络可进行有线、无线和卫星通信。远程医学网是其中的一部分。乔治亚医学院(MCG)远程医学中心于1991年成立,至1995年全州远程医学系统已包括2个三级医学中心(乔治亚医学院和Emory大学)、9个综合性二级医学中心和41个远端站点,州内乡村医院、诊所和大的医学中心联系起来,使病人不必远离家乡,只要通过双向交互式声像通道,就可接受专门治疗。

美国的远程医学虽然起步早,但其司法制度却阻碍了远程医学的全面开展。所谓远程仅限于某一州内,因为美国要求行医必须取得所在州的行医执照,跨州行医涉及到法律问题。德克萨斯州的跨州远程医学活动就曾在美国国内引起争议。而对于军队,这种情况就不存在。另外,美军驻地分散在世界各地,和平时期军人患病常常需要使用直升机后送,运送代价极其昂贵,且很多病例根本没有后送必要。美军认为军队的特殊环境特别适宜开展远程医学,因为军队远离社区,常常需要快速的医学救护,军队内部有严格的组织,且不受州际法律的限制。1991年美军率先在海湾战争中成功地实施了远程医学,由于美军战场伤亡不大,远程医学的作用没有充分发挥。1992年美军在美军医科大学召开了第七届军事医学会议,会议深入讨论了现代军事医学所面临的问题,特别讨论了远程医学在现代军事医学中的作用。

1993年2月索马里维和行动中,美军对全球范围内远程医学活动进行了尝试,初步确定了前线部队远程医学系统基本组成,即包括空中卫星、一台高分辨力数字相机、一台便携电脑及附加软件、可移动的全球卫星接收装置。整个维和行动中,美军共向后方传送了74份病例、248份医学图像,其中多数资料具有诊断意义,减少了不必要的后送,提高了卫勤保障能力。美军还在波黑等军事行动中成功实施了远程医疗。多所美军医院参与了远程医疗活动,如华特里德(WalterReed)陆军医学中心,从1993年2月到1996年2月3年间,共进行了240例海外远程会诊,范围包括:索马里、克罗地亚、波黑、德国、海地、象牙海岸、埃及、巴拿马、科威特、意大利、肯尼亚、维京岛。为实现建设信息化军队的目标,1994年美国国防部建立了远程医学试验台(DoDTelemedicineTestbed),启动了多种远程医学项目,其目标是实现数字化技术在医学中应用,将远程医学纳入军队医学服务系统(MHSS),此外根据工作需要,还成立了医学管理技术办公室(MATMO)负责具体实施。

1.2.2远程医学在其他国家在欧洲,欧盟组织了3个生物医学工程实验室、10个大公司、20个病理学实验室和120个终端用户参加的大规模远程医疗系统推广实验,推动了远程医学的普及。澳大利亚、南非、日本、香港等国家和地区也相继开展了各种形式的远程医学活动。1988年12月前苏联亚美尼亚共和国发生强烈地震,在美苏太空生理联合工作组的支持下,美国国家宇航局首次进行了国际间远程医疗,使亚美尼亚的一家医院与美国四家医院联通会诊,不久这套系统在俄罗斯Ufa的一次火车事故再次得到应用。这表明:远程医学能够跨越国际间政治、文化、社会以及经济的界限。

2我国远程医学发展现状

广州远洋航运公司自1986年对远洋货轮船员急症进行电报跨海会诊,有人认为这是我国最早的远程医学活动。由于无线电电报、电话会诊与书面会诊实际效果类似,且应用范围局限,诊断可信度差,因此这两种方式不在本文远程医学讨论范围中。伴随计算机及通信技术的发展,我国现代意义的远程医学活动于80年代,1988年总医院通过卫星与德国一家医院进行了神经外科远程病例讨论,类似活动国内其他单位可能也有过,但未见报道,也许是认识上的原因,远程医学的概念当时还没有为广大卫生工作者接受。1995年3月,山东姑娘杨晓霞因手臂不明原因地腐烂,来北京求医,会诊医生一筹莫展,通过Internet向国际社会求援,很快200余条信息从世界各地传回北京,病因被确诊为一种噬肌肉的病菌,有效地缩短了病程。同年4月10日,一封紧急求助(SOS)的电子邮件通过Internet从北京大学发往全球,希望挽救一位患有非常严重而又不明病因的年青女大学生的生命。

10日内,收到来自世界各地的E-mail近1000封,相当多的意见认为是重金属中毒,并为以后临床检验所证实(铊中毒)。这两例远程会诊,在国内引起巨大反响。并使更多的中国人从此认识了Internet和远程医疗。我国的远程医学活动起步晚,发展却极为迅速。各单位在建立计算机网络等大量前期工作后,在此基础上相继开展了应用服务,并逐步建立了开放的分布式远程医学系统。截止到1997年底,我国已展开工作的远程会诊中心在10家以上,一些著名的医学院校、医院甚至个别边远小医院已相继开展了各种形式的远程医学工作。上海医科大学“远程医学系统”由上海市教委、上海市交通大学和上海医科大学联合开发研制,1995年建成使用。该系统依托中国教育科研网(CERN),范围涉及上海地区,是国内较早实现的远程医学系统。1994年在国家卫生部领导下,国家卫生信息网络(又名金卫工程)由金卫网络工程公司投入建设,该网络可传输数据、语音、图像,计划覆盖全国医院及医疗机构。该网络的建成除为各医学单位建立信息管理系统,包括病案管理、收费系统、药品管理系统等外,还将为各个医学机构提供一条平坦、宽阔的信息高速公路,可在网上开展远程医学、教学、国际学术交流、信息服务等。金卫工程通过3年多的努力,已取得北京—大连—广州卫生专网开通试验的成功,1997年5月首批连接了国内20多家重点医院。

其主要采用卫星专用通讯网(VSAT)和国家公用数据通讯网(CHINADDN)两种通信信道,通信代价较为昂贵。1995年底总后勤部卫生部提出了军队卫生系统信息化建设“三大工程”,并分别被列为国家“金卫工程”军字1、2、3号,其中军字2号工程即为建设全军医药卫生信息网络和远程医疗会诊。“三大工程”目前已取得阶段性成果,有力推动了军队卫生工作的现代化进程。1995年底北京国防科工委514医院利用卫星系统与美国开通的跨越太平洋的脊柱外科远程病例讨论;1996年5月总医院通过电子邮件方式与150医院进行了远程医疗会诊,并于1997年8月正式成立了“远程医学中心”,开展了以电子邮件、可视电话、ISDN为主要技术手段的各种形式的远程医学活动;1996年8月成立了“远程医学会诊中心”,经过1年多的努力,现已建成1个中心、4个工作站、30多个会诊终端。他们认为电话线方式是现阶段我国远程医学用户的首选方式,在电话线传输中,首选ISDN。如对方不具备IS-DN条件,则采用走公共电话网模拟信号的可视电话方式。

3远程医学发展展望

3.1通信技术不断改进,出现新的通信手段,使远程医学工作质量不断得到提高;

3.2应用领域不断拓宽,应用范围更加广泛。

卫星通信概论篇9

【关键词】卫星 接收机 同步广播 FPGA TS流

广播是一种传统的信息传播媒介，因其传播速度快捷、灵活性强的特点而在当今社会扮演着重要的角色，但是广播站点要实现同步广播技术还有一定的难度，因此本文首先讨论了卫星接收机同步广播技术的相关概念，即卫星接收机同步广播技术的研究背景和意义，国内外的研究状况和趋势，卫星广播系统的组成及特点三点，从而可以更好地研究卫星接收机同步广播技术，最终实现广播技术的同步传播。

1 卫星接收机同步广播技术的相关概念

1.1 研究背景和意义

广播是一种信息传播媒介，传播方式主要有无线方式和有线方式两种，传播的信息是声音信息，广播的出现使得人们能够更便捷的获取信息。现今的传播技术较多，而广播以接收设备小、投资少、传播速度快捷等优点而受到人们的青睐，其在当今社会有着重要的作用。同步广播技术的基础是调频广播，主要是传播地面的广播信息，同步广播技术中的同步是指在不同的发射站点采用统一的发射频率且同时发送的一种广播形式，由于每个站点在传播广播信息时与相邻的站点没有干扰，所以这种广播技术的优点是广播信息能够覆盖范围内的听众，从而这种广播技术的质量较高，能够满足较多用户的需求。随着科学技术的发展，卫星广播技术已经开始实用，卫星广播技术采用的主要技术是MPEG-2的数字压缩和传输技术，这种技术能够提供高品质的音效，且可以满足广播电视对节目质量不断增长的要求。卫星广播技术的优点较多，另外有覆盖面积大、节目容量大的特点，因此实现远距离、跨区域的传输较方便，然而卫星广播技术面对的一较大难题是在跨区域的广播站点实现广播同步，这一问题也是现今的研究热点。

1.2 国内外的研究状况和趋势

随着科学技术的快速发展，同步卫星广播所使用的技术越来越完善，世界各国都开始使用卫星同步技术，但是我国的卫星广播技术的发展较落后，所以我国的卫星广播技术的使用产品主要是依靠国外的产品。然而随着我国科学技术的进步，我国的广播电视领域已经达到了国外的先进水平，这些先进的技术可以有效的解决偏远地区接受电视广播困难的问题。随着国内外技术的不断发展，数字电视广播的发展将会呈现如下趋势，即音频和视频的效果越来越好，另外技术方面卫星广播逐渐开始使用第二代数字卫星广播系统的标准DVB-S2，编码方式也更加有效。

1.3卫星广播系统的组成及特点

卫星广播系统主要由数字卫星上行设备、同步卫星和卫星接收机三部分组成，数字卫星上行设备的主要作用是将每个节目对应的视频、音频和数据信号进行MPEG-2编码，然后将其打包为单个的节目码流等，最后将整理好的音频信号和视频信号送给电视，然后电视就可以播放相应的节目或者是通过其他途径发出去送到广播。

2 MPEG-2系统的基本概述

2.1 MPEG-2系统的介绍

一个或多个视频、音频基本流以及相关的数据按照一定的语法规则组合成一个或多个码流主要是由MPEG-2系统来完成，MPEG-2系统完成的工作有利于存储和传输。MPEG-2系统在码流时采用的结构是分层结构，而MPEG-2系统的解复过程是复用的逆过程。

2.2 TS流的组成结构

TS流的组成是每个TS包，TS包由4个字节的TS包头、可变长度的自适应字段和有效负载组成，其长度为188字节，其中4个字节的TS包头的作用是实现TS包的同步、错误指示、识别等。另外自适应阶段是在TS流打包过程中节目PES流的数据不能填满TS包的有效负载的情况下，自适应字段是被加在有效负载前面的数据包，这些适应字段的特点是包含较多的选项，因此适应字段的长度可以发生变化。

2.3 节目特定信息

节目特定信息是指服务信息数据，这一数据在MPEG标准中称为节目特定信息，即PSI，而节目特定信息是指在数字电视的码流中，引入了一些特定的TS数据包来确立各个PES数据包之间的关系，这样将能对含有不同数据来源的TS包来进行有效管理。PSI信息在MPEG-2系统中包含一系列的表格，如节目关联表（PAT）、条件接收表（CAT）、节目映射表（PMT）等，这些表格可以明确TS流中各个不同TS数据包之间的关系。

3 卫星广播技术中的硬件电路

3.1 硬件电路的系统设计

FPGA是系统的控制器，系统主要是通过FPGA来完成数字卫星信号的接受从而得到传输流信号即TS信号，其中FPGA的作用是接受TS流信号，并且对TS流信号进行解复用处理，解复用处理之后就可以将一个节目的音频PES流从TS流中提取出来，然后将其送给SDRAM缓存。其中，在实现FPGA控制和TS流解复时都使用VHDL语言，且最后需要将一些解复用得到的音频PES流的相关信息通过液晶显示出来，从而有利于观察节目。在设计系统时，通常将系统的硬件部分设计三块电路板，这三块电路板分别是前端调谐解调器部分的电路板、Altera FPGA的核心板、包含音频解码和接口电路的底板，然后将这些电路板可以在每一个模块设计一块电路板，从而方便调试尤其是一些较复杂的系统运用电路板可以降低调试的工作量。

3.2 设计电源部分

在设计电源时首先需要考虑的是电源的稳定性，因为电源的稳定性将直接影响一个系统是否能够正常运行，因此对一个系统来说电源的稳定性是非常重要的，如在高速信号系统中，需要控制电源噪声，然而如果信号上升沿时间越短、传输速度越快，在控制电源噪声时就越困难。其中影响电源系统稳定性的噪声主要有三个方面的来源，即稳定电源芯片本身不理想、稳定电源的响应速度无法及时满足负载对电流的需求、存在阻抗三个方面，由于这几个方面的原因导致对部分噪声无法控制，只能接受。其中系统硬件中的电源形式主义有三种，即SHARP模块电源、FPGA电源、音频解码器模块电源。

3.3 调谐解调器模块电路

调谐解码器模块电路主要分为三种，第一种是项目中用到的一体化调谐解调器，这类调谐解调器需要的输入频率范围为950-2150MHz，且具有内码解码器和外码解码器，收缩长度等于7，有16个奇偶校检字节，块长度为204个字节和能量扩散解扰。第二种是高频头控制电源电路，高频头的控制电源电路是专门应用于模拟和数字卫星接收机LNB下变频器，并为数字卫星接收机LNB提供驱动电压和接口信号，使用起来较方便。第三种是一体化调谐解调器模块的电路设计，这类调谐解调器共有26个管脚。

3.4 FPGA核心板部分电路

FPGA核心板部分电路主要有三种，第一种是PFGA电路，为了方便系统以后的完善和升级，且考虑到整个系统占用资源的情况，FPGA电路使用的是EP3C55F484这片资源比较丰富的芯片。第二种是SORAM电路，这种电路速度比较快即传输速度能达到100M以上但是不容易控制，并且不要不断地刷新。SORAM电路是同步动态随机存储器的意思，根据它的特点，在进行PCB布线时要使数据和地址传输线的等长，从而有利于SORAM电路能够更好地进行工作。SORAM电路通常采用PES流来缓存解复用得到的音频。第三种FPGA核心板部分电路是FLASH电路，这种电路含有非易失性存储器，因此掉电后数据不容易丢失，且可以自动将加载程序存储在FLASH电路里面，因此在上电后可以直接调用。

3.5 底板模块电路

底板模块电路主要包括音频解码器、数模转换电路即DAC电路和一些接口电路。其中音频解码器常用CS493102芯片，这种芯片被广泛应用于广播市场中，如数字电视、机顶盒等，且能支持多种解码标准，而数模转换电路是将数字音频信号转换为模拟信号，经过后端的放大处理就可以作为广播音频。

3.6 PCB板设计和调试

PCB板的设计需要关心信号完整性的问题，这可以避免在调试过程中遇到一系列问题，这将会影响产品的研发周期，严重时将导致整个系统的设计失败。其中的信号完整性是指让信号在传输线传输时尽可能的保持其应该具有的波形，遵循信号完整性原则就不会影响电路的功能，但是信号完整性是一个非常复杂的问题。除了考虑信号的完整性，还需要考虑电路板的焊接调试，电路板的焊接调试是相互独立的，且是按照模块化处理的，在确保焊接没有问题后调试调谐解调器模块，然后通过读取芯片的器件地址来完成调试工作。在调试FPGA核心板时，也要先确保焊接没问题，在调试FPGA核心板时需要通过运行一段闪灯的小程序，在调试底板模块时需要通过检测音频解码芯片的运行来完成。

4结语

总的来说，卫星广播同步技术还需要进一步的研究，在进行研究时首先需要研究卫星同步技术的相关概念，从而更好地进行研究，其次需要研究卫星广播技术中所用的系统MPEG-2系统，然后需要分析清楚同步广播技术的硬件系统，即硬件电路的系统设计、设计电源部分、调谐解调器模块电路、FPGA核心板部分电路、底板模块电路、PCB板设计和调试，从而实现广播技术的同步传播。

参考文献：

[1] 温蔚.卫星接收机的同步广播技术研究[J].西部广播电视，2015，（2）：165.

卫星通信概论篇10

拜科努尔现有15座载人和无人航天飞行器发射台，曾用于俄“联盟”号、“质子”号、“旋风”号、“第聂伯”号、“天顶”号和“暴风雪”号等几代运载工具的发射。世界上首颗^造卫星和首位航天员加加林都是从这里飞入太空。（阳光）

卫星助力美反导试验

2月13日，借助于两颗实验性导弹跟踪卫星的数据，美国国防部在太平洋上空成功进行了一次反导试验，用一枚“标准”3-1A型拦截弹摧毁了从夏威夷考爱岛太平洋靶场导弹设施发射升空的靶弹。这是美导弹防御局“空间跟踪与监视系统一验证星”的数据首次被用于计算拦截弹发射方案。两颗卫星识别并跟踪到了靶弹，随后把数据中继给装备有海基“宙斯盾”弹道导弹防御系统的伊利湖号巡洋舰。从舰上发射的“标准”3-1A型拦截弹以撞击方式摧毁了模拟中程弹道导弹的靶弹。美国防部称，本次试验为射程更远的拦截和更大区域的防御开辟了道路。自2002年飞行试验启动以来，“宙斯盾”系统已进行了30次拦截试验，其中24次成功实施了目标拦截。（阳光）

印度火箭一次成功发射七颗卫星

2月25日，印度“极轨卫星运载器”CA型运载火箭在斯里哈里科塔岛萨迪什‘达万航天中心发射了7颗卫星，即印度空间研究组织与法国国家空间研究中心合作的地球科学卫星、加拿大国防部空间监视卫星“蓝宝石”、加拿大国防研究与发展局同加航天局联合研制的天文卫星“近地天体监视卫星”、加拿大天文/技术卫星“大学亮星目标探测器”、奥地利天文/技术卫星“亮星目标探测器-奥地利”、丹麦奥尔堡大学单体立方星技术卫星“奥尔堡大学卫星”3和英国萨里卫星技术公司）三体立方星技术卫星“萨里培训、研究与纳星验证装置”1。卫星被送入高约785千米、倾角98.54度的太阳同步轨道。印度总统穆克吉到现场观看了发射，并发表了讲话。他对印空间研究组织科学家表示祝贺，称此次发射是印法航天合作的一个缩影。地球科学卫星发射重量409千克，将提供海洋气象与海况预报、业务海洋学、季节预报、气候监测以及海洋、地球系统与气候研究所需的数据产品，设计寿命3年，原拟2009年底发射。星上的“阿尔戈斯”3定位与数据采集系统和用于研究海面高度的“Ka波段测高仪”由法方提供，印方提供卫星平台，并负责卫星建造。（江山）

俄官员称鸟制部件导致海射火箭失败

近日，俄罗斯政府军工委员会第一副主席哈尔琴科说，海射公司“天顶”3SL运载火箭2月1日的发射失败是因乌克兰制造的部件存在缺陷造成的。这次发射携带的是“国际通信卫星”27。火箭起飞后第一级发动机紧急关机，火箭很快坠入太平洋中，但平台未因事故受损。哈尔琴科说，2月15日提交给总理梅德韦杰夫的报告认定，“事故由乌克兰造的有缺陷部件造成”，“俄制设备没有任何问题”。（江山）

质子号上面级故障原因确定

俄罗斯政府的故障调查委员会称，“质子”号火箭“和风”M上面级在2012年12月8日的发射中出现的故障是由氧化剂在发射台上时过热和发动机工作温度偏高的综合作用造成的。从事“质子”号火箭商业发射服务的国际发射服务公司2月14日宣布，其故障评审监督委员会已证实了俄方这一结论。过热导致四氧化二氮氧化剂蒸发出大量气体，超出了发动机氧化剂泵的耐受能力，导致一个轴承报废，致使“和风”M上面级比预定时间提早约4分钟关机。所发射的俄气空间系统公司“亚马尔”402商业通信卫星被部署到一条偏低的轨道上。法意合资的卫星制造方泰雷兹·阿莱尼亚空间公司随后将卫星提升到预定的静地轨道，但因多消耗了燃料，卫星工作寿命从原本可长达19年缩短到11年。（阳光）

美公布卫星发射失败调查报告概要