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1.3卫星通信的抗干扰技术卫星运行在外太空，电磁环境复杂，统一受到太阳风、强磁暴等空间环境影响，导致出现信息干扰和信息失真，卫星通信的抗干扰技术主要依靠卫星传输链路中不同的抗干扰设备和系统完成其功能，抗干扰设备和系统主要有DS/FH混合扩频、自适应频域滤波、猝发通信、时域适应干扰消除、基于多用户检测的抗干扰、自适应信号功率管理、自适应调零天线、多波束天线、分集抗干扰、变换域干扰消除、纠错编码和交织编码抗干扰技术等。在软硬件共同的作用下阻断电磁干扰、过滤杂波、屏蔽信号污染、实现程序监视等功能。
2卫星通信技术的发展趋势
2.1通信卫星体积的发展趋势通信卫星体积正在向大型化和微型化两个方向发展。其一，各国把通信卫星体积建造得越来越大，以便实现高灵敏和强处理能力。其二，各国推出小型通信卫星，用多颗小卫星组网构成卫星通信网络代替单颗大卫星，具有方便发射和成本低廉等优点。
2.2卫星移动通信技术方兴未艾卫星移动通信是指利用卫星实现移动用户间或移动用户与固定用户间的相互通信。随着频谱扩展、数字无线接入、智能网络技术的不断发展，卫星移动通信在向卫星个人通信方向演进，用手持机可实现方便接入卫星移动通信网，进行卫星移动通信。
2.3卫星互联网技术兴起将卫星通信网络转化为互联网中数据上下交换的链路，可将电话拨号、局域网等其他通信链路作为上行数据链路，还可以将下载和传输作为下行数据链路，利用卫星的特点实现地面随时连接互联网络。
2.4卫星通信向宽带化发展为了满足卫星通信系统用户对大数据量和高负荷的需求，卫星通信技术已向拓展直EHF频段发展，扩大频段的容量，大大减轻现有频谱拥挤现象，减少受电磁现象影响引发的信号闪烁和衰落，提高了卫星的抗干扰能力。使卫星通信部件尺寸和重量大大缩小和减轻，方便卫星搭载更多的通信设备。
2.5卫星通信光通信化发展卫星光通信是利用激光进行卫星间通信，达到降低卫星通信系统设备质量和体积，提高卫星通信保密性等目的。
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低轨（LEO）卫星移动通信系统与中轨（MEO）和静止轨道（GEO）卫星移动通信系统比较，具有以下特点：
1.1由于具有更小的信号衰减和更低的传播时延，低轨卫星通信系统更有利于实现个人全球通信。LEO系统的路径传输损耗通常比GEO低几十分贝，所需发射功率是GEO的1/200-1/2000，传播时延仅为GEO的1/7~1/50，这对于实现终端手持化和达到话音通信所需要的延时要求是十分有利的。
1.2蜂窝通信、多址、点波束、频率复用等技术的发展为LEO卫星移动通信提供了技术保障。
1.3由于地面移动终端对卫星的仰角较大，天线波束不易受到地面反射的影响，可避免多径衰落。
1.4它在若干个轨道平面上布置多个卫星，由星间通信链路将多个轨道平面上的卫星联接起来。整个星座如同结构上连成一体的大型平台，在地球表面形成蜂窝状服务小区，服务区用户至少被一个卫星覆盖，用户可随时接入系统。
1.5由于卫星的高速运动和卫星数目多，也带来了多普勒频移严重和星间切换控制复杂等问题。但不管怎样，低轨卫星移动通信系统的上述特点对于支持实现个人通信是有巨大吸引力的。
2LEO卫星通信系统用户切换的一般过程
低轨卫星移动通信系统中，由于卫星的高速运动，使得它的波束覆盖区也跟着移动，而波束覆盖区的移动速度远大于用户的运动速度，因此，在LEO卫星移动通信系统中，切换主要是由于卫星波束移动引起的。
对于卫星移动通信系统中的呼叫切换，通常经历这样一个过程：
2.1用户周期测量当前使用波束和邻近波束的导频信号或广播信道的信号强度的变化，以便确定它是否正在穿越相邻波束之间的边界或者处于相邻波束的重叠区内。
2.2若用户进入相邻波束的重叠区，达到切换触发的条件，将开始启动切换过程。用户中止利用当前波束进行通信，等待分配信道利用新波束进行通信。
2.3切换过程开始后，需要在新到达波束中为该用户按照一定的信道分配算法进行信道分配，并在原先波束中释放使用的信道；如果采用了波束内切换或信道重安排，则原先波束还须按照呼叫结束后的信道重安排算法进行波束内的信道优化分配，进行必要的波束内分配。分配完成后，将数据流从旧链路转移到新链路上来，完成切换。
3LEO卫星通信系统用户切换的种类
低轨卫星通信系统用户切换可分为以下类型：
3.1同一信关站和卫星的不同波束之间的切换
目标波束和现用波束在同一信关站和同一卫星内，该切换涉及两个波束的信道分配和修改同一信关站(不采用星上交换)或卫星(采用星上交换)的交换路由表。
3.2同一信关站不同卫星之间的切换
目标波束与现用波束不在同一颗卫星内、但在同一个信关站范围内，它涉及两颗卫星的信道分配；对于采用星上交换的体制，需要改变两颗卫星星上交换路由表；对于卫星透明转发的体制，需要修改信关站交换路由表。
3.3不同信关站同一卫星的波束间的切换
目标波束和现用波束属于同一颗卫星，但属于不同的信关站，它涉及两个信关站之间的切换，包括信道分配、改变地面线路连接、位置更新、记费等，对于采用星上交换的卫星还需要改变其交换路由表。
3.4不同信关站不同卫星之间的切换
目标波束和先用波束属于不同的卫星且属于不同的信关站，它涉及两个信关站和两颗卫星之间的切换，信关站涉及信道分配、改变地面线路连接、位置更新、记费等问题，对于采用星上交换的卫星需要改变其交换路由表。
4LEO卫星通信系统中用户切换目标卫星的选择准则
在低轨卫星移动通信系统的切换控制中，切换的目标卫星的选择策略对切换的最终性能也有着直接的影响。因此，根据系统的需要，设计出适合于本系统的切换目标卫星选择方案至关重要。目前，低轨卫星移动通信系统中的切换目标卫星选择策略主要有以下几种：最近卫星准则、最强信号准则、最长可视时间准则、最多可用信道数准则、覆盖时间与仰角加权准则及最小跳数切换准则。
其中，最近卫星准则认为距离用户终端最近（仰角最大）的卫星能够提供很好的服务质量（QoS），可从纯几何上对其性能进行分析，也称为最大仰角准则。采用该准则时，用户终端在任何时候都选择能够为其提供最大仰角的卫星。该准则实现简单，但一般不会在实际系统中采用，因为它既没有考虑无线信号在空中的传播条件，也没有考虑网络的运行状况。强信号准则是终端在任何时候选择能够接收到最强信号的卫星。拥有足够高的信号强度是无线通信的一个基本条件，可以认为最强信号卫星准则能够提供较好的服务质量。
最长可视时间准则又称为最大覆盖时间准则。按照这个策略，用户将利用星座系统运行的先验知识，始终选择具有最大服务时间的卫星作为其切换的目标卫星。该准则基于对最小化系统的切换请求到达率考虑，延长了切换后呼叫一直被某个卫星服务的时间，从而可获得较低的被迫中断概率。
最多可用信道数准则为：用户选择具有最多可用信道数的卫星为它提供服务。该准则出于对整个系统信道资源利用率考虑，以使卫星系统中每个卫星所承载的业务量趋于均匀分布，避免因某个卫星节点超负荷而失效，从而影响到整个系统性能。应用这个准则时，不管卫星的具置，新呼叫和切换呼叫会经历相同的阻塞率或被迫中断概率，从而可以避免出现某个卫星超载的情况。
最小跳数切换准则则应用于具有星上路由的情况，策略要求用户在任何时候都选择能够为其提供最少跳数路径的卫星。在具体实现过程中，通信双方周期性检测其可见卫星中是否有比当前通信路径的跳数更少的路径，如果存在则进行切换，否则继续使用当前卫星进行通信。当然，如果通信双方的当前卫星出现低于最小仰角（或信噪比）时，也需要进行切换。假定卫星系统使用准静态路由算法，路由表项中带有卫星到卫星的路由跳数，而且其路由信息随着网络拓扑变化由系统自动刷新。
5低轨卫星通信系统用户切换与路由
在切换时，由于服务卫星的改变，对于采用星上交换和星上路由的卫星通信系统，原有路由也需要被重新建立。重建路由有以下几种方案：全路由重建，部分路由重建，重路由结合扩展路由，动态概率优化路由，最小跳数路由。
其中全路由重建卫星切换方案：原有路由完全被新路由代替，该方案得到的新路由仍然是最优化路径，但其处理时延比较大。
部分路由重建卫星切换方案：当切换发生时，原有路由被部分保存，只有变化部分被更新，该方案处理时延比较小，但新生成的路由可能不是最优化路径。
重路由与扩展路由结合：切换后首先进行路由扩展，再进行路由优化。以降低延时，但信令开销增大。
动态概率优化路由：全路由重建节约带宽，但是扩大了信令资源，需要选择合适的优化概率P，在带宽和信令资源之间折中。即并不对所有扩展后的路由进行优化，而是以概率P，对一部分路由进行优化，一部分仍保持原扩展路由。
最小跳数路由策略：用户在任何时候都选择能够为其提供最少跳数路径的卫星。通信双方周期性检测其可见卫星中是否有比当前通信路径的跳数更少的路径，如果存在则进行切换，否则继续使用当前卫星进行通信。该策略能够获得较低的传播延时和较小的切换频率，具有很好的系统性能。
参考文献
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2卫星通信产品的多址体制方式的选择
卫星通信由于具有广播和大范围覆盖的特点，因此，特别适合于多个站之间同时通信，即多址通信。多址通信是指卫星天线波束覆盖区内的任何地球站可以通过共同的卫星进行双边或多边通信。目前比较常用的两种卫星通信多址体制方式为：TDM-FDMA（时分复用-频分多址）和MF-TDMA（跳频-时分多址）。（1）多址体制方式一：TDM-FDMA。（2）多址体制方式二：MF-TDMA。
3卫星通信在铁路应急通信中的应用网络架构
有时候会因为遇到突发性、严重的自然灾害、人为因素导致其他所有通信手段无法使用时，而应急指挥中心又急需现场相关资料，这时就可以利用卫星通信覆盖区域广和快速部署的优势将信息发送到应急指挥中心。常规卫星系统现场接入方式可以分成两种：一种是车载型，一种是便携型，这两种卫星接入方式可以视现场情况而定。而对于铁路应急通信人员来说，以上两种接入方式均可以采用，但在到达应急现场后，还需要在现场对卫星接入设备进行开设，考虑操作使用人员的技术水平和熟练程度，选择自动对星的车载或便携卫星设备就显得非常的方便，可确保快速建立通信链路保证通信。
事发现场人员要将信息传送到应急指挥中心，在铁路应急卫星通信系统网络建设时，可根据实际情况需要，按下文所述三种方案进行建设，如图1所示。
方式一：在中国铁路总公司应急中心建立卫星地面通信站，这样就可以通过应急指挥中心收发数据，再通过地面的有线网络传输到需要数据的各路局应急指挥中心。这种方案对于现代网络资源的应用比较充分，但在遇到一些突况时，数据可能无法通过地面有线网络传输到需要数据的各路局应急指挥中心，这就导致可能会出现一些无法预知的情况。
方式二：在各个路局的应急指挥中心建立卫星通信站，这样就可以在发生状况时迅速的将数据发送到各路局的应急指挥中心，同时各路局也能够及时的下达指令，进行相关问题的处理。这样做的好处是各路局应急指挥中心能及时掌握应急现场状况，但不利的是其建设费用将会大大增加。
方式三：在中国铁路总公司应急指挥中心以及各路局应急指挥中心均设置卫星通信站，这样一来，无论发生什么灾害情况，各路局应急指挥中心与中国铁路总公司应急指挥中心都可以实时掌握事发现场情况。这样做的好处不言而喻，但其建设费用也无疑会昂贵很多。
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（Ku/Ka/L频段可应用范围）依据《中华人民共和国无线电频率划分规定》，民用航空无线电频率使用和业务主要分为：1）制式无线电台是指为确保航空器的安全，在制造完成时必须安装在其上的无线电设备。2）非制式无线电台是指制式无线电台以外的无线电台。如:机载客舱卫星通信电台。3）航空移动业务是指在航空电台和航空器电台之间,或航空器电台之间的一种移动业务。营救器电台可参与此种业务；应急示位无线电信标电台使用指定的遇险与应急也可参与此种业务。4）航空电台是指用于航空移动业务的陆地电台。在某些情况下，航空电台也设在船舶或海面工作平台上。卫星通信在民用航空应用中又主要划分为驾驶舱（前舱）和客舱（后舱）。驾驶舱（前舱）通信需要高度完整性和快速响应的安全和正常通信，属于卫星航空移动（R）业务，主要分为空中交通服务部门用于空中交通管制、飞行情报与报警的安全相关通信，以及航空器承运人进行的、会影响到空中运输的安全、正常和效率的通信[航空运行管理控制通信（AOC）]。民航局《航空公司运行控制卫星通信实施方案》中推荐使用的卫星通信系统有海事卫星通信系统、铱星系统和Ku卫星系统。客舱(后舱)通信是为航空承运人的私人通信[航空行政通信（ACC）]服务，以及公众通信[航空旅客通信（APC）]。目前在国际上使用的客舱（后舱）通信系统主要有海事卫星通信系统、Ku卫星系统及Ka卫星系统。具体使用频率规划如表1所示。
三、民用航空的卫星通信网络运营系统现状
1.卫星网络与资源目前国际民航驾驶舱（前舱）卫星通信多使用的是L和S频段卫星通信系统，采用卫星移动通信使用的L、S频段。而卫星移动通信系统的建设是一项复杂的系统工程，国内尚无自建的商用卫星移动通信系统投入运行。国内正在使用或准备使用的商用卫星移动通信系统都是由国外运营商提供的服务。国外商用卫星移动通信系统主要包括：海事卫星系统（Inmarsat）、铱星系统（Iridium）、全球星ICO系统（Globalstar）、亚洲蜂窝卫星系统（ACes）和Thuraya等。具体所用卫星移动通信系统具体所用频率范围如表2所示。在客舱（后舱）卫星通信应用方面，中国卫通集团公司目前拥有12颗在轨卫星，可以提供以覆盖中国及周边地区的Ku频段卫星通信服务资源，并计划在2015年，达到拥有15颗以上在轨卫星。在卫星频率资源使用上将形成C、Ku与S、L、Ka频段相结合，固定广播通信卫星与移动广播通信卫星结合，覆盖范围广、用途多样的卫星空间段资源体系。中国卫通现有运营在轨卫星情况如表3所示。考虑到航空运输飞行国际、国内航线的特点，从卫星资源的服务能力来看，尤其是至今我国没有自主可管可控，用机驾驶舱（前舱）卫星通信的L和Ka频段卫星网络系统；即使是Ku频段卫星，目前我国自主运营的卫星服务能力，不论是覆盖范围，还是轨道频率资源，也远远不能适应满足我国航空市场发展卫星通信需求。这既是对我国卫星通信运营服务提出的挑战，更是开拓卫星通信服务业务的机遇和发展应用潜力。
2.用户终端设备由于我国在这方面应用起步晚，再加上用于航空领域的准入门槛制约，目前用于驾驶舱（前舱）卫星通信的L频段终端系统设备，以及用于后舱（客舱）卫星通信的Ku和Ka频段终端系统设备，全部是由国外厂商提供，几乎全面占领我国终端系统设备市场。民航飞机上卫星通信设备的制造门槛很高，除了要遵循现行技术标准，还要得到国际有关机构认可，为了国家信息安全的需要，国内厂商在这一领域还需要努力追赶，有所作为。驾驶舱（前舱）卫星通信的L频段终端系统设备主要有：霍尼韦尔,柯林斯，泰雷斯公司等。后舱（客舱）卫星通信的Ku和Ka频段终端系统设备主要有：Row44，Panasonic，GoGo，Aerosat等。后舱（客舱）卫星通信终端天线系统如图4所示。的通信系统多数是高频和甚高频通信系统，卫星通信的应用多是使用铱星系统，海事卫星，Globalstar,Thuraya,ACeS等卫星系统，以及与这些卫星系统相配的L频段在轨卫星系统的终端设备。驾驶舱（前舱）卫星通信终端设备如图5所示。
3.网络运营和用户业务管控从国家战略安全考虑，在航空运输飞行网络运营和用户业务管控方面，更需要建立可管可控的航空卫星通信网络运营和用户业务管控系统。系统网络运行管理主要是负责管理、监控和维护机载通信全系统，实时对全网系统涉及卫星、地面网络和终端设备等工作状态进行管理、监控，实时对运营网络中业务用户使用情况，进行本地或者远程、监控、维护和计费结算等管理，对网络运营和业务运营数据进行存储、备份管理，对网络运营中出现的包括卫星系统、终端设备和用户使用等问题，进行实时分析排查，及时警示和问题预先发现等必要的日常维护，保障全网络系统运行安全正常。民航卫星通信业务横跨通信信息传输服务和民用航空飞行运输服务，在相关系统设计规范、业务运营管理、设备准入等方面，必须同时满足国家对民航飞行安全，信息通信网络传输安全，信息内容安全和数据存储安全规定要求。民航卫星通信涉及国家信息安全，有必要在网络运营和用户业务管控方面在满足国家相关法规要求前提下，做到完全自主，实现业务运营可管可控。
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2应用举例
卫星固定通信台站天线口径大波束窄，对天线伺服系统的自动跟踪性能要求较高，为确保通信效果，需定期测量卫星天线系统的自动跟踪性能，传统的测试方法需用频谱仪在射频方舱内测试，且测试结果保持和记录都不方便，利用本系统可以方便进行远程测试，而且可以将测试结果保存在数据存储单元中，方便后续查询和参考。卫星天线跟踪性能测试流程如下：（1）调整卫星天线使其对准通信卫星；（2）在监控主机上按下述过程设置频谱仪；a)按卫星信标频率设置频谱仪中心频率，设置SPAN为0到100KHzb)根据信标信号的电平变化范围设置Sacle/DIV，以使测量过程中的载波电平变化始终落在频谱仪的可显示电平范围内c)根据信标频率稳定度，选择尽可能窄的RBWd)根据载波的峰值频率和功率，调整频谱仪的中心频率和参考电平e)利用键盘调窄SPAN，重复4f)重复5，将SPAN调整到最小g)将SPAN置0，使载波显示谱线作水平运动h)输入扫描时间，确定扫描长度（3）用手控方式调偏卫星天线的方位角和俯仰角，频谱仪显示谱线的电平将随天线偏离卫星而下降（4）启动天线自动跟踪功能，观察卫星信标电平随时间的变化，记录自动跟踪天线的对星过程以及跟踪速度和精度（5）存储记录数据，重复3、4步骤，多记录几次测试结果，分析卫星天线自动跟踪性能。
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基于上述备件维护管理策略可知，要实现地球站收发设备备件的离线性能检测，拟设计构建备件性能检测系统，以对备件性能的长期稳定性进行测试与维护，使更换备件的上线成功率达100%，确保更换备件的可用性和可靠性，从而为卫星通信系统的连续稳定运行提供可靠保障。地球站收发设备的备件分为系统级备件和部件级备件，其中系统级备件是指具备集成为有线闭环测试系统条件的备件，部件级备件是指不具备集成为有线闭环测试系统条件的备件。依据收发设备的备件分类情况，可将备件性能检测系统分为系统级备件性能检测系统和部件级备件性能检测平台，组成框图如图1所示。
2．1系统级备件性能检测系统
备件性能检测系统是针对具备集成为有线闭环测试系统条件的备件进行测试的平台，其设计思想是:利用信息产生器及模拟转发器将地球站的发送链路和接收链路的部分零散备件集成为一个自发自收的有线闭环检测链路，用来完成系统级备件的加电测试，并通过监测环路时延值达到对备件的检查与维护，确保更换备件的可用性和可靠性。同时，可完成返修设备及新增设备的验收考核测试、新进人员的业务培训、模拟故障处理演练等任务，具体组成框图如图2所示。
2．2部件级备件性能检测平台
部件级备件性能检测平台是针对不具备集成为有线闭环测试系统条件的备件进行测试的平台，其设计思想是:利用信号源、频谱仪、矢量网络分析仪、逻辑分析仪、功率计等测试仪器对零散的部件级备件进行定期检测维护和指标测试，以确保部件级备件的可用性和可靠性。同时，可作为新购置备件的验收测试平台，具体组成框图如图3所示。
3备件管理系统
3．1备件管理系统的体系结构
对于地球站收发设备的备件设备的管理，传统的管理方法是直接将备件设备放入库房，需要时人工从繁杂的备件设备中查找需要更换的备件设备，费时费力且延误备件上线时间，降低了系统不间断运行的可靠性;并且在系统备件状态发生变化时，表格记录形式无法得到及时更新，容易造成管理上的混乱。因此，为提高备件的使用效率，解决备件分散和备件存取造成的管理混乱等问题，本文建立备件管理系统，通过构建备件信息数据库，设计实现备件出入库管理和备件档案管理流程，实现备件设备信息的科学管理，并为地球站装备管理和采购提供数据支持。备件管理系统的体系结构如图4所示。
3．2备件管理系统的功能模块
本文从系统实用性出发，对信号收发备件管理系统进行需求分析，将系统功能模块划分为基本信息管理、备件库存管理、备件计划管理、使用信息管理、查询统计管理、系统信息管理等几个部分。系统各模块的功能如下:(1)基本信息管理基本信息管理用来设置系统的基础数据信息，如用户信息、备件信息、备件供应商信息、仓库及库位信息等，以便为其它的管理模块提供一个统一规范的基础性数据，并且方便系统的维护。(2)备件库存管理备件库存管理是备件管理系统最为重要的管理模块之一，该模块涵盖了备件从入库到出库之间的全部业务流程，主要实现对备件入库管理、备件出库管理、备件档案管理、库存备件明细、库存备件汇总以及库存报警等的管理。(3)备件计划管理备件计划管理主要实现备件采购计划工作中的备件计划、备件需求统计等功能。(4)库房管理库房及存放柜管理是对备件存放的直接映射，通过库房信息以及备件存放位置的信息，方便快捷地将备件定位到库房存放柜中，解决了原始的纸面记录或无库存记录造成的弊端。(5)使用信息管理使用信息管理主要记录备件上机使用情况，为合理采购备件，提供了第一手资料。(6)查询统计管理查询统计管理可提供灵活多样且直观的查询统计方式，统计出的数据准确可靠，用户可以通过统计汇总出各个备件的库存、维修、使用等数据，为领导决策提供依据。(7)系统信息管理系统信息管理主要完成对信号收发备件管理系统的用户信息和用户密码修改的管理。
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2.1主天线电机选型及计算
2.1.1天线转台加/减速时所需要的力矩式中：W为天线直径；L为天线宽度方向到回转轴的距离；I为天线相对于转轴的转动惯量；m为天线的总质量；θ为天线倾角。
2.1.2转台在风载荷下产生的颠覆力矩（按照天线迎风面最大算）风载荷（20m/s）作用于雷达的最大作用力：式中：ρ为空气质量密度（取1.2kg/m）；υ为平均风速（20m/s）；Cx为风力矩系数（取1.2）；A为天线风阻反射面积（πR2θ）。考虑到交流伺服电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定等特点，选择韩国麦克彼恩交流伺服电机作为主天线方位和俯仰驱动电机，电机参数如表1所示。
2.2极化电机选型及计算极化电机主要用来驱动馈源极化轴。本天线系统采用波纹喇叭作为馈源，重量轻，约5kg左右，且极化轴对速度要求严格；而步进电机转动角度精确，转角和转速不受电压波动和负载变化影响，能实现快速启动、停止、反转和改变转速，因此选型为步进伺服电机，其参数如表2所示。
3卫星通信伺服控制算法
为了实现天线高精度指向卫星，本天线伺服系统采用了粗精对准相结合的方式进行对星，即先利用预设的卫星位置计算出天线理论指向角，实现天线的粗对准；再通过监测信标接收机输出的AGC电平信号强度，实现天线的精对准。
3.1天线粗对准控制算法天线粗对准控制算法即天线理论指向角的计算，这包括天线俯仰角E、天线方位角A和馈源极化角P的计算。设天线所处地理位置的经度为φ1，纬度为θ，静止卫星所在经度为φ2，经度差φ=|φ|1-φ2，可计算出天线方位角A、天线俯仰角E和馈源极化角P。计算公式为。在天线粗对准过程中，将目标卫星的轨道信息（卫星的在轨经度）输入伺服控制单元，利用GPS接收机测得天线所在地的经纬度信息。伺服控制单元进行姿态解算后得到天线对准目标卫星所需要的方位角、俯仰角和极化角，然后驱动各电机运动以实现对卫星的搜索。在对星的过程中同时要利用姿态传感器不断检测天线波束的实际指向信息，得出天线实际角度和理论角度的差值，伺服控制单元根据这些差值驱动天线的方位、俯仰和极化方向的电机不断转动，通过不断地比较，驱动天线最终指向卫星。在天线转动的同时还要不断采集信标接收机输出的AGC电平值的大小，该值也作为一个反馈信号反馈至伺服控制单元，判断该值与预设电平门限值的大小。当采样的电平值大于该门限值后，结束粗对准状态，进入精对准状态；否则，则需继续转动天线进行对准。
3.2天线精对准控制算法天线完成了粗对准后，天线进入能收到信号的范围，但是收到的信号强度较弱，距离信号最强指向还有一定的角度差。为了使信号接收效果达到最佳，需进行天线精对准。在这一阶段，需在粗对准后的位置附近结合信标接收机的输出电平AGC的大小变化做微动精确跟踪，最终找到信号最强（AGC电平值最大）的位置作为对准卫星的目标位置。天线精对准控制算法图如图4所示。
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Maplesim是一个多领域物理建模和仿真工具，它提供了一个三维可视化的环境建模以及动画显示仿真结果，在这种环境下，可以通过简单且直观的方式搭建各种复杂系统的模型，还可以可视化分析仿真结果。在Maplesim中能将建立好的模型转换到C代码中，可以在其他应用程序和工具中使用此C代码。在3D可视化建模环境下可以快捷、方便且直观地创建所需要的动力学仿真模型，之后将模型转生成C代码，在VC++环境下编译C代码生成动力学模型的DLL文件，这样可以方便其他应用程序的调用仿真。本研究基于.NET开发平台采用C#语言编写上位机仿真用户界面，进而对生成的DLL文件进行调用。半物理仿真系统开始执行，给定一个初始时间t0（初始值），每次经过t时间后，对动力学模型DLL文件进行调用，从卫星通信机动站的动力学模型DLL中输出第一个状态信号，将这个状态参数传递给卫星通信机动站控制器实物，控制器中对输入的状态参数完成控制算法后将再次发出控制信号并传递给C#软件环境，再经过t时间，再次调用DLL中的动力学模型。此时卫星通信机动站动力学模型的DLL输出第二个状态信号。如此循环反复执行此过程，如图3所示，形成了一个闭环的半物理仿真系统。
3半物理仿真系统设计
卫星通信机动站半物理仿真系统主要由人机交互操作界面、STM32控制器、信号转换器、数据采集系统以及PC机中的卫星通信机动站动力学模型5部分组成。以STM32控制器为核心的卫星通信机动站半物理仿真系统本身是一个闭环系统，在仿真通讯过程中，由卫星通信机动站控制器实物发出控制信号，控制信号模拟量经过信号转换器转换成数字信号，再通过USB虚拟串口通讯传递给PC机，PC机则调用WindowsAPI（Windows系统中可用的核心应用程序编程接口）对数字信号进行接收。PC机将接收到的信号再调用C#软件环境的动力学仿真模型，最后输出一个状态信号。PC机再将输出的状态信号通过WindowsAPI接口发送出去，状态信号经过USB虚拟串口传递给信号转换器。信号转换器将状态信号数字量转换成模拟量后传给卫星通信机动站控制器，在控制器中完成控制算法后，重新输出新的控制信号。此控制信号再经信号转换器PC机动力学模型的DLL，最终返回状态信号，如此循环地执行就形成了一个闭环的半物理仿真系统［4-5］，如图4所示为半物理仿真系统框图。
4硬件系统的构建
卫星通信机动站的智能化控制是一个复杂的运动控制系统，其具有多自由度、多传感器、多驱动器、多运动形态的特点，对卫星通信机动站在现实运动过程中的多个传感器的输出模拟量数据进行采集，同时采用SPI串口通讯、蓝牙无线通讯的方式将数据传递给PC机上位机软件用户界面，以数据和虚拟动画相结合的方式直观地显示卫星通信机动站的实时运行状态。采用ADAS3022数据采集系统采集传感器数据，经ADAS3022的数字接口SPI与MCU选用的STM32芯片内部自带的SPI通讯，并且可实现内部自带的ADC（模/数转换器）进行信号转换，再通过HC-05嵌入式蓝牙模块与PC机进行通讯，如图5所示为系统总体设计方案。硬件系统设计了一个完整的5V单电源、8通道、多路复用的数据采集系统，可以集成用于工业级信号的可编程增益仪表放大器（PGIA）［6］。如图6所示为数据采集系统电路原理图。数据采集系统主要是以ADAS3022芯片为核心设计的，ADAS3022芯片上具有完整的DAS，它可以以最高1MSPS转换速率进行转换，能够接受的最大输入信号范围最高可达±24.576V的差分模拟输入信号。与传统的数据采集相比，在标准的数据采集方案中都会涉及到信号缓冲、电平转换、放大、噪声抑制以及其它模拟信号调理等，但是在ADAS3022中则无需这些辅助调理电路。这样一种高性能的核心芯片的应用，简化了具有高精密16位数据采集系统的设计难点，降低了成本。此外，在外观上，它具有更小的外形尺寸（6mm×6mm），40引脚的LFCSP封装；在性能方面，它可以提供最佳的时序和噪声性能，工作温度跨度-40℃到+85℃的工业温度范围［7-8］。此电路系统采用ADAS3022、ADP1613、ADR434和AD8031精密器件的组合，可同时提供高精度和低噪声性能。
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由于忽略了各模块内部的处理时延，上节描述的传统方法的时延，在一次变速的限制下已减至最小。观察图2发现，Dt的长度正好是分组编码附加的全部监督码元的长度。也就是说，除了首个码组的信息码元是无延时地输出外，其它码组的信息码元都是被延时后再输出的。随着分组编码不断在码组后插入监督码元，越靠后的码组的延时就越大。要想减少该延时，就必须把首个码组进入编码模块的时刻尽量提前。观察图3同样发现，虽然最后1个码组的解码结果的最早输出时刻是固定的，但其它码组的结果若能尽早输出，就可以减小时间差Dr的长度。当然全部码组的输出仍然要互相连接不能分离，供信息解帧模块使用。为此本文提出一种二次变速的方法，在信息速率和信道速率之间增加中间速率，用于成解帧和编解码的部分处理。通过将码组尽早输入或输出分组编解码模块，进一步减小调制解调时延，新方法的成解帧时序分别如图4和图5所示。图4中，信息速率为3kbps的连续数据流经缓存后，被提速至中间速率3.625kbps进行信息成帧，并送入分组编码模块。同样不考虑编码延迟，即监督码元可在高速时钟下得到。当分组编码模块使用信道速率输出时，Dt的长度正好是最后1个码组的监督码元的长度。其它码组在中间速率的作用下，与传统方法相比，因为提前进入了编码模块，已经被提前输出了。在每帧包含多个码组的情况下，新方法在发端减少时延的效果将更加明显。图5中，通过在分组解码模块的输出端使用中间速率，与传统方法比较，虽然最后1个码组的开始输出时刻不变，但其它码组的开始输出时刻被提前。继续使用该中间速率进行信息解帧后，缓存降速至信息速率的开始输出时刻也就被提前了。简单计算可知，此时的Dr约为104.8比特(信道速率)。显然，中间速率越小，Dr的值将越小。若码组的信息码元数不变，每帧包含的码组越多，Dr的值也将越小。
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2软件设计
2．1软件结构设计智能切换单元的软件部分［10］通过对中/射频切换单元和射频设备定期轮询［11］，经串口或网口从硬件获取数据信息，将提取到的状态信息进行分析、统计综合、决策，根据优先级策略控制切换单元和射频设备的参数，完成监控和切换。单片机作为控制核心，通过中断完成相关功能。不断查询中断口是否有信号输入，从而触发不同动作。单片机控制的主流程及中断子程序流程如图3所示。监控机通过不断轮询射频设备的工作状态，验证在线设备是否故障。在线设备故障时，监控机根据备用设备的优先级选择设备，同时向单片机发出状态调整信号，完成设备倒换后，监控机会对故障进行记录和压缩，以备用户查询。在线设备正常工作时，监控机继续轮询设备工作状态。
2．2各功能模块设计软件模块主要分为串口数据通信、数据传输与存储、综合处理和设备状态显示4个模块。①串口数据通信模块通过串口服务器与被控设备通信，以轮询的方式采集各设备的上报数据，并发送控制命令。②数据传输与存储模块该模块将接收到的设备上报数据进行解封装，提取出设备状态参数，将其保存并传递给综合处理模块进一步处理;将综合处理模块发出的设备控制命令封装后送至串口数据通信模块。③综合处理模块综合被控设备的状态参数，分析得出系统配置状态，将所有状态信息传送至设备状态显示模块。手动模式下，处理用户的各种操作，完成用户管理、设备控制命令发送和日志记录查询等功能;自动模式下，当检测到在线射频设备故障时，按优先级策略控制切换单元实现切换，并设置备份射频设备频率和衰减等参数，完成自动切换功能。射频设备切换优先级策略如表1所示。④设备状态显示模块将各种信息(系统配置状态和设备状态参数等)以图形化的方式显示在软件的各功能界面上。
3切换策略和逻辑关系
3．1切换策略①射频设备切换策略3站射频设备之间切换需建立正确的切换机制［12］，避免“竞争－冒险”而导致系统崩溃。默认情况下，各地球站射频设备都将一台设为备用，此设备的优先级最高。平时管理中，A站对应射频设备1和射频设备2，B站对应射频设备3和射频设备4，C站对应射频设备5和射频设备6。当A站主用1出现故障时，倒换优先级2为最高，另外2站的备用设备也设置响应的优先级。每一台设备对于3个站都具有不同的优先级，如表2所示。②本控/远控切换策略从本控状态切换至远控状态后，键盘按键(除设置键)不起作用;从远控状态切换至本控状态后，串口进行有选择性地执行指令，仅对查询命令回应当前状态。
3．2切换的逻辑关系①联动切换逻辑关系切换矩阵是实现射频设备倒换的关键部分，矩阵中3个单刀6掷中频PIN开关和3个单刀6掷射频PIN开关依据逻辑关系进行动作，实现射频设备的主备切换，如表3所示。M1、M2和M3分别表示3个站中频单刀6掷PIN开关6个管脚的某一个，N1、N2和N3分别表示3个站射频单刀6掷PIN开关6个管脚的某一个，要保证射频设备正常倒换，中频和射频PIN开关要实现联动。②交叉切换逻辑关系在一般情况下，智能切换单元进行联动切换，各站终端设备始终和各站射频设备配合使用。但在特殊情况下，需要各站终端设备与射频设备交叉使用，交叉使用的切换逻辑如表4所示。
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1.2SDH微波通信概述
SDH微波通信传输线路是由一条主干线与若干分支组成[4]。为了更好地和现有光纤传输网络予以融合，还需要对新型微波设备予以改进。不管是设备功能、体积，还是组网方式、技术性能，均要跟随通信技术的发展趋势，进行多层面的融合。其融合主要包括以下内容：一是技术融合：利用一个硬件平台融合PDH微波通信与SDH微波通信，在软件控制下实现空中接口，保证在硬件设备没有更新的情况下，实现空中接口容量的更改，只要通过软件操作就可以设置成功，极大地节约了硬件设备升级成本[5]。二是设备融合：将原有的室内单元（IDU）、数字配线架（DDF）、分插复用器（ADM）等功能予以融合，全部融入到IDU中。如图2所示，在此IDU中，不仅具有连接天馈线的中频接口，还有连接光纤传输设备的STM-N光纤接口，同时还可以直接开展FE、E1等业务，各个接口之间可以通过IDU的统一集成进行业务调度。如果重新组合IDU业务板件，还可以形成树型、星型、链型、环型等复杂网络结构。在微波系统退出网络之后，IDU依然能够继续充当光纤传输的MADM设备，展开相应的通信。在某种程度上而言，高度集成的IDU可以用新型交叉连接代替原来的转接电缆，为系统的调试与维护提供了很大的便利条件。
2新型微波通信的关键技术
2.1编码
自适应调制编码（AMC）在移动通信中得到了广泛应用，根据信道质量对编码速率予以调整，以此来获取较高的吞吐量。当无线通信速率比较低的时候，信道估计相对准确，AMC的应用效果较好。随着终端移动速度的不断加快，信道质量已经无法满足信道的变化，在信道测量错误的情况下，导致AMC调制编码方式和实际情况不相同，影响了系统容量、吞吐量等性能指标，值得相关人员进行深入研究。
2.2多天线技术
在微波中继通信系统中，分集接收得到了广泛应用，是对抗多径衰落以及增强数字微波传输质量的主要途径。在SDH微波通信系统中，因为多状态调制方式的运用，使得其对频率选择性衰落更加敏感，所以，为分集接收的普遍应用创造了有利条件。分集技术就是为了削弱多径衰落与降雨衰落的干扰，对不同的特性收信信号予以合成或者切换，从而得到良好信号的技术。在微波中继通信系统中，分集技术主要包括四种：路由分集、角度分集、空间分集、频率分集[7]。在移动通信中，MIMO技术得到了普遍应用，其是在发送端与接收端借助天线传输无线信号的一种技术，属于一种智能天线。MIMO技术主要就是将用户数据分解成若干并行数据流，在指定的宽带内由多个发射天线同时发射，经过无线信道之后，由多个接收天线予以接收，结合各并行数据流的空间特征，对原有数据流予以解调。MIMO技术的核心内容就是空时信号的处理，也就是借助空间天线对时间域、空间域信号进行处理。MIMO技术可以有效提高频谱利用率，在无线频带有限的条件下，获取更高的传输速率，达到预期的业务效果。
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手动跟踪是指根据经验或预知的目标位置数据（如卫星轨道位置）随时间变化的规律，用人工按时调整天线的指向，或者是根据收到信号的大小用人工方式操纵跟踪系统，使其接收最强的信号(用频谱仪或接收机监视)。手动跟踪可以每隔一段时间进行一次。手动跟踪系统由天线、频谱仪（或接收机）、伺服控制器等组成。手动跟踪设备最为简单，可应用于地面站小口径天线对同步卫星的跟踪等指向精度和实时性要求较低的场合。
2、程序跟踪
将卫星的星历数据和天线平台地理坐标和姿态数据一并输入计算机，计算机对这些数据进行处理、运算、比较，得出卫星轨道和天线实际角度在标准时间内的角度差值，然后将此值送入伺服控制器，驱动天线，消除误差角。不断地比较、驱动，使天线一直指向卫星。程序跟踪可以应用在地面或车载小口径天线对卫星的跟踪。由于地球的密度不均匀和其他干扰的影响，星历数据会随着时间有小的变化，一般很难计算出长时间的精确轨道数据。从而进行长时间的跟踪会有积累的误差。
3、自动跟踪
自动跟踪是指根据地球站天线接收到卫星所发的信标信号，通过变频、放大输入跟踪接收机，检测出俯仰和方位误差信号，根据误差信号大小和方向由伺服控制器驱动天线转台系统，使天线自动地对准卫星。这种跟踪方式没有误差积累，可以长时间连续跟踪。由于卫星位置受影响的因素太多，无法长期预测卫星轨道，故目前大、中型地球站主要采用自动跟踪为主，手动跟踪和程序跟踪为辅的方式。按照自动跟踪原理和设备组成，自动跟踪可以具体分为三种体制：步进跟踪、圆锥扫描跟踪和单脉冲跟踪。
3、1步进跟踪
步进跟踪是指天线指向以一定的步进向接收电平增大的方向进行不断调整。步进跟踪是开环方式，跟踪精度较低，跟踪速度较慢。步进跟踪适用于要求跟踪速度较低的系统中，如漂移速度较慢的同步卫星的跟踪。其优点在于实现较为简单。
3、2圆锥扫描跟踪
圆锥扫描跟踪是把馈源绕天线对称轴作圆周运动，或把副面倾斜旋转。这样天线波束呈圆锥状旋转，当天线轴对准卫星时，地球站接收到的信标电平是一恒定值；当天线轴偏离卫星时，接收电平将有一个低频幅度调制。根据调制信号的幅度和相位检测出天线波束的指向误差。这种工作方式的优点也是设备较简单，缺点是馈源永远偏离抛物面的焦点，使天线增益下降。同时需要馈源持续的圆周机械运动，可靠性较差。跟踪时要得到一系列回波脉冲后，才能得到角误差信号，实时性稍差。
3、3单脉冲跟踪
单脉冲跟踪方式由天线馈源输出和信号与差信号，和、差射频信号经射频前端变换处理后送至跟踪接收机，并由跟踪接收机输出两路与天线电轴偏离卫星角度成正比的方位误差信号与俯仰误差信号到伺服控制单元，控制天线运动，完成对卫星的实时跟踪。单脉冲跟踪能从每个接收脉冲中得到完整的角误差信息，这种跟踪方式是一个闭环系统，具有实时性好，跟踪精度高的优点。根据通道数量的不同有单通道、双通道、三通道等三种不同的实现方式。三通道方式中天线接收到的信号，经过和、差网络处理后，产生和信号、方位差信号与俯仰差信号。通过三个通道传送到跟踪接收机进行跟踪处理。双通道方式是方位差信号与俯仰差信号正交相加后合成一个差信道，或者是采用高次模方式产生差信号，与和信道一起构成双信道。单通道方式是在双通道的基础上对差信号进行调制，调制后的差信号与和信号合路形成一个通道。
二、各种方式的比较与应用
在实际应用中，它构成由航天控制中心、测控站和专用通信网为主要内容的．对在轨航天器进行跟踪、测量、控制的综合专用技术网络，包括跟踪、遥测、遥控、实时计算、数据处理、监控显示和通信系统等。其功能是：对航天器进行跟踪测量，获取其运动参数和内部的各种物理、工程、宇航员生理以及侦察参数，监视其飞行和内部工作状态，为指挥、控制提供信息；对导弹和运载火箭实施控制，确保试验安全：对卫星实施控制，支持其正常运行；通过对实测数据的处理、分析，为评价航天器的技术性能和改进设计提供依据。
1、卫星地球站同步卫星的跟踪
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（3）现代通信网络的技术人员素质有待提高。现代网络通信的工作人员大多为技术人员，因此技术掌握的不到位会影响整个系统的运作。而且，部分操作人员不遵守道德规范，运用自身掌握的权利来获取非法经济利益，随着客户信息不断增多，客户信息流转工作也在增加，这就为个别的SP伪造客户信息、篡改、非法获取客户信息提供了便利。
二、通信网络的运行管理与维护策略
（1）研发防御保护技术。在通信网络高度开放的情况下，由于人为的、自然的原因很容易出现故障，提高通信网络的生存性能，可以在通信网络有失效的问题后，动态挖掘可用资源，恢复失效部分。还可以通过建立防火墙来维护整个系统的安全，防止通信信息的泄露，通过标准的网络维护策略，对通信实施强制性访问控制，借此保护通信信息安全。手机等智能机用户需要将账户密码设置的更加高级，全天开启防火墙，禁用或者删掉无用的账号，及时的对可疑的程序进行查杀，拦截外来威胁。
（2）员工正式上岗要进行严格的培训。对于现代通信网络领域工作的员工要进行严格的准入制度，特别是技术性的操作员。首先要考验其道德水准，看其是否会为个人利益而出卖他人或集体的利益，对于道德程度不高的人，一律不予录用。其次，要检验其技术水平，尽可能的引进创新型的人才。
（3）发挥政府的管理作用。对于各行各业的发展，政府有着监督管理职能，政府相关的监管部门需要根据通信网络的最新发展情况，建立国内通信网络运行管理与维护的目标，探讨制定出通信网络运行管理与维护方面的相关政策，并制定出一定的规则标准，监督企业严格施行。
