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衛星通信基本原理范文第1篇

關鍵詞：衛星通信；消防救援；技術手段

1引言

中國是一個災難頻發的國家。自然災害時有發生，并且隨著當今社會日益增多的大型活動，突發的緊急災害事故及社會公共安全事故越來越頻繁的發生，給人民生命財產和國民經濟造成了很大的損失。這使得人們進一步意識到完善應急通信體系的重要性。

衛星應急通信系統是為滿足各類緊急情況下的通信需求而產生的，而自然災害，尤其是社會事件等突發公共安全事件發生的規模和地點都無法提前預知和準備。這些通信設備在發生災害的時候就需要臨時組裝，來接收現場的圖片視頻影音資料，這些信息對于處理突發事件，有十分重要的作用。通過衛星通信來建立臨時或應急的通信能力幾乎都是預案中的首選，并且發揮著至關重要的作用。

隨著科技發展，衛星通信顯示出了更加重要的作用，在文章介紹了衛星通信的基本原理和組成，在消防應急中的應用等等。

2衛星通信在消防應急中的應用

2.1衛星通信的基本原理、組成及優勢

衛星通信的原理就是利用人造地球衛星作為中繼站轉發或反射無線電信號，在多個地球站之間進行的通信。地球站是指設在地球表面的無線電通信站。

衛星通信系統是由地面部分和空間部分兩部分構成的。通信衛星實際上就足一個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以內，不論距離遠近都可以通信，通過它轉發和反射電報、電視、廣播和數據等無線信號。

衛星通信與其他通信方式相比較，有以下的特點：（1）通信距離可以達到遠，且費用與通信距離無關。（2）通信容量大，適用多種業務傳輸。衛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，可以進行多址通信。通常，其他類型的通信手段只能實現點對點通信，而衛星是以廣播方式進行工作的，只要是衛星覆蓋的區域，都可以進行通信，這些地球站可共用同一顆通信衛星來實現多邊通信，即進行多址通信。（4）可以自發自收進行監測。發信端地球站同樣可以接收到自己發出的信號，從而可以判斷傳輸質量好壞。（5）無縫覆蓋能力。利用衛星移動通信，可以不受氣候條件、地理環境和時間的限制，建立覆蓋全球性的海、陸、空一體化通信系統。（6）安全可靠性。與其他方式相比，衛星通信所受的約束和障礙更加少，所以其安全可靠性很好。

主要缺點是：傳輸時延大。以300000km/s的速度傳播的電波，要經過240ms～260ms的延時，加上終端設備對數字信號的處理時間等，延時還要增加很多，根據國際電報電話咨詢委員會建議，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，由于同步衛星的仰角低于5°難以實現衛星通信；同步軌道的位置有限，不能無限度地增加衛星數量和減小星間間隔；每年有天文現象發生，十分影響通信。例如存在不可避免的日凌中斷和星食發生；衛星壽命一般為幾年至十幾年，要做長遠的部署和計劃，故要做好承擔一定風險的準備。

2.2衛星通信在消防應急中的具體應用

2.2.1消防指揮VAS衛星通信的組成

一般來說，具體到消防方面，其應急指揮通信系統由應急指揮中心（中心站）和事故現場側設備組成，兩者通過地球同步軌道衛星建立通信連接。事故現場側由應急通信車（車載站）和現場采集設備（編寫站）組成。

（1）地面固定主站。主站的作用：通過衛星對車載站進行管理控制，并且提供地面固定網絡和衛星移動網絡的互聯轉接。

（2）應急通信中的指揮車。應急通信車組成是由車輛、VSAT車載、設備無線局域網設備等。通信車經VSAT衛星實現遠程通信，并且對應急現場進行最基本的信息采集、車載視頻監控、信息處理、指揮控制、多業務作業終、端通信保障、綜合保障。

（3）便攜站。由主設備箱、天線箱、輔助設備箱以及便攜發電機構成。在公共交通（民航、鐵路）系統可用的情況下，便攜站的應用靈活，既可以通過別的運輸工具將便攜站運抵現場，作為遠端移動站使用，也可以放置在前線指揮部作為衛星地面站使用。

2.2.2消防應急衛星的應用

（1）衛星通信系統中的業務實現方式概述。為了保證災難救援現場和應急指揮部的通信，需要的最基礎的業務就是語音、視頻及數據業務，下文簡單的介紹一下這3種業務的實現方式。在搶險救災現場，語音通話是最基本、最重要的業務需求，語音業務包含2個方面：一是解決現場工作人員之間的通話；另一個是解決現場人員撥打和接聽系統電話或公網電話的問題。現場工作人員之間的語音通話通過車載集群設備來解決，這可以滿足救援人員之間互相通話。現場人員撥打電話的方法是利用海事衛星電話，海事衛星電話的特點是不受天氣限制，特別是海事衛星車載設備可以實現動中通，但是海事衛星電話也存在的問題，這就是話路少、資費高。在搶險救災過程中，視頻業務的互通既可以使后方的領導和指揮人員直觀地了解現場的情況，實現直接交流。視頻業務主要是采用VSAT衛星通道完成的。在國網主站配置基于H.323協議的MCU（MultipointControl Unit，多點控制單元），主站的MCU接入應急救災指揮中心電視系統；在車載站和便攜站配置會議電視終端，會議電視終端通過VSAT衛星通道接入主站的MCU，這樣，就相當于一個遠端會場，實現視頻回傳及參加電視會議。搶險救災現場的視頻圖像可以通過無線圖像傳輸設備（單兵）、車頂可升降攝像頭及車內攝像頭采集獲得。

搶險救災現場的數據業務包括內網數據和外網數據。內網數據可分為現現場指揮辦公的郵件、Web瀏覽等；外網數據主要包括瀏覽Internet、收發外網郵件等。在通信車，現場使用無線局域網設備的無線數據訪問辦公室工作人員。內部網數據通過VSAT衛星頻道、網站訪問防火墻安全認證后救援指揮中心。衛星數據傳輸格式的IP包和支持TCP/IP協議，所以數據服務訪問實現比較簡單，通過將一個衛星設備和救援指揮中心信息網絡路由器連接可以實現。

（2）衛星通信系統可以通過衛星通信指揮車裝載，實現移動式處理消防救援。應急通信指揮車是衛星通信系統中的一個地面站，它可以十分迅速的在火災現場或者各類別的應急現場建立小型移動指揮站，這樣可以實施對消防部隊的直接指揮和對火災現場的事故緊急處理。通信指揮車可以通過衛星信道進行指揮，與此同時可以直接與消防中心進行語音圖片等信息的雙向交流，接收消防中心所下達的有效指令；利用指揮車上的350MHz車載臺與消防調度中心保持實時通信與聯絡；利用GPS進行定位，隨時發送指揮車所在的位置以及行車方向和所在環境等；車頂上的攝像設備可以隨時收集災難現場的情況，然后傳送回消防調度站，有利于消防人員及時布置消防設施和消防力量；車上工作人員可以攜帶小型攝像機深入應急現場，將最新最真實的前方情況傳送出來。這樣就實現了移動式作戰，更有利于救援方案的實施。

（3）衛星通信系統可以有效的幫助消防中心對倉庫、生產廠房等監控點實時監控，預防火災的發生。衛星通信系統是一個巨大的寬帶網絡，可以通過信道對監控點進行實時監控，一旦有危險發生，比如說倉庫著火等，系統便會發出警報，這樣消防中心就會收到報警信息，然后根據消防指揮中心中關于失火地點的資料和商家的信息確定救援方案。消防中心還可以遠程控制攝像機進行有效的處警指揮。

（4）32星通信可以實現報警和處警一體化。在衛星通信系統中空間信息平臺可以提供空間數據的采集、處理、存儲、顯示、應用和管理功能，包括GIS/GPS/RS空間基礎數據，基礎地理數據及關鍵區域空間數據。這些既可以及時的發現發生火災的地址等詳細情況，也可以及時的估測所需消防力量，派出消防隊伍，集中調度重要應急資源，而且實時的更新現場的信息，有利于隨時調整消防方案，實現了報警和處警一體化，更加快速有效率的完成救援活動。

2.3衛星通信在消防中應用的需要改進的地方

（1）目前，我國應急救援通信系統均是局域性設置，需要形成社會聯動的通信體系，這樣才利于適于應對重大災害事件；（2）各部門均建有獨立的指揮中心，造成重復投資，資源浪費，接處警和效率難以提高；（3）現有各救災部門應急救援通信網絡融合性差，難以保證有效協調運作；（4）現有通信裝備的集成效能不能滿足重大災害事件作戰要求，利用率較低，互通性能差；（5）沒有法定的通信技術、管理方式，以指導未來規劃性建設。

衛星通信基本原理范文第2篇

【關鍵詞】 便攜式衛星通信站 衛星天線 終端單元 衛星通信網絡

一、引言

隨著應急通信指揮系統的應用領域逐漸擴大，便攜式衛星通信站已成為應急通信的一種重要通信組成部分。便攜式衛星通信站通過與地球同步軌道衛星組網形成衛星通信網絡，可以實現話音、數據、音視頻和廣域網接入功能的多媒體通信業務，實現如電話、傳真、電傳、電報、圖像、可視電話、話帶數據、計算機數據、復用數據、電話會議等功能，廣泛應用于交通運輸、搶險救災、新聞采訪、科考探險、公安、軍事等應急和特殊通信領域。

二、技術方案

2.1 系統組成及功能

便攜式衛星通信站主要由便攜式衛星天線單元（含天線、伺服、BUC、LNB）和終端單元（含衛星調制解調器、交換機、視頻會議終端、VOIP、矩陣、顯示器、3G圖傳、單兵圖傳接收機等）組成。整套系統可由2人完成操作使用，總質量不大于60Kg。便攜式衛星通信站基于VSAT衛星通信網，通過便攜天線，可與后方指揮中心建立基于IP的透明鏈路。主要特點是簡單、方便，易于運輸，適應應急性指揮通信的要求，能夠在較短時間內迅速搭建一個衛星通信平臺，并建立起與主站的通信連接。便攜式衛星通信站原理框圖如圖1所示，該系統具備衛星通信、視頻會議、VOIP語音通話等功能。在執行任務時，通過單兵式微波圖像傳輸系統將野外現場的聲音、圖像等相關資料實時傳輸到便攜站，再通過VSAT衛星系統和專業視頻會議系統將其傳送到國家、省、市級指揮中心，為領導總攬全局，果斷決策，正確指揮提供直接的現場信息。本文設計的便攜式衛星站具備“一鍵式”對星功能，同時采用雙跟蹤尋星模式，尋星時間小于3分鐘，跟蹤精度小于0.2度。為滿足不同場合不同業務量的需求，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的通信業務。

2.2 便攜式衛星天線單元

便攜式衛星天線單元分為天線分系統、伺服控制系統和遠程監控系統三部分。便攜式衛星天線原理圖如圖2所示。

天線是衛星通信系統的重要組成部分，是便攜站射頻信號的輸入和輸出通道，天線系統性能的優劣直接影響到整個通信系統的性能。便攜式衛星天線采用格里高利雙反射偏饋型天線設計，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，天線設計為碳纖維復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℃環境中使用，具有強度高、重量輕、耐腐蝕、膨脹系數幾乎為零的特性。當天線對準目標衛星時，地面用戶發出的基帶信號經過地面通信網絡傳送到便攜站，便攜站通信設備對基帶信號進行處理，使其成為射頻載波后發送到衛星轉發器。衛星轉發器接收地球站上行頻率發送來的射頻載波，經過放大和變頻處理后，再轉發到地球站，由地球站天線接收。天線分系統的饋源、高頻頭將天線面接收的射頻載波處理為中頻信號，中頻信號經過功分器后一路信號解調處理后給基帶處理器，通過地面網絡傳送給用戶，另一路信號經信標接收機和DVB-S載波跟蹤接收機輸出AGC電平給天線控制器，為伺服控制提供信號電平指示。

伺服控制系統是整個系統的核心部分，用于控制天線準確對準目標衛星。包括：伺服控制器、電子羅盤、GPS接收機、信標接收機、DVB-S載波跟蹤接收機、執行電機及驅動部分。伺服控制系統工作原理為：在系統上電后開始搜索衛星信號，通過GPS接收機獲取接收天線所在地的經度、緯度和高度，結合控制器存儲的被搜索衛星的在軌經度，將這些角度信息送入控制器進行計算，獲得天線對準衛星所需要的理論方位角、俯仰角和極化角。然后通過姿態測量傳感器得到天線實時的方位角、俯仰角和極化角，與計算所得的理論角度進行比較，若不等，則驅動伺服電機轉動天線逐步減小差值，完成天線的搜索與初始對準。隨后進入步進跟蹤模式，在方位、俯仰方向上按一定步進小角度運動，同時與信標接收機或DVB-S載波接收機配合使用將天線鎖定在最佳跟蹤位置，完成衛星信號的跟蹤。伺服控制設計基于Microchip公司的dsPIC處理器方案，它是一種具有單片機和DSP綜合功能的16位CPU，不但具有豐富的模塊，I/O接口，支持多種電機控制，強大的中斷功能，同時還兼具DSP高速運算能力，是嵌入式系統的一種高性價比解決方案。為了滿足高精度控制，做到精確對準，本系統通過將GPS、數字羅盤、天線控制器、執行電機結合AGC電饋形成系統大閉環的方式，完成天線對衛星的穩定跟蹤。對于DVB載波跟蹤方式，由于數字高頻頭的解調過程需要幾秒鐘時間，所以存在對衛星信號反饋較慢的缺點，但是載波有帶寬較寬，比較容易捕獲，數據通信穩定的優點。信標是一個單載波，存在難捕獲，易受干擾的缺點，但是信標接收機能快速反饋衛星信號的強弱。本系統采用了DVB載波和信標跟蹤并存的方式，當一種方式無法對星時，可自動切換到另一種對星方式，從而確保了天線指向有效對準衛星。伺服轉臺采用俯仰、方位型天線架座，同時極化可調，執行電機通過驅動器電流的32細分，在減小噪聲和震動的同時，提高了控制精度。通過安裝限位開關對零點與限位位置進行定位。

遠程監控系統主要由手持終端控制設備或筆記本組成，向伺服控制系統輸入要對準目標衛星的位置信息、步進指令（步數以及方向）、開始運行指令、復位指令以及停止指令等，同時也可以在監控計算機上顯示天線的實時狀態信息以及角度波動情況，提供良好的人機對話功能。

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、網絡互聯等多種功能于一體，預留與各種非衛星通訊終端設備（如計算機）的接口，具備與衛星通訊網絡間的實時雙向通訊功能。終端單元集成于手提箱內，防塵、防震、體積小、重量輕、攜帶方便，采用積木式結構，可根據用戶需要選擇不同衛星通信體制設備終端單元，并根據具體需要，對功能模塊進行選配。終端單元原理框圖如圖3所示。

終端單元的核心設備是衛星調制解調器，其主要功能是完成基帶信號的編/解碼、調制/解調等信號處理，且自身帶有IP路由功能，通過設置網關，局域網內的網絡設備能夠連入衛星網絡，實現與其他衛星站之間的網絡通信、視頻會議、數據通信等。

三、結構方案

便攜式衛星通信站結構設計的核心部件是電/手動二維轉臺，它的結構形式直接關系到整個便攜式衛星通信站的外形、重量、體積等。該轉臺分為上、下腔體兩個部分，方位和俯仰驅動機構均布置在上腔體中，下腔體布置支撐結構和接插件。俯仰驅動機構采用雙軸伸步進電機加成品減速器的方式：俯仰電機一端與減速器相連，一端與手動手柄相連，減速器一端與電機相連，一端與天線組件相連，帶動天線組件做俯仰方向的轉動；方位驅動機構采用雙軸伸步進電機加自制減速機構（蝸輪蝸桿加圓柱齒輪）的方式：方位電機一端與手動手柄相連，一端與蝸桿相連，通過自制減速機構驅動上腔體和天線組件做方位方向的轉動，上、下腔體的結合處加密封圈，能有效防塵、防雨。方位驅動機構中有蝸輪蝸桿，能有效自鎖，可防止大風對天線面在方位方向上的吹移，俯仰驅動機構外加鎖緊裝置，可防止大風對天線面在俯仰方向上的吹移；極化裝置所需的驅動力矩很小，采用單軸伸步進電機加成品減速器和同步帶驅動的結構方式。

天線面采用可拆卸的剖分結構形式，共分為六瓣，除主瓣與轉臺固定連接外，其余五瓣可拆卸，通過專門的快裝機構拆裝。整個控制系統模塊裝在一個腔體內，該腔體采用碳纖維開模加鑲嵌散熱金屬塊的方式制造，蓋板采用倒扣結構形式，配合碳纖維腔體邊緣的密封橡膠條，和轉臺配合使用，能有效散熱且能密封防雨。

四、軟件設計

便攜式衛星通信站實現一鍵對星功能采用程序跟蹤與步進跟蹤相結合的跟蹤方式，即：先利用程序跟蹤實現天線的粗對準，再采用步進跟蹤實現天線的精對準，可以提高系統跟蹤的速度與精度。

程序跟蹤將需要搜索的衛星的軌道信息（衛星的在軌經度、極化方式、下行頻率、符號率）預存入天線控制器中（在管理員權限下同時支持手動輸入衛星的在軌信息），讀取GPS、數字羅盤、傾角儀等傳感器數據，計算出天線俯仰、極化、方位的指向，向俯仰、方位、極化電機控制驅動器發出命令，俯仰、方位、極化電機轉到指定位置實現對衛星的搜索與跟蹤。程序跟蹤的關鍵是通過兩點GPS位置信息計算天線的指向角度，主要涉及到大地坐標系到載體坐標系的矩陣變換算法。

步進跟蹤是在程序跟蹤后，在天線方位角±10°、俯仰角±2°范圍內以“Z”字型方式掃描空域，精密調整天線指向，在信標信號或載波信號鎖定后，微調天線找出信號的最大值指向角度，此時鎖定衛星。

五、結論

我公司設計、生產的便攜式衛星通信站具備全自動“一鍵對星”能力，設備從展開、跟蹤、對星、調整、收藏均可全自動完成，安裝簡單，無須較準，快速對星，通過VSAT通信網，可在較短時間內迅速搭建一個高品質的衛星通信網絡。目前該系統已在四川省人防辦、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

[1] 胡正飛，訪繼東. 便攜式衛星通信地球站結構及其控制系統設計[J]. 機電產品開發與創新，2006，19（3）：4～6

衛星通信基本原理范文第3篇

雨衰的機理及影響

1、雨衰的產生

當電波穿過降雨的區域時，雨不僅吸收電渡能量，而且對電波產生散射。這種吸收和散射共同形成電波衰減?散射還能導致大范圍無線電干擾，并對電波存在去極化效應，稱這些衰減和干擾為雨衰。

這種衰減呈現非選擇性能和緩慢的時變特性，是導致信號劣化，影響系統可用性的主要因素。因此，雨衰問題也就成為系統設計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系，當信號的波長比雨滴大時，散射衰減起決定作用。當電磁波的波長比雨滴小時，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；當電磁波的波長和雨滴直徑越接近時衰減越大，一般情況下(比如中短波)電磁波的波長遠大于雨滴直徑，故衰減很小，C波段信號受雨衰的影響也可以忽略。對于10GHz以上的電磁波，雨衰的影響就非常明顯了，在鏈路計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(CCIR)(現為國際電聯(ITU))提供的雨衰與頻率和降雨大小的關系圖，從圖1中可以很清楚地看出Ku波段信號受雨衰的影響。如圖1所示，降雨對電波的衰耗為實線，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嚴重。若電波穿過雨區路徑長度為10km時，對于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，每公里的損耗強度較大，但雨區高度一般小于2km，暴雨引起的衰耗將超過10dB以上。隨著降雨強度的加大，在Ku波段降雨衰減系數也急劇增加，其降雨衰減量與降雨強度幾乎成正比。而對于C波段[(4-6)GHz]來說，雨衰的影響就不是很明顯，中雨區上行線路的衰耗為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

降雨引起的對電磁波吸收衰減也會對地球站產生熱噪聲影響，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，對接收信號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構有關。

根據經驗，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。這是因為電磁波穿過降雨路徑較短，衰減量就小一些。 在沒有雨衰時，噪聲溫度不增加；在沒有波導損耗時，噪聲溫度只和降雨衰減量有關。由于噪聲溫度的增加直接影響到接收系統的G／T值，也就是直接影響到接收信號的載噪比，對信號可用度的影響甚至比降雨衰減更明顯，在鏈路計算時必須考慮其影響。

3、去極化現象

降雨不僅會使電波衰減，還會產生去極化作用，所以降雨對電波的吸收和散射特性也與入射波的極化波面有關。由于空氣阻力使雨滴變成略微扁平的形狀，在雨滴的兩個軸向引起的衰減稱為微分衰減，相位移稱為微分相移。這種現象對單極化傳輸系統影響并不大，但對于正交極化復用的雙極化傳輸系統，會造成極化隔離度降低，導致正交極化的信號互相干擾加大。這種降雨引起的去極化現象，對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，當天線仰角大于15°時，交叉極化鑒別度在超過年平均時間的0.1％時，可望達到27dB，0.01％時為20dB，0.001％時為15dB。如圖3所示。暴雨區Ku波段的微分衰減可達2dB左右(雨區高度按2km計算)。對于正交極化復用的衛星系統，降雨引起的去極化作用會使極化隔離度降低，產生極化誤差，導致干擾增加。

降低雨衰影響的措施

考慮Ku頻段抗雨衰策略時，首先應準確得到某一特定區域的降雨衰減。它要求進行長期的觀察測量，得到長期連續的降雨實測數據(如連續多年的每分鐘降雨率)，獲取該區域精確的降雨統計特性，并通過實測數據，計算該區域的降雨衰減。通過迭代，補充完善降雨統計特性，以獲取該區域在各種條件下降雨衰減的真實情況。在此基礎上可以采取如下抗雨衰策略：

1、鏈路的備余量

它是傳統通信鏈路設計中常用的方法。如C頻段衛星通信鏈路通常留3dB余量，Ku頻段衛星通信鏈路通常留6dB余量。在一些降雨較少的地區(如沙漠地區)，完全可通過鏈路余量來滿足系統可用度要求；在高降雨地區，完全靠這種方法不現實，應在具備適當鏈路余量的基礎上，綜合考慮其他方法。但這種方式將會占用過多的衛星資源，在晴空時造成資源浪費，下大雨時，可能又不夠用。

2、功率控制

對于Ku波段的衛星通信系統，建議在地球站設置上行鏈路自適應功率控制(AUPC)，或者進一步采用以網絡管理為基礎的全網自動功率控制(APC)或動態功率控制(DPC)系統，才能有效地對抗降雨衰耗的影響。

(1)上行鏈路自適應功率控制(AUPC)。如果系統設計采用傳統的功率余量方法，將嚴重影響系統的通信容量，而且降雨的時間比例較小。因此，必須采用自適應功率控制技術以提高系統通信容量并保證鏈路的可靠性。其基本原理是：各地球站在監測來自衛星的信號強度的同時，計算鏈路降雨衰耗，然后自適應調整地球站的發射功率，從而動態地補償鏈路的雨衰，使信號保持在一個合適的工作電平，從而使衛星轉發器接收到地球站發射的信號電平與晴空時基本相同。在更先進的衛星系統中還能做到衛星轉發器進行自適應功率控制，這樣能更好地克服雨衰對Ku波段衛星通信的影響。上行功率控制又分成開環上行功率控制和閉環上行功率控制兩種。

設備的開環上行功率控制是地球站利用接收衛星信標信號電平的變化量測出下行線路的雨衰值，進而去控制地球站發送設備的中頻衰耗器或射頻衰耗器，使衰減器減小的數值與上行線路雨衰值大體相同。開環上行功率控制工作原理比較簡單，所用設備較少，投資較小，但精度較低。

閉環上行功率控制是地球站將接收來的衛星信標信號，與通過衛星轉發器環回信號或某一特定信道的通信業務信號的C／N(或S／N)值進行比較，然后去控制地球站的上行功率。這樣一來，上行信號的雨衰值和上行功率控制的控制量有較高的準確度。因此在閉環上行功率控制中必須將控制信道與通信信道分開，所用設備較多，費用較高。

(2)自動功率控制(APC)。上行功率控制是針對衛星通信上行線路的降雨衰耗所采取的技術措施，但對于衛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，己成功研制了同時控制上行線路和下行線路降雨衰耗的自動功率控制系統(APC)，這種動態功率控制是以衛星通信的網管系統為基準的。該網管系統能實時地測出各個地球站的接收電平值，將該值與基準電平(晴天時的正常接收電平值)進行比較，將比較結果通過網管信息傳輸通道傳送給相應的地球站，控制該地球站的發信設備的輸出功率。因此，采用自動功率控制能使衛星通信系統的穩定性和可靠性大大提高，也使衛星通信得到了廣泛的應用，大大地節約衛星通信的資源。

3、采用編碼及降速率技術

在雨衰較大時，可以采用前向糾錯編碼技術(FEC)來減小傳輸的誤碼率。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，當采用維特比譯碼時，其編碼增益可達5dB。當然減小編碼率也必須有個限度，一方面當編碼率減小到一定程度時，若再進一步減小編碼率，多獲得的編碼增益將改善很小；另一方面減小編碼率會導致系統容量的減小。此外，還可以通過自適應速率降低技術(ARP)來克服雨衰的影響，通過減少衰減信道的數據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，增益為5dB。使用糾錯編碼和降速率技術，可以補償不同程度的雨衰；但隨著深度的增加，有效可用容量減少。

4、空間分集技術

在多雨或衛星仰角很低的地區，由于Ku波段的特點，降雨衰減非常大，采用空間分集技術(也稱站分集技術)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地點設置地球站，通過兩個地球站進行信號的分集接收，類似于地面蜂窩移動通信的空間分集技術，也可以單獨切換到雨衰較小的地球站進行單鏈路通信。主要從分集改善因子和分集增益兩個指標來衡量分集改善的質量，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，也是需要付出代價的。網絡投資成本大幅上漲，而且需要非常復雜的網絡控制技術。需要指出的是空間分集技術不僅僅局限于兩個站址，可以采用多個站址同時分集接收，當然其代價就更高了。

5、極化方式的選擇和天線的選擇

不同雨滴形狀對信號的衰減也不相同。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，雨滴對水平極化波的衰減比對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系，因此適當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，系統覆蓋范圍越大。當然，其成本也會明顯增加。

6、采用低噪聲高增益的優質高頻頭（LNB)現用于接收Ku頻段衛星信號的LNB，一般噪聲系數為0.8dB，噪聲系數在0.6dB便是十分低的噪聲，如使用噪聲系數為0.7dB的，其增益可達到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質LNB，而且這要比增大天線口徑的成本低。

衛星通信基本原理范文第4篇

通信技術正以前所未有的速度得以發展和應用，它與計算機技術相互融合和滲透形成現代通信技術，如衛星通信、微波通信、移動通信、光纖通信等都屬于現代通信技術，它與我們息息相關，給我們的工作和生活帶來了日新月異的變化。因此，《現代通信技術》課程不僅要在通信工程專業開設，同時還有必要在非通信工程專業開設。

1 現代通信技術課程的目標與內容

《現代通信技術》作為一門為非通信工程專業本科學生開設的課程，是通過知識的加工和優化，在原《現代通信系統》與《通信原理》等課程基礎上整合而成，并向應用性方向拓展[1]。由于非通信工程專業的學生沒有學習過《現代通信系統》和《通信原理》課程，所以課程目標是“輕理論，重應用”，使學生初步了解關于通信系統的基本概念、數字通信系統的組成；了解現代通信系統中的電信交換、衛星通信、微波通信、移動通信、光纖通信等通信系統的基本原理、組成框架和最新應用內容。

現代通信技術課程由通信網基礎技術、電信交換、無線通信、移動通信和光傳輸網五大主要組成部分[2]，詳見圖1。

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圖1 現代通信技術課程主要內容

通信網基礎技術包括模擬通信和數字通信（強調數字通信系統）、數字通信系統設計的技術如信源編碼技術、信道復用技術等、數字信號的基帶傳輸、調制技術和差錯控制技術等；電信交換包括常用的交換方式如電路交換和分組交換、數字程控交換、isdn（綜合業務數字網）和智能網；無線通信包括無線傳播的基本特性、無線通信的關鍵技術、典型的無線通信微波通信系統、衛星通信系統的組成和應用；移動通信包括移動通信的關鍵技術、典型的移動通信系統gsm、cdma和3g系統的原理、技術體制及應用發展；光傳輸網包括管傳輸系統的組成和原理、sdh光傳輸網技術、光波分復用技術等。WWw.133229.COm

2 傳統的現代通信技術教學方式的特點

傳統的教學方法是以知識學科體系為中心，先講述理論，在進行一些驗證性的實驗。《現代通信技術》課程的教學方式一致沿襲本科教育中學科體系的教學模式，從通信網基礎技術到無線通信、移動通信等，都過于側重理論，偏重知識的積累，內容豐富，公式與性質多，抽象難懂，這種教學方式的主要特點和弊端如下：

2.1 學生對學習感到枯燥，無法進行創新能力培養。對于現代通信技術課程來說，知識抽象、枯燥，特別是講到通信原理等摸不著看不見的知識時，學生更是不知所云。很多學生僅僅是被動地在學習，沒有主動參與的熱情，體會不到學習的樂趣，更談不上創新能力了。

2.2 教學過程中以原理知識為核心，而忽略了學生的數學功底和理論推導能力，使其缺乏學習的積極性；教學方法也是以傳授知識為主，忽視了學生的能力培養和工程設計鍛煉，導致知識與能力不協調。

2.3 理論和實際沒有很好地聯系起來，對知識的實際應用只作點綴，學生動手環節較少，更缺乏現場操作的經驗，無法滿足崗位需求。

3 現代通信技術課程的教學思路和教學模式

考慮到非通信工程專業的學生基本上沒有學習過包括通信原理、信號與系統、隨機過程等課程，在教學中必須從實際出發，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，激發學習興趣[3]。采取“多挖坑少鉆井”的方法，對現代通信技術課程中較深的知識進行必要的刪減，比如通信網基礎技術中的調制技術、語音編碼，電信交換中的數字交換單元的工作原理、信令系統，無線信道特性分析、擴頻技術等知識點，只能進行簡單的講解，使學生明白這些知識的基本概念。

3.1 教學內容模塊化。

本課程對理論知識不要求過度深入，避免復雜的數學推導，建立模塊化的教學模式，參考圖1的課程內容，將現代通信技術作為一個整體任務，并按主要內容將這一任務分解成任務模塊：通信網基礎技術模塊、電信交換模塊、無線通信模塊、移動通信模塊和光傳輸模塊，每個模塊又分解為幾個子模塊。每個教學模塊都以具體的項目案例引出教學內容，將枯燥的理論教學完全融入到一個個具體的任務中，抽象的知識就得到了具體的體現。這種教學方案不僅可以激發學生的學習興趣，還可以培養學生分析問題和解決問題的能力。

3.2 教學方法多樣化。

課堂教學質量的好壞直接影響到教學效果。“滿堂灌”的傳統教學方法已經不適應現在以“學生為主體”的課堂，而采用類比引證等深入淺出的方法進行多維立體教學，則可事半功倍，大大提高教學質量。

3.2.1 多維立體教學。

隨著多媒體技術的應用，課堂上老師大都使用ppt進行教學，不停地播放幻燈片，授課信息量大，內容多，但這種教學方法很容易忽視學生對內容的理解和接受程度。多維立體教學，就是靈活使用現代教學手段，使用“多媒體+網絡+板書”的教學模式，采用多種方法展現抽象的知識點，在圖、文、聲、像等方面為學生提供直觀感受，讓他們在短時間內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、動畫和視頻等，課后學生可以登錄教學網站下載學習資料，通過網絡、論壇與老師進行互動交流。例如，在學習衛星通信時，可以插入衛星通信系統的圖片，播放最新衛星通信的相關視頻等，讓學生直觀地理解相關內容。

3.2.2 善于類比。

本課程設計很多的原理、概念，若只是將這些抽象的知識敘述出來則顯得枯燥無味，學生不易理

轉貼于

解，而將這些知識與現實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可以將其與臺球的運動做類比，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 臺球的運動

再如，在講解移動通信中的切換技術時，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。假設你在一個工作崗位呆久了，由于這樣或那樣的原因，想調整一下，但你不能終端工作，直接變成空閑狀態，因為你很在乎工作所帶來的收益，你不希望這個收益中斷（切換的目的就是為了提供無中斷的數據傳輸）。根據崗位變動時，交接工作地開展方式不同可以把崗位變動分為溫柔換崗（類似于軟切換）和強行換崗（類似于硬切換）。溫柔換崗就是在和新的工作崗位進行聯系時，舊崗位的工作也不已下載中斷，而是進行相應的交接工作；強行換崗就是和舊崗位徹底中斷，然后建立和新崗位的聯系。根據類比引出軟切換和硬切換的概念，學生就很容易理解了。

這種類比的方法不僅可以調節課堂氣氛，還可以深入淺出地將抽象難懂的知識讓學生在輕松地氣氛中理解并掌握。

衛星通信基本原理范文第5篇

關鍵詞： 極化分離； 單脈沖； 低噪聲放大器； 船載衛通站

中圖分類號： TN927?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

現代通信衛星為了提高頻譜利用率，一般均采取了極化頻譜復用技術，即通信衛星可以在兩個信道采用同一頻率而互不干擾地傳輸兩組獨立的信息，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的電磁波稱為圓極化波，其中線極化波根據矢量直線運動方向又區分為垂直極化和水平極化，而圓極化波根據兩個分量的相位關系又區分為左旋圓極化和右旋圓極化[1]。

衛星通信中一般發射和接收極化方式不相同，例如發射極化為垂直極化，則接收極化一般為水平極化，而通信衛星的轉發器通常都具有A、B兩種極化方式，所謂A極化，對于線極化衛星而言，是指發射水平極化接收垂直極化，對于圓極化衛星而言，是指發射右旋極化接收左旋極化；所謂B極化，對于線極化衛星而言，是指發射垂直極化接收水平極化，對于圓極化衛星而言，是指發射左旋極化接收右旋極化，用于跟蹤的衛星信標信號也有兩種極化方式。相應的衛星通信地球站的定義則相反。

在某船載衛通站中，為了適應與不同衛星通信的需要，天線具有雙線雙圓極化方式，可以根據需要靈活選擇，但是由于船載衛通站在運動載體上工作，其對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環境下對跟蹤接收機的相位進行校準，且同時只能對一種極化方式進行校相，一旦需要在海上從A極化方式切換為B極化方式工作時，就需要重新校相，但在動態條件下校相，目前還存在一定的困難，這樣就給海上通信帶來風險，本文分析船載衛通站跟蹤的基本原理和饋源網絡的結構組成，提出一種將跟蹤極化與通信極化方式分離的方法，可以提高系統工作的靈活性。

1 基本結構與原理

某船載衛通站采用雙線雙圓極化方式，采用單通道單脈沖跟蹤方式，其饋源網絡的基本結構如圖1所示，網絡由TE21模耦合器、差模合成網絡以及頻譜復用網絡組成，差模耦合器由2個正交的TE21模分耦合器組成，4根耦合臂Ⅰ和4根耦合臂Ⅱ組成2個在極化上正交的TE21模分耦合器，分別輸出左旋極化信號和右旋極化信號，該信號稱為差信號，經低噪聲放大器（該低噪稱為跟蹤低噪，也稱差低噪）放大后送入和差網絡。

在頻譜復用網絡中，主要包括收發線圓轉換器、極化面旋轉關節、正交模變換器以及雙工器等器件，其主要作用是進行線圓轉換、極化角轉換以及收發信號的隔離。網絡可以同時輸出兩種極化方式的信號，對于發送端口而言，其接收來自高功率放大器的信號，經網絡后通過天線將上行信號發送至衛星，對于接收端口而言，其信號從網絡輸出后經低噪聲放大器（該低噪稱為通信低噪，也稱和低噪）放大后，送入和差網絡與差信號進行合成后，耦合成一路跟蹤信號送跟蹤接收機，一路下行通信信號送下變頻器等設備進行通信。

跟蹤接收機系統主要作用是將天線饋源網絡中生成的方位誤差信號和俯仰誤差信號對和信號進行歸一化并轉換成直流信號，此信號送到天線伺服系統，由伺服系統驅動天線朝誤差減小的方向運動，從而確保天線始終對準衛星。

跟蹤接收機系統包括低噪放大器、和差網絡和跟蹤接收機，其中和差網絡安裝在天線上，其功能是完成和差信號的單通道合成。差低噪輸出的信號經過隔離器后由0～π調制器調制為抑制載波的差信號，在合成網絡內與和信號合成一路跟蹤信號送到接收機。和低噪輸出的信號在合成網絡內耦合出一路作為跟蹤信號與誤差信號合成單通道，主信號經過隔離后輸出至下變頻器用于通信[2]。跟蹤接收機系統工作原理如圖2所示。

2 存在問題

在工程實際中，為了提高系統可靠性，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，則和信號與差信號都接入右旋極化端口，這樣跟蹤A極化信標，通信使用A極化轉發器，由于采用單脈沖跟蹤方式，在使用前需在碼頭靜態條件下進行校相。系統連接關系如圖3所示。

圖3 1∶1低噪冗余倒換系統連接示意圖

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絡的兩路信號極化方式必須相同，因為通信低噪輸出的信號需送入合成網絡耦合出兩路信號分別用于跟蹤和通信，當需要從A極化轉發器更換為B極化轉發器時，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，會導致和差通道相位發生變化，必須要重新進行校相，這樣就限制了B極化轉發器的使用范圍，即要進行A/B極化方式切換，必須要在碼頭靜態條件下進行，否則無法進行跟蹤，但在實際工作中，由于衛星轉發器資源有限，經常會出現A極化轉發器難以租用的情況，需在動態環境下切換到B極化方式工作，但由于無法進行靜態的校相，更換為B極化后天線無法跟蹤衛星，從而無法使用，這樣就給船舶通信帶來困難。

3 優化設計

從A極化通信方式改為B極化通信方式，對于上行鏈路而言，只需要對高功率放大器輸出的信號進行切換即可，不存在限制，但對下行鏈路而言，現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，從而導致更換B極化后需要重新校相，限制了B極化轉發器的使用。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，這樣會避免更換通信極化方式后對跟蹤方式的影響。當跟蹤與通信均采用A極化時，仍采用現有連接關系不變，當需要B極化通信時，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，其連接關系如圖4所示。

圖4 2∶1低噪冗余倒換系統示意圖

與原有系統相比，跟蹤低噪仍采用1∶1系統，但通信低噪改用2∶1系統，通信網絡兩個極化的信號均輸入到低噪中，輸出兩路極化信號分別至和差網絡和下變頻器設備，在這種方式下，跟蹤接收機可以固定跟蹤A極化信標，而通信設備則可根據需要采用A極化或B極化方式通信，若采用A極化方式，則采用和差網絡輸出的下行信號接入下變頻器，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，切換時只需要更換下行線纜即可，無需重新校相，可以大大提高衛通站使用的靈活性。采用2∶1系統后，備份的低噪同時作為在線兩路低噪的備份，任意一路低噪故障時可以切換到備用低噪工作，可以提高系統可靠性。

要實現跟蹤與通信極化的分離，除了使用2∶1冗余低噪系統外，還可以采用兩套1∶1冗余低噪系統，即跟蹤使用一套1∶1冗余低噪系統，通信采用兩套1∶1冗余低噪系統，采用這種方式后系統可靠性更高，通信所使用的A極化信號與B極化信號是完全獨立的，但是這種方式帶來的問題是安裝所需要的空間較大，由于船載衛通站為了實現全過頂無盲區跟蹤，一般采用A?E?C三軸結構，其高頻箱尺寸相對較小，通信網絡及低噪放大器均安裝于高頻箱內，低噪放大器由于采用波導連接且中間有轉換關節，因此尺寸較大，對安裝空間有一定的要求，而采用2∶1系統的優勢在于其安裝尺寸與1∶1系統相比增加不多，但是可實現兩路極化信號的輸入，可能的影響是A、B兩路極化信號之間相互干擾對通信帶來影響，下面對該問題進行分析。

A、B極化信號之間相互干擾帶來的影響就是對交叉極化隔離度指標的影響，船載衛通站交叉極化隔離度的指標要求一般為大于30 dB，采用2∶1系統時，A極化信號和B極化信號分別采用不同的波導倒換開關輸入輸出，而普通射頻倒換開關的隔離度可以達到大于40 dB，可以滿足極化隔離度的要求。因此，采用2∶1低噪冗余倒換系統可以滿足使用要求。

4 結 語

船載衛通站相比一般固定衛通站而言，其組成更為復雜，工作方式更為靈活，采用1∶1低噪冗余倒換系統時，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通站更換信標后需要在靜態條件下重新校相，因此這就限制了船載衛通站在動態條件下進行通信極化轉換，通過分析船載衛通站的饋源網絡結構以及系統工作原理，本文分析了限制動態進行極化轉換的原因，提出了將跟蹤極化與通信極化相分離的方案，采用2∶1冗余低噪倒換系統可以實現跟蹤與通信極化的分離，從而解決了動態條件下進行通信極化轉換后無法跟蹤的難題，并結合工程實際分析采用兩套1∶1系統與采用2∶1系統的優缺點，以及采用2∶1系統后對通信性能的影響，為工程實現提供了解決方案。

參考文獻

[1] 沈民宜，蔡鎮遠.衛星通信天線、饋源、跟蹤系統[M].北京：人民郵電出版社，1993.

[2] 李靖.TE21模單脈沖自跟蹤系統[J].無線電通信技術，2005，31（6）：42?44.

[3] 謝俊好，熊衛明.傳統單脈沖方法的數學原理及工程實現[J].系統工程與電子技術，2004，26（4）：468?470.

[4] 柯樹人.圓波導線極化TE11模和圓極化TE21模自跟蹤體制[J].通信與測控，2003，27（1）：260?265.