摘要：
关键词： 卫星通信 卫星通信系统
互补滤波器
陀螺和加速度计这两种传感器输出特性不同：陀螺的高动态适应能力强，但是受到漂移误差的影响，低频段表现欠佳；加速度计在静止状态下准确率高，而当载体动态特性较大时由于机动加速的干扰导致测量误差较大。因此需选取合适的姿态估计算法充分利用这两种传感器的优点，融合出比单个传感器更可靠、更准确的姿态信息错误！未找到引用源。。而互补滤波器正符合上述需求，以yθ表示加速度计估计姿态值，yω表示陀螺测量值，ˆθ表示滤波器估计姿态值，C(s)表示调节系数，则互补滤波器的基本结构如图2所示将图2的基本结构进行离散化处理并加入坐标变换模块，可得到互补滤波器姿态估计算法：3轴陀螺输出ω根据式（1）乘以C和采样间隔ΔT，得到载体姿态角的变化量，将其与上一时刻估计姿态ˆk相加，即得到载体估计姿态1ˆk+。将加速度计估计姿态k减去ˆk得到姿态修正量Δ。修正量Δ一方面乘以比例调节系数Pk，对k+1进行直接校正，另一方面通过−1C转换至惯性系对陀螺的漂移存储−kb进行校正。姿态估计算法的结构如图3所示。
加速度计输出校正
载体在运动时所受到的机动加速度，会在加速度计的输出中与重力加速度一并表现出来。此时若仍用式（3）计算姿态角，得到的k会与实际姿态不符，这必然会导致姿态估计算法的精度变差。如果可以得到机动加速度的估计值，用以校正加速度计输出，就可以得到精确的k，进而得到精确的估计姿态。
1机动加速度补偿
机动加速度的补偿关键在于线加速度和向心加速度的求解。单基线GPS的输出信息中包含载体的速率信息，将载体速率进行微分，就可以得到载体所受到的线加速度；利用载体速率信息和z轴陀螺输出，可以对向心加速度进行补偿。可得校正后的x轴和y轴加速度：
2侧滑角补偿
式（6）是在假设GPS测得的航向vψ与载体的航向角ψ一致时得到的，而在实际的行车过程中，当车体转弯时，vψ与载体航向ψ之间会产生一个夹角，该夹角称为侧滑角(sideslip)sψ，若载体的速率为v，加速度为dv/dt，则侧滑角sψ的示意图如图4所示。由于侧滑角sψ的存在，使得线加速度和向心加速度在载体的x轴与y轴都有影响，这样就导致利用式（6）进行的补偿在转弯时并不准确，因此应在转弯时加入侧滑角补偿。设sψ在转弯过程中的变化率为d/dsψt，根据图4可得加入侧滑角补偿的加速度计输出校正表达式：
GPS遮挡问题的解决
本文中所采用的单基线GPS需要两个天线同时收到6颗以上相同卫星的信号，才能得到满足精度要求的载体航向。实际应用中，载体路过桥梁、涵洞、隧道甚至树林时，都有可能导致GPS信息严重衰减甚至完全消失。为了解决GPS遮挡的问题提高算法适应性，根据GPS收星情况对算法进行了改进：当GPS收星数N≥6时，正常利用GPS信息对加速度计输出进行校正；当GPS收星数N<6时，在算法中加入开来降低载体机动对姿态估计的影响，当满足开关判断准则时，仅利用陀螺的信息对载体姿态进行递推，由于陀螺漂移误差的变化很慢，在一定时间内是可以保证估计精度的。利用上述方法，能够使算法在GPS信息出现短暂遮挡时正常工作。
实验分析
本文选用星网宇达公司的微机械IMU产品XW-IMU5220，包含3个正交放置的陀螺以及3个加速度计，和单基线GPS产品XW-ADU3601。将型号为XW-ADU7612的AHRS(姿态精度满足±0.2°)与IMU固联并一同安装在载体上，作为验证算法的基准。安装方法如图5所示。传感器直接估计出的姿态如图7所示。从图7中可见：陀螺估计的姿态会随着漂移误差的积累不断偏离真实姿态，而加速度估计姿态一直存在干扰噪声，并且一度出现近10°的误差，这显利用互补滤波器进行姿态估计的结果如图8所示。将图8与图7相比较可见，利用互补滤波器对姿态进行估计可得到比两种传感器单独估计都要好的精度，但是估计的效果仍然有较大误差（约5°）。为了验证式（6）的补偿效果以及第4节中的分析内容，图9所示为利用式（6）进行补偿后的姿态估计结果与侧滑角。从图9中可见，经过机动加速度补偿后，进一步提高了姿态算法的估计精度，最大误差已经达到2°以内，但是在载体有转弯运动时误差有明显的跃变。由于/2sψ<π，从式（7）可知xA对sψ是正相关关系，因而俯仰角对sψ是负相关关系。而yA与sψ的关系取决于sψ的大小、dv/dt以及vω的大小，这正与图9中的关系图相一致。在姿态估计算法中加入侧滑角补偿后的估计误差如图10所示。从图10可见：通过加入侧滑角补偿，姿态估计算法不仅能够消除载体加速运动和转弯运动对估计的影响，还能去除侧滑角的影响，使姿态估计误差控制在±0.5°以内，满足“动中通”的指向精度要求。为了验证LCAE算法在GPS信号出现短暂遮挡的情况下的效果，选取另一组单基线GPS不能全程锁定的实验数据进行验证，实验路段包括高架桥遮挡和高层建筑物遮挡等情况。实验路况照片和单基线GPS收星数如图11所示本文LCAE算法姿态角估计误差和开关卡尔曼方法的误差比较如图12所示。在图12中：开关卡尔曼方法俯仰角估计误差均值为−0.22°，标准差为0.190，横滚角估计误差均值为−0.07°，标准差为0.303；本文LCAE算法俯仰角估计误差均值为−0.05°，标准差为0.115，横滚角估计误差均值为−0.05°，标准差为0.136。在单基线GPS收星数较少的情况下，开关卡尔曼算法最大误差绝对值达到1.287°，而本文算法在单基线GPS收星数较少的情况下，能够达到±1°的精度，仍然满足动中通的指向精度要求。
结论
本文提出了一个应用单基线GPS/IMU的LCAE算法。该算法以互补滤波器为基本结构，分别提取出陀螺的高频测量信息和加速度计的低频测量信息并重新组合。针对加速度计输出受载体机动加速度干扰的问题，借助于单基线GPS的信息，通过机动加速度补偿和侧滑角补偿完成了对加速度计输出的校正；针对校正过程容易GPS信号遮挡影响问题，加入了判断开关提高了算法对GPS信号的适应能力。实验结果表明，设计的LCAE算法能够较好地去除载体运动对姿态估计的影响，使系统的精度保持在±0.5°以内；在GPS信号不能完全锁定的情况下，算法的估计精度优于开关卡尔曼方法，可达±1°，满足了动中通系统的指向精度要求。
作者：田方浩姚敏立周淑华伍宗伟单位：第二炮工程大学403教研室第二炮工程大学有线通信教研室
摘 要：分析了将移动IP技术应用于星座卫星通信系统的优势及直接使用的缺陷，指出引入相关扩展技术的必要性。然后对蜂窝IP技术进行了简单介绍，指出了将该技术应运到无星际链路的星座通信系统中的可行性。根据蜂窝IP的特点，采用以信关站为中心结点的方式对卫星网络结构进行了改造，并对系统的切换、路由和位置管理进行了分析。最后对使用了蜂窝IP的卫星网络的性能进行了分析。
关键词：移动IP;蜂窝IP;星座卫星通信系统;切换;路由;位置管理
移动通信与Internet技术的融合催生了移动IP技术的产生。移动IP技术主要解决通信终端或节点移动接入因特网的问题，自其出现以来，就得到了迅速发展，并且引起了人们的普遍关注，目前已经成为下一代基于全IP的移动通信网的主要技术。卫星通信系统作为下一代移动通信网络的一部分，其采用IP技术与地面网络的互连互通是大势所趋，同时由于卫星系统天然的用户移动性特点，应用移动IP技术也将是未来系统的重要选项[1]。
然而，在卫星通信系统中，由于卫星一直处于高速运动状态，其服务覆盖区也一直处于变化当中，因此，即使用户处于静止状态也面临着频繁的与卫星的切换。基于上述原因，如果在系统中直接使用移动IP协议则必然存在由于切换而带来的频繁的路由更新，从而导致路由信息占用大量系统带宽资源，同时也加大了对卫星星上处理能力的要求。此外，移动IP的三角路由缺陷还可能导致系统时延的进一步增加和信令开销的进一步加大。因此，对移动IP协议进行适当修改，增加对用户微观移动性的考虑，如在系统中引入微移动IP技术，可以更好地适应卫星系统特点。本文将讨论把移动IP的扩展技术――蜂窝IP应用到无星际链路星座卫星通信系统的可行性以及相关性能分析。
1 蜂窝IP技术简介
蜂窝IP（Cellular IP）[2―4]是微移动IP协议的一种，他支持寻呼、被动连接和快速切换等业务。该协议将整个网络划分成若干个蜂窝，每个蜂窝含有数个基站但只存在一个网关。当用户在一个蜂窝内移动时，尽管他有可能在多个基站间切换，但只要他不移动到另一个蜂窝中，就不需要向家（HA）发送注册信息。在Cellular网络中，基站周期性的发射信标信号，移动主机利用这些信标信号来确定最近的基站。移动用户发出的所有分组，不根据目的IP地址进行选路，而是从基站向网关以逐跳方式沿最短路径转发。移动主机的上行分组触发和更新着的多个映射构成一个链，该链实际上构成了用于转发下行分组的反向路径。当移动主机发生移动时，映射构成的链路通过更新映射关系来指向新的位置。
Cellular IP支持寻呼业务。当移动主机处于活动状态时，网络必须逐个基站跟踪其位置，以保证分组可以传送到移动主机。因此，移动主机必须在每次切换后马上通知网络其新的位置，网络必须保证其对移动主机的精确位置跟踪。然而在现实中，相当多的用户在相当长的时间内是处于不工作状态的，如果采用对活动用户的跟踪方式，将势必占用大量网络资源，为此，蜂窝IP引入了寻呼功能。其核心构造是在蜂窝节点引入两套缓存机制即路由缓存和寻呼缓存，对活动主机使用路由缓存，对空闲主机使用寻呼缓存。系统将网络划分成不同的寻呼区域，每个寻呼区域由相当数量的相邻的小区组成（认为每个小区有一个基站），并且有惟一的标识。基站在周期性的发送的信标信号中加入寻呼区域的标识，以使移动主机能够确定自己移动到哪个寻呼区域。Cellular IP网络允许空闲主机在一个寻呼区域内移动时，并不需要在每个小区的边界发送位置更新包。移动用户只需要在移动到不同寻呼区时或者是在寻呼更新时刻到达时发送更新包。
处于空闲状态的移动用户发送分组数据的过程与处于活动状态的用户基本相同，分组沿最短路径以逐跳方式路由到网关，以此触发或更新映射链，同时该链也作为转发下行分组的反向路径。
移动主机接收突发分组数据的过程稍显复杂。当IP包到达一个蜂窝网络节点，首先查寻该节点的路由缓存是否可用，如可用则向下转发，一旦发现该节点不存在移动用户的路由信息或者路由信息已经过时不可用，则使用寻呼缓存来路由该包。由于寻呼缓存并不在每一个网络节点上都存在，如果该节点无寻呼缓存，则将该数据包转发给所有的下行邻居。如果数据包到达的节点的寻呼缓存中没有到达目地节点的映射，则将该包丢弃。
2 应用蜂窝IP技术的卫星通信系统网络结构
蜂窝IP技术在星座卫星通信系统中有天然的适应性[5―7]。星座系统由数个卫星对地面进行不间断覆盖，每颗卫星的覆盖区即可以理解为一个蜂窝区域，整个地球即被分成数个蜂窝域。然而，若以一个卫星覆盖区作为一个蜂窝，由于卫星的运动，其地面覆盖区也一直处于运动之中，此时必然引起频繁的切换和较大的路由信令开销。又由于在不存在星际链路的卫星系统中，任何用户间（包括网内网外）的通信都需要地面信关站的转发，因此，设定以一个地面信关站的实时覆盖区作为一个蜂窝。地面信关站的实时覆盖区即为在满足最小仰角的情况下，该区域的任何点在任何时刻都与该信关站至少共视一颗卫星。图1仿真了最小仰角30°时北京信关站（经度116.5°，纬度39.9°，图中黑色五角星处）的实时覆盖区，图2在图1的基础上增加了乌鲁木齐信关站（经度87.5°，纬度43.9°）的实时覆盖区。仿真使用的空间段为类Globalstar星座，共有48颗星分成8个轨道，每轨道6颗星呈Walker星座分布。为便于地面站观测，将轨道高度设为1 414 km（周期为113 min，此时为回归轨道）。同时为简化卫星星体结构，卫星无星际链路，只是单纯的转发信号，为弯管式转发器。
由图2可知，在不同仰角的情况下，只要适当设置关口站并通过地面网使各个关口站互连，就可实现全球的无缝覆盖。在该系统中，以信关站实时覆盖区作为一个蜂窝，同时将信关站作为该蜂窝域的网关，他负责为整个域内的移动用户提供登记、注册、位置管理和资费管理等服务。信关站也作为该区域内的家（HA）或者外地（FA），用户在本区域内移动时，即使在多颗卫星间切换，也不需要向家（HA）登记，而一旦漫游到另一个信关站覆盖区，则用户通过卫星将注册信息发送到外区信关站（此时作为FA），外区信关站然后通过地面网络向该用户的家（HA）登记。根据Cellular IP分布式数据库原理，系统各信关站分别存储该域内的用户位置信息，并且要求其存在路由和寻呼两套缓存机制。
在该系统中，卫星只是发挥类似地面网基站的功能，他负责为覆盖区内的用户提供无线接入服务。为了减少系统信令开销，卫星虽然不具备星上处理能力，但仍然要求其带有一定的缓存机制，即要求其存在路由缓存而不需要存在寻呼缓存。
整个系统网络结构框图如图3所示，信关站与卫星通过星地链路相连，而信关站之间则通过地面网络互连。为了进一步减小系统信令开销，根据Cellular IP的基本原理，对活动主机要求逐个卫星连续跟踪，即一旦与卫星切换，则立即通知该信关站，因此将一个信关站实时覆盖区作为对活动主机的一个路由服务域，如图3实线所示，所有信关站间都进行路由缓存信息的交流。而对于空闲的移动用户，跟踪粒度相对较松，根据卫星通信系统特点，可以适当扩大寻呼区域，即将几个相邻信关站实时覆盖区当作一个寻呼区域，在实际操作中，可根据国界或地理区域的限制将数个信关站实时覆盖区作为一个寻呼区，并把其中一个信关站寻呼缓存当作总寻呼路由缓存，而只把其他信关站的缓存作为分寻呼缓存，如图3虚线所示，将三个信关站作为一个寻呼区域，寻呼缓存信息只在本寻呼区域内的信关站间交流，具体工作过程将在下面说明。
3 星座通信系统切换、位置管理和路由方案
3.1 切换管理
在该卫星通信系统中有三种切换发生，分别是卫星与地面信关站的切换、用户与覆盖卫星的切换、用户到不同信关站覆盖区的切换。由图1、图2可知，在最小仰角为30°时，信关站实时覆盖区区域已相当缩小，在考虑高速宽带业务时，可能需要更高的仰角，因此其覆盖区将进一步变小，进而导致移动用户（特别是对飞机等在大范围移动的用户）在不同信关站间的切换将经常发生。根据蜂窝IP的概念，这种切换实际上是在相邻蜂窝小区间进行，其切换准则只需采用与地面移动通信系统相类似的协议。对于卫星与地面站的切换，由于地面信关站往往具有很强的实时处理和运算能力，并且由于卫星星历在相当精度内具有可预测性，因此这种切换可以由地面站单向控制，具体采用何种切换准则需要和用户与卫星间的切换准则进行综合考虑。一旦切换发生后，信关站应立即让所属卫星停止发送含有以前的蜂窝区域标识及寻呼区域标识的信标信号，转而发送带有新的标识的信标信号。
任一时刻用户可能接收到属于不同信关站的多个卫星转发的信标信号，由于蜂窝IP被动连接和快速切换的要求，用户首先要甄别自己在哪个信关站的实时覆盖区内，此时用户可根据最强最多的标识信号自主判决。当知道自己所属位置区后，用户根据信标信号中的标识信息，只对含有自己所属信关站标识信号的信标信号进行比较处理。考虑到移动用户机的体积、重量要求，其计算能力将受到限制，因此对于他采用简单的信号最强准则进行切换，即用户一旦检测到比当前信号强的信标信号则马上切换到该卫星，上行分组从而通过该卫星转发到信关站，卫星及信关站在转发过程中记录或更新新的路由，同时将老路由删除，并以此反向路径转发下行分组。
3.2 位置管理与路由方案
使用蜂窝IP技术的星座卫星通信系统，其位置管理与路由方案与在地面系统中类似，也分为活动和空闲两种控制管理机制。在用户活动状态时，当有数据发送时，用户发出的上行分组数据先通过卫星路由到覆盖区地面站，然后根据IP地址转发至目的地，卫星及地面信关站也据此分组保存用户位置信息及路由信息，同时将其反向链路作为下行分组的转发路径；当需要接收数据时，数据包先发送到信关站，然后查询本地路由缓存，若存在用户路由信息，则向指定卫星转发，然后路由到用户，若不存在，则丢弃该包。在用户空闲状态时，当有数据要发送时，其上行分组通过信标信号最强的卫星转发至覆盖区信关站，此时，用户路由及位置信息已经更新（或者建立），用户由空闲转为活动；当有分组转发至该用户时，IP数据包先转发至含有主寻呼缓存的信关站，查询主寻呼缓存，根据查询结果转发分组，若属于本信关站覆盖区，则通过所属卫星广播，用户接收到分组后被激活，若不属于本信关站覆盖区，则向与其同属一个寻呼域的含有分寻呼缓存的信关站转发，用户收到分组后也被激活。
用户处于活动状态时，每切换到一新的卫星覆盖区，则发送路由更新包；处于空闲状态时，则只到寻呼超期时刻或漫游到另一寻呼区域时才发送寻呼更新包。卫星及地面信关站的缓存均设定超期更新时间，一旦过时，则缓存就设定为不可用状态。同时，为了贯彻寻呼区域的概念，属于同一寻呼域的含有分寻呼缓存的信关站应当向含有主寻呼缓存的信关站交流信息。为了移动用户机的正常工作，卫星周期性发送的信标信号中除了应包括信关站实时覆盖区位置信息，还应该包含寻呼域信息。
4 性能分析
相对于普通的星座通信系统，引入IP概念后可以极大程度上满足未来宽带业务高速数据业务的发展要求，也便于与下一代地面网的兼容，同时根据IP特点，通过适当设置IP报头，可以将系统控制与数据传输综合考虑，简化现有网络。
卫星通信系统采用蜂窝IP技术相对于直接使用移动IP技术主要有以下优点：
(1) 以信关站实时覆盖区来划分和区别蜂窝，其蜂窝要比普通地面系统或者单颗卫星覆盖区大的多，因此可以减少用户在不同蜂窝间切换的概率；
(2) Cellular IP支持寻呼业务，无论是从业务需求或是减少信令方面考虑，都是非常必要并且实用的；
(3) Cellular IP将大量的路由、查询功能放到了地面信关站，在卫星只是加上了简单的路由缓存机制，极大地简化了并且降低了对卫星的要求，增加了系统的可靠性；
(4) 信关站覆盖区和寻呼区域的概念，一定程度上可以以一国国土范围为界，充分考虑到了各国的信息安全和主权，便于世界各国间的合作。
5 结语
微移动IP协议在卫星通信网络中有相当大的应用空间，本文只是从下一代网络全IP的方向考虑，探讨了将Cellular IP技术运用到星座卫星通信系统的可能性，并根据蜂窝IP的相关原理，对无星际链路的卫星系统网络结构进行了改造，并且对网络的切换、路由和位置管理进行了分析。蜂窝IP技术相对于纯移动IP技术，应运到卫星通信系统中能极大的提高移动性管理的效率、缩短时延，降低丢包率，但由于该技术是为地面网设计，对基站移动的情况未作考虑，因此下一步还需要在系统的切换问题上进行相应改进，同时对其他方面作一些定量分析，以确实该技术在卫星网络中的实用性，这是下一步的工作。
摘 要：由于雨衰是影响卫星通信的重要因素,根据武警部队卫星通信网建设的需要,基于ITU-R制定的雨衰计算模型,选取6个典型城市进行雨衰计算,得到雨衰对Ku波段卫星通信系统的影响,分析得出地星路径仰角越小,海拔越低,降雨率越大,降雨造成的信号衰减越大。
关键词：卫星通信；Ku波段；雨致衰减；EIRP
1 引 言
武警卫星通信网的建设是适应新时期武警部队信息化发展的需要,电波传播研究表明,对于Ku波段的卫星通信系统,雨衰是影响通信质量的重要因素。电波由于雨滴吸收和散射而产生衰减,就是降雨衰减,简称雨衰。由图1可以看出电波传播所受的各种天气的影响中,降雨衰减是最为重要的。
雨衰的大小与雨滴直径和电磁波的波长有关,当电磁波波长远大于雨滴的直径时,降雨衰减主要是雨滴的吸收衰减,散射衰减则发生在雨滴直径较大或者波长较短时。当电磁波的波长和雨滴直径越接近时衰减越大,特别在10 GHz以上频段,雨衰的影响会非常明显,而且衰减值随频率和雨强的增加而增大。由于武警卫星通信网所用频率正是Ku波段,因此在通信链路的设计中必须考虑降雨对电波传播的影响,由此来确定国内各地球站的设备,即天线增义和系统功率。通信网的建设必须保证全国范围内的通信,由于我国幅员辽阔,地理面貌多种多样,各地的降雨情况有很大的不同,这就要求在研究雨衰时,必须针对不同地区的降雨情况进行雨衰分析。
2 Ku波段地面-卫星通信线路雨致衰减计算
根据武警部队各总队所在地区特点,同时考虑我国的地理形式,选取6个典型城市进行Ku波段的雨衰分析,分别为：海口、昆明、福州、北京、乌鲁木齐、哈尔滨。这里计算卫星链路上的雨衰采用ITU关于斜路径降雨损耗的计算方法［1］。
3 武警卫星通信系统雨致衰减分析
从以上的计算结果中看出雨致衰减受很多方面的影响,对于武警卫星通信网的建设,必须综合考虑经纬度,海拔,降雨率等各个方面的影响,由此可以得到不同地球站EIRP的变化和天线口径的比较。其中:
下面给出在不考虑其他因素的影响时,降雨率、海拔、仰角与雨衰值之间的关系图,如图2~图4所示。
从计算结果和图中可以看出对于Ku波段降雨率的影响是所有因素中最为重要的,我国的降雨率有明显的地区分别,其中新疆,西藏,青海,甘肃等西北地区的降雨率,明显低于海南,广州,福建等东南沿海城市,这使得武警部队在这些地区建站时,天线的口径可以根据降雨衰减适当增大或减小。比如乌鲁木齐的降雨率为5 mm/h,降雨衰减为0.46 dB,海口降雨率则为124 mm/h,降雨衰减为23.23 dB,所以为了克服雨衰,海口天线增益要增大,EIRP值与天线口径要随之增大很多,而乌鲁木齐则基本不用考虑雨衰的影响。
雨致衰减也会由于海拔高度的不同而不同,例如福州和昆明两地的仰角相差为2°,但是海拔高度却相差1 800多米,因此造成的雨衰差值达到11.85 dB,海拔高度越高,雨衰越小。武警卫星通信网建站时,特别是设计机动型的车载站,当工作于山地,平原,盆地等具有不同海拔特性的地区时,EIRP值的设计要足够大,能较好的抵消雨衰的影响。站点的配置要既能满足通信质量的要求,又不会造成资源的浪费。
除了以上两点影响外,卫星通信链路的雨衰还与地星路径的仰角有关,仰角不同,雨衰下的斜路径长度就会不同,使得电波所受到的雨致衰减存在差别,仰角越大,路径越短,雨衰值越小。武警卫星通信网各总队通信站最大仰角差位于海口和哈尔滨之间,为31.8°,当两站取相同降雨率(50 mm/h)和海拔高度(112.5 m)时,海口的衰减值为7.59 dB,低于哈尔滨3.5 dB。但是由于海口的降雨率是哈尔滨的两倍多,使得海口的实际雨衰高于哈尔滨12.14 dB。
4 结 语
本文根据ITU-T规定的降雨衰减计算模型,选取“鑫诺一号”卫星(110.5),采用线极化方式,针对武警卫星通信网所用Ku波段,计算了6个典型城市的降雨衰减,得到雨衰对Ku波段卫星通信系统的影响,分析了影响雨衰的主要因素,分别给出了地星路径仰角,降雨率,海拔与雨衰之间的关系图,分析得出地星路径仰角越小,海拔越低,降雨率越大,则降雨衰减越大,对于我国的Ku波段武警卫星通信系统,如何采取必要措施,减少降雨衰减对通信的影响,使得地面站的配置更加合理,既能满足通信质量的要求,又尽可能的节省资金,将是对国家和武警部队都有着重要意义的问题,值得我们进一步深入研究。
作者简介
周艳秋 女,1984年出生,硕士研究生。研究方向为微波技术与天线。
贾 方 男,1984年出生,硕士研究生。研究方向为无线数据通信。
李 萍 女,1957年出生,教授,研究生导师。研究方向为微波技术与天线等。
【摘要】文章主要研究了低轨卫星通信系统的切换方案。本文从低轨卫星通信系统的信关站内用户切换及跨信关站用户切换两方面出发，对通信系统切换方案设置、格式内容等进行探究，深入挖掘了通信系统切换的方案内容。与此同时，本文还对切换目标卫星的选择策略进行分析，全面研究了切换选择策略对系统性能的影响。文章对低轨卫星通信系统发展具有一定的贡献性作用。
【关键词】低轨卫星;通信系统;切换方案
1.低轨卫星通信系统信关站内用户切换
低轨卫星通信系统信关站内用户切换过程主要为：移动用户接收系统信号-判断信号内容并 发出需求报告-依照优先级对切换需求报告进行排序，执行切换过程-将消息给予目的卫星，实施无线资源分配-确定无线资源内容，将消息传回信关站-信关站接收应答，向用户发送切换信息-用户接收信息实施切换，目的卫星检测切换是否正确-验证用户消息正确，切换完成，释放无线资源，清除命令，其具体流程见图1。
图1 低轨卫星通信系统信关站内用户切换流程图
该流程中信关站及卫星之间的切换基本信息格式为：TYPE（取值为MM-H）、HO-num（取值为1）、User-id（取值为用户id）、SRC-Sat（取值为卫星A id）、DST-Sat（取值为卫星B id）、MSC（取值为信关站id）长度8bit，Sub-TYPE（取值为HANDOVER-REQUIRED）长度16bit。信息报告过程中当SRC-Sat与DST-Sat值相同时系统信关站内同一卫星波束见间发生切换。系统各项信息格式在该格式上依照具体环境适当调整，其具体格式内容基本相同，切换完成后进行信息清除。
低轨卫星通信系统切换过程中一旦发生信号异常，系统非常容易出现切换问题，造成切换终止，如信关站发送的切换需求应答信号（HANDOVER-REQUIRED-ACK）接收异常、信关站无法接收到系统接收到拒绝信号（HANDOVER-REQUIRED-REJECT）等。出现上述异常问题后信关站常通过自身需求适时选取对应执行方案，其具体包括：
（1）重新进行切换，执行切换过程;
（2）从切换需求报告（HANDOVER-REQUIRED）出发重新选取目的卫星，选取对应目的卫星体系重建切换，执行切换过程;
（3）等待信关站发送下一切换需求报告（HANDOVER-REQUIRED）。
2.低轨卫星通信系统跨信关站用户切换
低轨卫星通信系统跨信关站切换与其他切换之间存在本质上的差异，其信息内容可以在两个信关站之间交互，可以实现移动应用。跨信关站切换过程主要为：移动用户接收信号-从卫星A向其他卫星发送切换需求报告-依照优先级进行排序，发送切换请求MAP信息-信关站B接收信息，形成切换请求消息-目的卫星接收确认消息，分配无线资源-移动用户接收切换命令，访问无线资源-结束切换，清除命令，其具体切换见图2。
图2 低轨卫星通信系统跨信关站用户切换流程图
该系统基本切换信息格式与信关站内部信息格式基本一致，其HO-num取值转变为2，增加DST-MSC（取值为信关站B id）和，长度为8bit，其他基本无变化。移动用户呼叫结束前，信关站A一直保持着呼叫控制状态，在呼叫完成后需要对各项信息内容进行及时清除，否者系统正常切换将受到影响。
低轨卫星通信系统跨信关站用户切换过程中当信关站切换发生异常、信关站向外发射信号发生异常、移动用户切换出现异常等均可以造成跨信关站用户切换出现问题，导致执行过程出现障碍。在上述异常状况下信关站A可以依照具体环境选取对应执行方案，其具体包括：
（1）进行卫星B切换，重新执行切换过程;
（2）从切换需求报告（HANDOVER-REQUIRED）出发重新选取目的卫星，选取对应目的卫星体系重建切换，执行切换过程;
（3）等待卫星A发送下一切换需求报告（HANDOVER-REQUIRED）。
3.低轨卫星通信系统的切换选择分析
在对低轨卫星通信系统的切换进行选择的过程中要把握好系统切换性能，要依照最终性能选取合理切换方式，从而保证切换效益的最大化。当前卫星准则较为简单，在切换选取的过程中没有对无线信号传播条件进行全方面考虑，整体切换效果并不显著。本次研究过程中对无线信号传播条件进行分析，依照用户端及地球信关站之间的数据信息进行方案调整，有效提升了系统选取效益。
本次研究中的低轨卫星通信系统切换主要通过卫星波束的高速移动完成，移动状况相对简单。在方案选取过程中要把握好该特性对方案信号质量进行调整，形成对应目标卫星选取策略，确保用户能够接收到最优的卫星信号信息。除此之外，信号准则内容也是影响低轨卫星通信系统的切换的关键。当在最强信号准则下，用户自身高速移动会受到一定影响，切换次数将上升，因此，选取时要把握好方案切换状况，依照该指标选取对应目标卫星，通过该选取方式降低系统切换次数，从本质上提升低轨卫星通信系统的切换效益。
4.总结
低轨卫星通信系统的切换直接影响着移动终端之间的无线通讯质量，对人们生活水平的提升具有至关重要的作用。该切换可以通过调整信关站、卫星及接入点之间的关系形成最优信号转换通道，从本质上提升了卫星服务效益。在今后研究过程中研究人员要拓展低轨卫星通信系统信关站内、跨信关站切换内容，要对上述结构进行充分挖掘，从而实现卫星通信研究效益的全面提升。
【摘要】 近些年，随着防空防灾系统的不断发展和完善，人防应急通信系统逐渐引起了国内外广大学者们的重视，它在各大领域中的地位也有了显著的提高。为了在各类人防应急事件时能更好的进行协调统一调度，对人身安全和公共或私有财产安全进行更好的保护，各国都相继建立了自己的人防应急系统。本文主要针对人防应急通信统中卫星通信的应用进行了较为全面的分析，并且针对人防应急通信中卫星通信系统的使用应注意的问题，进行了相应的阐述。
【关键字】 星通信系统 人防应急通信 应用
引言：卫星通信系统具有覆盖面广、长距离通信、可靠性强等优点，卫星通信不会轻易被地面的复杂通信状况所干扰；通信系统相较于其他通信系统而言更加灵活，局限性较小；并且卫星通信具有宽频带，大容量等优势，所以在人防应急系统中较为常见[1]。
一、人防应急通信
人防应急通信就是在发生自然灾害或人为突发状况，如火灾、洪涝灾害、大面积塌方、战争等情况时，利用不同的通信手段，建立合理的紧急救援通信网络，以确保救助、救援工作能够顺利及时的开展。人防应急系统是一种多通信手段并存的兴新技术，还涉及很多人员分配，技术配合等问题。与此同时，由于应急通信系统所处的环境的不确定性，救援队时常对人防应急通新系统提出很多特殊的要求，以便在技术层面对通信系统提供更多的保障。人防应急通信系统示意图如下所示[2]。
二、卫星通信系统介绍
1、卫星地面站。在进行高空卫星通信的同时，人防应急通信系统可以在地面布置卫星地面站，如短波电台等，卫星地面站可以用于各种自然灾害、战争破坏下不同地形地势中救灾的指令转达、资源分配和调度等使用，同时也可以应用到点对点通信系统中，如民众通信。这种通信系统具有很强的可移动性，实时性等优点，但是系统的安装成本较高，并且一旦部署完毕很难拆除更改，所以具有一定的局限性。
2、卫星电话。卫星电话是一种较为稳定的人防应急系统中常用的通信手段，它具有一定的稳定性，灵活性，可以进行实时的指令传达，但是存在终端设备限制等问题，无法大面积使用。
3、其他设备。较为常见的人防应急通信系统设备还有地面通信应急车、卫星通信便携站等，这些设备在一定程度上确保了人防应急通新系y的完备性、可操作性、可靠性、机动性[3]。
三、卫星通信系统在人防应急通信中的应用
在人防应急通信系统中对卫星通信就提出了如下要求：灵活性、稳定性、大容量，高速率传输等。一般的传输速率要求为：4Mbps-24Mbps，图像分辨率一般要求为352×288以上。卫星通信系统也应具备“总体部署、统一协调、应急通信为主、各个通信技术并存”的理念。
1、 在军事突发事件中的应用。在军事突发状况下，主要的技术局限性体现在战地的危险性、破坏性、反侦察性等。在这类人防应急状况下对卫星通信的要求较高，首先卫星通信应具有较好的隐身性能，这就对卫星的性能指标，如方向图、增益等提出了较高的要求。此时可利用无人机、直升机等平台进行卫星通信系统的搭建。其次该系统需要具备较强的灵活性，可靠性等，可利用装甲车这个平台进行战地部署。
2、在公共安全突发事件中的应用。在一些地质灾害中，由于这些自然灾害的突发性、不确定性，对此类人防应急状况，通信系统就提出了灵活性、机动性等要求。此类灾害是突然发生的，而且灾害的类型无法预知，所以针对此类灾害建立的系统可以进行底层基础设施的搭建，并提供较多的兼容性接口，以便能够实时适应各种新型技术手段，以及各种类型的突发状况。
四、在人防应急通信中使用卫星通信系统中应注意的问题
因为对人防应急通信系统有较高的要求，所以本文选取了卫星通信的技术手段，但是卫星通信对环境要求以及经济要求较高，所以在建立卫星通信系统时要注意相应的可靠性和稳定性，兼容性等，又来避免不必要的拆除和修改，以更好的适应各种环境、各个时期的不同技术要求。
五、结论
卫星通信具有实时性、远距离性、宽频带等优点，所以卫星通信系统在人防应急通信系统中有较为广泛的应用。
摘 要：小卫星通信系统具有研发费用少，重量轻，性能稳定，信号覆盖范围广以及不受地域条件限制等优点，能够对当前大型同步轨道的卫星通信进行补充作用，在全球范围内得到广泛应用的同时也受到了众多研究机构的重视，因此对小卫星通信系统的技术进行研究同时具有实践意义和理论意义。
关键词：小卫星；通信系统；作用；研究；意义
卫星通信技术在军事、政治、工业、生活等方面均具发挥着重要作用，而相比之下，小卫星则更具有大型同步卫星所无法实现的众多优势而受到国内外研究学者的重视，同时，卫星向小型化趋势发展也是全球卫星产业的主要发展方向。我国从21世纪初期开始着手小卫星的相关研制和发射工作。
1 小卫星的技术优势
第一，荷载较少小卫星在每次的任务中一般仅需要装载一种特殊设备，进而很好地避免了大型卫星中出现的荷载间复杂配比问题。
第二，研制时间短、费用低小卫星的研制一般只需经过一到两年，同时相关的研究经费也相比大型卫星明显降低，因此更具有经济性，更体现其实践意义。
第三，重量轻小卫星的重量一般较小，就当前国际情况来看，最微型的小卫星的质量仅有几百克，体积也很小，因此功能密度大，模块可多次利用。
第四，信号覆盖范围广，由于小卫星具有较强的组网能力，因此能够形成精度较高，功能强大而且信号覆盖范围广的星座系统，进而易于补网和星座功能稳定的优势。
第五，减缓频率压力小卫星的星座中包括多颗卫星，可以频率复用，因此具有减小空间任务所具有的频率压力。
2 小卫星通信系统主要技术简介
卫星在通信中起着中转作用，即将地球站传送来的信号经过变频和放大转送到另一端的地球站，地球站是卫星与地面信息系统的链接点，用户通过地球站途径进入卫星通信系统中，形成链接的电路信号链；为了确保系统的运行正常，卫星通信系统必须和地面的监测管理系统和测控系统想链接，测控系统能够对通信卫星运行的轨道进行检测和控制，以保证地面检测系统能够对卫星所传送的通信信息进行有效的监控，保证系统安全与稳定的运行。小卫星通信的关键技术主要有通信系统的链路预算以及接收机参数估计技术和同步技术等，其中链路预算技术是设计小卫星通信系统的主要计算方法和参考依据，精确的链路预算能够确保通信系统的稳定运行。近年来，通信系统接收技术和相应的算法逐渐由信号模拟技术向数字化转变；由于卫星通信整体码速率有所提升因此对接收机的信息处理速度以及算法的复杂度、同步速度和稳定性也提出了更高的要求；信息传输量的大幅增加使得遥测领域中逐渐采用比特传输速率更高的调制方式；由于卫星通信系统在数字通信过程中的发射机和接收机的晶振不同，以及移动平台引起的多普勒效应，造成发射机和接收机之问会产生相位和频率的偏移，这种多普勒频移一般较高，即便在频偏较大时，接受同步技术也应能够正常工作，即捕获带宽较大。
3 小卫星通信系统关键技术简介
3.1 链路预算技术
链路预算，即对一通信系统中发射设备，传送信道以及接收设备的通信链路的变化情况进行的全面核算，是对小卫星通信系统性能的评价，具体而言是从发射端的信源起始，通过编码、调制、变频等多项操作，将信号通过天线发射出去，再由信道进行传输，最后到达接收天线处由接收机进行信息处理，解调所需信息。其重要性在于：
第一，可确定系统工作是否满足系统实际需要。
第二，通过计算链路余量检查系统能否满足设计要求。
第三，验证在部分设备具有硬件限制的情况下链路其他部分能否进行弥补。对于模拟电路来说，该性能指标是基带信道的信噪比；对于数字电路来说，其性能指标是基带信道上测得的误码率；卫星链路分为两种信号路径：由地面站到卫星的上行链路和从卫星到地面站的下行链路，其中上行链路的信号发射过程包括编码调频上变频放大功率等操作，信号从天线传送到小卫星的接收端，而下行链路则包括低噪声放大下变频解调解码等操作，是地面站对接收信号的处理操作。与通信系统链路预算有关的数据因素有天线特性，传输距离最大值，信号发射/接受功率，热噪声，信噪比以及接收系统的质量。
3.2 同步算法
无论是接受哪种形式的调制信号，接收机同发射机都必须保持同步，对于数字调频技术而言，有载波同步和码元同步两种基本同步模式，前者是对载波频率以及相位进行估计，后者则是对定时抽样时钟进行估计。由于发射信号在卫星通信的传输过程中必然存在一定延迟，因此产生了载波相位的偏移，同时由于其在传播过程中受到噪声干扰和多普勒效应影响，还会产生频率偏移，因此同步技术是数字通信中的关键技术，研究调制信号的载波同步和码元同步技术能够保障卫星通信系统可靠、有效、快速的运行。由于载波同步算法利用的是判决反馈环路的模型，是在时钟已同步的基础之上才能进行，因此载波同步应位于码元同步滞后才可工作。以先码元同步再载波同步的模式为例，模拟信号被天线接收后，由ADC转换为数字信号，再将频带信号通过下变频转变为基带信号，之后通过码元同步和载波同步对有载波偏差以及时钟偏差的信号进行估计，最后解调输出，码元同步位于载波同步前，以码元时间为基本数据处理周期，对相关硬件的要求较低，同步性能较好。
3.3 型号参数
估计卫星通信信号的参数估计是重要的非合作通信接收技术，因为对信号的频率和调制方法等重要数据进行检查和估测是保证解调准确和达到监视、截获信息的目的的重要方法，以便为侦察系统的工作打好基础。小卫星通信系统的常用解调方式有BPSK解调、QPSK解调、CPM解调、SOQPSK解调等。一般情况下，欲通过卫星通信捕捉信号，接收系统的带宽需远大于信号带宽，应使用宽带接收机。
4 结语
小卫星通信系统具有的多重优势使其在当今世界范围内的卫星通信领域得到广泛的应用，吸引了众多研究学者，本文针对其中的几项关键性技术进行了简单说明。卫星通信的作用范围广，涉及的技术种类众多而且较为复杂，需要我们不断进行深入研究和实践，进而推进卫星通信向小型化方向发展。
作者简介：王富德（1994―），男，辽宁鞍山人，沈阳理工大学学生。
沈丛ǎ1995―），男，江苏张家港人，沈阳理工大学学生。
姚佩航（1997―），男，辽宁大连人，沈阳理工大学学生。
摘 要
由于MF-TDMA（多频时多分址）技术在支持综合业务的传输方面以及卫星通信灵活组网方面都有一个比较明显的优势，适合大多数不同规模的卫星通信网络。但是，多频时多分址技术也有其自身的局限性，工作模式属于突发模式，在资源的分配方面也存在一定的滞后性，因此在实际的工作应用过程中，必须对其网络工作的方式和系统的参数进行一个合理的设计，以提高多频时多分址卫星通信网络技术的使用效率。本文主要就MF-TDMA的工作模式进行了分析，并对其参数的选择进行了初步的设计。
【关键词】MF-TDMA 卫星通信 技术体制 分析研究
MF-TDMA技术是由90年代的单载波TDMA技术的基础上又经过一些列的发展革新而来的一种新型的宽带VSAT网，它对FDMA和TDMA进行了一个整合，吸取了两者的优点，并且借鉴了FDMA的设计理念，将TDMA技术体制进行了一个改善，解决了其庞大的缺点，让用户们的使用更加方便。系统的扩展能力很强，可以根据实际情况以及实际客户的需求自动的增加载波宽带和载波的数量，网络管理也可以对卫星的实时资源有一个动态的分配，提高IP数据业务资源的利用效率。
1 FMT调制解调技术
滤波多音调制技术也就是FMT调制解调技术，顾名思义它是一种多载波的传输技术，实际上它是与正交频分复用系统类似的多载波传输技术，其的基本原理就是发送端低通滤波器实现对每个子信道的频带进行一个严格的限制而达到的多载波的调制技术，其使用的低通滤波器必须是严格带限的。FMT与OFDM都是多载波的正交调制技术，但是二者还有所区别，OFDM的各个子载波的频道都处于一个重叠正交的状态，而FMT由于有严格带限的各个子信道而使得其相邻的子载波波频互相不重叠。
2 典型的网络结构
2.1 独立的网状和星状组网模式
MF-TDMA的卫星通信体制可以构建多种类型的网络结构。对于独立的网状和星状组图模式来说，其主要是依靠MF-TDMA卫星通信体制通过主载波和业务载波等的通信载波来支持的。在独立的网状组图网模式时，网内的各个站可以在主载波上接收广播的参考帧，并且还可以将申请信息发射出去，进行一个自主测距管理，然后经过主载波和业务载波两者实现一个相互之间的通信。在独立的星状组网模式下，网内的各个业务站要首先接受主站发射的广播载波参考帧，然后进一步的通过业务载波发射申请信息并实现分站与主站之间的一个通信，各个业务站之间也可以实现一个双跳通信，不过这个所谓的双跳通信是由主站来完成的，而测距管理则由主站在经过计算之后通过对业务站加以指导完成。
2.2 多点广播与通信融合网
MF-TDMA卫星通信技术不仅仅可以支持业务载波等通信载波的配置，除此之外还可以支持单独配置的广播载波。网内的各个站点可以将网状组网通信和广播载波发送广播信息的任务同时进行，比如，在进行网状组通信的同时可以进行视频、信令以及相关数据的传送与传输，网内工作的最大特点就是支持广播业务与通信业务共用一个网进行传输。
3 MF-TDMA体制的优势所在
3.1 系统灵活和广播能力较强
在现代通信卫星的发展过程中，对通信节点之间的组网能力有一个重要的要求，要求其有足够灵活，能够及时应对变化。到目前为止我国的MF-TDMA综合业务网已经可以比较灵活的形成星状网以及网状网了，并且，其发展已经相当成熟，在其同一个网内还可以灵活自如的形成不同的网络。比如，在同一个网内，可以将电话业务配置成为网状网，而将数据业务配置成为星状网，并且，还可以根据不同的实际情况，针对不同的业务部门的情况配置不同的虚拟子网，将数据广播和数据共享更加完美的实现出来。总而言之，MF-TDMA的一个显著的特点就是可以灵活的进行网络的重新配置，并且，MF-TDMA还可以将接有不同任务的不同的几个站进行一个对接，还可以对其的工作状态和实时的网络状况进行一个监控，系统呼叫转换的时间也大大的减短了。
3.2 业务支持能力强
在之前，对于稀路由的，端到端的话音或者是相对来说数据较为低俗的业务来说，大多都是采用SCPC/DAMA系统构成星状网进行转接，也有是通过小站业务经主站来完成转接的任务的。但是随着用户业务多样性的变化，通信网络也不得不使用多样性的服务来满足客户多样性的要求，尤其是针对于IP的业务，与普通的电话基于CALL-BY-CALL的模式不同，本端的IP数据需要在同一个时刻去到不同的目的地，这就是为什么采用MF-TDMA这一份体制来构成平时的IP网络了。
3.3 支持视频会议
对于MF-TDMA来说，其还有一个十分重要的应用就是其支持任一点对视频会议的功能，在新的MF-TDMA系统中，每一个站内发出的时隙，以及时隙所包含的信元，都可以经过合理配置，从而实现一方面指向目的地，另一方面进行广播应用，进行全网或者是分组用户通收，从而呈现所需要的视频会议。
4 MF-TDMA体制的应用设计
4.1 进行多类站型叠层组网的应用
所谓的提高多类地球站混合组网通信容量实际上就是通过采用一些双值守载波以及地球站分类和自动适配的技术实现的，通过这些技术的应用使得小口径地球站间可以使用低速度的载波、大口径地球站间可以使用高速度的载波，并且还实现了大小地球站间可以使用中速率的载波进行成企鹅状的组网通信，这些不同速度的载波的应用可以将地球站之间收发信号的能力充分的利用起来，从而加大多类地球站混合组网的通信容量。
4.2 应用规划
MF-TDMA系统的工作主要是依靠卫星透明转发器的工作，其参数配置的灵活性较强。因此，对于相同的通信网建设或者是任务保障来说，其可行的配置方案会存在很多种不同的方案，但是，需要注意的是在不同种类的配置方案中，其对应方案帧的效率也不尽相同，这就决定了其对于通信卫星的占有也不完全相同。使用的规划就是要达到一个在保证任务需求和服务质量的前提下，要找出帧效率最高，并且转发器资源的利用效率相对来说较高的系统配置方案，需要注意的是，在最终的确定阶段还应当结合地面站型的配置情况，来最终确定配置方案。总之，应当注意到以下的几点，任务的需求、地球站的类型、相关的气象信息等。综合考虑，确定最佳的配置方案十分重要。
5 总结
总而言之，MF-TDMA技术的发展经过了不断的融合与创新，其独有的灵活性为多样性的需求带来了便利，视频会议功能也是其特色，其的发展有了一定的进步，但是依旧存在一些不足需要去改进，其关于网络卫星资源的配置更是需要经过综合考虑各种因素，才能最终确定一个最佳的配置方案，这也是MF-TDMA技术在今后发展的主要方向，
作者单位
1.中国电子科技集团公司第五十四研究所 河北省石家庄市 050081
2.中国人民解放军91917部队 北京市 102100
摘 要 小卫星通信系统具有研发费用少，重量轻，性能稳定，信号覆盖范围广以及不受地域条件限制等优点，能够对当前大型同步轨道的卫星通信进行补充作用，在全球范围内得到广泛应用的同时也受到了众多研究机构的重视，因此对小卫星通信系统的技术进行研究同时具有实践意义和理论意义。
【关键词】小卫星 通信系统 作用 研究 意义
卫星通信技术在军事、政治、工业、生活等方面均具发挥着重要作用，而相比之下，小卫星则更具有大型同步卫星所无法实现的众多优势而受到国内外研究学者的重视，同时，卫星向小型化趋势发展也是全球卫星产业的主要发展方向。我国从本世纪初期开始着手小卫星的相关研制和发射工作。
1 小卫星的技术优势
1.1 荷载较少
小卫星在每次的的任务中一般仅需要装载一种特殊设备，进而很好地避免了大型卫星中出现的荷载间复杂配比问题。
1.2 研制时间短、费用低
小卫星的研制一般只需经过一到两年，同时相关的研究经费也相比大型卫星明显降低，因此更具有经济性，更体现其实践意义。
1.3 重量轻
小卫星的重量一般较小，就当前国际情况来看，最微型的小卫星的质量仅有几百克，体积也很小，因此功能密度大，模块可多次利用。
1.4 信号覆盖范围广
由于小卫星具有较强的组网能力，因此能够形成精度较高，功能强大而且信号覆盖范围广的星座系统，进而具有易于补网和星座功能稳定的优势。
1.5 减缓频率压力
小卫星的星座中包括多颗卫星，可以频率复用，因此具有减小空间任务所具有的频率压力。
2 小卫星通信系统主要技术简介
卫星在通信中起着中转作用，即将地球站传送来的信号经过变频和放大转送到另一端的地球站，地球站是卫星与地面信息系统的链接点，用户通过地球站途径进入卫星通信系统中，形成链接的电路信号链；为了确保系统的运行正常，卫星通信系统必须和地面的监测管理系统和测控系统想链接，测控系统能够对通信卫星运行的轨道进行检测和控制，以保证地面检测系统能够对卫星所传送的通信信息进行有效的监控，保证系统安全与稳定的运行。
小卫星通信的关键技术主要有通信系统的链路预算以及接收机参数估计技术和同步技术等，其中链路预算技术是设计小卫星通信系统的主要计算方法和参考依据，精确的链路预算能够确保通信系统的稳定运行。近年来，通信系统接收技术和相应的算法逐渐由信号模拟技术向数字化转变；由于卫星通信整体码速率有所提升因此对接收机的信息处理速度以及算法的复杂度、同步速度和稳定性也提出了更高的要求；信息传输量的大幅增加使得遥测领域中逐渐采用比特传输速率更高的调制方式；由于卫星通信系统在数字通信过程中的发射机和接收机的晶振不同，以及移动平台引起的多普勒效应，造成发射机和接收机之问会产生相位和频率的偏移，这种多普勒频移一般较高，即便在频偏较大时，接受同步技术也应能够正常工作，即捕获带宽较大。
3 小卫星通信系统关键技术简介
3.1 链路预算技术
Link Budget（链路预算），即对一通信系统中发射设备，传送信道以及接收设备的通信链路的变化情况进行的全面核算，是对小卫星通信系统性能的评价，具体而言是从发射端的信源起始，通过编码、调制、变频等多项操作，将信号通过天线发射出去，再由信道进行传输，最后到达接收天线处由接收机进行信息处理，解调所需信息。其重要性在于：
（1）可确定系统工作是否满足系统实际需要；
（2）通过计算链路余量检查系统能否满足设计要求；
（3）验证在部分设备具有硬件限制的情况下链路其他部分能否进行弥补。
对于模拟电路来说，该性能指标是基带信道的信噪比；对于数字电路来说，其性能指标是基带信道上测得的误码率；卫星链路分为两种信号路径：由地面站到卫星的上行链路和从卫星到地面站的下行链路，其中上行链路的信号发射过程包括编码调频上变频放大功率等操作，信号从天线传送到小卫星的接收端，而下行链路则包括低噪声放大下变频解调解码等操作，是地面站对接收信号的处理操作。与通信系统链路预算有关的数据因素有天线特性，传输距离最大值，信号发射/接受功率，热噪声，信噪比以及接收系统的质量。
3.2 同步算法
无论是接受哪种形式的调制信号，接收机同发射机都必须保持同步，对于数字调频技术而言，有载波同步和码元同步两种基本同步模式，前者是对载波频率以及相位进行估计，后者则是对定时抽样时钟进行估计。由于发射信号在卫星通信的传输过程中必然存在一定延迟，因此产生了载波相位的偏移，同时由于其在传播过程中受到噪声干扰和多普勒效应影响，还会产生频率偏移，因此同步技术是数字通信中的关键技术，研究调制信号的载波同步和码元同步技术能够保障卫星通信系统可靠、有效、快速的运行。由于载波同步算法利用的是判决反馈环路的模型，是在时钟已同步的基础之上才能进行，因此载波同步应位于码元同步滞后才可工作。下面以先码元同步再载波同步的模式为例，如图1所示，模拟信号被天线接收后，由ADC（analog-to-digital converter，模数转换器）转换为数字信号，再将频带信号通过下变频转变为基带信号，之后通过码元同步和载波同步对有载波偏差以及时钟偏差的信号进行估计，最后解调输出，码元同步位于载波同步前，以码元时间为基本数据处理周期，对相关硬件的要求较低，同步性能较好。
3.3 型号参数盲估计
卫星通信信号的参数估计是重要的非合作通信接收技术，因为对信号的频率和调制方法等重要数据进行检查和估测是保证解调准确和达到监视、截获信息的目的的重要方法，以便为侦察系统的工作打好基础。小卫星通信系统的常用解调方式有BPSK解调，QPSK解调，CPM解调，SOQPSK解调等。一般情况下，欲通过卫星通信捕捉信号，接收系统的带宽需远大于信号带宽，解应使用宽带接收机。
4 结语
小卫星通信系统具有的多重优势使其在当今世界范围内的卫星通信领域得到广泛的应用，吸引了众多研究学者，本文针对其中的几项关键性技术进行了简单说明。卫星通信的作用范围广，涉及的技术种类众多而且较为复杂，需要我们不断进行深入研究和实践，进而推进卫星通信向小型化方向发展。
作者单位
河北诺亚人力资源开发有限公司 河北省石家庄市 050000
摘要：通信传输的方式主要有两种，分别为卫星通信和光纤通信。随着光纤技术的不断发展，光纤通信方式在实践中应用的范围越来越广。很多人都认为卫星通信方式将退出历史舞台。但一种新型的卫星通信技术出现了，即VSAT卫星通信。相比于传统的卫星通信方式，VSAT卫星通信改变了传统的点对点的传输方式，实现了点对多点的传输。近年来，随着相关技术的不断发展，VSAT卫星通信技术在实践中应用的范围越来越广。本文将结合我国通信行业的实际情况，分析和研究VSAT卫星通信技术的应用。
关键词：VSAT卫星通信系统 网络构成 应用
1 VSAT卫星通信系统概述
1.1 VSAT卫星通信系统的网络构成及连接方式
VSAT卫星通信系统主要包括三部分。第一，是主站。主站就是指枢纽站。主站中包括天线、VSAT主站终端设备、网络控制中心等。其中，天线使用的是圈套口径的天线，这样可以有效减少发射功率。主站在VSAT卫星通信系统中具有比较重要的作用，可以对整个通信系统的运行过程进行监控和管理；第二，是通信卫星。通信卫星其实就是中转站，可以对地球传输过来的信号进行处理，并将其传回到地球上；第三，是小站。小站包括两部分，一部分是安装在户外，通常是安装在建筑物的顶层。另一部分要安装在室内。户内的设备和户外的设备是连接在一起的，大多是通过电缆相连。VSAT小站具有语音功能，可以进行通话。这样，电话网上的用户就可以通过小站和主控站进行通话。
VSAT卫星通信系统主要是通过软件对系统工作过程进行控制。VSAT卫星通信系统支持多种连接方式，可以根据用户的要求选择连接的方式。VSAT卫星通信系统的连接方式可以归纳为两种，分别为点多点连接和点对多点连接。首先，介绍点对点连接。点对点连接是通过空间信道完成的。在实践过程中，采用点对点的连接方式可以选择下述几种数据传输的方式。第一种是异步字符透明传输。其中包括双向数据传输和单向数据传输两种方式。数字广播行业中使用的是单向数据传输方式，如果是字符型终端则应采用双向数据传输的方式；第二种是同步位透明传输。其中也包括双向数据传输和单向数据传输两种方式。在开展点多点广播业务时可以采用单向数据传输的方式。其次，介绍点对多点连接。点对多点连接包括两种形式，一种是同一小站不同的数据端口和主站同一端口连接在一起。另一种是不同小站数据端口和主站同一端口连接在一起。异步字符广播式、同步位透明广播方式等均属于点对多点的连接方式。
1.2 SAT卫星通信系统的特点
相比于一般的通信系统来说，VSAT卫星通信系统具有下述特点。第一，VSAT卫星通信的容量比较大，成本比较低；第二，VSAT卫星通信系统中卫星的体积不断增大，转发器的数量不断增多；第三，随着VSAT卫星通信技术的不断发展，出现了微型地球通信网，可以满足更多用户的使用需求；第四，VSAT卫星通信技术在使用的过程中不会受到地形、地物的影响，对使用环境条件的要求比较低；第五，VSAT卫星通信设备安装过程比较简单，1到2天就可以开通一个VSAT小站；第六，VSAT卫星通信的质量比较高，很少会出现信息传输错误的现象。
2 VSAT卫星通信存在的问题
（1）投资者对VSAT卫星通信系统了解不全面。早在上世纪80年代就出现了VSAT卫星通信技术，但直到90年代也没有人进行相关方面的投资。后来，一些投资者进行了VSAT卫星通信系统的投资，但并没有了解清楚VSAT卫星通信系统，只是认为VSAT卫星通信技术属于高新技术，投资的回报率会比较高。当发现在短时间内难以取得回报时，很多投资者都撤资了；（2）缺少有利的市场经济条件。目前，我国虽然已经开放了VSAT卫星通信业务，但却对VSAT公司进行了很多的限制，从而影响了VSAT公司的发展；（3）没有形成行业管理特色。VSAT卫星通信行业发展的速度比较快，在其快速发展的过程中相关的制度规定却还不完善。再加上VSAT卫星通信行业本身涉及到的业务比较多，管理比较复杂，从而使得很多VSAT公司不知道该如何管理，没有形成行业管理特色，进而影响了管理的效果。
3 VSAT卫星通信的应用
目前，随着相关技术的不断发展，VSAT卫星通信技术在不断完善，在各行各业中都具有较为广泛的应用。例如，在金融、证券、地质、交通、物流等领域中都会涉及到VSAT卫星通信技术。本文将以某烟草全国卫星通信专用网为例，介绍一下VSAT卫星通信技术的具体应用过程。
某省是我国烟草生产的重点地区，对于全国烟草市场的发展具有重要的影响。建立全国卫星通信专用网可以更好地追踪卷烟生产销售的信息。全国卫星通信专用网中主要包括两部分。一部分是地面段。其中主要包括中心控制站和VSAT小站。中心控制站有一个。VSAT小站有2214个，在全国各个连锁店。另一部是空间段。其中主要是Ku频段转发器。在全国卫星通信专用网中使用了两种类型的数据传输网。一种是双向数据传输网，主要是用于中心控制站和小站之间的数据通信。另一种是电话网，主要是为了满足电话通信的需求。电话通信网采用的是SCPC/DAMA制式，数据通信网采用的是TDM/TDMA制式。如果是从中心控制站向小站传输数据，则需要经过TDM信道。如果是从小站向中心控制站传输数据，则需要经过TDMA信道。
4 结语
总之，VSAT卫星通信技术作为一种新型的卫星通信技术，在各行各业中具有广泛的应用。未来，随着相关技术的不断发展，VSAT卫星通信技术的应用范围将变得越来越广，通信效果会越来越好。
[摘 要]本文从宽带卫星通信系统的概念入手，简单介绍了宽带通信卫星星座系统，有静止轨道、中低轨道以及静止轨道和非静止轨道卫星的混合。然后阐述了现代宽带卫星所面临的问题，比如说：延时太长和时延抖动、功率的管理繁忙等。接着深入探讨了宽带卫星通信系统的技术，即卫星ATM网络、星上处理技术、星间链路、波束成形技术等。
[关键词]宽带卫星 通信系统 关键技术
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。
摘要：随着通信领域的发展，卫星通信系统以覆盖面广、受地理环境影响小等优点受到现代信息交换的青睐。在空间通信技术不断进步的过程中，业务需求量大增，无线资源的有限性与业务需求的无线增长之间矛盾越来越大，为了缓解这二者之间的矛盾，在进行卫星通信系统的设计时，重点的内容就是提升多媒体传输的质量及速度，基于此，文章在Qos的基础上，对卫星通信系统的关键技术进行了研究。
关键词：QoS；卫星通信技术；关键技术
现今，网络在人们的生活中已经成为了不可替代的角色，通信、娱乐、购物等都依赖于网络进行，这导致传统的地面互联网覆盖无法很好地满足人们不断变化的需求。卫星所具备的覆盖面是非常广的，在利用卫星的基础上构建了卫星通信系统，以便于满足人们的需求。卫星通信系统在进行数据传输时，速度是非常快的，但是随着业务量及人们对质量要求的提升，卫星通信系统需要利用相应的关键技术来保证QoS。
1 卫星通信系统OoS要求
所谓QoS，是指在一个或多个对象的集体行为上的一套质量需求的集合。在对数据传输的速度和可靠性进行描述时，应用的就是服务质量参数，比如吞吐量、传输延迟、错误率等。有限性是网络资源一个显著的特征，这促使用户在使用网络资源时，存在一定的竞争性，由此就产生了服务质量，对于服务质量的外在体现，最为明显的就是网络业务，当网络业务比较多时，说明服务质量比较高。服务质量需要进行提升，有效的手段就是提升网络资源的利用效率。卫星通信网络在提供服务时，包含保证性服务和尽最大努力性服务两种，所谓保证性服务，是指用户在使用网络时，网络能够提供QoS保证，通常会通过确保QoS度量来实现保证；而尽最大努力性服务，QoS保证参数并不是一定要由网络明确的提供。
对于卫星通信系统来说，在进行OoS指标衡量时，所用到的参数包含时延、时延抖动、带宽、丢包率、可靠性。发送方将数据包发出之后，一段时间之后接收方才能接到，传输过程中花费的时间就是时延，当时延越大时，接收方接收到数据包的时间就越长，这对QoS的影响是比较大的；发送方和接收方在进行数据包的传输时，当时延产生变化时，就形成了抖动，当存在抖动时，就会影响收发缓存器的选择，进而导致重发等问题的发生，对传输的通透率造成严重的影响；发送方和接收方数据包的传输会具备一定的传输速率，持续的最大传输速率就是带宽，网络基本设备会对带宽产生一定的限制，同时，在同一条路径上，当共享的数据包越多时，带宽所受到的影响越大；数据包传输的过程中会产生丢包的现象，丢失的数据包与发送数据包总量之间的比值就是丢包率；卫星通信系统受到天气因素的影响非常小，因此，其可靠性并不会受到降雨等环境因素的影响，不过，系统的工作频带、功率电平等都会对可靠性产生影响，进而影响到卫星通信系统的QoS保证。
2 卫星通信系统协议体系结构
在当前的互联网中，采用的协议标准为TCP/IP协议，因此，卫星通信系统在进行协议体系结构的构建时，也应该以TCP/IP协议结构为基础，同时，结合自身的特点，科学的进行修改和扩充。具体说来，协议体系结构包含5个层次：应用层，主要的功能是进行各种业务的处理；传输层，主要的功能是进行控制，控制的对象有流量、拥塞等，保证数据包的正常传输；网络层，制定相应的路由策略；物理层，主要的功能是进行功率控制、定向天线等。在整个数据传输的过程中，通过各个层功能的发挥，促进数据包传输的实现，在传输的过程中，每个层都需要进行QoS保证，以便于保证QoS的质量，促进卫星通信系统的发展。
3 基于QoS保证的卫星通信系统关键技术
3.1 物理层传输技术
随着通信技术的发展，人们在进行数据传输时，逐渐提升了传输速度的要求。用户在利用卫星通信系统进行数据传输时，传输速度多由Ku波段和C波段来完成，不过随着人们要求的提升，这两个波段的传输速度已经无法满足要求，基于此，就需要在进行数据传输时，采用更高的波段。对此，卫星通信系统采用了信道编解码技术，即使在信道条件比较差时，所具备的传输速度依然比较高，由此一来，各种多媒体业务的QoS要求就能够很好地被满足。对于不同的宽带多媒体业务来说，其对传输质量的要求也是不相同的，为了很好地满足各种类型多媒体的要求，在进信道编码时，采用的为差错控制编码，这种编码的速度可以进行变化。
3.2 数据链路层接入技术
对于多媒体业务来说，其服务质量的保证需要通过无线通信系统的带宽来保证。对于数据链路层来说，QoS保证的基本条件是将带宽的利用效率提升，在进行带宽利用效率提升时，应用了无线资源管理技术，这便是一项关键的技术。在信道运行的过程中，天气对其产生的影响是比较大的，而无线资源管理策略的制定与信道运行有着一定的关联性，因此，在选择技术时，必须要充分地考虑天气的因素，从而有效地避免无线资源管理策略的制定受到影响，这样一来，在开展各项多媒体业务时，拥塞现象发生的可能性将会显著降低，最大限度地避免了数据传输过程中丢包现象的发生，降低了丢包率。用户在接入卫星通信网络中时，会具有一定的时延，为了将时延减小，同时，有效地提升系统容量，就需要利用高效的接入算法。
3.3 网络层路由技术
在卫星通信系统中，含有星间链路，当卫星间的连接处于相同的轨道上时，呈现出来的是静态的，而当处于不同的轨道上时，呈现出来的就是动态的，由此一来，卫星间的链路状态信息就会不断的变化。另外，卫星处于太空环境中，卫星链路受到背景噪声的影响，具备非常高的错码率，而且具备的时延也是非常大的，进而导致星上所具备的处理能力和存储能力都比较差，为了避免这些问题的存在，在网络层应用了路由技术，在适用卫星网络的基础上，制定完善的路由算法和路由协议。
3.4 移动性管理
卫星通信系统中的星地链路会发生切换，在切换的过程中，原有的接入点卫星不再起作用，系统需要重新地选择新的接入点卫星，同时，还需要重新计算网络拓扑以及网络路由。对于星地链路的切换来说，当切换策略比较科学时，就可以以非常快的速度将暂时中断的通信恢复，相反，当策略的科学性比较差时，恢复就会比较慢。基于此，就需要对切换策略进行有效的管理，一般以移动性管理为主，这样一来，在进行切换时，系统所受到的影响就会比较少，从而有效地实现了QoS保证。
4 结语
对于人们不断提升的网络质量要求来说，卫星通信系统在运行的过程中需要保证QoS。当前，卫星通信系统采用的协议标准为TCP/IP协议，在此基础上，结合卫星的特点进行改进，同时，通过相应关键技术的应用，有效地满足了QoS的要求，并且提升了资源的利用效率，促进了卫星通信系统的发展。
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