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2對策探索
目前，衛(wèi)星通信技術(shù)是我國大范圍區(qū)域內(nèi)應(yīng)急通信的主要技術(shù)手段，包括VSAT技術(shù)系統(tǒng)、BGAN技術(shù)系統(tǒng)。短波通信技術(shù)在地震應(yīng)急救援現(xiàn)場的局域通信中也有很大的作用。這類應(yīng)急通信系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有高信噪比、大容量、高穩(wěn)定性、全天候、盲區(qū)小、抗干擾、多通道、低功耗、小型便攜、高機(jī)動性等基本特性［2］。在目前技術(shù)水平條件下，應(yīng)進(jìn)一步完善通過多種技術(shù)系統(tǒng)集成的震后應(yīng)急通信系統(tǒng)，以解決地震后初期不同情況下地震現(xiàn)場與后方指揮中心的通信。
2.13G技術(shù)的應(yīng)用據(jù)科學(xué)統(tǒng)計，不同震級的地震因?yàn)獒尫拍芰康拇笮〔煌?，對震區(qū)內(nèi)的通信環(huán)境的影響也有不同的差別。比如，Ms5.0～6.0級地震發(fā)生后，震區(qū)大部分地面網(wǎng)絡(luò)或3G網(wǎng)絡(luò)受損普遍輕微，Ms6.0～7.0級地震對地面網(wǎng)絡(luò)或3G基站的破壞一般發(fā)生在高烈度區(qū)，而Ms7.0級以上的地震發(fā)生后，地面通信設(shè)施基本不可用［3］。應(yīng)急通信車應(yīng)根據(jù)地震現(xiàn)場的實(shí)際情況選擇不同的通信方式，在地面通信設(shè)施受損較小的情況下可依托地面網(wǎng)絡(luò)或者3G作為信道開展視頻會議、語音通訊、數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，極端條件下使用VAST衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，這樣可大幅度提高地震應(yīng)急通訊效率。3G網(wǎng)絡(luò)與VAST衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)相比傳輸速度較快，下行速度峰值理論可達(dá)3.6Mbit/s，上行速度峰值也可達(dá)384kbit/s。國內(nèi)支持國際電聯(lián)確定3個無線接口標(biāo)準(zhǔn)，分別是中國聯(lián)通WCDMA、中國移動TD－SCDMA、中國電信CDMA2000。WC-DMA以其技術(shù)成熟、終端類型多、速率高、網(wǎng)絡(luò)覆蓋好等特點(diǎn)在3種3G網(wǎng)絡(luò)中具有明顯優(yōu)勢，因此可以采用WCDMA技術(shù)作為主用3G通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急通信車與指揮中心的3G通信，CD-MA2000或TD－SCDMA可作為備用的3G通信方式。
2.2短波電臺的應(yīng)用短波通信屬于獨(dú)立自主通信，不依賴其他有線和無線通信手段都必須具備的網(wǎng)絡(luò)、傳輸線路、中繼體和建筑等基礎(chǔ)運(yùn)行條件，抗毀能力最強(qiáng)，是實(shí)現(xiàn)中、遠(yuǎn)程無線聯(lián)絡(luò)的基本手段［4］。從點(diǎn)對點(diǎn)直通距離看，短波是所有無線通信方式中距離最遠(yuǎn)的一種無線通信手段。另外，短波通信設(shè)備簡單，可以根據(jù)使用要求進(jìn)行固定設(shè)置，也可以個人背負(fù)或車載安裝進(jìn)行移動通信，組網(wǎng)靈活，實(shí)時性好，特別是在救災(zāi)初期常常是主要依賴的通訊工具。因此，我們可以建設(shè)一套短波通信網(wǎng)絡(luò)，由車載電臺、便攜式電臺組成。車載電臺用于組成指揮所通訊樞紐或作移動通訊使用，選擇使用鞭形天線或雙極天線，這樣可以保證應(yīng)急通信車在一般行進(jìn)速度時正常通信，便攜式電臺具有體積小和重量輕等特點(diǎn)，一般采用鞭形天線，利用地波進(jìn)行近距離通信，主要用于應(yīng)急通信車無法抵達(dá)的陡峭山地災(zāi)害現(xiàn)場，由應(yīng)急人員背負(fù)便攜式電臺進(jìn)入地震現(xiàn)場，保障通訊聯(lián)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)無盲區(qū)通訊。為了解決短波通信網(wǎng)與其他通信的融合問題，同時提高整個短波通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性，必要時可以配備多網(wǎng)系融合設(shè)備，通過該設(shè)備可以將短波無線通信和有線通信、衛(wèi)星通信及超短波通信等通信手段進(jìn)行融合，通過其他制式的承載網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對短波系統(tǒng)的延伸和擴(kuò)展，從而可以大幅度提高通訊效率［5］。
1LEO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的特點(diǎn)
低軌（LEO）衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)與中軌（MEO）和靜止軌道（GEO）衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)比較，具有以下特點(diǎn)：
1.1由于具有更小的信號衰減和更低的傳播時延，低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)更有利于實(shí)現(xiàn)個人全球通信。LEO系統(tǒng)的路徑傳輸損耗通常比GEO低幾十分貝，所需發(fā)射功率是GEO的1/200-1/2000，傳播時延僅為GEO的1/7~1/50，這對于實(shí)現(xiàn)終端手持化和達(dá)到話音通信所需要的延時要求是十分有利的。
1.2蜂窩通信、多址、點(diǎn)波束、頻率復(fù)用等技術(shù)的發(fā)展為LEO衛(wèi)星移動通信提供了技術(shù)保障。
1.3由于地面移動終端對衛(wèi)星的仰角較大，天線波束不易受到地面反射的影響，可避免多徑衰落。
1.4它在若干個軌道平面上布置多個衛(wèi)星，由星間通信鏈路將多個軌道平面上的衛(wèi)星聯(lián)接起來。整個星座如同結(jié)構(gòu)上連成一體的大型平臺，在地球表面形成蜂窩狀服務(wù)小區(qū)，服務(wù)區(qū)用戶至少被一個衛(wèi)星覆蓋，用戶可隨時接入系統(tǒng)。
1.5由于衛(wèi)星的高速運(yùn)動和衛(wèi)星數(shù)目多，也帶來了多普勒頻移嚴(yán)重和星間切換控制復(fù)雜等問題。但不管怎樣，低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的上述特點(diǎn)對于支持實(shí)現(xiàn)個人通信是有巨大吸引力的。
2LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)用戶切換的一般過程
低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中，由于衛(wèi)星的高速運(yùn)動，使得它的波束覆蓋區(qū)也跟著移動，而波束覆蓋區(qū)的移動速度遠(yuǎn)大于用戶的運(yùn)動速度，因此，在LEO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中，切換主要是由于衛(wèi)星波束移動引起的。
對于衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中的呼叫切換，通常經(jīng)歷這樣一個過程：
2.1用戶周期測量當(dāng)前使用波束和鄰近波束的導(dǎo)頻信號或廣播信道的信號強(qiáng)度的變化，以便確定它是否正在穿越相鄰波束之間的邊界或者處于相鄰波束的重疊區(qū)內(nèi)。
2.2若用戶進(jìn)入相鄰波束的重疊區(qū)，達(dá)到切換觸發(fā)的條件，將開始啟動切換過程。用戶中止利用當(dāng)前波束進(jìn)行通信，等待分配信道利用新波束進(jìn)行通信。
2.3切換過程開始后，需要在新到達(dá)波束中為該用戶按照一定的信道分配算法進(jìn)行信道分配，并在原先波束中釋放使用的信道；如果采用了波束內(nèi)切換或信道重安排，則原先波束還須按照呼叫結(jié)束后的信道重安排算法進(jìn)行波束內(nèi)的信道優(yōu)化分配，進(jìn)行必要的波束內(nèi)分配。分配完成后，將數(shù)據(jù)流從舊鏈路轉(zhuǎn)移到新鏈路上來，完成切換。
3LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)用戶切換的種類
低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)用戶切換可分為以下類型：
3.1同一信關(guān)站和衛(wèi)星的不同波束之間的切換
目標(biāo)波束和現(xiàn)用波束在同一信關(guān)站和同一衛(wèi)星內(nèi)，該切換涉及兩個波束的信道分配和修改同一信關(guān)站(不采用星上交換)或衛(wèi)星(采用星上交換)的交換路由表。
3.2同一信關(guān)站不同衛(wèi)星之間的切換
目標(biāo)波束與現(xiàn)用波束不在同一顆衛(wèi)星內(nèi)、但在同一個信關(guān)站范圍內(nèi)，它涉及兩顆衛(wèi)星的信道分配；對于采用星上交換的體制，需要改變兩顆衛(wèi)星星上交換路由表；對于衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)的體制，需要修改信關(guān)站交換路由表。
3.3不同信關(guān)站同一衛(wèi)星的波束間的切換
目標(biāo)波束和現(xiàn)用波束屬于同一顆衛(wèi)星，但屬于不同的信關(guān)站，它涉及兩個信關(guān)站之間的切換，包括信道分配、改變地面線路連接、位置更新、記費(fèi)等，對于采用星上交換的衛(wèi)星還需要改變其交換路由表。
3.4不同信關(guān)站不同衛(wèi)星之間的切換
目標(biāo)波束和先用波束屬于不同的衛(wèi)星且屬于不同的信關(guān)站，它涉及兩個信關(guān)站和兩顆衛(wèi)星之間的切換，信關(guān)站涉及信道分配、改變地面線路連接、位置更新、記費(fèi)等問題，對于采用星上交換的衛(wèi)星需要改變其交換路由表。
4LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)中用戶切換目標(biāo)衛(wèi)星的選擇準(zhǔn)則
在低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的切換控制中，切換的目標(biāo)衛(wèi)星的選擇策略對切換的最終性能也有著直接的影響。因此，根據(jù)系統(tǒng)的需要，設(shè)計出適合于本系統(tǒng)的切換目標(biāo)衛(wèi)星選擇方案至關(guān)重要。目前，低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中的切換目標(biāo)衛(wèi)星選擇策略主要有以下幾種：最近衛(wèi)星準(zhǔn)則、最強(qiáng)信號準(zhǔn)則、最長可視時間準(zhǔn)則、最多可用信道數(shù)準(zhǔn)則、覆蓋時間與仰角加權(quán)準(zhǔn)則及最小跳數(shù)切換準(zhǔn)則。
其中，最近衛(wèi)星準(zhǔn)則認(rèn)為距離用戶終端最近（仰角最大）的衛(wèi)星能夠提供很好的服務(wù)質(zhì)量（QoS），可從純幾何上對其性能進(jìn)行分析，也稱為最大仰角準(zhǔn)則。采用該準(zhǔn)則時，用戶終端在任何時候都選擇能夠?yàn)槠涮峁┳畲笱鼋堑男l(wèi)星。該準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)簡單，但一般不會在實(shí)際系統(tǒng)中采用，因?yàn)樗葲]有考慮無線信號在空中的傳播條件，也沒有考慮網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀況。強(qiáng)信號準(zhǔn)則是終端在任何時候選擇能夠接收到最強(qiáng)信號的衛(wèi)星。擁有足夠高的信號強(qiáng)度是無線通信的一個基本條件，可以認(rèn)為最強(qiáng)信號衛(wèi)星準(zhǔn)則能夠提供較好的服務(wù)質(zhì)量。
最長可視時間準(zhǔn)則又稱為最大覆蓋時間準(zhǔn)則。按照這個策略，用戶將利用星座系統(tǒng)運(yùn)行的先驗(yàn)知識，始終選擇具有最大服務(wù)時間的衛(wèi)星作為其切換的目標(biāo)衛(wèi)星。該準(zhǔn)則基于對最小化系統(tǒng)的切換請求到達(dá)率考慮，延長了切換后呼叫一直被某個衛(wèi)星服務(wù)的時間，從而可獲得較低的被迫中斷概率。
最多可用信道數(shù)準(zhǔn)則為：用戶選擇具有最多可用信道數(shù)的衛(wèi)星為它提供服務(wù)。該準(zhǔn)則出于對整個系統(tǒng)信道資源利用率考慮，以使衛(wèi)星系統(tǒng)中每個衛(wèi)星所承載的業(yè)務(wù)量趨于均勻分布，避免因某個衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)超負(fù)荷而失效，從而影響到整個系統(tǒng)性能。應(yīng)用這個準(zhǔn)則時，不管衛(wèi)星的具置，新呼叫和切換呼叫會經(jīng)歷相同的阻塞率或被迫中斷概率，從而可以避免出現(xiàn)某個衛(wèi)星超載的情況。
最小跳數(shù)切換準(zhǔn)則則應(yīng)用于具有星上路由的情況，策略要求用戶在任何時候都選擇能夠?yàn)槠涮峁┳钌偬鴶?shù)路徑的衛(wèi)星。在具體實(shí)現(xiàn)過程中，通信雙方周期性檢測其可見衛(wèi)星中是否有比當(dāng)前通信路徑的跳數(shù)更少的路徑，如果存在則進(jìn)行切換，否則繼續(xù)使用當(dāng)前衛(wèi)星進(jìn)行通信。當(dāng)然，如果通信雙方的當(dāng)前衛(wèi)星出現(xiàn)低于最小仰角（或信噪比）時，也需要進(jìn)行切換。假定衛(wèi)星系統(tǒng)使用準(zhǔn)靜態(tài)路由算法，路由表項中帶有衛(wèi)星到衛(wèi)星的路由跳數(shù)，而且其路由信息隨著網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓上到y(tǒng)自動刷新。
5低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)用戶切換與路由
在切換時，由于服務(wù)衛(wèi)星的改變，對于采用星上交換和星上路由的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，原有路由也需要被重新建立。重建路由有以下幾種方案：全路由重建，部分路由重建，重路由結(jié)合擴(kuò)展路由，動態(tài)概率優(yōu)化路由，最小跳數(shù)路由。
其中全路由重建衛(wèi)星切換方案：原有路由完全被新路由代替，該方案得到的新路由仍然是最優(yōu)化路徑，但其處理時延比較大。
部分路由重建衛(wèi)星切換方案：當(dāng)切換發(fā)生時，原有路由被部分保存，只有變化部分被更新，該方案處理時延比較小，但新生成的路由可能不是最優(yōu)化路徑。
重路由與擴(kuò)展路由結(jié)合：切換后首先進(jìn)行路由擴(kuò)展，再進(jìn)行路由優(yōu)化。以降低延時，但信令開銷增大。
動態(tài)概率優(yōu)化路由：全路由重建節(jié)約帶寬，但是擴(kuò)大了信令資源，需要選擇合適的優(yōu)化概率P，在帶寬和信令資源之間折中。即并不對所有擴(kuò)展后的路由進(jìn)行優(yōu)化，而是以概率P，對一部分路由進(jìn)行優(yōu)化，一部分仍保持原擴(kuò)展路由。
最小跳數(shù)路由策略：用戶在任何時候都選擇能夠?yàn)槠涮峁┳钌偬鴶?shù)路徑的衛(wèi)星。通信雙方周期性檢測其可見衛(wèi)星中是否有比當(dāng)前通信路徑的跳數(shù)更少的路徑，如果存在則進(jìn)行切換，否則繼續(xù)使用當(dāng)前衛(wèi)星進(jìn)行通信。該策略能夠獲得較低的傳播延時和較小的切換頻率，具有很好的系統(tǒng)性能。
參考文獻(xiàn)
2混合算法仿真及其仿真結(jié)果分析
混合算法首先基于雨衰模型得出功率補(bǔ)償?shù)臉O限閾值，然后根據(jù)該閾值將信道的雨衰補(bǔ)償算法分為兩部分:當(dāng)雨衰值小于該閾值時，運(yùn)用自適應(yīng)功率控制算法進(jìn)行雨衰值估計，再根據(jù)估計值相應(yīng)地增大功率補(bǔ)償衰減;當(dāng)估計的雨衰值大于功率補(bǔ)償極限值時，在功率調(diào)整到最大的同時，估計當(dāng)前信道的信噪比，計算信噪比比值，再通過式(17)進(jìn)行速率調(diào)整。由圖2可知，年平均小于0．02%的時間其雨衰值超過34dB，這里設(shè)34dB為功率補(bǔ)償?shù)臉O限值。
為使可用率達(dá)到99．99%，則當(dāng)雨衰超過34dB時，應(yīng)適當(dāng)降低信息速率。同時從圖2中可以看出，雨衰超過44dB的時間百分比小于0．01%。由于缺乏Ka波段實(shí)測雨衰數(shù)據(jù)，因此，筆者應(yīng)用不同頻率衰減轉(zhuǎn)換公式，由Ku波段雨衰數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成Ka頻段的雨衰數(shù)據(jù)作為雨衰真實(shí)值［14，15］。圖3顯示了2013年5月27日在200min的觀測時間內(nèi)每10s取一個降雨衰減值的雨衰真實(shí)時間序列。從圖3中可以看到，本次選取的屬于雨衰非常大的降雨過程，在［108，145］min時間內(nèi)衰減較大，最大衰減值可以達(dá)到44．67dB，其中雨衰超過34dB的時間占總時段的13．1%。圖4為應(yīng)用自適應(yīng)功率控制算法所得到的補(bǔ)償誤差曲線。其中模型階數(shù)p=5，已知數(shù)據(jù)數(shù)m=10，Δt=10s。在雨衰超過34dB的時段，功率控制已無法進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，因此，補(bǔ)償誤差趨于劣化，甚至達(dá)到十幾分貝。同時，在雨衰速率變化大時，誤差也會增大。圖5為信息速率隨觀測時間變化的曲線。
這里假設(shè)信道的(m，σ2)=(4．5，0．5)，信息速率為2．048Mbit/s，其中I^o的值可通過仿真自適應(yīng)功率補(bǔ)償后信道的誤碼率曲線得到，其值為18dB。從圖5中看到，雨衰大時，速率頻繁調(diào)整，最低速率為256kbit/s，可保證一般的數(shù)據(jù)通信需求。圖6為采用混合算法后得到的跟蹤補(bǔ)償誤差曲線，可以看出，該算法有效地減小了雨衰較大時的補(bǔ)償誤差，使其幾乎全部在±1dB以內(nèi)，最大補(bǔ)償誤差約為1．6dB。圖7為信道的誤碼率仿真曲線。從圖7中可以看到，降雨在無補(bǔ)償?shù)那闆r下，信道的誤碼率很大，但在功率控制補(bǔ)償后，誤碼率明顯減小。同時，圖7還給出了運(yùn)用混合補(bǔ)償算法后的誤碼率曲線，相比較于只應(yīng)用功率控制技術(shù)的方法，其誤碼率小很多，且在信噪比達(dá)到18dB時，誤碼率小于10－7。
2SOQPSK－TG的極化分集接收
經(jīng)過高斯信道傳輸后的衛(wèi)星接收信號可表示為，本文設(shè)計的極化分集接收系統(tǒng)首先通過ADC將接收的兩路圓極化信號（左旋極化、右旋極化）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后經(jīng)過自動增益控制環(huán)路（Au－tomaticgaincontrol，AGC）、差模環(huán)（Differentialmodeloop，DML）、最大比合并（Maximumratiocombining，MRC）、共模環(huán)、定時同步環(huán)路，得到解調(diào)信號，整體框圖如圖2所示。
2．1自動增益控制環(huán)路衛(wèi)星通信信道衰落使得接收信號的包絡(luò)會產(chǎn)生起伏，幅度變化可以相差幾十分貝，本文給出的MRC算法、載波恢復(fù)算法和時鐘恢復(fù)算法都要求輸入端的兩路信號幅度保持恒定不變，可見AGC在系統(tǒng)中至關(guān)重要。因此需要通過AGC調(diào)節(jié)接收信號的增益，使接收機(jī)輸出電壓恒定或基本不變，提高系統(tǒng)性能。其數(shù)學(xué)模型如下A（n＋1）＝A（n）＋βR－A（n）x（n［］）（8）式中：A（n）為AGC的調(diào)節(jié)增益，R為增益門限，β為增益步長。經(jīng)過當(dāng)前時刻增益A（n）所得的信號A（n）x（n）與門限R作比較，若小于門限則會增大下一個時刻的增益A（n＋1），同理若大于門限則減小下一時刻的增益，使輸出信號基本維持在門限附近。增益步長β越小，幅度收斂越慢，捕獲時間越長，誤差越小，即波形失真越?。环粗略酱?，收斂越快，捕獲時間越短，誤差越大。
2．2差模環(huán)到達(dá)接收機(jī)的兩路信號由于相位或本振頻率不一致會引入一定的相位偏移和頻率偏移，而MRC算法要求兩路信號同頻、同相后才能加權(quán)合并，取得增益，因此必須完成兩路信號的同頻同相處理。兩路信號經(jīng)過下變頻、低通濾波后通過鑒相器將所得的誤差信號分為兩路，通過環(huán)路濾波器后以相反的極性調(diào)整數(shù)字控制振蕩器（Numericalcontrolledoscillator，NCO），使兩路信號以相反的方向被推到同一個公共頻率上，實(shí)現(xiàn)兩路信號的同頻同相鎖定。SOQPSK－TG信號的差模環(huán)算法模型推導(dǎo)如下，設(shè)經(jīng)過AGC后的兩路信號分別。
2．3最大比合并常用的極化分集接收合并方式有3種：等增益合并、選擇合并和最大比合并。本文采用分集增益最佳的最大比合并算法［25］，其原理是通過AGC所獲得的加權(quán)系數(shù)對兩路信號進(jìn)行加權(quán)合并，使信噪比較大的一路獲得較大的權(quán)值，信噪比較小的一路獲得較小的權(quán)值。設(shè)so為合并輸出信號電壓，αi為各支路加權(quán)系數(shù)，si為各支路輸入信號電壓，N為支路個數(shù)。假設(shè)各支路噪聲不相干，因此合并輸出噪聲功率n2o應(yīng)為各支路輸入噪聲功率n2i之和，可得合并輸出信噪比γo為當(dāng)且僅當(dāng)各支路信號電壓與加權(quán)噪聲功率之比相等時，輸出達(dá)到最大值，此時分集增益為N。
2．4共模環(huán)衛(wèi)星相對地面的高速運(yùn)動會使信號載波產(chǎn)生多普勒頻率分量，這就要求接收機(jī)有較強(qiáng)的頻移捕獲能力、較快的同步速度以及較高的同步精度。本文采用同相正交環(huán)算法對載波進(jìn)行恢復(fù)。
3仿真驗(yàn)證
仿真條件：信號中頻f0＝32MHz，下變頻后載波fR＝fL＝4MHz，每周期采樣點(diǎn)數(shù)Nc＝32，采樣率fs＝128MHz，碼元個數(shù)Num＝800，每個碼元采樣點(diǎn)數(shù)Ns＝64，接收信號為正弦起伏包絡(luò)，起伏范圍為20dB，兩路輸入信號頻差Δf＝2．56kHz，相差Δφ＝π／4，多普勒頻移fd＝6．4kHz，噪聲為高斯噪聲，信噪比SNR＝15dB，各環(huán)路仿真結(jié)果見圖3～10。上述仿真結(jié)果表明，自動增益控制環(huán)路能夠較好地恒定輸入電平，如圖3，4所示；差模環(huán)、共模環(huán)能夠準(zhǔn)確跟蹤兩路輸入信號頻差、相差及多普勒頻移，如圖5～8所示；最大比合并模塊能夠使得信噪比較差的一路得到補(bǔ)償，如圖9所示；最后的解調(diào)結(jié)果如圖10所示，在最大起伏為20dB條件下，通過分集接收實(shí)現(xiàn)了正確解調(diào)。為進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提算法性能，圖11給出了分集接收SOQPSK－TG衛(wèi)星通信系統(tǒng)與傳統(tǒng)BPSK衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性能對比結(jié)果。對比結(jié)果表明，極化分集SOQPSK－TG傳輸系統(tǒng)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)BPSK系統(tǒng)，在最大起伏為20dB條件下，可獲得5～10dB平均信噪比增益。
計算機(jī)通過GPIB通信接口對AV4033的功能控制是通過程控儀器標(biāo)準(zhǔn)指令來實(shí)現(xiàn)的，程控指令是可以對頻譜儀進(jìn)行遠(yuǎn)端控制的一組特殊格式串，包括儀器設(shè)置、通道配置、數(shù)據(jù)掃描方式、控制輸出、讀取數(shù)據(jù)、狀態(tài)報警、接口設(shè)置等指令集。這些指令的發(fā)送均是字符串形式,所有的頻譜儀命令都必須符合特殊的語法規(guī)則，在應(yīng)用高級語言進(jìn)行編程時，程控指令一般是作為一個獨(dú)立的參數(shù)在調(diào)用函數(shù)中出現(xiàn)，這類針對遠(yuǎn)程控制的函數(shù)隨GPIB接口和采用的高級語言的不同而不同，但其程控指令是相同的，AV4033系列頻譜儀的語法命令圖如圖3所示。本文利用程控指令和頻譜儀進(jìn)行通信時,選擇LabWindowsCVI自帶的GPIB函數(shù)庫,可以方便地進(jìn)行程控命令發(fā)送和數(shù)據(jù)讀取操作。
2應(yīng)用舉例
衛(wèi)星固定通信臺站天線口徑大波束窄，對天線伺服系統(tǒng)的自動跟蹤性能要求較高，為確保通信效果，需定期測量衛(wèi)星天線系統(tǒng)的自動跟蹤性能，傳統(tǒng)的測試方法需用頻譜儀在射頻方艙內(nèi)測試，且測試結(jié)果保持和記錄都不方便，利用本系統(tǒng)可以方便進(jìn)行遠(yuǎn)程測試，而且可以將測試結(jié)果保存在數(shù)據(jù)存儲單元中，方便后續(xù)查詢和參考。衛(wèi)星天線跟蹤性能測試流程如下：（1）調(diào)整衛(wèi)星天線使其對準(zhǔn)通信衛(wèi)星；（2）在監(jiān)控主機(jī)上按下述過程設(shè)置頻譜儀；a)按衛(wèi)星信標(biāo)頻率設(shè)置頻譜儀中心頻率，設(shè)置SPAN為0到100KHzb)根據(jù)信標(biāo)信號的電平變化范圍設(shè)置Sacle/DIV，以使測量過程中的載波電平變化始終落在頻譜儀的可顯示電平范圍內(nèi)c)根據(jù)信標(biāo)頻率穩(wěn)定度，選擇盡可能窄的RBWd)根據(jù)載波的峰值頻率和功率，調(diào)整頻譜儀的中心頻率和參考電平e)利用鍵盤調(diào)窄SPAN，重復(fù)4f)重復(fù)5，將SPAN調(diào)整到最小g)將SPAN置0，使載波顯示譜線作水平運(yùn)動h)輸入掃描時間，確定掃描長度（3）用手控方式調(diào)偏衛(wèi)星天線的方位角和俯仰角，頻譜儀顯示譜線的電平將隨天線偏離衛(wèi)星而下降（4）啟動天線自動跟蹤功能，觀察衛(wèi)星信標(biāo)電平隨時間的變化，記錄自動跟蹤天線的對星過程以及跟蹤速度和精度（5）存儲記錄數(shù)據(jù)，重復(fù)3、4步驟，多記錄幾次測試結(jié)果，分析衛(wèi)星天線自動跟蹤性能。
2電機(jī)的選型及計算
2.1主天線電機(jī)選型及計算
2.1.1天線轉(zhuǎn)臺加/減速時所需要的力矩式中：W為天線直徑；L為天線寬度方向到回轉(zhuǎn)軸的距離；I為天線相對于轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量；m為天線的總質(zhì)量；θ為天線傾角。
2.1.2轉(zhuǎn)臺在風(fēng)載荷下產(chǎn)生的顛覆力矩（按照天線迎風(fēng)面最大算）風(fēng)載荷（20m/s）作用于雷達(dá)的最大作用力：式中：ρ為空氣質(zhì)量密度（取1.2kg/m）；υ為平均風(fēng)速（20m/s）；Cx為風(fēng)力矩系數(shù)（取1.2）；A為天線風(fēng)阻反射面積（πR2θ）。考慮到交流伺服電機(jī)體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動平滑，力矩穩(wěn)定等特點(diǎn)，選擇韓國麥克彼恩交流伺服電機(jī)作為主天線方位和俯仰驅(qū)動電機(jī)，電機(jī)參數(shù)如表1所示。
2.2極化電機(jī)選型及計算極化電機(jī)主要用來驅(qū)動饋源極化軸。本天線系統(tǒng)采用波紋喇叭作為饋源，重量輕，約5kg左右，且極化軸對速度要求嚴(yán)格；而步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動角度精確，轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速不受電壓波動和負(fù)載變化影響，能實(shí)現(xiàn)快速啟動、停止、反轉(zhuǎn)和改變轉(zhuǎn)速，因此選型為步進(jìn)伺服電機(jī)，其參數(shù)如表2所示。
3衛(wèi)星通信伺服控制算法
為了實(shí)現(xiàn)天線高精度指向衛(wèi)星，本天線伺服系統(tǒng)采用了粗精對準(zhǔn)相結(jié)合的方式進(jìn)行對星，即先利用預(yù)設(shè)的衛(wèi)星位置計算出天線理論指向角，實(shí)現(xiàn)天線的粗對準(zhǔn)；再通過監(jiān)測信標(biāo)接收機(jī)輸出的AGC電平信號強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)天線的精對準(zhǔn)。
3.1天線粗對準(zhǔn)控制算法天線粗對準(zhǔn)控制算法即天線理論指向角的計算，這包括天線俯仰角E、天線方位角A和饋源極化角P的計算。設(shè)天線所處地理位置的經(jīng)度為φ1，緯度為θ，靜止衛(wèi)星所在經(jīng)度為φ2，經(jīng)度差φ=|φ|1-φ2，可計算出天線方位角A、天線俯仰角E和饋源極化角P。計算公式為。在天線粗對準(zhǔn)過程中，將目標(biāo)衛(wèi)星的軌道信息（衛(wèi)星的在軌經(jīng)度）輸入伺服控制單元，利用GPS接收機(jī)測得天線所在地的經(jīng)緯度信息。伺服控制單元進(jìn)行姿態(tài)解算后得到天線對準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星所需要的方位角、俯仰角和極化角，然后驅(qū)動各電機(jī)運(yùn)動以實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星的搜索。在對星的過程中同時要利用姿態(tài)傳感器不斷檢測天線波束的實(shí)際指向信息，得出天線實(shí)際角度和理論角度的差值，伺服控制單元根據(jù)這些差值驅(qū)動天線的方位、俯仰和極化方向的電機(jī)不斷轉(zhuǎn)動，通過不斷地比較，驅(qū)動天線最終指向衛(wèi)星。在天線轉(zhuǎn)動的同時還要不斷采集信標(biāo)接收機(jī)輸出的AGC電平值的大小，該值也作為一個反饋信號反饋至伺服控制單元，判斷該值與預(yù)設(shè)電平門限值的大小。當(dāng)采樣的電平值大于該門限值后，結(jié)束粗對準(zhǔn)狀態(tài)，進(jìn)入精對準(zhǔn)狀態(tài)；否則，則需繼續(xù)轉(zhuǎn)動天線進(jìn)行對準(zhǔn)。
3.2天線精對準(zhǔn)控制算法天線完成了粗對準(zhǔn)后，天線進(jìn)入能收到信號的范圍，但是收到的信號強(qiáng)度較弱，距離信號最強(qiáng)指向還有一定的角度差。為了使信號接收效果達(dá)到最佳，需進(jìn)行天線精對準(zhǔn)。在這一階段，需在粗對準(zhǔn)后的位置附近結(jié)合信標(biāo)接收機(jī)的輸出電平AGC的大小變化做微動精確跟蹤，最終找到信號最強(qiáng)（AGC電平值最大）的位置作為對準(zhǔn)衛(wèi)星的目標(biāo)位置。天線精對準(zhǔn)控制算法圖如圖4所示。
1.2衛(wèi)星移動終端SMT（SatelliteMobileTerminal）SMT是基于“北斗”的衛(wèi)星移動通信試驗(yàn)系統(tǒng)的用戶終端，用戶使用SMT接入試驗(yàn)網(wǎng)得到所需的通信服務(wù)。為區(qū)別試驗(yàn)網(wǎng)內(nèi)不同的用戶，使用用戶識別模塊UIM（UserIdentityModule）予以識別。每個移動終端都有各自的衛(wèi)星設(shè)備識別號SMEI（SatelliteMobileEquipmentIdentity）。每個移動用戶都有自己的衛(wèi)星移動用戶識別號SMSI（SatelliteMobileSubscriberIdentity），分別存儲在UIM上和SHLR（SatelliteHomeLocationRegister）上。
1.3綜合信關(guān)站SGS（SynthesizeGatewayStation）
綜合信關(guān)站由收發(fā)系統(tǒng)、業(yè)務(wù)控制系統(tǒng)、衛(wèi)星資源監(jiān)測與管理、移動交換中心等網(wǎng)絡(luò)部件組成。
1.3.1收發(fā)系統(tǒng)GTS（GatewayTransceiverSystem）它受控于GSC，包含射頻子系統(tǒng)和信道處理子系統(tǒng)。射頻子系統(tǒng)完成衛(wèi)星射頻信號和中頻或基帶信號之間的轉(zhuǎn)換功能，信道處理子系統(tǒng)完成信道調(diào)制/解調(diào)、幀處理、交織/解交織、編碼/譯碼和信道映射等功能。它完成GSC與無線信道之間的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)SMT和GTS之間通過衛(wèi)星傳輸及相關(guān)控制功能。
1.3.2業(yè)務(wù)控制系統(tǒng)GSC（GatewayServiceControl）GSC是地面信關(guān)站的控制部分，它處于GTS和移動業(yè)務(wù)交換中心GMSC之間。一個GSC可以連接和控制幾個GTS，在試驗(yàn)系統(tǒng)中只有一個GTS。它的主要功能是無線信道的管理、實(shí)施呼叫和通信鏈路的建立和拆除，移動臺切換管理，話務(wù)量統(tǒng)計等。
1.3.3衛(wèi)星資源監(jiān)測與管理SRMM（SatelliteResourceMonitor&Management）衛(wèi)星資源監(jiān)控與管理完成對衛(wèi)星資源的監(jiān)控與協(xié)調(diào)管理工作，包括了：衛(wèi)星頻譜與信號監(jiān)測、衛(wèi)星工作狀況監(jiān)測與系統(tǒng)管理、運(yùn)行狀況與工作模式管理、信關(guān)站與地面運(yùn)控網(wǎng)進(jìn)行信息交互與處理、天線與射頻狀態(tài)監(jiān)視。
1.3.4移動交換中心GMSC(GatewayMobileServiceSwitchingCenter)移動業(yè)務(wù)交換中心由軟交換SS（SoftSwitch）、AAA（AuthenticationAuthorizationAccounting）服務(wù)器、操作維護(hù)中心OMC（Operation&MaintenanceCenter）、衛(wèi)星接入網(wǎng)關(guān)SAG（SatelliteAccessGateway）、地面接入網(wǎng)關(guān)TAG（TerrestrialAccessGateway）等實(shí)體組成。①軟交換SS（SoftSwitcher）完成移動呼叫接續(xù)、控制、無線資源和移動性管理等功能，是衛(wèi)星移動通信試驗(yàn)網(wǎng)的核心，同時也是與地面固網(wǎng)和實(shí)驗(yàn)網(wǎng)的接口設(shè)備。②AAA服務(wù)器認(rèn)證：用戶在使用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的資源時對用戶身份的確認(rèn)。授權(quán)：網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)授權(quán)用戶以特定的方式使用其資源。計費(fèi)：網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)收集、記錄用戶對網(wǎng)絡(luò)資源的使用，以便向用戶收取資源使用費(fèi)用，或者用于審計等目的。AAA服務(wù)器含衛(wèi)星歸屬位置寄存器SHLR（SatelliteHomeLocationRegister）與地面移動網(wǎng)的HLR類似，SHLR是用來存儲本地用戶位置信息的數(shù)據(jù)庫，每個衛(wèi)星移動用戶必須在某一個SHLR登記，不同之處是試驗(yàn)網(wǎng)將衛(wèi)星移動設(shè)備標(biāo)識寄存器集成到SHLR之中。登記的主要內(nèi)容有：用戶號碼、移動設(shè)備號碼、位置信息、業(yè)務(wù)信息等。試驗(yàn)系統(tǒng)暫不考慮衛(wèi)星訪問位置寄存器SVLR（SatelliteVisitorLocationRegister），但設(shè)計時應(yīng)該留有擴(kuò)充的空間。③地面接入網(wǎng)關(guān)TAG地面接入網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)與地面PSTN，PLMN和短消息中心的接口，信令轉(zhuǎn)換，業(yè)務(wù)合成、分解、存儲和傳輸?shù)膶?shí)體。地面接入網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)系統(tǒng)與地面其它網(wǎng)絡(luò)的多種業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)換和互通。④衛(wèi)星接入網(wǎng)關(guān)SAG衛(wèi)星接入網(wǎng)關(guān)是業(yè)務(wù)控制分系統(tǒng)GSC和移動交換中心GMSC的接口實(shí)體。⑤操作管理中心OMCOMC是網(wǎng)絡(luò)擁有者對全網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測和操作的功能實(shí)體。
1.4系統(tǒng)接口定義
1.4.1UIM－SMT接口衛(wèi)星移動終端SMT到用戶識別模塊UIM接口，SMT在注冊、實(shí)現(xiàn)雙向鑒權(quán)、加密、信息存儲時要與UIM交互信息和數(shù)據(jù)。
1.4.2S－Um接口S－Um接口又稱SMT－GS衛(wèi)星空中接口，是衛(wèi)星移動試驗(yàn)網(wǎng)的主要接口之一。對衛(wèi)星移動通信而言，大部分信令都是和SMT相關(guān)，S－Um接口傳遞的信息包括了無線資源管理、移動性管理和接續(xù)管理等。S－Um接口與衛(wèi)星移動通信試驗(yàn)系統(tǒng)采用的體制密切關(guān)聯(lián)，相互決定。
1.4.3Am接口Am接口是信關(guān)站內(nèi)部GTS和GSC之間的內(nèi)部接口。
1.4.4A接口A接口是衛(wèi)星地面信關(guān)站和GMSC之間的接口，該接口攜帶關(guān)于信關(guān)站的管理、呼叫處理和移動性管理等信息。采用SIP和RTP協(xié)議分別傳輸信令和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，通過TCP/IP承載傳輸。
1.4.5R接口R接口為GMSC與AAA之間的接口，GMSC通過該接口向AAA服務(wù)器和SHLR查詢被叫衛(wèi)星移動用戶的選路信息，以便確定呼叫路由，呼叫時對用戶進(jìn)行鑒權(quán)，并在呼叫結(jié)束時向AAA發(fā)送計費(fèi)信息。試驗(yàn)系統(tǒng)的SHLR與信關(guān)站放在一起。
1.4.6P接口為綜合信關(guān)站的地面接入網(wǎng)關(guān)與地面網(wǎng)絡(luò)的接口，傳遞業(yè)務(wù)及控制信息。
1.5系統(tǒng)通信體制為了適應(yīng)衛(wèi)星資源，試驗(yàn)系統(tǒng)采用CDMA通信體制。前向信道（衛(wèi)星到終端）和反向信道（終端到衛(wèi)星）各占用不大于8MHz頻譜帶寬。見圖3。前向和反向信道采用擴(kuò)頻方式，將2.4kbps的數(shù)據(jù)經(jīng)成幀、編碼、交織、加密處理后，由擴(kuò)頻序列將頻譜展寬。前向信道由以下信道組成：PICH（PilotChannel）：前向?qū)ьl信道，為參考信道，終端由它獲取相干解調(diào)及同步信息；SCH（SynchronizationChannel）：同步信道，發(fā)送定時參數(shù)，系統(tǒng)參數(shù)；PCH（PagingChannel）：尋呼信道，用于尋呼用戶，發(fā)送短消息和系統(tǒng)消息；BCH（BroadcastChannel）：廣播信道，為終端提供廣播業(yè)務(wù)；DSCH（ForwardDedicatedSignalChannel）：前向?qū)Ｓ眯帕钚诺?，傳送專用信令，在通信過程中傳輸交換信令；TCH（TrafficChannel）：業(yè)務(wù)信道，承載語音和短消息業(yè)務(wù)，試驗(yàn)系統(tǒng)使用1～30條。反向信道由以下信道組成：RACH（RandomAccessChannel）：反向隨機(jī)接入信道，用于終端發(fā)起呼叫、被叫和注冊時傳輸信令；RTCH（ReversedTrafficChannel）：反向業(yè)務(wù)信道，承載語音和短消息業(yè)務(wù)；RDSCH：（ReversedDedicatedSignalChannel）：反向?qū)Ｓ眯帕钚诺?，用于通信過程中交換信令。前向信道采用正交的Walsh碼區(qū)分用戶和控制信道，碼片速率4.9152Mcps，調(diào)制方式為QPSK，信道編碼為1/3卷積編碼。反向信道采用隨機(jī)碼區(qū)分用戶，碼片速率4.9152Mcps，調(diào)制方式為HPSK，信道編碼為1/3卷積編碼。
2系統(tǒng)工作原理
系統(tǒng)的工作原理見圖4。用戶終端對語音、數(shù)據(jù)、短消息進(jìn)行信息處理、基帶處理、射頻處理形成頻率為L的射頻信號后，由天饋單元發(fā)向衛(wèi)星。衛(wèi)星接收到用戶所發(fā)的信號后，進(jìn)行放大、變頻、濾波等處理，經(jīng)C波段天線發(fā)向信關(guān)站。在綜合信關(guān)站中，由專用C波段天線接收衛(wèi)星發(fā)來的入站信號，經(jīng)低噪放、下變頻處理成中頻信號（70MHz），經(jīng)中頻分路后送往兩個16路解調(diào)器，解調(diào)后數(shù)據(jù)接入本地局域網(wǎng)，通過信令處理與軟交換完成與對方用戶的連接，建立通信信道。信息經(jīng)信關(guān)按協(xié)議處理后送往交換機(jī)，交換機(jī)將數(shù)據(jù)送往兩個16路調(diào)制器，調(diào)制器完成對數(shù)據(jù)的信息處理、基帶處理、擴(kuò)頻調(diào)制后，形成中頻為70MHz的已調(diào)合路信號（2個中頻，各含16路），送往中頻合路器，合路后經(jīng)上變頻處理成S波段信號，經(jīng)高功率放大（HPA）后，由S波段天線發(fā)向衛(wèi)星。衛(wèi)星收到信關(guān)站所發(fā)的信號后，進(jìn)行放大、變頻，處理成頻率為L1/L2的射頻信號發(fā)向用戶。用戶端接收到衛(wèi)星所發(fā)來的微弱信號后，經(jīng)低噪放（LNA）、變頻處理成頻率為70MHz的中頻信號，經(jīng)解調(diào)、信道處理、信息還原后得到對方所發(fā)的語音、數(shù)據(jù)、短消息等信息格式。終端接入流程舉例，見圖5。
2衛(wèi)星通信機(jī)動站動力學(xué)模型的建立
Maplesim是一個多領(lǐng)域物理建模和仿真工具，它提供了一個三維可視化的環(huán)境建模以及動畫顯示仿真結(jié)果，在這種環(huán)境下，可以通過簡單且直觀的方式搭建各種復(fù)雜系統(tǒng)的模型，還可以可視化分析仿真結(jié)果。在Maplesim中能將建立好的模型轉(zhuǎn)換到C代碼中，可以在其他應(yīng)用程序和工具中使用此C代碼。在3D可視化建模環(huán)境下可以快捷、方便且直觀地創(chuàng)建所需要的動力學(xué)仿真模型，之后將模型轉(zhuǎn)生成C代碼，在VC++環(huán)境下編譯C代碼生成動力學(xué)模型的DLL文件，這樣可以方便其他應(yīng)用程序的調(diào)用仿真。本研究基于.NET開發(fā)平臺采用C#語言編寫上位機(jī)仿真用戶界面，進(jìn)而對生成的DLL文件進(jìn)行調(diào)用。半物理仿真系統(tǒng)開始執(zhí)行，給定一個初始時間t0（初始值），每次經(jīng)過t時間后，對動力學(xué)模型DLL文件進(jìn)行調(diào)用，從衛(wèi)星通信機(jī)動站的動力學(xué)模型DLL中輸出第一個狀態(tài)信號，將這個狀態(tài)參數(shù)傳遞給衛(wèi)星通信機(jī)動站控制器實(shí)物，控制器中對輸入的狀態(tài)參數(shù)完成控制算法后將再次發(fā)出控制信號并傳遞給C#軟件環(huán)境，再經(jīng)過t時間，再次調(diào)用DLL中的動力學(xué)模型。此時衛(wèi)星通信機(jī)動站動力學(xué)模型的DLL輸出第二個狀態(tài)信號。如此循環(huán)反復(fù)執(zhí)行此過程，如圖3所示，形成了一個閉環(huán)的半物理仿真系統(tǒng)。
3半物理仿真系統(tǒng)設(shè)計
衛(wèi)星通信機(jī)動站半物理仿真系統(tǒng)主要由人機(jī)交互操作界面、STM32控制器、信號轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及PC機(jī)中的衛(wèi)星通信機(jī)動站動力學(xué)模型5部分組成。以STM32控制器為核心的衛(wèi)星通信機(jī)動站半物理仿真系統(tǒng)本身是一個閉環(huán)系統(tǒng)，在仿真通訊過程中，由衛(wèi)星通信機(jī)動站控制器實(shí)物發(fā)出控制信號，控制信號模擬量經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再通過USB虛擬串口通訊傳遞給PC機(jī)，PC機(jī)則調(diào)用WindowsAPI（Windows系統(tǒng)中可用的核心應(yīng)用程序編程接口）對數(shù)字信號進(jìn)行接收。PC機(jī)將接收到的信號再調(diào)用C#軟件環(huán)境的動力學(xué)仿真模型，最后輸出一個狀態(tài)信號。PC機(jī)再將輸出的狀態(tài)信號通過WindowsAPI接口發(fā)送出去，狀態(tài)信號經(jīng)過USB虛擬串口傳遞給信號轉(zhuǎn)換器。信號轉(zhuǎn)換器將狀態(tài)信號數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量后傳給衛(wèi)星通信機(jī)動站控制器，在控制器中完成控制算法后，重新輸出新的控制信號。此控制信號再經(jīng)信號轉(zhuǎn)換器PC機(jī)動力學(xué)模型的DLL，最終返回狀態(tài)信號，如此循環(huán)地執(zhí)行就形成了一個閉環(huán)的半物理仿真系統(tǒng)［4-5］，如圖4所示為半物理仿真系統(tǒng)框圖。
4硬件系統(tǒng)的構(gòu)建
衛(wèi)星通信機(jī)動站的智能化控制是一個復(fù)雜的運(yùn)動控制系統(tǒng)，其具有多自由度、多傳感器、多驅(qū)動器、多運(yùn)動形態(tài)的特點(diǎn)，對衛(wèi)星通信機(jī)動站在現(xiàn)實(shí)運(yùn)動過程中的多個傳感器的輸出模擬量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，同時采用SPI串口通訊、藍(lán)牙無線通訊的方式將數(shù)據(jù)傳遞給PC機(jī)上位機(jī)軟件用戶界面，以數(shù)據(jù)和虛擬動畫相結(jié)合的方式直觀地顯示衛(wèi)星通信機(jī)動站的實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)。采用ADAS3022數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)ADAS3022的數(shù)字接口SPI與MCU選用的STM32芯片內(nèi)部自帶的SPI通訊，并且可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部自帶的ADC（模/數(shù)轉(zhuǎn)換器）進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，再通過HC-05嵌入式藍(lán)牙模塊與PC機(jī)進(jìn)行通訊，如圖5所示為系統(tǒng)總體設(shè)計方案。硬件系統(tǒng)設(shè)計了一個完整的5V單電源、8通道、多路復(fù)用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以集成用于工業(yè)級信號的可編程增益儀表放大器（PGIA）［6］。如圖6所示為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路原理圖。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是以ADAS3022芯片為核心設(shè)計的，ADAS3022芯片上具有完整的DAS，它可以以最高1MSPS轉(zhuǎn)換速率進(jìn)行轉(zhuǎn)換，能夠接受的最大輸入信號范圍最高可達(dá)±24.576V的差分模擬輸入信號。與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集相比，在標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集方案中都會涉及到信號緩沖、電平轉(zhuǎn)換、放大、噪聲抑制以及其它模擬信號調(diào)理等，但是在ADAS3022中則無需這些輔助調(diào)理電路。這樣一種高性能的核心芯片的應(yīng)用，簡化了具有高精密16位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計難點(diǎn)，降低了成本。此外，在外觀上，它具有更小的外形尺寸（6mm×6mm），40引腳的LFCSP封裝；在性能方面，它可以提供最佳的時序和噪聲性能，工作溫度跨度-40℃到+85℃的工業(yè)溫度范圍［7-8］。此電路系統(tǒng)采用ADAS3022、ADP1613、ADR434和AD8031精密器件的組合，可同時提供高精度和低噪聲性能。
2運(yùn)營管理平臺的實(shí)現(xiàn)
2．1開發(fā)環(huán)境的選擇程序代碼的編譯環(huán)境為MicrosoftVisualC++2008，它可以高效開發(fā)Windows應(yīng)用，尤其是Office的應(yīng)用，數(shù)據(jù)庫采用MySQLSever5．0，其使用的SQL語言是用于訪問數(shù)據(jù)最常用的標(biāo)準(zhǔn)語言，它有著速度快、體積小、代碼開源等特點(diǎn)，特別時候想節(jié)約成本的中小型企業(yè)［4］。另外還需要具有FTP上傳及下載功能的傳輸工具LibCURL。
2．2數(shù)據(jù)同步算法設(shè)計2Mbps專用池在線時間的計算是本平臺的核心部分。2Mbps專用池是一種總帶寬為2Mbps的捆綁復(fù)用模式，同屬于一個池的通信機(jī)，只要有一臺在線就記為該池在線，只有當(dāng)所有通信機(jī)都下線才記該池下線，該算法屬于遞歸調(diào)用，具體計算過程如圖2所示。
2．3平臺的實(shí)現(xiàn)流程及內(nèi)存分配Sever端程序首先備份、更名上一次使用的GAC記錄文件、帶寬更改記錄文件，然后登錄FTP服務(wù)器下載最新的GAC記錄文件和帶寬更改記錄文件，再登錄MySQLSever建立各數(shù)據(jù)庫與母表，同時導(dǎo)入GAC記錄文件和帶寬更改表，建立通信機(jī)分立帶寬更改表，選出本輪數(shù)據(jù)同步需要更新的GAC記錄，根據(jù)需要進(jìn)行掉線情況過濾并進(jìn)行通信機(jī)分立上下線計算及2Mbps專用池上下線計算，最后編譯時間戳記錄文件LastUpdate．ini并斷開MySQL連接。該段程序用于描述時間的數(shù)據(jù)類型time_t實(shí)際為_int64的64位整數(shù)，time_t變量初始化時必須調(diào)用time(0)賦值為當(dāng)前時刻的“歷史秒”，即從1970－01－0100:00:00到當(dāng)前時刻歷經(jīng)的秒數(shù)。tm是一個結(jié)構(gòu)體，包含若干計時單位的序數(shù)(年序數(shù)以1900年為0、月序數(shù)以1月為0、日序數(shù)以1日為1)，用于記述相對于從1900－01－0100:00:00到當(dāng)前時刻歷經(jīng)的時間。計算兩筆GAC記錄時間差的方法是:從GAC記錄中讀出的時間字符串賦值給tm結(jié)構(gòu)體變量，調(diào)用mktime()函數(shù)將兩個GAC記錄時間的tm結(jié)構(gòu)體變量記述的時刻分別轉(zhuǎn)化為time_t變量，再調(diào)用difftime()函數(shù)將兩個time_t變量的差值計算出來。VC用于處理時間的數(shù)據(jù)類型豐富多樣，選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)類型和處理函數(shù)可以事半功倍。MYSQL_RES和MYSQL_ROW是MYSQLAPI內(nèi)置的數(shù)據(jù)類型。MYSQL_RES類型變量擔(dān)負(fù)了SELECT存儲語句查詢結(jié)果的任務(wù)。MYSQL_RES類變量在使用完成后需調(diào)用mysql_free_result()進(jìn)行內(nèi)存回收，而在實(shí)際開發(fā)中，根據(jù)上下文不一定能判定一個MYSQL_RES類型變量初始化(或經(jīng)上一次內(nèi)存回收)后是否被使用過，而如對初始化后未經(jīng)使用的MYSQL_RES類型變量進(jìn)行內(nèi)存回收，可能會引發(fā)錯誤導(dǎo)致程序異常退出。經(jīng)權(quán)衡，決定在開發(fā)中放棄對MYSQL_RES類型變量回收內(nèi)存的設(shè)計，犧牲一定的空間換取可靠性。MYSQL_ROW類型變量實(shí)際是二維指針，使用時要特別注意SE-LECT語句的查詢結(jié)果究竟有多少列，如果越界訪問使得該二維指針超出查詢結(jié)果的列數(shù)，會導(dǎo)致程序異常退出。Client端可以查詢數(shù)據(jù)庫，選出在指定時段內(nèi)歸屬欲結(jié)算項目的通信機(jī)列表，同時查詢在指定時段內(nèi)欲結(jié)算項目的有效租用合同，接著結(jié)合計時計費(fèi)結(jié)果的框架將查詢的上下線結(jié)果填入表格，并按帶寬小計時長計入臨時數(shù)據(jù)庫表便可完成計時計費(fèi)結(jié)果文件。最后讓VisualC++程序控制Word自動化客戶端生成用星確認(rèn)表，這里要通過使用OLE－DB(ObjectLinkingandEmbeddingDatabase)技術(shù)，它提供了對包括對關(guān)系數(shù)據(jù)庫和非關(guān)系數(shù)據(jù)庫在內(nèi)的所有文件的統(tǒng)一接口。自動化客戶端可以理解為模擬人工進(jìn)行的編輯操作，對編輯目標(biāo)文檔需要進(jìn)行的操作序列，可逐條列出，然后分解成每一個鍵入(或點(diǎn)選，拖動)的操作，幾乎每一個分解操作，都對應(yīng)了自動化客戶端程序的一行指令。自動化客戶端的性能卓越，可以在一兩秒內(nèi)完成數(shù)十頁含表文檔的編輯工作。Office的自動化客戶端編程中，最常遇到COleVariant和CComVariant兩種數(shù)據(jù)類型:COleVariant類是對VARIANT結(jié)構(gòu)的封裝，當(dāng)對象構(gòu)造時首先調(diào)用VariantInit進(jìn)行初始化，然后根據(jù)參數(shù)中的標(biāo)準(zhǔn)類型調(diào)用相應(yīng)的構(gòu)造函數(shù)，并使用VariantCopy進(jìn)行轉(zhuǎn)換賦值操作，當(dāng)VARIANT對象不在有效范圍時，它的析構(gòu)函數(shù)就會被自動調(diào)用，由于析構(gòu)函數(shù)調(diào)用了VariantClear，因而相應(yīng)的內(nèi)存就會被自動清除。CComVariant提供了很多構(gòu)造函數(shù)來對VARI-ANT能夠包含的多種類型進(jìn)行處理。CComVariant沒有提供針對VARIANT包含的各種類型的轉(zhuǎn)換操作符，必須直接訪問VARIANT的成員并且確保這個VARIANT變量保存著期望的類型。
2．4平臺實(shí)現(xiàn)界面介紹根據(jù)如上所述對平臺的設(shè)計思想和方法，利用MFC分別實(shí)現(xiàn)出了人機(jī)交互的Sever端和Client端，其界面如圖3－4所示。Sever端除了選擇系統(tǒng)類別、開始結(jié)束時間功能，主要還能實(shí)現(xiàn)清空數(shù)據(jù)庫、開始同步數(shù)據(jù)及暫停、備份、還原等功能。Sever端正常都是在運(yùn)行狀態(tài)的，未遇故障時是不停運(yùn)的。Client端中首先要輸入用戶信息、設(shè)備信息、項目信息及租用信息，利用“新建”和“刪除”按鈕可添加或刪除這些信息。在界面的左邊有搜索功能，只要輸入設(shè)備信息、項目信息或租用信息的關(guān)鍵詞就可在下面的列表框里顯示出相關(guān)的信息。按鈕“導(dǎo)入帶寬信息”實(shí)際就是導(dǎo)入上文所說的帶寬更改記錄文件，導(dǎo)入成功后便可實(shí)現(xiàn)右下角的計時計費(fèi)功能，把結(jié)果以Excel表格形式生成到指定路徑下，還能同時生成Word版用星確認(rèn)表。
1.用戶的預(yù)感知相關(guān)技術(shù)。用戶的預(yù)感知相關(guān)技術(shù)指的是將用戶個人喜好和通信政策有機(jī)融合。不同的人有不同的喜好，在不同的基礎(chǔ)上應(yīng)合理考慮用戶的個人喜好。在衛(wèi)星的語音通信當(dāng)中，用戶保障基本語音業(yè)務(wù)就可以了。但是在綜合應(yīng)用領(lǐng)域，不但要將用戶服務(wù)質(zhì)量列入其中，還要對各種抗干擾因素綜合考慮。在視頻通信當(dāng)中要把用戶對于延遲等各種指標(biāo)要求也一并納入考慮范圍之內(nèi)，最終對用戶需求予以滿足。
2.環(huán)境的預(yù)感知相關(guān)技術(shù)。衛(wèi)星通信環(huán)境當(dāng)中雨雪等對部分頻段信號有一定的干擾作用，中心站與遠(yuǎn)端站對當(dāng)?shù)赜暄┑刃畔⑦M(jìn)行預(yù)感，基于雨雪特性與通信軌道估計感知的信息，各類信息集中于中心站，再經(jīng)中心站分配到各處，給各個站點(diǎn)分配功率與寬帶相關(guān)資源。當(dāng)業(yè)務(wù)建鏈以后，經(jīng)遠(yuǎn)端站把感知信息報上來，再對鏈路的特性做綜合評估，同一時間對初始建鏈數(shù)據(jù)庫進(jìn)行修正，資源分配自主學(xué)習(xí)功能就此達(dá)成，對系統(tǒng)頻譜相關(guān)資源的利用率會有很好的提升作用。
二、認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在衛(wèi)星通信中未來的發(fā)展前景
最近幾年時間，認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與多媒體相關(guān)技術(shù)可以說是在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用展開了一個新局面。衛(wèi)星無線網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵的技術(shù)研究包含對無線衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)的支持，對無線運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)的層協(xié)議、互聯(lián)網(wǎng)規(guī)定協(xié)議與傳輸層相關(guān)協(xié)議衛(wèi)星鏈路要求的支持等等。衛(wèi)星無線網(wǎng)絡(luò)可以說是地面無線技術(shù)處于衛(wèi)星通信相關(guān)領(lǐng)域當(dāng)中的演變及應(yīng)用，把它視作衛(wèi)星分組相關(guān)業(yè)務(wù)與減少系統(tǒng)的復(fù)雜性一種努力，旨在將大流量的分組數(shù)據(jù)廉價提供給用戶。伴隨通信技術(shù)與認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷發(fā)展前行，認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)拓展開來是必然的，衛(wèi)星通信對認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的運(yùn)用也是預(yù)期的。在我們國家軍方衛(wèi)星通信系統(tǒng)當(dāng)中引用認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)并做以相關(guān)研究，是有歷史性的意義的。
微波中繼通信作為一種現(xiàn)代化通信手段，在城市之間、地區(qū)之間的大容量信息傳輸中發(fā)揮了十分重要的作用[3]?，F(xiàn)階段，微波中繼通信線路主要在電視節(jié)目傳輸中應(yīng)用，也是一種備用干線通信線路。隨著現(xiàn)代化通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，智能性、動態(tài)性、靈活性要求越來越高，傳統(tǒng)模擬微波通信技術(shù)已經(jīng)無法滿足實(shí)際需求。盡管準(zhǔn)同步數(shù)字體系（PDH）微波通信能夠適應(yīng)點(diǎn)對點(diǎn)的通信，但是卻不能滿足動態(tài)聯(lián)網(wǎng)的通信需求，也無法對新業(yè)務(wù)開發(fā)與現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)管理予以支持，導(dǎo)致通信效率較低。而同步數(shù)字體系（SDH）微波通信作為一種新型數(shù)字微波傳輸體制出現(xiàn)在人們眼前。雖然光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)在容量方面有著微波通信無法比擬的優(yōu)勢，但是無論是通信干線，還是支線，SDH微波通信網(wǎng)絡(luò)依然是光線傳輸網(wǎng)絡(luò)中不可或缺的保護(hù)方式與補(bǔ)充部分。
1.2SDH微波通信概述
SDH微波通信傳輸線路是由一條主干線與若干分支組成[4]。為了更好地和現(xiàn)有光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)予以融合，還需要對新型微波設(shè)備予以改進(jìn)。不管是設(shè)備功能、體積，還是組網(wǎng)方式、技術(shù)性能，均要跟隨通信技術(shù)的發(fā)展趨勢，進(jìn)行多層面的融合。其融合主要包括以下內(nèi)容：一是技術(shù)融合：利用一個硬件平臺融合PDH微波通信與SDH微波通信，在軟件控制下實(shí)現(xiàn)空中接口，保證在硬件設(shè)備沒有更新的情況下，實(shí)現(xiàn)空中接口容量的更改，只要通過軟件操作就可以設(shè)置成功，極大地節(jié)約了硬件設(shè)備升級成本[5]。二是設(shè)備融合：將原有的室內(nèi)單元（IDU）、數(shù)字配線架（DDF）、分插復(fù)用器（ADM）等功能予以融合，全部融入到IDU中。如圖2所示，在此IDU中，不僅具有連接天饋線的中頻接口，還有連接光纖傳輸設(shè)備的STM-N光纖接口，同時還可以直接開展FE、E1等業(yè)務(wù)，各個接口之間可以通過IDU的統(tǒng)一集成進(jìn)行業(yè)務(wù)調(diào)度。如果重新組合IDU業(yè)務(wù)板件，還可以形成樹型、星型、鏈型、環(huán)型等復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在微波系統(tǒng)退出網(wǎng)絡(luò)之后，IDU依然能夠繼續(xù)充當(dāng)光纖傳輸?shù)腗ADM設(shè)備，展開相應(yīng)的通信。在某種程度上而言，高度集成的IDU可以用新型交叉連接代替原來的轉(zhuǎn)接電纜，為系統(tǒng)的調(diào)試與維護(hù)提供了很大的便利條件。
2新型微波通信的關(guān)鍵技術(shù)
2.1編碼
自適應(yīng)調(diào)制編碼（AMC）在移動通信中得到了廣泛應(yīng)用，根據(jù)信道質(zhì)量對編碼速率予以調(diào)整，以此來獲取較高的吞吐量。當(dāng)無線通信速率比較低的時候，信道估計相對準(zhǔn)確，AMC的應(yīng)用效果較好。隨著終端移動速度的不斷加快，信道質(zhì)量已經(jīng)無法滿足信道的變化，在信道測量錯誤的情況下，導(dǎo)致AMC調(diào)制編碼方式和實(shí)際情況不相同，影響了系統(tǒng)容量、吞吐量等性能指標(biāo)，值得相關(guān)人員進(jìn)行深入研究。
2.2多天線技術(shù)
在微波中繼通信系統(tǒng)中，分集接收得到了廣泛應(yīng)用，是對抗多徑衰落以及增強(qiáng)數(shù)字微波傳輸質(zhì)量的主要途徑。在SDH微波通信系統(tǒng)中，因?yàn)槎酄顟B(tài)調(diào)制方式的運(yùn)用，使得其對頻率選擇性衰落更加敏感，所以，為分集接收的普遍應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。分集技術(shù)就是為了削弱多徑衰落與降雨衰落的干擾，對不同的特性收信信號予以合成或者切換，從而得到良好信號的技術(shù)。在微波中繼通信系統(tǒng)中，分集技術(shù)主要包括四種：路由分集、角度分集、空間分集、頻率分集[7]。在移動通信中，MIMO技術(shù)得到了普遍應(yīng)用，其是在發(fā)送端與接收端借助天線傳輸無線信號的一種技術(shù)，屬于一種智能天線。MIMO技術(shù)主要就是將用戶數(shù)據(jù)分解成若干并行數(shù)據(jù)流，在指定的寬帶內(nèi)由多個發(fā)射天線同時發(fā)射，經(jīng)過無線信道之后，由多個接收天線予以接收，結(jié)合各并行數(shù)據(jù)流的空間特征，對原有數(shù)據(jù)流予以解調(diào)。MIMO技術(shù)的核心內(nèi)容就是空時信號的處理，也就是借助空間天線對時間域、空間域信號進(jìn)行處理。MIMO技術(shù)可以有效提高頻譜利用率，在無線頻帶有限的條件下，獲取更高的傳輸速率，達(dá)到預(yù)期的業(yè)務(wù)效果。
