卫星通信系统范文

时间:2023-11-06 10:39:42

卫星通信系统

卫星通信系统篇1

关键词:卫星移动通信;海上通信;自主卫星;海洋应用

1引言

我国是一个濒海大国,东南两面临海,渤海、黄海、东海和南海四大海域总面积350万平方公里,大陆海岸线长达18000多公里,港湾众多、岛屿密布。因此,开展海洋信息化建设,进行对海洋资源的保护、开发以及高效管理,实现可持续发展,一直是我国各级海洋主管部门的主要任务。由于海洋环境的特殊性,海上远程通讯、高速实时数据传输手段已成为制约海洋信息化建设的主要技术瓶颈。而卫星移动通信由于运行稳定、干扰少、组网灵活、通信成本与距离无关、可提供不受地理环境限制的广域覆盖等优点,被认为是最有效的海上通信手段。“天通一号”卫星移动通信系统是我国自主建设的第一代大容量GEO卫星移动通信系统。该系统采用多波束覆盖我国领土和领海,可提供话音、短信、传真、数据和图像等多种业务,具有资源自主可控、全天候服务、无通信盲区、传输安全可靠、设施抗毁性高、与公共网络互联互通、适合支柱行业和政府机构等关键部门应用等特性,在应急通信、海上通信和普遍服务等方面独具优势。因此,有必要推进“天通一号”卫星移动通信系统在国家海洋领域的应用,不仅可以完善国家海洋信息服务网络,还可以提高国家在海洋行业的信息获取能力,推动海洋经济高速发展。

2应用现状

我国自主研发、针对车载、船载和机载等中小型平台和个人移动通信设计的第一代卫星移动通信系统尚未开通,长期以来主要通过Inmarsat系统的卫星移动通信服务以及国内北斗卫星导航系统的短报文业务来满足我国海上卫星移动通信的需求,并在海洋应急救援、海洋防灾减灾、渔业管理、目标监控和数据采集应用等方面发挥了重要作用。

(1)Inmarsat系统

自1979年成立至今,国际海事卫星组织(Inmarsat)技术不断革新和演进,目前已经发展至第五代系统,并成为世界上唯一能为海、陆、空各行业用户提供全球化、全天候、全方位卫星移动公众通信和海上遇险安全通信服务的通信系统。Inmarsat目前拥有并运营着全球庞大的卫星通信网络之一,运营着13颗同步轨道卫星,可以向南极、北极83°以内的区域提供电话、传真、宽带数据业务和海上遇险与安全通信,为50万台卫星终端提供网络服务和应用。目前,主用的第四代系统有4颗卫星(第4颗为备份卫星),可以提供全球宽带局域网(BGAN)业务,可支持用户最高数据速率达到492kbit/s。第五代系统(Inmarsat-5)已于2015年8月完成部署,利用3颗Ka卫星组成全球高速(GlobalXpress)移动网络,可提供下行50Mbit/s、上行5Mbit/s的高速数据传输。虽然覆盖范围大,但Inmarsat系统为国外建设和运营,其卫星终端和通信资费都较为昂贵,且卫星资源受制于国外,渔船通信等敏感数据的安全性难以保障,给我国战略和信息安全带来严重隐患。

(2)“北斗”卫星导航系统

“北斗”卫星导航系统是我国自行建立、具有自主知识产权的卫星导航定位系统,目前已对包括我国本土在内的东南亚地区实现全覆盖,后续将于2020年完成全球覆盖。“北斗”卫星导航系统设备具有适装性好、成本低等优点,目前已经广泛应用于各类船载平台,提供授时、定位、导航和短报文服务。但由于“北斗”卫星导航系统不是专为通信设计,其通信能力较弱且系统容量受限,不能支持话音和高速数据业务,难以满足海上通信对话音、数据和视频等综合业务的应用和传输需求。

(3)自主卫星移动通信

“天通一号”卫星移动通信系统是我国自主研制的第一代大容量地球同步轨道移动通信系统,系统以保证针对个人和车辆、飞机、船舶等移动平台的话音、短信、传真、数据、视频回传等中低速移动通信业务为主,可提供直接面向各行业指挥中心和个人、全天候的移动通信服务。“天通一号”系统01星已于2016年8月6日发射成功,目前地面应用系统已完成部署,即将正式提供服务,届时将成为用户容量不少于100万,服务范围包括国土及周边、太平洋及印度洋大部分海域的区域性卫星移动通信系统,为政府、军队、行业、公众等领域提供自主可控的移动通信服务。根据规划,“天通一号”02星和03星将分别在01星东西两侧部署,形成对太平洋中东部、印度洋海域及“一带一路”区域的常态化覆盖,将进一步扩充海上通信的可使用区域。“天通一号”卫星星上采用透明转发方式,系统支持星状组网,即用户终端通过信关站以单跳方式访问地面网络,以双跳方式实现网内用户终端之间的通信,并能够与地面PSTN、PLMN、Internet、行业专网等网络实现互联互通。“天通一号”卫星移动通信系统的终端主要有手持型、便携型、车载型、数据采集型、壁挂型、背夹型等多种形态,根据应用需求支持1.2~384kbit/s速率分档可变的话音、数据和短信等多种业务和定位功能,可广泛用于不同行业和业务场景。

3应用解决方案

3.1海洋综合信息服务系统

针对海洋信息化建设的综合业务应用需求,集成“天通一号”卫星移动通信系统、北斗卫星导航系统、GPS卫星系统、互联网、移动通信网络、地理信息系统等高新技术,利用异构网络平台融合构建一个海洋综合信息服务系统,形成覆盖天、地、海的立体化、大区域的一体化通信网络。海洋综合信息服务系统架构主要由天通移动通信卫星、北斗定位卫星、民用信关站、船载终端、浮标终端和海洋综合信息服务中心等几部分构成(见图1)。该系统利用卫星移动通信系统和北斗导航系统,通过一体化的传输与路由、接入与控制、运维与管理机制,实现了船与岸、船与船之间话音、短信、数据、视频回传、船舶位置管理、警报/预警等多样化业务信息传输与综合服务应用,可满足海洋船舶、海洋气象、海洋水文监控以及海上应急救援、防灾减灾等领域的使用需求。海洋综合信息服务系统还可以通过民用信关站与其它通信网络进行信息交换和融合,如实现“天通一号”系统与地面PLMN、PSTN、Internet网的互联互通,为用户提供更多增值服务。

3.2应用方案

目前,“天通一号”卫星移动通信系统在海上通信领域的应用主要有五大类业务。

(1)位置跟踪和管理服务

位置跟踪和管理服务是实现船舶实时航线追踪、提升航行安全的重要手段。船舶或海洋浮标终端利用北斗导航定位系统产生自身精确的定位信息,并将当前的定位信息通过卫星链路自动、连续地发送到民用信关站业务系统中的位置服务器,海洋信息服务中心等管理部门内设置位置跟踪应用管理平台,该平台通过地面网络与位置服务器进行信息交互,提取所属用户的位置信息并进行越界监测、轨迹管理等后续数据应用,为管理部门的交通管理、紧急救援等任务提供决策支持,位置跟踪和管理应用如图2所示。此外,海洋信息服务中心等管理部门还可通过位置跟踪应用管理平台,主动查询所管理船载终端的位置信息,船载终端接收到位置查询命令后,会即时上报目前所处的位置信息。

(2)数据服务

在航行过程中,船舶可通过船载终端将自身的船位、航速、航向、船名、识别码、目的港、载货种类、航次和安全状态等相关数据信息通过卫星通信链路传输到海洋信息服务中心等管理部门,实现航行数据的实时下传。具体实现可通过VPN专线构建虚拟子网,从信关站核心网直接将航行数据路由到海洋信息服务中心,以保证航行数据安全性和业务使用便捷性。同时,船上乘客或船员还可以通过卫星链接和信关站接入到地面Internet网络,实现宽带互联网接入和邮件收发等应用,数据通信应用如图3所示。

(3)视频回传服务

“天通一号”系统还为海上通信提供了宽带多媒体手段,可实时传送海上船舶遇险实际图像和视频等信息,实现船舶安全监控与遇险救助“可视化”。船载终端将拍摄的图像或者视频信息通过卫星链路发送到民用信关站业务系统中的视频/数据回传服务器,海洋信息服务中心等管理部门设置视频回传应用管理平台,该平台通过地面网络与信关站的视频/数据回传服务器进行信息交互,即可接收所属终端的视频、数据采集信息,并进行分析和评估等后续的数据应用处理,视频回传应用如图4所示。

(4)话音调度服务

船载卫星终端可以与“天通一号”卫星通信网络内的其它卫星移动通信终端或地面网络(如PSTN、PLMN网络)的终端进行话音通信。此外,为了便于话音业务的管理和调度,海洋信息服务中心还可以搭建坐席调度指挥平台。利用该平台,各船载终端用户可以通过卫星通信网络拨打同一个电话号码,即指挥中心号码,实现与指挥中心的通信;利用该平台,指挥中心可以随时指定与某个船载终端用户进行通信,或者将某个正在与指挥中心通信的船载终端卫星电话切换到总台。

(5)短信服务

短消息业务功能是指船载卫星终端可以与“天通一号”卫星通信网络内的其它卫星移动通信终端或地面网络(如PLMN网络)的终端进行短消息通信。为了便于短信业务的管理,海洋信息服务中心等管理部门可以搭建一套短信SP应用平台。利用该平台,船载终端用户可以随时通过短信上报航行安全状态等情况;利用该平台,指挥控制中心可以通过短信下发指挥命令到一线执勤人员。

4自主卫星移动通信系统的重要作用

(1)提高维护海洋权益的能力

我国海上丝绸之路邻国众多,由于历史原因,部分海上国土存在争端。随着我国海上事业和当前国际形势的发展,领土和海洋权益争端有日益加剧之势,强化海洋国土宣示,提高海洋权益维护能力刻不容缓。“天通一号”卫星移动通信系统可实现海上丝绸之路无线电通信有效覆盖,既可以服务于海上丝绸之路的建设战略,又可以提高我国控海能力,减少外交争端。

(2)提高海洋应急与搜救能力,确保航运安全

海洋事业事故高发,海损事故和涉外事件时有发生,快捷、可靠的通信手段可以最大限度地减少或避免人员伤亡和经济损失,是有效预防海难发生和组织海难救助的根本保证。利用“天通一号”卫星移动通信系统,海上搜救部门可以随时跟踪航行船舶动态,随时与航行船舶保持通信联系,从而可以极大地提高海洋应急与搜救能力,确保航运安全。

(3)为国家“海洋强国”战略提供信息技术支持

目前,全球范围的海洋竞争日趋激烈,以争夺海域战略资源和空间为特征的“蓝色圈地”运动正在兴起,我国周边海域安全形势严峻,尤其南海区域地缘关系错综复杂,国家海洋战略利益面临巨大挑战。利用“天通一号”卫星移动通信系统为海上信息提供广域覆盖、安全可靠的信息传输手段,可取得海洋信息权,主导全球海洋信息化体系建设,是保障国家“海洋强国”战略意图实现的最有效手段。

(4)促进海洋经济可持续增长

随着“天通一号”卫星移动通信系统在海洋领域的应用,必将促进海洋信息网络产业化进程。如此一来,既可以拉动海洋电子装备制造、海洋软件研发、海洋信息服务等高科技产业快速发展,也能够推动海运、渔业、海洋能源等传统海洋行业向集约型、可持续性发展方向转型升级,快速形成健康、良性的产业生态圈。

5结束语

当前,我国海洋信息化建设已进入战略机遇期。首先,海上丝绸之路对海洋信息化建设提出了迫切需求;其次,全球海洋信息化建设项目为我国海洋信息化建设工作提供了重要借鉴;最后,我国海洋信息化体系建设尚处于酝酿阶段,亟需重点研发填补空白,带动海洋信息化实现跨越式发展。我国海洋资源开发利用、海上丝绸之路经济带建设、“海洋强国”战略的开展,使得“天通一号”卫星移动通信系统在海上通信领域极具潜力,具有巨大的市场应用前景。

参考文献

[1]胡刚,马昕,范秋燕.北斗卫星导航系统在海洋渔业上的应用.渔业现代化,2010(01):60-62.

[2]闵士权.军民融合创新发展我国卫星通信产业.数字通信世界,2017(03):35-40.

[3]何元智.军民融合重大举措——天通一号卫星移动通信系统[C].2016年中国卫星应用大会,2016,10.

[4]王.海上通信方式选择.中国海事,2016(08):47-48.

卫星通信系统篇2

[关键词]宽带卫星 通信系统 关键技术

中图分类号:F840.61 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2015)40-0308-01

随着经济的快速发展,科学技术也火力全开的发展着,因此,技术研发和人们日常生活对通信技术的要求也变得越来越高。因为很多通信的项目,都需要质量的保证,因此,对卫星通信的系统的依赖便越来越强。近年来,宽带卫星通信系统由于自身重量轻,信号覆盖面积广,性能稳定,以及研制和发射费用都较低的独特优势,在全世界内得到了广泛的研究和应用,逐渐成为现代信息传播的重要手段。为促进卫星通信系统的发展,对其关键技术的探讨也是必不可少的。

1 宽带卫星通信系统

1.1概念

卫星宽带通信系统,俗称卫星宽带或卫星上网,就是卫星通信与互联网相结合的产物,具体来说指的是通过卫星进行语音、数据、图像和视像的处理和传送。通过同步轨道卫星、非静止轨道卫星或两者的混合卫星群系统提供多媒体交互式业务和广播业务。常见的宽带卫星业务基本是使用Ku频段和C频段,但Ku频段的应用已经非常拥挤,故计划中的宽带卫星通信网基本是采用Ka频段。

1.2 宽带通信卫星星座系统

由于轨道低,每一颗卫星所能覆盖的通信范围相对较小,如果要使全球都能被覆盖上通信信号,那么需要把几十颗卫星按照一定的形状进行编队,从而组建成一个全球系统,形成卫星星座。目前国际上已发射或者是即将发射的系统有十几个,这些系统采用的技术手段也是多种多样。

1.2.1静止轨道

在赤道的平面上运行的卫星一般是静止轨道的通信卫星星座系统,因为它实现覆盖全球的功能只需要使用三颗卫星,目前已经存在的是美国的ASTROLINK系统、日本的WINDS系统、欧洲的EUROSKYWAY系统等。但就实际情况而言,因为卫星的轨道高度相对较高,传播路径的损耗较大,使得传播的信号会有一段较长时间的延迟,大概是250-280ms,而且音频和视频的传输质量也不太令人满意。

1.2.2中低轨道

可以在任意两个用户之间建立实时通讯、完成实时交互式的业务,是中轨道和低轨道通信卫星系统能满足的,因为他们的传播信号延时情况只有110-130ms、20-23ms。而且系统中的卫星都是可以进行批量化生产,形成规模经济,从而降低每一颗卫星的造价和发射费用。但不足之处是这些系统中的卫星会带来一个较为复杂和系统控制和网络管理问题;除此之外,中轨道和低轨道的卫星通信系统需要很多数量的卫星,才能完成覆盖全球的功能。比如说:美国的TELEDESIC卫星系统最初使用了840颗卫星,欧洲的SKYBRIDGE由最初的64颗增加到80颗。

1.2.3静止轨道和非静止轨道卫星的混合

静止轨道的卫星在语音和交互式视频业务方面,因为延时的长度太长而不如非静止的卫星,但就使用的卫星数量和发射费用而言,静止轨道又比非静止的卫星造价更低。因此,如果建立静止轨道和非静止轨道卫星的混合星座系统,可以更广范围的进行覆盖,更短延时的进行信号传播,比较适合一些组播和广播等项目,比如说,美国的CYBERSTAR和欧洲的SKYBRIDGE就组成了一个混合系统,形成战略联盟进而轻松的开拓卫星市场的相关业务。

2 现代宽带卫星所面临的问题

2.1 延时太长和时延抖动

传输过程的时延、星上交换和处理的时延、上下行链路传播的时延等基本构成了宽带卫星系统在传输信号和数据时所经历的各种时延,这些时延的长度也就组成了总时延的长度。因为静止卫星系统一般情况下是固定的,相对于地面而言,所以在信号传播的过程中基本上没有切换,因此拥有相对固定的时延。非静止卫星系统虽然时延比静止系统短小,但因为其会随着卫星的移动、切换等状态而发生变化,出现一些细小的时延。

2.2 功率的管理繁忙

C频段是经常会发生拥挤现象的一个频段,主要是因为运作大型业务的通信卫星常常运行在4-6GHz的C频段,拥挤发生后又会导致信号的堵塞、时延的加长,造成信号传播的不畅。为了改善这一现象,运营商多开始使用11-14GHz的Ku频段,一般是采用两者结合的方式进行保守的发展。一旦Ku频段也发生拥挤现象时,则运营商会继续投入到全Ka频段的通信竞争中。

3 宽带卫星通信系统的技术

3.1 卫星ATM网络

基于ATM技术发展的复杂的星上交换、星上处理、星上路由等技术可以直接将信息从上行链路传递到指定的下行链路点波束上,这种方式能够在一定程度上减短信号传播的时间。多频时多分址接入技术、时分复用技术的采用,对于在Ka频段工作的静止轨道系统而言,能够在不同地区、但在同一点波束内的用户接入其中,从而实现语音、视频和数据的传播,实现用户之间的资源共享。

3.2 星上处理技术

卫星、用户站和网络主控制站组成了一个传统意义上的弯管模式卫星系统。在这个系统内的用户必须建立TDMA同步和时隙同步。当结成同步状态后,用户把关于目的地、吞吐量等请求发送至网络主控制站,然后主控制站开始检查卫星的相关资源,比如说:频道是否可用、发射功率是否在标准范围内等。当这些检查都通过以后,主控制站即接受连接的请求并为客户分配信道,然后进行数据的传输。

3.3 星间链路

卫星之间的通信链路就是星间链路,即是指在空间内建立一个通信子网,利用卫星之间的可靠性和高容量性进行通信,尽可能的节约地面的资源。星间链路既可以存在于同一轨道的卫星之间,也可以存在于异轨道中,且都会产生一部分传播时延。非静止卫星系统会因为卫星的移动状态和自适应路由技术而不间断的改变星间链路,而静止卫星系统中的星间链路时延是不会改变的。

3.4 波束成形技术

通信天线是宽带卫星通信系统中常用的天线,主要包括全球波束、区域波束、点波束天线等。全球波束天线的半功率角宽度恰好覆盖卫星对地球的整个视区。而区域波束和点波束天线则拥有较小的半功率角宽度,能够集中的满足某一特殊地区的通信要求。

4 结语

对于宽带卫星通信系统的研究已经进入第四代了,这种结合了IP、ATM和相关的卫星技术的通信网络具有众多的优点:高利用率的带宽、覆盖地面广等。但在实际的运用过程中,人们要求的通信质量问题还存在一定的缺陷,因此在这一方面还需要有关研究人员深入探索,积极研发,发展更高级的卫星通信网络,提高通信系统的使用质量。

参考文献:

[1] 罗文.卫星通信系统的发展及其关键技术[J].信息通信,2013,(1):157-158.

[2] 佟军,潘亚汉.机载宽带卫星通信系统相关技术[J].中国科技信息,2012,(6):86,98.

卫星通信系统篇3

(电子科技大学成都学院,四川 成都 611731)

【摘要】本文介绍一种基于北斗的卫星移动通信试验系统。这是一个利用我国北斗卫星的冗余资源的支持话音和低速数据的小容量系统,它可以在某些关键时刻和特殊环境下起到重要而不可替代的作用。同时,在试验系统这一平台上,还可以对下一阶段建立的GEO卫星移动通信系统的关键技术进行试验研究。基于“北斗”的卫星移动通信试验系统将以我国低EIRP的“北斗”导航卫星资源为空间段,建立我国的卫星移动通信试验系统。系统由三部分构成:由我国北斗卫星冗余资源支持的空间段;具有系统接续控制和交换能力、并与地面公用网接口的地面段;以及有较高天线增益的应用段。

关键词 北斗卫星;网络结构;空中接口

作者简介:胡曼青(1980—),女,四川成都人,电子科技大学成都学院,讲师,研究方向为通信与信息系统。

1系统总体架构

(1)在分析“北斗”卫星现有冗余资源的基础上,利用“北斗”卫星的转发器作为空间段;

(2)地面段包括综合信关站、地面运控站、信标站等;

(3)应用段包括三类用户终端(便携式、车载式、固定式),实现用户终端之间、用户终端与地面通信网络之间的互联互通。

1.1系统特点

(1)利用我国北斗卫星冗余资源支持的空间段;

(2)具有系统接续控制和交换能力、并与地面公用网接口的信关站;

(3)具有创新型高技术应用的移动终端;

(4)具有移动通信系统空中接口规范、完整的信令体系和安全保密体制。

1.2系统组成

系统由空间段、地面段和应用段组成,见下图:

图1系统组成

空间段:利用北斗卫星所搭载的转发器实现用户与用户、用户与信关站间信号的转发。

应用段:即用户终端,将可识别的信息(语音、数据、短消息)处理成可在空间传输的、符合系统要求的无线信号,并向卫星发射;同时,将卫星发射(转发)来的符合系统要求的空间无线信号接收处理成可识别的信息(语音、数据、短消息)。

用户终端有三种形式:

(1)固定式用户终端:在固定地点使用;

(2)便携式用户终端:可搬移,机动性好;

(3)车载式用户终端:可在运动中使用,实现动中通。

地面段:由信标站、地面运控系统和综合信关站组成。综合信关站是试验系统与地面通信网之间的汇接交换中心,负责与PSTN(Public Switched Telephone Network 公共交换电话网)之间的接口,完成认证与授权、资源管理、协议转换、呼叫控制、计费处理以及移动终端之间、移动终端与PSTN之间的互联互通。

2系统空中接口

2.1系统网络结构

从网络结构上,系统可划分为终端和综合信关站两大部分。终端包含用户识别模块,综合信关站由收发系统、业务控制系统、卫星信号监测管理、移动交换中心等网络部件组成,系统网络体系结构见图2。

图2系统网络架构

用户话音和数据通过业务信道在终端和信关站之间传输,当系统内部终端之间相互通信时,由信关站转发信号,传输路径经历了2跳卫星链路。当卫星终端与网外用户通信时,信号经历1跳卫星链路由信关站的移动交换中心GMSC(Gateway Mobile Switching Center 网关移动交换中心)与PSTN、PLMN(Public Land Mobile Networks公共陆上移动网络)和SMC(Sort Message Center)建立连接。同步轨道卫星通信系统单跳延迟大约270毫秒。

2.2卫星移动终端SMT(Satellite Mobile Terminal)

SMT是基于“北斗”的卫星移动通信试验系统的用户终端,用户使用SMT接入试验网得到所需的通信服务。

为区别试验网内不同的用户,使用用户识别模块UIM(User Identity Module)予以识别。每个移动终端都有各自的卫星设备识别号SMEI(Satellite Mobile Equipment Identity)。每个移动用户都有自己的卫星移动用户识别号SMSI(Satellite Mobile Subscriber Identity),分别存储在UIM上和SHLR(Satellite Home Location Register)上。

2.3综合信关站SGS(Synthesize Gateway Station)

综合信关站由收发系统、业务控制系统、卫星资源监测与管理、移动交换中心等网络部件组成。

2.3.1收发系统GTS(Gateway Transceiver System)

它受控于GSC,包含射频子系统和信道处理子系统。射频子系统完成卫星射频信号和中频或基带信号之间的转换功能,信道处理子系统完成信道调制/解调、帧处理、交织/解交织、编码/译码和信道映射等功能。它完成GSC与无线信道之间的转换,实现SMT和GTS之间通过卫星传输及相关控制功能。

2.3.2业务控制系统GSC(Gateway Service Control)

GSC是地面信关站的控制部分,它处于GTS和移动业务交换中心GMSC之间。一个GSC可以连接和控制几个GTS,在试验系统中只有一个GTS。它的主要功能是无线信道的管理、实施呼叫和通信链路的建立和拆除,移动台切换管理,话务量统计等。

2.3.3卫星资源监测与管理SRMM(Satellite Resource Monitor & Management)

卫星资源监控与管理完成对卫星资源的监控与协调管理工作,包括了:卫星频谱与信号监测、卫星工作状况监测与系统管理、运行状况与工作模式管理、信关站与地面运控网进行信息交互与处理、天线与射频状态监视。

2.3.4移动交换中心GMSC(Gateway Mobile Service Switching Center)

移动业务交换中心由软交换SS(Soft Switch)、AAA(Authentication Authorization Accounting)服务器、操作维护中心OMC(Operation & Maintenance Center)、卫星接入网关SAG(Satellite Access Gateway)、地面接入网关TAG(Terrestrial Access Gateway)等实体组成。

①软交换SS(Soft Switcher)

完成移动呼叫接续、控制、无线资源和移动性管理等功能,是卫星移动通信试验网的核心,同时也是与地面固网和实验网的接口设备。

②AAA服务器

认证:用户在使用网络系统中的资源时对用户身份的确认。

授权:网络系统授权用户以特定的方式使用其资源。

计费:网络系统收集、记录用户对网络资源的使用,以便向用户收取资源使用费用,或者用于审计等目的。

AAA服务器含卫星归属位置寄存器SHLR(Satellite Home Location Register)与地面移动网的HLR类似,SHLR是用来存储本地用户位置信息的数据库,每个卫星移动用户必须在某一个SHLR登记,不同之处是试验网将卫星移动设备标识寄存器集成到SHLR之中。登记的主要内容有:用户号码、移动设备号码、位置信息、业务信息等。试验系统暂不考虑卫星访问位置寄存器SVLR(Satellite Visitor Location Register),但设计时应该留有扩充的空间。

③地面接入网关TAG

地面接入网关实现与地面PSTN,PLMN和短消息中心的接口,信令转换,业务合成、分解、存储和传输的实体。地面接入网关实现试验系统与地面其它网络的多种业务转换和互通。

④卫星接入网关SAG

卫星接入网关是业务控制分系统GSC和移动交换中心GMSC的接口实体。

⑤操作管理中心OMC

OMC是网络拥有者对全网进行监测和操作的功能实体。

2.4系统接口定义

2.4.1UIM-SMT接口

卫星移动终端SMT到用户识别模块UIM接口,SMT在注册、实现双向鉴权、加密、信息存储时要与UIM交互信息和数据。

2.4.2S-Um接口

S-Um接口又称SMT-GS卫星空中接口,是卫星移动试验网的主要接口之一。对卫星移动通信而言,大部分信令都是和SMT相关,S-Um接口传递的信息包括了无线资源管理、移动性管理和接续管理等。S-Um接口与卫星移动通信试验系统采用的体制密切关联,相互决定。

2.4.3Am接口

Am接口是信关站内部GTS和GSC之间的内部接口。

2.4.4A接口

A接口是卫星地面信关站和GMSC之间的接口,该接口携带关于信关站的管理、呼叫处理和移动性管理等信息。采用SIP和RTP协议分别传输信令和业务数据,通过TCP/IP承载传输。

2.4.5R接口

R接口为GMSC与AAA之间的接口,GMSC通过该接口向AAA服务器和SHLR查询被叫卫星移动用户的选路信息,以便确定呼叫路由,呼叫时对用户进行鉴权,并在呼叫结束时向AAA发送计费信息。试验系统的SHLR与信关站放在一起。

2.4.6P接口

为综合信关站的地面接入网关与地面网络的接口,传递业务及控制信息。

2.5系统通信体制

为了适应卫星资源,试验系统采用CDMA通信体制。前向信道(卫星到终端)和反向信道(终端到卫星)各占用不大于8MHz频谱带宽。见图3。

前向和反向信道采用扩频方式,将2.4kbps的数据经成帧、编码、交织、加密处理后,由扩频序列将频谱展宽。

前向信道由以下信道组成:

PICH(Pilot Channel):前向导频信道,为参考信道,终端由它获取相干解调及同步信息;

SCH(Synchronization Channel):同步信道,发送定时参数,系统参数;

PCH(Paging Channel):寻呼信道,用于寻呼用户,发送短消息和系统消息;

BCH(Broadcast Channel):广播信道,为终端提供广播业务;

DSCH(Forward Dedicated Signal Channel):前向专用信令信道,传送专用信令,在通信过程中传输交换信令;

TCH(Traffic Channel):业务信道,承载语音和短消息业务,试验系统使用1~30条。

反向信道由以下信道组成:

RACH(Random Access Channel):反向随机接入信道,用于终端发起呼叫、被叫和注册时传输信令;

RTCH(Reversed Traffic Channel):反向业务信道,承载语音和短消息业务;

RDSCH:(Reversed Dedicated Signal Channel):反向专用信令信道,用于通信过程中交换信令。

前向信道采用正交的Walsh码区分用户和控制信道,码片速率4.9152Mcps,调制方式为QPSK,信道编码为1/3卷积编码。

反向信道采用随机码区分用户,码片速率4.9152Mcps,调制方式为HPSK,信道编码为1/3卷积编码。

图3系统通信空中接口

3系统工作原理

系统的工作原理见图4。

用户终端对语音、数据、短消息进行信息处理、基带处理、射频处理形成频率为L的射频信号后,由天馈单元发向卫星。

卫星接收到用户所发的信号后,进行放大、变 频、滤波等处理,经C波段天线发向信关站。

在综合信关站中,由专用C波段天线接收卫星发来的入站信号,经低噪放、下变频处理成中频信号(70MHz),经中频分路后送往两个16路解调器,解调后数据接入本地局域网,通过信令处理与软交换完成与对方用户的连接,建立通信信道。

图4系统工作原理

图5移动用户间呼叫基本流程

信息经信关按协议处理后送往交换机,交换机将数据送往两个16路调制器,调制器完成对数据的信息处理、基带处理、扩频调制后,形成中频为70MHz的已调合路信号(2个中频,各含16路),送往中频合路器,合路后经上变频处理成S波段信号,经高功率放大(HPA)后,由S波段天线发向卫星。卫星收到信关站所发的信号后,进行放大、变频,处理成频率为L1/L2的射频信号发向用户。用户端接收到卫星所发来的微弱信号后,经低噪放(LNA)、变频处理成频率为70MHz的中频信号,经解调、信道处理、信息还原后得到对方所发的语音、数据、短消息等信息格式。

终端接入流程举例,见图5。

4结束语

基于“北斗”的卫星移动通信试验系统研究开发是利用现有卫星的冗余资源开发的卫星移动通信系统。“北斗”是我国唯一在轨运行的拥有完全自主知识产权的L波段卫星系统,该试验系统利用其有限的宝贵资源需要进行研究和试验,为将来发展卫星通信领域相关技术奠定了一定的理论和实践基础。

参考文献

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[5]江彩英, 黄永玉,谢丹,郭晓佳.北斗卫星应急通信传输试点建设[J].气象科技,2013(05).

卫星通信系统篇4

INMARSAT第五代海事卫星通信系统采用Ka频段,为全球范围内的海事、陆地和航空用户提供超高速移动宽带通信服务,系统由四部分组成:空间段、关口站、卫星终端和地面接续站。

1.1空间段

按照设计规划,第五代海事卫星空间段包括3颗主用静止轨道卫星及1颗备用卫星,主用卫星分别是印度洋卫星,太平洋卫星和大西洋卫星,目前印度洋卫星已于2013年12月8日成功入轨,大西洋卫星已于2015年2月1日成功发射,太平洋卫星原计划2015年4月或5月发射,目前因故推迟,择机发射。第四颗备用星将于2016年第二季制造完成并交付,2016年底投入运行。GlobalXpress卫星采用采用波音公司成熟的702HP卫星平台,将在地球同步轨道运行,可实现对全球南、北纬78°以内区域的全面覆盖。该卫星采用全球转发器技术,高性能弯管设计,包括前向和反向转发器,通过转发器将业务落地到SAS站,由其分发业务。每颗卫星设计有89个KA转发器,额定功率15KW,其中72个为激活的信道,累计带宽5GHz。每颗星下设计有6个可移动的高容量波束(HCO),这一灵活设计使得GlobalXpress可以满足长期热点和突发事件的需求。GlobalXpress卫星的设计依照VSAT模式,上行和下行在同一波束内,可以将高容量波束(HCO)设置为关口站波束服务其他HCO波束,交叉链接容许高容量波束(HCO)到关口站(SAS)的通信。在实际使用中,全球波束下用户终端可达上行带宽29.5-30.0GHz,下行带宽19.7-20.2GHz;在大容量波束下用户终端可达上行带宽29.0-29.5GHz,下行带宽19-19.7GHz。

1.2关口站

关口站是卫星和陆地侧网络通信的关键节点,负责处理用户终端的业务申请交换和分配用户资源容量,为用户提供电路交换和分组交换业务。目前第五代海事卫星全球共设立主备兼顾的6个地面站关口站,分别部署在欧洲、美洲和亚洲。每颗主用卫星对应的洋区下设有主备两个关口站。其中位于希腊的Nemea关口站和意大利的Fucino关口站将承担印度洋卫星的业务,位于美国的LinoLakes和加拿大的Win-nipeg将负责大西洋卫星的业务接续,位于新西兰的War-kworth和Auckland负责太平洋卫星的业务。这六个关口站由3个分别部署在纽约、悉尼和阿姆斯特丹的网络协调中心(MMP)接入海事卫星全球网络。全球MMP之间采用专线互联呈环状网络,且各MMP分别与所在区域关口站之间采用专线互联。Ka频段卫星通信链路面临着非常严重的雨衰问题,GlobalXpress作为Ka频段的卫星通信业务,即使采用了先进的调制编码技术,随着雨水密度的增加,数据下载速率将会显著下降。GlobalXpress选择在每个洋区下距离数百英里的两个地方建立地面关口站,使得主备关口站物理分离,遇到极端天气影响或故障时刻自动切换,最大限度地消除了地面关口站业务中断的可能性。

1.3地面接续站

地面接续站(POP)是海事卫星网络在全球的延伸。IN-MARSAT的商用合作伙伴可以建设自己的POP站,通过专线将POP站与INMARSAT全球网络各大洲的汇接中心(MMP)连接,进而接入各个地面关口站。同时在另一个方向,地面接续站与所在国家的电信运行商互联网连接,提供本地的便捷网络接入,另外,还能通过专线接入相关企业内网,提供更好的链路质量。一个第五代海事卫星GX系统的地面接续站包括强制路由子系统、数据通信子系统和业务应用子系统等,其功能如下:强制路由子系统:通过卫星关口站内部的位置服务器、强制路由模块与北京陆地接续系统之间建立的通用路由封装隧道,实现强制路由转发,实现海事卫星业务与我国陆地公共数据网络的有效接续。数据通信子系统:实现国际移动卫星组织规定的认证功能,包括五代星终端到北京陆地接续系统的注册、资源分配、数据通信建立等。业务应用子系统:主要为用户提供VOIP、预付费节点、视频会议、FTP、传真、邮件等业务应用。运行支撑系统(OSS):包括网元管理模块、专业网管模块、信息汇聚模块、运维支持模块和运维分析模块,以满足对五代星北京陆地接续站网元设备的运行维护管理。业务支撑系统(BSS)并实现相应的功能,包括客户关系子系统、账务处理子系统、业务管理子系统、网上营业厅自助服务子系统、统计分析子系统及其综合结算子系统等。

1.4卫星终端

INMARSAT五代星系统采用了频道更宽的Ka波段,卫星终端更小、更先进、更标准化,天线口径可小至20cm,从而大大减小终端设备的体积和重量,而且终端的数据传输速率大幅提高。海用终端分为60厘米口径和1米口径固定通信平台,在恶劣天气下,可以实现与海上宽带FBB互为备份。航空终端需在通用飞机机身安装天线,口径约50厘米,商务机机尾安装天线约30厘米。陆用终端口径从60厘米米至2.4米天线不等。INMARSAT五代星系统支持的终端接入带宽与移动通信电信运营商正在建设的4G网络相当,可满足用户对宽带视频等多媒体应用的需求,如视频监控、视频会议等,为行业用户卫星通信的应用广度及深度拓展提供更大的空间。INMARSAT五代星系统主要实现标准IP业务以及基于IP的流媒体业务等。支持的应用主要有:电话、传真、短信、语音邮箱、连接互联网的数据传输、连接专用网的数据传输和视频传输等。下行传输速率最高可达50Mbps,上行传输速率最高可达5Mbps。

2第五代海事卫星通信系统性能研究

2.1五代星系统与四代星系统互为补充

随着3G移动通信技术的不断完善以及4G移动通信技术的飞速发展,Inmarsat卫星通信系统作为陆地网络通信技术的延伸和补充,需要与陆地网络保持一致,以满足国内外以及各行业对视频业务的需求。INMARSAT从四代星系统发展到五代星系统,属于移动卫星通信领域的重大技术革新。INMARSAT四代星系统支持的带宽与目前传统电信运营商的3G网络带宽处于同一水平,满足行业用户对话音及数据传输的基本需求。INMAR-SAT五代星系统支持的带宽将与电信运营商正在建设的4G网络带宽相当,一方面可以应对海上突发事件,为遇险船舶提供实时、有效、高质量的视频图像,保证海上航行安全以及搜救工作的顺利进行提供更完善的通信保障;另一方面,还可以满足由多媒体应用引发的大量视频业务的需求,完全支持行业用户的视频监控、视频会议等应用,为行业用户卫星通信的应用广度及深度拓展更大的空间。由于INMARSAT四代星系统基于L波段,通信质量不受恶劣气候的影响,因此基于Ka波段的INMARSAT五代星系统业务,在受到雨雪天气影响的情况下,业务将切换至四代星系统承载,待五代星系统信号恢复后,业务将自动再切换至五代星系统承载。负责进行业务切换的设备是网络切换控制器(NetworkSer-viceDevice,NSD)。就像3G和4G移动通信业务互为补充一样,未来INMAR-SAT五代星系统业务也将与INMARSAT四代星系统业务并网运营10年以上的时间,两代卫星系统各自的明确定位及相互补充,将给行业用户带来更多的业务选择。

2.2五代星系统与VSAT系统性能比较

VSAT通信业务是指利用卫星转发器,通过VSAT通信系统中心站的管理和控制,在国内实现VSAT中心站与终端用户之间以及VSAT终端用户之间的语音、数据、视频图像等传送业务,属于按照增值电信业务管理的第二类基础电信业务。我国VSAT卫星通信技术起步于上世纪80年代末,至今已有二十多年。随着电信市场向民营企业逐步放开,目前国内VSAT市场用户以行业用户为主,主要分布的行业包括教育、金融、能源、交通、电信、新闻媒体、水利气象、地质物探、军队公安及大型企业。VSAT卫星通信系统较Inmarsat三代星和四代星系统相比主要具有高带宽的优势,在国内作为国家有线通信网的备用和补充,常被应用于海上或者偏远山区、林区等陆地通信不畅的地区。但由于其点波束的覆盖有限,在通信过程中经常出现盲区。特别是在交通行业,在应对我国深远海应急通信保障中凸显能力不足,已不能完全适应和满足行业发展的需求。

3结语

GX业务在覆盖范围、带宽水平及吞吐能力等方面的优势特点,对产业上游的地面网络系统及终端设备厂家提出了更高的要求,国内相关企业在配合GX业务推广的同时,可从中借鉴先进的技术产品开发经验,提高自身的研发水平;产业下游的行业用户在得到GX业务更佳服务体验的同时,将提升本行业卫星通信技术应用及信息化建设的水平。海事卫星通信技术的逐代演进,船岸通信技术网络化、船岸通信方式与陆地网络一体化成为必然趋势。

卫星通信系统篇5

关键词:移动雷达;应急通信;卫星通信

Thesatellitecommunicationofmobilemeteorologicalradarsystem

DouYiwen(BeijingmeteorologicalBureau,Beijing100089)

Abstract:Inordertotranslatemobileradar'sdatatoserverofBeijingmeteorologicalBureau.Thistextcomparedadvantagesanddisadvantagesofwirelesscommunication'smethod.Theaboveanalysisnaturallyleadsustothesystemofthesatellitecommunicationcreated.Theresultsshows:thesystemcansatisfythecommunicationrequirementofmobileradar.Thesystemhasagoodexampleforcreatingemergencycommunication.

Keywords:Mobileradar;Emergencycommunication;Satellitecommunication

1引言

随着气象信息自动采集的不断发展,自动采集数据越来越成为气象信息采集的主流。新一代天气雷达系统,可以进行较大范围降水的定量估测,获取降水和降水云体的风场信息等,在短时灾害性天气预报和应急服务中发挥巨大的作用,特别是对风害和冰雹相伴随的灾害性天气的监测和预警[1]。为了把移动雷达实时数据传输到北京市气象局,通信方式的选择成为信息采集的重要环节,目前气象应用通信方式有很多种。如CDMA/GPRS/3G、北斗卫星、无线局域网(WLAN)、专线等,还有下面要讨论的基于亚洲卫星通信线路。移动雷达对通信的主要需求是网络质量可靠;带宽至少要达到双向2Mbps;移动雷达采集数据地点不固定。如何满足移动雷达的要求是本系统需要解决的问题。

2通信方案的设计

2.1气象信息传输通信方式对比分析

目前气象应用通信方式有很多种,如CDMA/GPRS/3G、北斗卫星、无线局域网(WLAN)、专线等。由于天气雷达数据量大,要求网络质量高,固定地点天气雷达的数据传输一般都是利用专线传输。表1是常用无线通信方式传输气象数据的对比。无线局域网传输距离短,安全性差,一般只能作为数据的传输中继;北斗卫星是我国自主研制的卫星导航定位系统,安全性高,用于传输字节少如自动站等的数据比较适合;CDMA/GPRS,运行成本低,但是其通信速率要求低,不能满足雷达数据传输要求;3G下行速率理论值是2.8Mbps,实际传输效果没有达到此值,而且网络质量与基站覆盖有很大关系。天气雷达如果地点固定,而且在市内或县城内,使用专线较好,有充足的时间建立专线的话,应用2Mbps专线传输雷达数据是一种好的选择。卫星通信作为天气雷达数据的备份是一种最佳选择,因为它的网络带宽、移动性、实时性、开通周期等方面都能满足要求。

2.2卫星通信特点分析

卫星通信是以人造通信卫星作为中继的一种微波通信方式。卫星通信的优点:通信距离远,建设成本与通信距离无关;不受地理环境影响;广播方式,卫星覆盖区域内的任何点可实现通信;通信容量大;可自发自收。卫星通信的缺点:信号极弱(毫微微瓦级),对技术和设备的要求较高;时延;多址问题;存在单一故障点;雨衰。

3卫星通信的应用

综合考虑雷达数据传输的速率在2Mbps以上,支持视频、移动、应急等方面的要求,选择亚洲卫星通信是本系统的最佳选择。本系统采用等效口径为0.95m的偏馈型椭圆抛物面天线,天线面使用四片碳化纤维面板组成。天线系统工作在Ku频段。天线控制系统内置高性能信标接收机,可在5分钟内自动对星,通过对中卫一号、亚洲二号、亚洲三号、亚洲四号四个卫星两种极化方式的上百次测试,寻星准确率100%,配置40W功放时具备传输速率大于等于3Mbps,保证传输速率大于等于2.048Mbps,完全具备传输多路话音、2路视频图像、2路数据的业务能力。图1就是本系统建立的移动雷达卫星网络结构图。从图中可以看到移动雷达系统采集数据到数据处理服务器(192.168.3.5/24)或模拟语音经过语音网关,通过网络交换机和IP加速器(192.168.3.3/24),由调制设备(192.168.3.2/24)调制信号传输到卫星,再由卫星接收站传送到地面,通过调制解调器(192.168.3.10/24)和IP加速器(192.168.3.11/24)指向路由器(192.168.3.1/24,192.168.2.1/24),由路由器转发到防火墙(192.168.1.1/24),在防火墙上作语音网关和数据服务器NAT地址转换。最后在服务器(192.168.2.254/24)上可以看到雷达系统上传的数据,在电话终端上可以进行语音通话。这个网络是双向的,不仅数据可以双向传输,而且在北京市气象局可以监控到卫星通信系统的状态。本系统因为经费有限,建立了电话通信模式,并留有视频接口。

图1移动雷达卫星网络结构图

4结论

本系统采用的亚洲卫星通信系统具有一键对星功能,天线能够自动展开/收藏,自动定位、自动捕获和自动跟踪卫星,5分钟内完成寻星任务并建立卫星通讯链路。在传输速率、网络安全、天线对星时间、网络接口、应急通信等方面都能满足实时雷达传输数据的要求。

致谢:国家气象信息中心网络室和视频与卫星室、西安瑞兴通信有限公司、北京市人工影响天气办公室、北京市气象信息中心、北京市大气探测技术保障中心在系统建设中给予的大力支持。

参考文献

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卫星通信系统篇6

1.1卫星通信技术卫星通信技术其实理解起来很简单,通俗来讲就是通过安置在地球上方某一方位的卫星中转站,将地球站发送过来的信息电磁波经过无限放大后在反射到指定的地球上的某一区域。这里的无限放大是指对于所传播区域的无限放大,信息的内容没有任何的改变,并且由于卫星通信技术所经过的只是地球的大气层,所以在传递过程中,信息的损耗是很小的。不但如此,由于其所覆盖面积的广泛性,区域内便可以实现信息的通讯和沟通,并且可以实现多方的互动和交流。下面,我们将对卫星通信技术的主要特点和优点进行叙述。

1.2卫星通信技术通信的主要特点卫星通信技术最大的特点也是它的优点,就是通信信息所覆盖的范围大,这是任何一种通信技术都无法超越的(至少科学技术发展至今是这样的)。重要的是卫星的电磁波所覆盖的区域都可以接收到信息,并且区域内部可以进行通信;由于利用卫星进行通信所通过的障碍物少,除了地球表面的大气层,几乎没有什么可以阻碍信息传递的。因而,在传递过程中,信息的损耗小,信息的质量相对较高;在通信过程中,几乎不受地理环境的影响和制约;操作简单,可以轻松地实现通信和广播。

1.3卫星通信技术发展状况纵观卫星通信技术的发展史,我们会发现:卫星通信技术在军事和民用领域都得到了广泛的运用。自20世纪60年代卫星通信技术的初具规模,到20世纪70到80年代,其发展达到了空前的鼎盛时期;再到20世纪末,卫星通信技术仍然广泛应用于政治、经济以及文化领域,并且在军事领域的运用是任何通讯都无法替代的。卫星通信技术不但可以应用于航空、海事等环境下的通讯,还可以运用于大众传媒(如视频和音频广播)领域,对于应急事件的处理例如:火灾、地震、洪灾等,其所起到的作用是无法替代的。另外,在高科技领域,其应用也日趋广泛,并且得到了发展,例如:载人航天,月球探测等等。

2卫星通信技术在广电系统的应用

目前,我国电视机的总量已经达到了3.5亿台,电视媒体机构也已经达到了数千家,并且有线电视也达到了9000万户。但是,如果了解一下其他发达国家的电视媒体情况便会发现,我国如今的广播电视业总体规模是偏小的,有极大的发展空间。我国现在的广播电视系统多是以光缆为基础通信方式,然而,以卫星通信技术为主的发展状况其实是十分可观的。

就用户所收到的电视节目数量而言,如今已经广泛推广的“村村通”的电视节目也只有44套。就设备的拥有量和运用程度而言,我们国家的接受设备也只有百万台。在美国,两亿多的人口就拥有6000万户的广播电视用户,而卫星电视直播用户已经达到2000万户。总结技术发展的规律会发现,发达国家的技术推广和应用状况就预示着发展中国家未来的发展状态。所以,在未来,卫星直播电视将在我国电视技术发展中占据主要的地位。相关领域的专家认为,我国已经具备发展卫星电视直播技术的能力。通过“村村通”所取得的成就,在广大农村受众中已经得到了印证。在我国,将卫星通信技术广泛地应用于广播电视系统可以进一步提高信息的人口覆盖率。

在进入21世纪的今天,可以预测,我国的广播电视节目已经从现在的几十套跨越到了上百套,以至于几百套的广播电视节目,并将进入寻常的千家万户中。

3结束语

本文通过对广播电视系统和卫星通信技术的特点以及发展情况的简单分析,对卫星通信技术在广播电视领域的应用进行了比较详细的介绍。卫星通信技术有着其他通信技术无法比拟的覆盖面积,并且其不受地理条件的限制。对于各个广播电视机构而言,操作简单,能够比较方便地获得经济和社会效益。纵观卫星通信技术的发展史、应用状况以及在广播电视领域的应用,我们会发现,卫星通信技术将在广播电视领域得到更大的运用和进步,广播电视也会在卫星通信技术的运用中得到进一步的发展,广播电视的用户会越来越多,广播电视节目也会越来越多,接收也会越来越顺畅,在信息的传递中也会发挥愈来愈大的作用。

卫星通信系统篇7

关键词:小卫星模拟系统; 相机载荷; RS232通信协议; 现场可编程门阵列; 多路控制

中图分类号: TP273.5 文献标志码:A

0引言

作为构建小卫星星上智能观测系统的前期准备,需首先构建地面小卫星模拟系统,在此基础上,进一步构建小卫星智能观测模拟系统,完成星上智能观测系统的性能测试[1-2]模拟系统主要包含星载计算机、五路相机载荷、载荷分控单元、数据存储系统、总线控制系统、电源管理系统和测控系统等几大部分[3],其中,星载计算机与多相机载荷之间的灵活通信与控制,是实现小卫星观测智能化重要的一环[4]常用的卫星总线控制方式,如美国军方制定的MILSTD1553B串行总线[5],其控制方式、传输速度、高可靠性及灵活性都有很大的优势,但是功耗较大,传输匹配很严格,连线要求高,从而限制了在小卫星领域的大规模应用[6]

RS232是一种低速率、短距离、低成本,具有高可靠性的串行通信标准[7],而系统中载荷分控单元和星载计算机之间的命令通信要求可靠稳定,并不需要过高速率,因此以RS232通信协议为基础来构建系统是理想的选择目前,在多路串行通信控制设计主流方案中,可利用处理器通用的I/O口构成串口[8],或者在微处理器并行总线上扩展UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)芯片文献[9]用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)构建多个简易UART实现对设备多路控制,但无完整信息交互协议,在反馈方面缺乏灵活性文献[10]设计基于ARM(Advanced RISC Machine)处理器的多路串行通信接口,性能良好,但无法与智能观测其他子系统较好集成

为了克服传统设计方案控制方式单一、灵活性差的缺点,同时考虑到系统的易于集成性和稳定性,本文提出一种采用HostTarget设计模式,基于FPGA实现的多路串行通信控制方案设计Host(星载计算机)与Target(载荷分控单元)两端各个模块的主要功能及接口,同时在RS232通信协议基础上定义两端通信协议——多路串行通信协议星载计算机上实现的多路通信管理软件系统可实现点对多的通信控制;载荷分控单元基于FPGA设计,完成对星载计算机的命令的解码与判断,然后通过五路通信通道进入相机载荷命令控制单元控制相机完成相应工作

1系统总体设计

系统主要由两大部分组成:星载计算机软件控制和相机载荷分控单元FPGA硬件实现

如图1,通信综合软件管理系统负责多载荷设备的管理、命令数据收发及相关参数设置等功能,包括多载荷设备管理、命令数据收发、相关参数设置等模块在VC6.0平台上基于MFC框架进行开发,在实现顶层功能模块的基础上,完成HostTarget两端数据的多路串行通信协议的封装以及RS232串口通信协议的实现,同时提供给外部应用软件调用接口以实现整个小卫星智能观测系统的软件集成

载荷分控单元主要负责接收通信综合软件管理系统传来的命令数据以及根据命令来对多相机载荷设备进行命令控制,同时接收相机载荷反馈回来数据回传给通信综合软件管理系统,完成基于FPGA的一转多路串行通信系统设计此单元主要由三部分组成:串口数据接收模块、串口数据发送模块和多路串行通信协议解析模块[11]

通信综合软件管理系统采用USB接口,而五路相机载荷和星载计算机之间通信采用串口形式为实现HostTarget两端通信,设计USB转串口电路模块,转换芯片选用Prolific公司PL2303,即可实现USB与串口的数据格式转换[12]

另外,FPGA引脚电平配置为3.3V,而五路相机载荷接口引脚电平为12~15V,设计电平转换电路,实现信号电平转换转换芯片选用Sipex公司的SP3232,配置相应相机载荷接口,完成TTL电平到RS232的转换

2协议分析

系统中,在RS232通信协议的基础上制定HostTarget双端通信协议为多路串行通信协议,如图2,此协议在Host端通信综合软件管理系统负责将应用程序输入到内存缓冲区的数据进行帧包封装,同时在Target端载荷分控单元实现基于FPGA的协议帧包硬核解析在此基础上,实现Host端与Target端之间数据交互

2.1协议帧结构

如图3,协议帧包由同步帧头与同步帧尾、信息域、数据域和校验域四部分组成其中:同步帧头、同步帧尾固定为八字节(32′h7CD215D8),负责同步数据帧[13];信息域主要包含主机与设备等通信双方的地址信息,为数据流向提供依据;数据域由命令域与保留域两部分组成,总共32位,负责接收缓冲区中应用程序命令数据,该指令将会在FPGA状态机中被抽取出来发送到指定的端口输出;校验域则主要用于误码校验

命令数据通过多路串行通信形成帧包后,经过USB转串口驱动,协议帧包将被按照RS232串口帧格式重新分解打包,图4为RS232串口协议帧包结构,主要包括:1位起始位,6~8位数据位,1位校验位和1位停止位设置主要参数为波特率9600b/s,数据位8位,偶校验,1位停止位的单帧11位数据帧结构

2.2协议状态转移分析

主要状态有:

1)STAT_INIT初始化状态,此状态下,系统刚刚对上位机进行初始化,内部缓冲区清空,各个状态复位

2)STAT_IDEL通信空闲状态,在此状态之下,通信链路建立好,可以进行数据通信

3)STAT_COMM数据通信状态,上位机刚发送一帧数据,在等待对方数据应答

4)STAT_ERROR异常处理状态,应答帧超时,等待发送检测帧,等待对方应答

状态转换过程为:

系统最初处于STAT_INIT状态,当通信链路建立完毕(connect_flag=1),则进入STAT_IDLE状态,正式进入通信状态

当发送一帧数据,则进行STAT_COMM状态,此状态下Host端收到应答帧,则回到STAT_IDEL状态等待下一帧的发送

若Host接收应答帧超时,则进入STAT_ERROR状态

发送检测帧,若收到检测应答帧,则回到STAT_IDLE状态;若等待检测应答帧超时,则直接回到STAT_INIT状态,提示Host数据发送失败,请求重新连接

3载荷分控单元设计与实现

3.1基于FPGA顶层模块设计

载荷分控单元硬件系统主要实现通信综合软件管理系统命令的接收与发送、协议解码、多相机设备控制等功能,整个系统在FPGA平台上用硬件编程语言Verilog实现[14]图6为整个分控单元设计顶层信号流程,系统由三大模块组成:星载计算机数据接收及发送模块、协议解码模块和相机载荷数据接收及发送模块

星载计算机数据接收与发送模块负责接对从星载计算机端传过来的RS232串口数据,按照约定波特率进行起始位检测,8位裸数据提取并转成并行输出到协议解码模块;同时,接收协议解码模块传过来的8位并行数据并转换成串行数据后按照RS232标准格式打包,最后按照约定波特率将其串行发送到星载计算机

协议解码模块完成对多路串行通信帧包的解析[15],包括帧头(7CD215D8)的识别、帧包地址信息(设备号)的提取、命令数据的识别及发送等功能其中,模块输入为8位并行裸数据,经协议解析后输出为32位命令数据,在协议帧包中设备地址信息的控制下,命令数据被发往对应的相机载荷发送模块

相机载荷数据接收与发送模块则完成与对应相机载荷的交互通信发送模块在完成32位串并装换的基础上,在波特率控制器的控制下,按照约定速率将封装好的串口数据发送到相机载荷接口,进行控制;同理,接收模块接收相机载荷反馈命令数据,在提取裸数据后进行串并转换后,发送到协议解码模块进行处理

3.2接收与发送模块分析

接收模块由起始位检测模块、计数器、裸数据提取模块、串并转换模块、锁存器及缓存器组成模块工作流程[16]如下:如图7,在波特率时钟CLK的控制下,起始位检测模块在每个CLK时钟上升沿检测信号电平值,当逻辑电平值为由1变为0时,标志RS232数据帧包到来,从下一个时钟开始,计数器开始计数,依次读取10位数据,并将前8位依次存入串并转换模块转换成8位并行数据,再经过锁存器与缓存器调整,将数据发出

发送模块与接收模块原理类似,过程相反如图7,8位并行数据在CLK控制下进来经缓存器与锁存器后进行并串转换形成串行数据,然后在计数器控制下进行打包,最后发送经TXD发送需要注意的是,帧包被协议解析模块解析后,发送出连续的4帧8位并行数据,前面加缓存及锁存即可将连续数据分开,为帧包形成提供缓冲

3.3协议解码模块设计

协议解码模块由两个FIFO及一个解码状态机来实现如图8,在波特率时钟CLK_BPS控制下,当读使能信号WR_EN=1时,数据依次写入到8位FIFO中,读取完毕后,WR_EN=0,同时使状态标志位flag_start=1,通知解码状态机准备接收数据协议解码模块在时钟CLK_BPS控制下,读取FIFO传过来的数据,进行解码32位命令COMMAND及8位相机载荷地址信息DEV_ADDR解码出来的命令信息输出到32位FIFO进行缓冲及发送控制发送读使能信号RD_EN通知下一模块接收数据

图9为解码模块状态机结构图,此状态机为一个8状态的有限状态机,它的同步时钟是系统时钟CLK_BPS,输入信号为FIFO中传进来的8位数据信息DATA和复位信号reset,输出信号为协议帧包中的设备地址信息DEV_ADDR与命令数据信息COMMAND状态的转移只能在同步时钟CLK_BPS的上升沿发生,往哪个状态转移则取决于目前所在的状态及和计数器的数值

状态机开始处于head_s状态每个时钟上升沿来临时,FIFO中数据被依次送入head_s状态下32位缓存中,同时将32位head_s缓存与目标同步头(`HEAD=32′h7CD215D8)进行比较:若相等,则状态机从head_s状态转移到hold_s状态,同时设置计数器,按照协议帧包定义的每个部分的数据长度,将协议帧包各部分数据进行抽取与检测,同时控制状态的转移状态机进入host_s后,提出数据得到host上位机信息处于device_s后,提出数据得到帧包发送目标设备的信息或者设备编号,从而确定command_s状态下命令输出的具体地址当状态转移到end_s状态后,标志着一帧数据的结束,同时状态转移到起始状态head_s等待接收下一个帧包经过上述状态机的一个循环,从星载计算机发送过来的数据帧包就被解码出来,并判断出控制目标设备信息,同时将命令裸数据发送到相应的发送模块,进行处理

4实验分析

载荷分控单元设计完成后,将工程烧到FPGA中,用SignalTapⅡ进行实时信号探测,探测结果显示设计达到预期目标

4.1接收模块时序图

如图10所示,RS232_HOST_RX波形为从星载计算机端传来的串行数据,波特率为9600当RS232_HOST_RX信号下降沿来临时,bps_start_r信号检测到起始位并置1在时钟控制信号clk_bps与计数器num控制下,起始位后8位被依次存入8位缓存temp中,当num=8时,bps_start信号置0,同时等待RS232_HOST_RX信号下一个起始位到来同时,可以看出模块输出信号rx_data_r为8位并行信号(十六进制表示7C、D2等)与多串口控制协议同步头一致

4.2协议解码模块时序图

如图11所示,在时钟CLK_BPS的控制下8位并行数据rx_data先被读入缓存buffer,然后送入状态机进行解码可以看到,当状态机起始状态32位缓存head=32′H7CD215D8时,数据流进入状态机,同时每个状态转以后,都有相应的标志信号位标志状态,最后根据设备信息号,将帧包内命令输出到一个32位缓存中,准备发送给相应的设备图中command信号即为从帧包中提取16位命令数据16′hABCDABCD

4.3发送模块时序图

如图12所示,协议解析模块输入连续4帧的8位解析数据rx_data,在输入控制时钟rx_int的控制下,依次将4帧数据输入缓存tx_data1~tx_data4,信号neg_rx_int控制时钟rx_int的最后一个下降沿,标志接收数据的完成与数据发送的开始在信号clk_bps控制下,4帧8位并行数据分别按串口协议加上头尾校验位后打包,依次转换成串行数据发送出去图12中rs232_tx_r即为打包后发送的串口命令

5结语

本文在构建小卫星模拟智能观测系统基础上提出的多路串行通信控制系统,在功能上解决了星载计算机对多路相机载荷管理与控制的问题;提出了多路串行通信协议,便于提高通信两端信息交互效率系统在设计与功能上具有相对独立性,同时也可作为子模块集成到整个小卫星模拟系统中,为小卫星观测系统智能化提供性能验证支持另外,系统在设计思路上采用Host_Target设计模式,软硬结合交叉开发,各子系统具有功能关联与研发独立性,灵活性高,为系统进一步的完善与模块功能的扩展打下基础

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[15]廖文婷.基于FPGA的嵌入式同步控制系统设计[D].成都:西南交通大学,2010.

卫星通信系统篇8

据俄罗斯媒体2014年8月15日报道,在未来的10年俄罗斯拟建立强大的个人空间通信基础架构,确保通信的全球覆盖性和保密性。在2016~2025年联邦航天计划草案中,阐明了建立低轨多用途个人卫星通信系统和基于新一代航天器“急使 M1”和“急使 M2”传输数据的计划。2020年前,该系统的通信能力将达到800亿比特/昼夜;到2025年,将达到1200亿比特/昼夜,这将同时为近百万高速电脑用户终端提供服务。据估算,由24颗卫星组成的卫星群能够保障整个地球的通信需求。系统的地面部分将由7个站构成。研制新一代卫星“急使”的预算费用为436亿卢布(12亿美元),其中39亿卢布(1.0842亿美元)用于科研和试验设计工作,而397亿卢布(11.0366亿美元)直接用于系统的制造和部署。

“莫斯科”号导弹巡洋舰将装备S-400防空系统

据俄罗斯媒体2014年8月14日报道,俄罗斯总统普京8月12日在索契港视察时称,俄罗斯黑海舰队旗舰“莫斯科”号导弹巡洋舰将装备现代化的S-400防空系统,替换老旧的S-300防空导弹系统。1164型导弹巡洋舰“莫斯科”号将于2015年底转入北德文斯克“小星星”船舶维修中心,进行维护和深度升级改造。在这期间1134-B型大型反潜舰“刻赤”号将担负黑海舰队旗舰。 目前俄海军另1艘1164型导弹巡洋舰“乌斯季诺夫元帅”号正在北德文斯克造船厂进行修理,预计2015年重新服役。“莫斯科”号长186米、宽20.8米、吃水8.4米;正常排水量9800吨,最大排水量11500吨、航速32节、续航力为2500海里/30节或7500海里/15节;舰员编制454人,其中军官62人。

俄海军拟于今年9~10月试射“布拉瓦”

据俄罗斯媒体2014年8月13日报道,俄罗斯海军计划于9~10月从战略导弹潜艇“亚历山大・涅夫斯基”号和“弗拉基米尔・莫诺马赫”号上试射“布拉瓦”洲际弹道导弹。起初计划“弗拉基米尔・莫诺马赫”号于今年8月底~9月初 ,“尤里・多尔戈鲁基”号于11月试射“布拉瓦”洲际弹道导弹,但是海军总司令部做出了改变。到目前为止,“布拉瓦”导弹已经进行了19次试射,其中成功8次,4次部分成功,最近1次是2013年9月6日从“亚历山大・涅夫斯基”号上发射的,没有成功。尽管俄罗斯官方认为制造缺陷导致导弹试射失败,但俄罗斯海军依然认为“布拉瓦”导弹是无可替代的。

俄海军所有潜艇的反应堆 将在摩尔曼斯克重新装填

据俄罗斯媒体2014年8月4日报道,2020年前,摩尔曼斯克的“核舰队”基地能够确保有计划地为俄海军所有潜艇的反应堆重新装填燃料。目前方案的经济技术可行性报告已经得到批准。厂家已经在技术上做好这方面的准备工作,目前正在走审批程序。潜艇反应堆的重新装填工作分别在基地的几个工厂进行。俄罗斯国家原子能公司下属俄罗斯机械制造实验设计局、“RosRAO”企业(俄罗斯唯一负责放射性废物保存和使用的国有企业)和“核舰队”基地将直接参与潜艇的维护保养,以及放射废料的存储和重新处理。为了完成潜艇的重新装填任务,将动用油船(浮动技术基地)“洛塔河”号和“伊曼德拉湖”号,并且计划再建造3艘新油船。据专家称,重新装填1个反应堆需要大约45天时间。

俄将改建驻叙利亚建海军基地

据俄罗斯媒体2014年7月28日报道, 叙利亚塔尔图斯港的物资补给和技术维修站是俄海军在国外的唯一海军军事设施。俄罗斯计划加强该港口海军基地的建设,旨在使其能容纳更多的军舰。基地改建工程将于2015年初正式启动,包括修建若干个码头、油库、冷藏基地、加工厂和医疗中心等。改建后,港口能同时接纳俄罗斯在地中海舰队中的一、二级舰船,可停靠2万吨级以上的航空母舰等。构建防空阵地和部署防御力量,不排除派遣防空营和部署类似于S-300系列防空武器的可能性。该基地同时也将成为俄海军黑海舰队、北方舰队、地中海分舰队陆战队的执勤地。该基地一旦投入使用,俄海军黑海舰队作战半径将扩大数倍。

俄未来型截击机将于2025年装备部队

俄罗斯空军总司令维克多・邦达列夫上将2014年8月11日称,计划替换“米格-31”的未来型截击机将于2025年装备部队。目前正在进行新飞机的科研工作,2017年前完成计划制造试验样机的试验设计工作,预计2028年替换所有现役的“米格-31”截击机。俄空军目前装备122架“米格-31”截击机,计划对其中44架进行改造,以使其在未来10~15年内保持对同类装备的优势。“米格-31”型截击机是前苏联于20世纪70年代研制成功的双座双发全天候截击机,目前仍为俄罗斯空军主力防空机型,主要用于在缺乏预警雷达支援的偏远地区上空独立截击敌方战机以及巡航导弹等目标。

俄空军未来2~3年接收16架“米格-29SMT”

据俄罗斯媒体2014年8月12日报道,俄罗斯空军总司令维克多・邦达列夫上将11日称,未来2~3年, 米格飞机制造公司将向俄空军交付16架“米格-29SMT”战斗机,但拒绝透露这些飞机的去向。此前有消息称,这些飞机计划于2016年底交付。2014年年初,国防部与该公司签署了16架“米格-29SMT”的采购合同,合同额超过170亿卢布(约合4.7311亿美元)。俄空军已于2009~2010年采购了28架该型飞机。“米格-29SMT”为多用途战斗机,俄罗斯国防部决定在 2020年前将把至少150架“米格-29”改装至“米格-29SMT”标准。

俄海军第3艘636.3型柴电潜艇下水

据俄罗斯媒体2014年8月11日报道,为黑海舰队建造的第3艘柴电动力潜艇“旧奥斯科尔”号将于8月28日下水。 “基洛”级636.3型柴电动力潜艇首艇“新罗西斯克”号于2010年8月开始铺放龙骨;第2艘 “顿河畔罗斯托夫”号于2011年11月开工建造;第3艘“旧奥斯科尔”号2012年8月开始建造;第4艘“克拉斯诺达尔”号2014年2月开始建造。根据俄罗斯海军总司令部的计划,2016年之前将建造6艘该型潜艇,这些潜艇将被编入黑海舰队。636.3型柴电潜艇由圣彼得堡“红宝石”中央设计局研制,属于第三代潜艇,满载排水量3100吨,最大下潜深度300米,航速20节,载员52人。

俄远程飞机升级后作战效能将提升1倍

据俄罗斯媒体2014年8月11日报道,俄罗斯空军总司令维克多・邦达列夫上将称,升级改造后,俄罗斯远程航空兵飞机的作战效能将提高1倍。“图-160”和“图-95”飞机将装备新的武器系统。现有飞机的无线电电子设备和航空设备将进行彻底的升级改造,更换新型通信指挥系统。新系统使用普通无线电频道和多重密码技术传输信息,无需卫星中继。即使指挥中心与飞机的通信暂时中断,系统也可完整恢复信息碎片,这将大大缩短轰炸机重新瞄准的速度。邦达列夫表示,俄空军应当在战斗巡逻框架内增加在太平洋、大西洋、北冰洋和南部方向上的飞行数量……俄罗斯航空兵一定会“出色而有尊严地”执行俄罗斯总统的任何命令,其中也包括远程航空兵战斗飞行。

日本年底前将向越南提供6艘巡逻船

据俄罗斯媒体8月6日报道,日本政府将向越南提供6艘“二手”巡逻船,以提高越南在中南中国海的巡逻能力。日本外相岸田文雄与越南计划投资部长裴光荣签署了舰艇移交文件。在6艘舰中,2艘为日本旧的渔业监视船,4艘为旧渔船,排水量在600~800吨,最快将在今年年内赠送越方。日本还将向越南提供救生艇及其他设备。据悉,越南预计还会获得日本海岸警卫队将于2015年退役的舰船。

俄空军兵部队将装备攻击型无人机

据俄罗斯媒体2014年8月4日报道,俄罗斯空降兵部队司令弗拉基米尔・沙曼诺夫上将称,俄罗斯空降兵部队近期将装备计划在敌后方使用的攻击型无人机。新技术装备能够在敌后方开辟“根据地”。今年7月底,俄罗斯联合航空制造公司披露了要生产重达20吨的侦察和攻击型无人机的消息。无人机第一阶段研制工作将在2015年结束,拟于2018年实现首飞。重型攻击无人机的研制者是苏霍伊公司,2012年7月该公司获得了有关合同, 10月,苏霍伊公司与米格飞机制造公司签订合作协议,共同研制无人机。据联合飞机制造公司总裁米哈伊尔・波戈相透露,未来攻击无人机将利用第五代战斗机T-50的部分技术。

俄空降兵部队司令谈未来装备计划

据俄罗斯媒体8月4日报道,8月1日,俄罗斯空降兵部队司令弗拉基米尔・沙曼诺夫上将在空降部队纪念日(始建于1930年8月2日)前夕称,2025年前俄空降兵部队将接装超过1500辆新型BMD-4M空降装甲步兵战车、2500余辆“小贝壳”装甲输送车。此外,空降兵部队将与“卡马兹”汽车股份公司联合研制能够空降、作战和扫雷的通用型模块化装甲车,研制可更换先进战斗模块的多用途汽车。装备无人机是空降兵部队发展的另一个方向。最近几年,空降兵部队将与工业部门及其他创新团体联合研制攻击型无人机。此外,以空降兵为基础组建的俄罗斯快速反应部队将编配陆军航空兵。俄空降兵计划进一步提高作战潜力和加强在国外的军事存在。

越南第3艘俄制潜艇年底前抵金兰湾

据俄罗斯媒体2014年8月12日报道,由俄罗斯圣彼得堡海军部造船厂为越南海军建造的第3艘636型柴电潜艇“海防”号将于2014年底抵达金兰湾基地。目前越南艇员正在该潜艇上完成潜艇实习计划,也是海军训练部分的第2阶段。7月1~20日,在戈格兰岛地区的第一阶段训练顺利完成,在该阶段,该艇水下航行了57小时。8月20日,潜艇返厂,10天后再次出海,预计11月份交付越方。此外,该型第4艘潜艇近日已经开始进行工厂航行试验。目前俄方正在根据计划建造该型潜艇的第5、6艘。第6艘潜艇计划于明年9月下水。前2艘HQ-182“河内”号和HQ-183“胡志明”号已于2014年4月已经加入越南海军潜艇部队第189支队战斗序列。

俄同时开工建造3艘核潜艇

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