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卫星通信技术及发展趋势与应用

发布时间:2019-01-20 03:24 作者:澳门现金网_澳门现

  卫星通信技术及发展趋势与应用_信息与通信_工程科技_专业资料。卫星通信技术及发展趋势与应用 卫星通信是以卫星作为中继的一种通信方式,是在地面微波中继通信和空间电子技术 的基础上发展起来的,具有通信距离远、覆盖范围广、不受地面条件的约束、建站成本与通 信距离无关、

  卫星通信技术及发展趋势与应用 卫星通信是以卫星作为中继的一种通信方式,是在地面微波中继通信和空间电子技术 的基础上发展起来的,具有通信距离远、覆盖范围广、不受地面条件的约束、建站成本与通 信距离无关、 灵活机动、 能多址连接且通信容量较大等优点, 在全球许多领域应用效果很好, 尤其在军事上具有重要的应用价值。 1 卫星通信网络的定义 卫星通信网络是利用人造地球卫星作为中继站转发无线电波,从而实现两个或多个地 面站之间通信的网络。其中,地面站是指设在地球表面(包括地面、水面和大气层)的通信 站,也称为地球站。通信卫星的作用相当于离地面很高的中继站。卫星通信网络分为延迟转 发式通信网络和立即转发式通信网络。 当卫星的运行轨道属于低轨道时,对于相对较远的地面站而言,要进行远距离实时通 信,除采用延迟转发方式(利用一颗卫星)外,也可以利用多颗低轨道卫星进行转发,这种 网络就是通常所说的低轨道移动卫星通信网络。 2 卫星通信中的主要技术 2.1 CDMA 技术 CDMA(码分多址)系统通过采用话音激活技术、前向纠错(FEC)技术、功率控制技术、 频率复用技术、扇区技术等技术手段,可使 CDMA 系统容量大幅扩大,同时,它还具有抗多 径干扰能力、更好的话音质量和更低的功耗以及软区切换等优点。CDMA 以其本身所具有的 特点及优越性而广泛应用于数字卫星通信系统中。 特别是近年来, 小卫星技术的发展为实现 全球移动通信和卫星通信提供了条件, 利用分布在中、 低轨道的许多小卫星实现全球个人通 信,已在国际上逐渐形成完善的体系。 CDMA 移动卫星通信系统根据导频信号的幅度实现功率控制, 减少用户对星上功率的要 求从而增加系统的容量,减少多址干扰;CDMA 移动卫星通信系统可利用多个卫星分集接收, 大大降低多径衰落的影响,改善传输的可靠性。此外,由于 CDMA 多址方式具有优越的抗干 扰性能、很好的保密性和隐蔽性、连接灵活方便所等特点,决定了它在军事卫星通信上具有 重要的意义。 2.2 抗干扰技术 现代军事斗争中,敌我双方对卫星通信干扰与抗干扰技术对抗越来越激烈。未来战争 中电磁环境将变得越来越复杂, 卫星通信因其固有的特点而面临极大的威胁。 由于通信卫星 始终暴露在太空中,且信道是开放的,易于受对方攻击。因此,军事卫星通信中干扰和抗干 扰是斗争双方关注的焦点, 研究在复杂电磁环境下卫星通信抗干扰技术体制已成为提高军事 通信装备生存能力、确保军事指挥顺畅的关键。 卫星通信抗干扰主要通过传输链路抗干扰、软硬件设备抗干扰以及建立综合智能抗干 扰体系等措施实现。 传输链路抗干扰主要有 DS/FH 混合扩频、自适应选频、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、跳时(TH)、自适应信号功率管理、自适应调 零天线、多波束天线、星上 SmartAGC、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。软硬件设备抗干扰主要有光电隔离、硬件滤波、屏蔽、数字滤波、指令冗 余、程序运行监视等技术。建立综合智能抗干扰体系可以通过建立软件化抗干扰硬件平台、 建立智能化抗干扰软件应用系统,如:智能抗干扰系统、网络监测控制系统、专家策略支持 系统等措施实现。 特别值得一提的一种抗干扰、抗搜索、抗截获的技术是跳频通信技术,它是在现代信 息对抗日益激烈的形势下迅速发展起来的。各国军方对这一先进技术的发展和应用十分重 视,不断加强对跳频抗干扰通信的研究和推广应用。目前,跳频技术装备正朝着宽频带、高 速率、数字化、低功耗的方向快速发展,其信息战潜力巨大。 2.3 基于 MPLS 的移动卫星通信网络体系构架 MPLS(多协议标签交换)技术由于可将 IP 路由的控制和第二层交换无缝地集成起来, 具有 IP 的许多优点(如扩展性、兼容性好),又可很好地支持 QoS 和流量工程,是目前最有 前途的网络通信技术之一。近年来,在地面固定网 MPLS 技术逐渐成熟后,该技术已向光通 信、无线通信和卫星通信等领域扩展。现有的宽带卫星系统设计主要采用卫星 ATM 技术, 研究表明该技术可给不同的业务提供很好的 QoS 保证, 并可利用面向连接的虚通路设计以及 流量分类等方法为网络提供有效的流量工程设计。 卫星 MPLS 体系结构分为用户层、接入层、核心层三部分,其中,用户层包括卫星手持 移动终端(直接接入移动卫星网)、小型专用局域网用户(通过小型地面移动终端接入卫星 网)、 其他网络用户(通过地面网关站接入卫星网络)等。 接入层由标签边缘交换路由器(LER) 组成,完成卫星 MPLS 网同其他网络以及卫星手持移动终端的连接,其主要功能包括实现对 业务的分类、建立 FEC 和标签之间的绑定、约束 LSP 的计算、分发标签、剥去标签以及用户 QoS 接纳管理和相应的接入流量工程控制等。核心层由标签交换路由器(LSR)组成,完成信 息按 MPLS 标签进行交换转发, 其上主要运行 MPLS 控制协议和第三层路由协议, 并负责与其 他标签交换路由器交换路由信息来建立路由表、 分发标签绑定信息、 建立和维护标签转发表 等工作。 3 卫星通信的发展趋势 在目前的通信卫星中,已采用许多代表当今世界通信卫星的先进技术,如氙粒子发动 机、高能太阳电池和蓄电池、大天线和多点波束(如:THURYU、ASES、TORSS、GALILEO 等 卫星天线)、卫星星上处理器(如:窄带信道化器、数字波束成形网络和 BUTLER 矩阵放大 器)以及射频功率动态按需分配等技术,这些技术的发展,对通信卫星和卫星通信的发展产 生了深刻的影响。 3.1 通信卫星向大、小两极发展 现代卫星通信的发展趋势之一就是卫星星体本身正在向大型化和微型化两个方向发 展。一方面,各国为了提高卫星的灵敏度和星上处理能力,以及实现卫星的一星多能,把卫 星星体造得越来越大,重量也越来越重。卫星大了也有弱点,易受电磁干扰和敌方反卫星武 器的破坏,而小卫星、微小卫星却能克服这种弱点。如果用多颗小卫星组网来代替单颗大卫 星,就可以提高卫星系统的生存能力。 3 .2 卫星通信向卫星移动通信方向演进 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 着技术的发展, 卫星的功能逐渐增强, 许多原来由地球站执行的功能被转移到卫星上去完成, 从而使地面设备变得越来越简单,天线尺寸也随之大幅度减小。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 在任何地点、任何时间与世界任何地方接入卫星移动通信网的用户进行双向通信。 3.3 卫星通信与互联网技术相结合 由于卫星通信和计算机技术的飞速发展,产生了卫星互联网技术。目前卫星互联网的 连接方式主要有两种: 一种是利用宽带卫星的双向传输; 另一种则是利用卫星的高速下载和 地面网络反馈的外交互通信方式,即将卫星链路作为下行数据链路,而将电话拨号、局域网 等其他通信链路作为上行数据链路, 这种方式是基于当前互联网信息流量的非对称性提出来 的,它是卫星通信的一个热点。 3.4 卫星通信宽带化 为了满足卫星通信系统用户对带宽的需求,卫星通信技术已向 Ka、Q 等波段发展。一 些国家卫星系统已拓展直 EHF 频段。 采用 EHF 频段有很多现有其他频段无可比拟的优点, 一 是扩大 EHF 频段的容量,大大减轻现有频谱拥挤现象;二是 EHF 的波束窄,可减少受核爆炸 影响出现的信号闪烁和衰落,抗干扰和抗截收能力强。三是 EHF 频段系统使用的部件尺寸 和重量都可大大缩小和减轻。 3.5 卫星光通信 卫星光通信就是用激光进行卫星间通信,使卫星间通信容量大为增加,而卫星通信设 备的体积和重量却大大减小, 同时也增加了卫星通信的保密性。 卫星光通信系统主要由以下 几个子系统组成:光源子系统,发射、接收子系统以及瞄准、捕获、跟踪子系统,此外还包 括伺服系统、控制系统等。 4 我国卫星通信发展展望 卫星通信在国防现代化建设、社会经济发展以及我国参与全球经济一体化活动等方面 都占有重要地位。 我国只有紧紧抓住这一有利时机, 真正把发展卫星通信事业摆在重要地位, 及时跟踪、 赶超国外卫星通信的先进技术, 才能使我国在新一轮的国际竞争中占据有利地位。 随着 Internet、地面移动网快速发展,卫星通信将会迎来一个更大的发展,我国将以 自主的、大容量通信卫星为主体,建立起完善、长期稳定运行的卫星通信系统。同时,我国 将积极对外开放, 广泛进行国际合作, 利用国际的先进卫星通信技术来发展我国的卫星通信。 我国卫星通信技术的发展应注意开发新频段,提高现有频段频谱的利用率,公用干线 通信网应进一步向宽带化方向发展, 利用 IP、 ATM 建立卫星宽带综合业务数字通信网——国 家信息高速公路。 对于专用卫星通信网应进一步向小型化、智能化、经济化方向发展。发展移动卫星通 信系统的信关站技术和其他各类高增益、高跟踪精度的轻型移动天线、伺服、跟踪技术。发 展网络管理、控制及网络动态分配处理技术,发展网同步技术,发展适应卫星信道特点的卫 星 IP、卫星 ATM 与异构网互联的路由器技术。通信卫星向大功率、大容量、长寿命、高可 靠大卫星平台发展,向星上交换、星上处理、星上抗干扰技术发展,中低轨道移动通信卫星 向现代“小卫星”技术发展。 在 Internet、卫星宽带多媒体业务、卫星 IP 传输业务、卫星 ATM 和地面蜂窝业务发展 的推动下,卫星通信将获得更大发展。尤其是光开关、光交换、光信息处理、智能化星上网 控、超导、新的发射运载工具和新的轨道技术等各种新技术、新工艺的实现,将使卫星通信 产生革命性的变化。 卫星通信作为全球信息化网络设施的重要组成部分, 将对我国和世界经 济、社会、军事的发展产生重大的促进作用。 本系统就是针对传统监控报警产品的缺点开发的一套基于卫星定位和 4G 技术的新型 监控报警系统,用于实现远距离、准确和实时监控报警和导航定位。 本系统以汽车为开发平台, 通过安装传感监控装置, 收集信息传递给以单片机为中心的 控制系统,经过分析处理后经由 GSM(全球移动通信系统) /GPRS(通用分组无线电业务) 网络,将报警信息通过电话、SMS(短信业务)或 MMS(多媒体信息业务)等形式通知用户, 从而实现远距离、准确和实时报警。现在市场上的 GPS(全球定位系统)可实现精确的定位 寻车及一般的导航,但是 GPS 的核心技术掌握在美国手中,如果一旦发生战争,美国关闭 应用,后果不堪设想,尤其不利于军用,所以我们采用了 GPS 和我国自主研发的北斗双星 双模导航定位技术。 1 硬件系统 本系统由 MCU 控制模块、数据采集模块、信息的接收和发送模块、GPS 模块和北斗 双星定位模块5部分组成。 数据采集模块利用不同的传感器将采集到的信号送到 MCU, MCU 进行分析和处理后发出控制信息和报警指令给 GSM 模块, 然后通过 GSM/GPRS 网络或北 斗双星向用户传递报警信息, 达到监控报警的目的。 系统将根据用户的决策采取诸如远程喊 话示警、遥控拍照和切断油路等操作保证车辆安全。同时,该系统还利用 GPS 和北斗双星 双模定位的方法,实现全天候、高精度的实时导航定位,定位精度可达3 m~10 m。 MCU 以串行通信的方式实现与 GSM、GPS 和北斗双星终端的物理连接,并且留有与 PC 机的。RS-232串行通信接口。利用北斗双星定位终端实现快速定位,并将位置信息通 过 GSM 或者双星简短通信的方式发送到用户和中心站,同时,北斗卫星的双向短报文通信 功能可以实现区域报警。 1.1 MCU 控制模块 该模块起着对传感器报警信息和用户控制信息的接收、 分析和处理, 是本系统的核心组 成部分。它的设计包括电源部分、电平转换部分、存储器设计部分和外部接口部分(包括传 感器信号输入、MCU 控制外部设备信号输出显示、MCU 与北斗双星定位模块和 GSM 模块 之间的通信接口)。 1.2 数据采集模块 数据采集模块中可供利用的有多种传感器,如振动传感器、压力传感器、开关式和断线 式传感器等多种类型的传感器, 当汽车受到振动、 车门被打开或者有人坐在座位上时就会产 生不同的信息,将这些传感器收集到的不同数据和信息输入系统 MCU,以供后续处理。此 模块设计思路是充分利用车载已有的安全成熟的产品作为系统部分。 其优点是: 系统安全性 和稳定性将大幅提高;可以较好地解决系统状态控制问题,若仅考虑利用手机短信进行设防 和解防,不仅很不方便,而且长期的额外信息费用也是不可忽视的;可在原有基础上进行改 装,降低产品的成本,同时还可以合理有效地利用已有车载设备,使资源得到合理有效的配 置。 1.3 信息的接收和发送模块 以 GSM 模块为核心,实现系统与用户之间的信息交互,在系统中发挥了发送报警信息 和接收用户回应的功能。该模块通过 GSM 网络进行数据通信,无需设置运营中心,大大降 低了生产推广成本。此模块的设计思路是:使用开放性较好的 GSM 模块,并且严格执行欧 洲电信联盟的 GSM0707、GSM0705、 GSM0338等规范和协议,方便系统软件开发, 并增强系统软件的通用性。 1.4 GPS 模块 GPS 技术在军用和民用方面的应用都很成熟, 通过使用 GPS 和北斗双星双模定位的方 法,可以大大提高导航定位的精度。 1.5 北斗双星定位终端 利用此终端实现快速定位, 并将位置信息通过 GSM 和双星简短通信两种方式发送到用 户和中心站,并且利用双星简短通信实现区域报警。主要功能是:快速定位,为服务区域内 的用户提供全天候、实时定位服务,定位精度与 GPS 相当;短报文通信,一次可传送多达 120个汉字的信息;精密授时,精度达20 ns。 2 软件设计 本系统软件主要参照欧洲电信联盟的 GSM0707、GSM0705、GSM0338等规范和协 议, 结合标准的 AT 指令集设计编辑而成, 并且通过 RS -232串口收发来实现 MCU 与 GSM 模块、CPS 模块和北斗双星导航定位终端的双向通信。经过大量试验,该软件在系统上运 行稳定,其通用性和移植性都很好。系统软件设计流程图见图2。 主要流程及相关程序叙述如下: a) 首先初始化 MCU 使其进入正常的工作方式, 程序通过 MCU 的 UART 接口控制 GSM 模块,串口的初始化函数为 serial-init(),分别对 MCU 和 GSM 模块、北斗双星导航定位 终端、GPS 模块以及 PC 机的外部显示处理接口进行了详细的定义和说明。同时,对相应 的传感器和控制引脚的输入或输出方式进行了正确的设置。 b) 为了正确建立 MCU 和 GSM 模块之间的通信, 检测串口通信速率, 在合理设置 MCU 后,由单片机发出 ATE 检测信号,若通信建立不正确,则继续检测,等待 GSM 回应 OK 确定通信正常建立。 c) 为使 GSM 模块能在符合用户要求的条件下工作,需对其进行初始化,包括关闭振 动和铃声、设置短信内存、模式、提示方式等。 d) 进入工作模式,包括两方面工作内容: 一是检测各个传感器,先检测报警级别高的传感器,若有报警信号送来,则有 MCU 控 制编辑和发送手机短信(或者打电话)通知用户; 二是检测是否有新短信或来电, 有则读回并解码执行用户通过短信发来的命令或核实用 户来电后控制 GSM 模块自动应答。由于从串口读取大量数据时不免存在误码,为防止执行 错误命令,MCU 将连续重复读取同一条短信两次,两次相同时才执行短信中的命令,否则 重新读此短信。 3 系统功能和性能 a) 用户密码设置:用户可编辑短信更改密码****到 GSM 模块,在用户接到短信回 馈执行成功或执行失败后即可获知更改密码的执行情况。 b) 更改用户:用户可通过编辑短信更改用户****(后4位为设定的密码),在用户接 到短信回馈时可判定结果。 c) 短信报警:当车辆安全受到外界威胁时,车载传感器收集信息后将信息交由 MCU 判定威胁级别后,发出指令控制 GSM 模块编辑手机短信如车门开、车被盗等在第一时 间通知用户。 d) MMS 图像监控:当用户收到车辆安全情况受到威胁时,可编辑短信拍照给车载电 话,MCU 收到命令后控制 GSM 模块拍照并在第一时间通过 GPRS 网络发送给用户,方便 用户了解车辆安全具体情况。 e) 远程监听和喊话示警:当用户接收到报警短信后可以直接拨打车载电话,系统将自 动接通电话方便用户进行监听,或经由系统自带的功放和扬声器进行扩音喊话示警。 f) 远程制动:当用户接收到短信或通过电话监听发现车辆受到威胁时,可以编辑短信 熄火到车载电话,系统将会自动切断油路,使汽车停止行驶。 g) 远程遥控暖车:用户可编辑手机短信暖车到 GSM 模块,MCU 将控制现有继电器 提前进行暖车。 h) 北斗双星导航定位:快速定位;短报文通信;精密授时。 i) 区域通信和报警:当某辆汽车的本系统监测到险情后,可利用北斗双星的简短通信 功能给邻近的系统发送报警信息,共同提高安全防护级别,防止险情扩散。 j) GPS 与北斗双模定位:系统留有 GPS 模块的外部接口,可利用 GPS 结合和北斗双 星的定位数据进行差分比较以获得更加精确的导航和定位信息。 k) 随着 GIS(地理信息系统)的不断发展,系统信息处理能力将会得到不断提高,可以 实现更加高效的实时导航定位和跟踪寻迹。 4 结束语 本设计是集传统车载式防盗报警单元、 北斗双星导航定位终端、 GPS 模块、 GSM/GPRS 网路和 GIS 于一体的新型高科技监控报警和导航定位产品。系统在功能、实用性、可靠性 及易用性等多方面均符合广大用户的迫切需求。 同时, 随着我国私人汽车需求量的迅速增大 和经济的快速发展,这一系统的市场前景非常广阔,市场潜力非常巨大! 参考文献: [1] 储钟圻.数字卫星通信.北京:机械工业出版社,2006 [2] 孙学康.微波与卫星通信.北京:人民邮电出版社,2007 [3] 王秉钧.VSAT 小型站卫星通信系统.天津:天津科学技术出版社,1992 [4] 吕洪生.实用卫星通信工程.成都:电子科技大学出版社,1994 [5] 王秉钧.卫星通信系统.北京:机械工业出版社,2004 [6] 吴诗其.卫星移动通信新技术.北京:国防工业出版社,2001 [7] 马刈非.卫星通信网络技术.北京:国防工业出版社,2003 [8] 丁龙刚.卫星通信技术.北京:机械工业出版社,2006

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