热备件平时与工作设备(主用设备)一起存放于地球站收发设备在线机柜中，与主用设备一同构成二备一工作模式，当主用设备出现故障时，只需通过设备面板本地控制或监控台远程控制进行主备切换，即可完成热备件的取用;对于离线的冷备件，系统采用以下取用策略:(1)系统某主用设备单元故障报警，通过本地控制/远程控制方式进行主备切换，恢复系统正常工作状态;(2)利用备件管理系统查询仓库中相应故障设备单元的完好备件余量，并打印显示完好备件存放位置和相关信息;(3)若有余量且备件性能检测系统中也有相应备件，则率先从备件性能检测系统中取出相应备件进行更换，恢复系统双机热备工作模式，同时从仓库中取出一个相应备件单元放入备件性能检测系统中，恢复备件性能检测系统的完整性，并记录更换信息;(4)若有余量但备件性能检测系统中无相应备件，则根据具体信息从相应库位中选择一个备件进行更换，恢复系统双机热备工作模式，并记录更换信息;(5)替换下的故障单元放入备件性能检测系统进一步确认故障状态和进行故障定位分析，然后做好标记，再存入专门的故障设备仓库中，同时进行故障单元的入库登记;(6)若无可用备件，则修改系统对应故障设备单元的热备件状态以及系统对应的该设备单元的双机热备工作状态，上报备件缺少情况，以便及时采购进行备件补充。
2备件性能检测系统
基于上述备件维护管理策略可知，要实现地球站收发设备备件的离线性能检测，拟设计构建备件性能检测系统，以对备件性能的长期稳定性进行测试与维护，使更换备件的上线成功率达100%，确保更换备件的可用性和可靠性，从而为卫星通信系统的连续稳定运行提供可靠保障。地球站收发设备的备件分为系统级备件和部件级备件，其中系统级备件是指具备集成为有线闭环测试系统条件的备件，部件级备件是指不具备集成为有线闭环测试系统条件的备件。依据收发设备的备件分类情况，可将备件性能检测系统分为系统级备件性能检测系统和部件级备件性能检测平台，组成框图如图1所示。
2．1系统级备件性能检测系统
备件性能检测系统是针对具备集成为有线闭环测试系统条件的备件进行测试的平台，其设计思想是:利用信息产生器及模拟转发器将地球站的发送链路和接收链路的部分零散备件集成为一个自发自收的有线闭环检测链路，用来完成系统级备件的加电测试，并通过监测环路时延值达到对备件的检查与维护，确保更换备件的可用性和可靠性。同时，可完成返修设备及新增设备的验收考核测试、新进人员的业务培训、模拟故障处理演练等任务，具体组成框图如图2所示。
2．2部件级备件性能检测平台
部件级备件性能检测平台是针对不具备集成为有线闭环测试系统条件的备件进行测试的平台，其设计思想是:利用信号源、频谱仪、矢量网络分析仪、逻辑分析仪、功率计等测试仪器对零散的部件级备件进行定期检测维护和指标测试，以确保部件级备件的可用性和可靠性。同时，可作为新购置备件的验收测试平台，具体组成框图如图3所示。
3备件管理系统
3．1备件管理系统的体系结构
对于地球站收发设备的备件设备的管理，传统的管理方法是直接将备件设备放入库房，需要时人工从繁杂的备件设备中查找需要更换的备件设备，费时费力且延误备件上线时间，降低了系统不间断运行的可靠性;并且在系统备件状态发生变化时，表格记录形式无法得到及时更新，容易造成管理上的混乱。因此，为提高备件的使用效率，解决备件分散和备件存取造成的管理混乱等问题，本文建立备件管理系统，通过构建备件信息数据库，设计实现备件出入库管理和备件档案管理流程，实现备件设备信息的科学管理，并为地球站装备管理和采购提供数据支持。备件管理系统的体系结构如图4所示。
3．2备件管理系统的功能模块
本文从系统实用性出发，对信号收发备件管理系统进行需求分析，将系统功能模块划分为基本信息管理、备件库存管理、备件计划管理、使用信息管理、查询统计管理、系统信息管理等几个部分。系统各模块的功能如下:(1)基本信息管理基本信息管理用来设置系统的基础数据信息，如用户信息、备件信息、备件供应商信息、仓库及库位信息等，以便为其它的管理模块提供一个统一规范的基础性数据，并且方便系统的维护。(2)备件库存管理备件库存管理是备件管理系统最为重要的管理模块之一，该模块涵盖了备件从入库到出库之间的全部业务流程，主要实现对备件入库管理、备件出库管理、备件档案管理、库存备件明细、库存备件汇总以及库存报警等的管理。(3)备件计划管理备件计划管理主要实现备件采购计划工作中的备件计划、备件需求统计等功能。(4)库房管理库房及存放柜管理是对备件存放的直接映射，通过库房信息以及备件存放位置的信息，方便快捷地将备件定位到库房存放柜中，解决了原始的纸面记录或无库存记录造成的弊端。(5)使用信息管理使用信息管理主要记录备件上机使用情况，为合理采购备件，提供了第一手资料。(6)查询统计管理查询统计管理可提供灵活多样且直观的查询统计方式，统计出的数据准确可靠，用户可以通过统计汇总出各个备件的库存、维修、使用等数据，为领导决策提供依据。(7)系统信息管理系统信息管理主要完成对信号收发备件管理系统的用户信息和用户密码修改的管理。
4结论
1.1信号采集天线对准某颗通信卫星（如中星6A）后，移动车载站上的卫星信标接收机会收到一定强度的卫星信标，信标值的大小用来衡量对星的准确度。信标机提供串行通信接口，通过串口服务器，将串行通信做协议转换为网络通信协议，再通过一根网线与交换机连接，最终与控制计算机进行数据交换。设备连线后，在计算机上要进行虚拟串口映射，即把串口服务器的串口映射到计算机上，映射成功后，就可以把这些虚拟串口作为计算机上的串口使用，解决计算机本身无串口的问题。载波的发射状态是通过改变调制解调器参数来实现的，控制载波发射状态实际上通过控制调制解调器的发射状态继而达到控制载波状态的目的。调制解调器提供网络接口，通过交换机最终与控制计算机进行数据交换。控制软件实时监视信标机和调制解调器的工作状态，以此作为发送控制指令的依据。
1.2信号处理通过监控软件完成，为了不占用更多的主线程资源，监控软件分别建立两个独立的线程CThreadBeacon信标机线程类和CThreadModem调制解调器线程类，通过这两个线程的通信处理载波的关闭与开启。当确定天线进入遮挡区后，CThreadBeacon信标机线程根据当前的信标强度和调制解调器载波发射的状态，发送打开或关闭载波的消息给CThreadModem线程。CThreadModem线程主要有两个作用，一是读取调制解调器当前的参数，明确设备的工作状态，二是负责接收由CThrea-dBeacon线程发送过来的消息，根据消息的具体内容，向调制解调器发送相应的控制指令。
车载站在载波发射的行进中，如遇到高大的货车或小面积的建筑遮挡瞬间遮挡时，这时关闭载波是不必要的，故在信标机线程中，设定当遮挡超过10s后发送关闭消息给调制解调器线程，进而关闭载波发射。同样在离开遮挡区超过5s后发送开启消息给调制解调器线程，进而开启载波发射。具体流程见图1“载波自动关闭流程图”。
2实现过程
软件以visualc++6.0作为开发编译环境，在基于对话框的应用程序界面中，运用多线程串口通信编程和SNMP网络编程方法，利用线程间通信机制，完成载波自动关闭功能。软件启动时，建立CThreadBeacon线程并启动运行，运用串口通信编程，在InitInstance函数中，初始化串口参数，线程中使用定时器，频率为300ms，按照通信协议格式，以查询方式读取信标强度，经过适当处理后，以浮点数显示在监控界面上，范围是0~10，根据浮点数的大小，来判定天线是否进入遮挡区，如当信标强度小于3时，确定天线进入遮挡区，再以PostThreadMessage的方式发送消息给CThrea-dModem线程。建立CThreadModem线程，运用SNMP网络编程，在In-itInstance函数中，初始化调制解调器SNMP相关参数，创建两消息响应函数OnGetParam_Modem用来获取设备当前状态，和OnSetParam_Modem用来接收由CThreadBeacon线程发送过来的消息，根据消息的附加参数和当前调制解调器的状态，确定发送关闭或开启载波的指令。
3结语
一、Ibetor公司X波段终端
2014年2月28日，西班牙Ibetor公司在华盛顿哥伦比亚特区2014卫星展上推出了新型的X波段Ib-Stom100X终端，其特点就是低矮不易探测。由于该终端高度只有20cm，该天线系统实现空气动力的高效能和自由调整(discretion)，同时还能在极端地形情况下高效可靠连通。Ib-Stom100X专为舰船、飞机和地面车辆设计，加入了Ibetor公司设计的天线控制单元（ACU），包括惯性单元（IMU）、同千赫兹双GPS接收器、三轴陀螺仪、加速计和磁力计。通过这种组合，该系统号称指向精度提高0.3!，能在移动车辆上获取卫星信号并能“瞬时”再次找回。能做到这一点，部分原因是由于该系统使用的软件程序始终让机械扫描天线指向卫星位置，即使信号受到遮挡仍旧如此。其关键参数为瞬间频率500MHz、G/T比7.5dB/K以及波束中心上行速率高达8Mb/s。依据不同配置，其重量从75～85kg不等。根据Ibetor公司的信息，该系统已在西班牙军队服役。Indra公司西班牙的Indra公司提供了备选方案，它的Sotm解决方案运行在X和Ku波段上，使用低矮天线，并集成惯性导航。通过IP电台和骨干能力，该系统的卫星通信可为旅、营一级的巡逻部队提供服务。该系统经过专门设计，可用于任何车辆，甚至可用于小型船只。另外，其可选方案还包括Ku波段扩展频率（13.75～14.5GHz）、加密、运行时间20min的不间断电源，还可载有发电机，能够提供10h电力供应。吉拉特卫星网络公司就在Ibetor公司推出低矮天线终端之后，以色列吉拉特卫星网络公司（Gilat）也紧随其后，于2014年3月11日推出了“低矮光线卫星隐形光线（RaySatStealthRay）300X-M”。该系统经过专门设计，可与任何X波段卫星配套使用，可用于全球宽带卫星通信系统（WGS）以及崎岖道路行驶的车辆。它集成了多种动作传感器，可以进行准确跟踪、在最短时间获取信号以及能够“瞬间”再次找回信号。该系统经过设计，可以轻易装到未经改装的车辆上。它包含一个外置天线，长55.6cm、宽49cm、高25cm、重15kg。另外，它还有内置天线控制单元（ACU），重4.5kg。但是，由于它可以和集成MLT-1000调制解调器一起使用，故不必安装天线控制单元。吉拉特公司新产品的G/T比为2dB/K，传输和接收增益分别是23和25dBi，其接收频率为7.25～7.75GHz，传输频率为7.9!8.4GHz。SR300系列还包括用于Ku波段和Ka波段的低矮天线。
二、DRS技术公司X46-V认证
2013年5月，随着DRS技术公司的X46-V终端获得认证，允许用于美国国防部高性能卫星网络，该公司已能提供X-波段，为更多的偏远、分散的军事单位提供接入全球信息网络（GIG）。该认证由美国国防部联合卫星通信工程中心和美国陆军战略司令部颁发，从而允许X46-V用户接入全球宽带卫星通信系统（WGS），其语音、数据和视频传输速率高达6Mb/s。除了美国部队，澳大利亚、加大那、丹麦、卢森堡、荷兰以及新西兰军队都可以使用该系统卫星。另外，由于可以运行K-y以及Ka波段，该系统能为其它商业和军事卫星提供更大灵活性和冗余能力。该公司还于2013年8月27日宣布，其L-3Linkabit可以提供系列移动卫星通信终端，刚刚升级了Alsat永久移动地球站许可证，可以在美国境内以及其它商业航空器上使用其Ku波段终端。该证书允许的终端包括L-3DatronFSS-4180-LP（0.33×0.46m）、FSS-4180-LC小型孔径天线（圆周长0.46m），还包括LinkabitMPM-1000网络中心IP卫星通信调制解调器。美国陆军的“战术级作战人员信息网”（WIN-T）以及美国海军陆战队的“移动网络”中都采用了L-3终端。
三、全球移动网络主动布局系统
Elexis公司宣布，在成功将全球移动网络主动布局系统（Gnomad）集成到“斯特赖克”装甲车辆之后，公司又将这一经受战斗考验的系统扩展到另一美军的重要平台，并在美国乔治亚州本宁堡的美国陆军第7远征作战试验部队完成安装。全球移动网络主动布局系统易于安装，并且不需要对现有车辆进行改造。该系统包括卫星天线、RF组件以及几代模块底盘，使其可以安装在美国军用产品目录内以及商业用等车辆上，比如“悍马”等。该低矮型天线尺寸为45×35×7in（合114.3×88.9×17.78cm），重量不到25kg，可用于商业和军事卫星。由于采用开放式架构，该系统可以和许多视线内电台以及卫星调制解调器共用，并通过解调器实现全双向语音、数据和视频通信。通过和超高频或甚高频电台配合，比如和“单信道地面及机载无线电系统”(Sincgars)以及嵌入式GPS共用，该系统能够在运行图像中直接嵌入跟踪蓝军数据。该系统传送频率为14.0～14.5GHz、接收频率为17.7GHz或11.7～12.75GHz，速率分别高达512kb/s和2Mb/s。在30°仰角、23℃情况下，G/T值最低为8dB/k。罗克韦尔•柯林斯公司罗克韦尔•柯林斯瑞典通信技术公司的终端和萨博公司的四轴稳定平台结合，从而产生了一种新型的移动卫星通信终端，既可适用崎岖路面也可用于海上。它可以安装到轻型越野车辆和小型船只上，也可以安装在指挥所车辆和中型滨海船只上。这些应用由于速度快、颠簸剧烈、移动幅度大，建立和保持卫星连接非常困难。但是，该系统可以轻易解决这些问题，在高海况下时速高达50节以及崎岖地形下速度超过40km/h，它都能在1s内自动恢复丢失的连接，同时宽带通信速率可达10Mb/s。该系统全重约140kg，在20°仰角、11.0GHz情况下，G/T值为19dB/K。
四、泰利斯公司
本天线伺服系统采用高性能DSP+FPGA架构作为系统控制核心，因DSP具备指令周期短、运算精度高等特点，因此选用高性能DSP芯片TMS320F28335完成天线控制与位置解算功能，从而满足控制系统的时效性和精确性；又因FPGA具备逻辑单元丰富、集成度高以及工作稳定可靠等特点，因此选用XC2S300E⁃6PQG208I型FPGA实现DSP外设接口的扩展，即在单片XC2S300E⁃6PQG208I上完成操控输入及显示、数据采集、滤波及控制算法处理，并输出PWM信号进行电机调速控制，从而满足天线伺服系统中多电机、多编码器、多通信接口以及系统操控界面接口的需要。伺服控制单元框图如图3所示。由图3可以看出，系统要实现的控制功能比较复杂，主要体现在：天线姿态、天线地理位置的解算，主天线方位、俯仰角度的闭环运动控制，馈源极化角度的闭环运动控制，卫星位置的存储，系统限位开关的采集与安全保护单元的联锁设计，显示接口与界面的设计，操控面板的设计等。由图3还可以看出，系统所有外设接口均通过FPGA进行扩展，并采用了光隔，确保控制单元运行的稳定性和可靠性。
2电机的选型及计算
2.1主天线电机选型及计算
2.1.1天线转台加/减速时所需要的力矩式中：W为天线直径；L为天线宽度方向到回转轴的距离；I为天线相对于转轴的转动惯量；m为天线的总质量；θ为天线倾角。
2.1.2转台在风载荷下产生的颠覆力矩（按照天线迎风面最大算）风载荷（20m/s）作用于雷达的最大作用力：式中：ρ为空气质量密度（取1.2kg/m）；υ为平均风速（20m/s）；Cx为风力矩系数（取1.2）；A为天线风阻反射面积（πR2θ）。考虑到交流伺服电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定等特点，选择韩国麦克彼恩交流伺服电机作为主天线方位和俯仰驱动电机，电机参数如表1所示。
2.2极化电机选型及计算极化电机主要用来驱动馈源极化轴。本天线系统采用波纹喇叭作为馈源，重量轻，约5kg左右，且极化轴对速度要求严格；而步进电机转动角度精确，转角和转速不受电压波动和负载变化影响，能实现快速启动、停止、反转和改变转速，因此选型为步进伺服电机，其参数如表2所示。
3卫星通信伺服控制算法
为了实现天线高精度指向卫星，本天线伺服系统采用了粗精对准相结合的方式进行对星，即先利用预设的卫星位置计算出天线理论指向角，实现天线的粗对准；再通过监测信标接收机输出的AGC电平信号强度，实现天线的精对准。
3.1天线粗对准控制算法天线粗对准控制算法即天线理论指向角的计算，这包括天线俯仰角E、天线方位角A和馈源极化角P的计算。设天线所处地理位置的经度为φ1，纬度为θ，静止卫星所在经度为φ2，经度差φ=|φ|1-φ2，可计算出天线方位角A、天线俯仰角E和馈源极化角P。计算公式为。在天线粗对准过程中，将目标卫星的轨道信息（卫星的在轨经度）输入伺服控制单元，利用GPS接收机测得天线所在地的经纬度信息。伺服控制单元进行姿态解算后得到天线对准目标卫星所需要的方位角、俯仰角和极化角，然后驱动各电机运动以实现对卫星的搜索。在对星的过程中同时要利用姿态传感器不断检测天线波束的实际指向信息，得出天线实际角度和理论角度的差值，伺服控制单元根据这些差值驱动天线的方位、俯仰和极化方向的电机不断转动，通过不断地比较，驱动天线最终指向卫星。在天线转动的同时还要不断采集信标接收机输出的AGC电平值的大小，该值也作为一个反馈信号反馈至伺服控制单元，判断该值与预设电平门限值的大小。当采样的电平值大于该门限值后，结束粗对准状态，进入精对准状态；否则，则需继续转动天线进行对准。
3.2天线精对准控制算法天线完成了粗对准后，天线进入能收到信号的范围，但是收到的信号强度较弱，距离信号最强指向还有一定的角度差。为了使信号接收效果达到最佳，需进行天线精对准。在这一阶段，需在粗对准后的位置附近结合信标接收机的输出电平AGC的大小变化做微动精确跟踪，最终找到信号最强（AGC电平值最大）的位置作为对准卫星的目标位置。天线精对准控制算法图如图4所示。
4好结语
[关键词]卫星通信 信息安全 跨学科 教学方法
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2013）20-0042-05
随着信息技术的迅猛发展，信息安全领域对于保障我国政治安全、军事安全、国家基础设施安全和社会稳定等全局性影响的极端重要性日益凸显。尤其是在军事领域，战争的重心已明显向信息领域转移，作战的重心也转移到了制信息权的争夺上。现代战场空间被立体分布、纵横交错的信息网络所笼罩，各种作战要素被以计算机和通信技术为基础的信息网络连接成一个有机的整体。为适应我国社会信息化建设在新时代面临的新要求，尽快建设并形成网络信息安全保障体系刻不容缓，教育部设立了信息安全专业。由于起步晚、信息基础薄弱，我国信息安全存在不少突出问题，其中之一就是信息安全专业人才严重匮乏，其根本原因是信息安全人才教育与培养制度的不完善。信息安全是信息工作稳定可靠的重要保障，涉及计算机、通信、数学、物理、法律、管理等多个领域的专业知识，需要进行专门人才的教育与培训。目前我国主要采用高等院校设置专业课程的方式来进行信息安全教育，并且信息安全专业教育教学与其他学科信息安全教学严重脱节，形成了信息安全专业学生对所学知识“无用武之地”和其他理工类专业学生对信息安全知识“无所谓”的尴尬局面。
本文在分析我国信息安全专业与通信工程专业现状的基础上，首先探讨了我国信息安全专业课程体系，分析了信息安全“跨学科”教学在各理工类专业中的重要性。然后以卫星通信课程为例，研究了为卫星通信课程中实现跨学科信息安全教学的方法和手段。最后对跨学科信息安全教学提出了一些建议，探讨信息安全专业教育与其他理工专业教育“互为支撑、相互促进”的教育教学新方法。
一、我国理工类高等院校信息安全专业建设
（一） 信息安全专业建设
我国信息安全本科专业设置始于2001年，党中央、国务院高度关注我国信息安全专业建设，教育部为此下发了教育部教高[2005年]7号文件， 对加强信息安全学科专业建设提出了指导意见。目前，我国高校、科研机构的信息安全专业建设发展迅速。截至 2011 年底，全国在已有的 70 余所高校所建立的信息安全及相关类本科专业的基础上，在 25 所高校和研究所中设立了信息安全二级学科博士点，在各大学和研究所建立了部级和省部级的信息安全相关的重点实验室与工程中心。不少信息安全研究单位和企业与高校开展了多层次的合作，直接或间接地参与到信息安全人才的培养中来。另外，为促进高校形成自己的特色与品牌，面向社会需求培养，强化实践教学，“十一五”期间，全国已有包括武汉大学、清华大学等在内的 16 所高校获得教育部批准建设的部级信息安全特色专业或方向。近几年， 武汉大学计算机学院和北京电子科技学院都增设了信息安全本科专业；有些院校和科研机构也已开设相关专业，培养专门人才。这类教育与培训较为系统和体系化，主要针对在校学生和专业进修人员进行。
另外，许多高校根据自身的特点分别将信息安全设置在不同的一级学科中。实际上，信息安全专业所涉及的领域相当广泛，尤其是理工类高等院校完全可以根据自身的传统优势学科发展相应的信息安全研究方向， 自主设立相应的学科点，并且通过学科建设带动本科专业的建设，使其对学科发展形成支撑作用。例如西安电子科技大学根据本校的特色，在信息与通信工程一级学科下自主设立了信息安全二级学科，从通信与密码学外延培养通信保密和信息安全的专业人才， 取得了良好的效果。国防科技大学、信息工程大学等军事高等院校依托其理工特色，也根据现有的各类专业（数学、物理、计算机、通信、电子对抗等）外延，培养不同特色的信息安全领域的人才。
（二）信息安全课程体系建设
由于信息安全具有多学科交叉、理论与实践结合和涉及国家安全等特殊性，它是计算机、通信、微电子、数学、物理、法律、管理、教育等多学科交叉的产物。而信息安全专业有着系统的知识体系，同时包含密码理论与技术、安全协议理论与技术、信息对抗理论与技术、网络与系统安全等诸多研究方向，每个方向都有配套的培养方案，侧重点不同。信息安全专业学生既要系统地学习信息安全专业知识，又要与自己的专业方向相结合。由于国内的信息安全专业作为二级学科开设在不同的一级学科之间，因此课程设置差别很大。在全国数百所理工类高等院校中，各高校依据其办学思路和本校特点，其信息安全专业的定位不同，这决定了其课程体系设计差别很大。如“数字信号处理”、“编码理论基础”、“随机信号分析”、“通信原理”、“信息网络基础”等课程使得信息安全专业培养更倾向于密码学和通信安全；而“计算机网络”、“软件工程”、“操作系统”、“数据库原理”等课程则将信息安全专业培养定位于计算机科学与技术专业之上。综合来看，主要有以下几种情况：
1.信息安全专业置于数学系，以密码学作为教学重点。
2.信息安全专业置于通信系，以通信安全作为教学重点。
3.信息安全专业置于计算机系，以计算机网络安全与系统安全为教学重点。
4.信息安全专业置于商学系，以电子商务安全作为教学重点。
课程体系基本上包含理论与技术两个方面。在理论课程方面，一般包括初等数论、计算数论、密码学、信息论、计算机体系结构、计算机网络、协议形式化分析等内容；在技术课程方面，一般包括网络安全与对抗、计算机恶意程序防范、计算机与通信网络设计等内容。现代信息安全行业的深远发展已经奠定了信息安全及其管理在信息安全教育与培训中的地位，但目前还存在信息安全管理欠缺、信息安全专业“封闭性”较强、其他理工类专业信息安全教学意识淡薄等问题，其核心问题是没有充分理解与利用信息安全的“跨学科”内涵，这一点在理工类研究生教育中体现得尤其突出。因此，我国教育科研机构尤其是理工类高等院校必须深入开展信息安全学科内涵的研究，从专业建设和课程体系建设上下真功夫，不断整合已有的理工类教学科研资源，从而推动我国信息安全教育不断向前发展。
二、卫星通信中的跨学科信息安全教学
本节将在分析目前卫星通信课程内容的基础上，以卫星通信中的信息安全教学为例，探讨进行跨学科信息安全教学的方法与手段。
（一）卫星通信课程体系
卫星通信结合了通信技术、计算机技术和航空航天技术等多种通信手段，是大部分理工类高等院校信息与通信工程专业的必修课程，是通信、电子、信息类专业中具有举足轻重地位的交叉学科。 因此，卫星通信课程涵盖的知识面相当广泛，从物理学科的开普勒三定律到数学的几何运算，从卫星的发射控制技术到卫星与地球站之间的无线通信技术，涉及的内容非常多。而卫星通信课程属于专业课程，课时量一般为32-50学时。目前，我国大多数高等院校通信工程专业的卫星通信教学课程大致分为七个部分：卫星通信概述，通信卫星技术，卫星通信地球站，多址方式与分配制度，卫星通信链路分析，卫星通信系统与卫星通信网络。教学目标与大纲一般设定为：使学生掌握现代卫星通信的基本概念和原理以及主要技术，洞悉卫星通信技术的最新动态及发展前景，加深对卫星通信系统的认识，从而使学生有较好的素质适应无线通信技术快速发展的趋势。以课程讲授阶段划分，课程组成如图1所示，主要包括卫星通信概论、卫星通信系统、信号传输技术、典型的卫星通信网介绍等。
可以看出，目前的卫星通信课程体系存在内容多、系统性强，结合实际应用较多的特点，但并未涉及信息安全内容，而卫星通信的协议及数据安全始终是卫星测控系统与通信系统设计中最重要的问题之一，同时也是卫星测控任务实施过程中的关键性问题。电子侦察和电子对抗手段的发展对依靠机要手段保障空间数据系统安全的传统方法形成了严重的威胁。信息安全知识讲授的匮乏造成了通信工程专业学生在信息安全方面的专业知识缺失。另一方面，信息安全专业学生的课程学多以地面有线和无线网络为背景，对于卫星通信中的信息安全教学并未涉及，而地面网络与卫星通信网络环境的极大差异又造成其已掌握的信息安全知识无法直接运用到某些具体工程实践问题上，这对于军队理工类高等院校等涉及国家基础设施安全保障任务的高等院校来说是一个亟需解决的问题，并且该问题在信息与通信工程专业研究生教育上体现得更加突出。
实际上，在单纯的课堂理论讲授之外，应花大力气研究如何提高卫星通信课程的教学质量，使学生在理解掌握卫星通信基本原理的同时，能够学以致用地解决工程实践问题。
（二）加强意识教育，使学生了解卫星通信中信息安全的重要性
首先要让通信工程专业的学生了解信息安全在卫星通信中的重要性。卫星通信的安全性是任何空间任务都不能忽视的问题，特别是目前分包系统和交互支持应用广泛的现代空间信息体系，由于空间链路的开放性，航天任务期间存在着各种形式的对空间数据系统安全的威胁。第三方可以通过技术手段截获所发送的通信信号，窃取并解译信息内容，并通过伪造信息对正常工作的卫星进行攻击破坏，从而达到破坏信息、数据或资源，泄露秘密信息，中断系统的正常业务的目的。在这种情况下，卫星通信乃至空间数据系统的安全就出现了前所未有的需求；面对高技术手段形成的电子侦察和对抗环境，对数据保护技术的要求也达到了前所未有的程度。空间信息传输的安全主要由通信节点和通信链路的安全来保障，而通信链路的安全主要由通信协议的安全来保障。
如上，通过分析卫星通信系统在目前高技术条件下所面临的安全威胁，使学生充分掌握课程讲授的目的。可以通过引入信息安全理论中的安全威胁建模与卫星通信系统遭受信息攻击案例等多种形式增强教学的趣味性，以提高学生的兴趣。
（三）结合卫星通信环境，使学生掌握卫星通信中信息安全的知识点
在具体教学实践过程中，要掌握因材施教的原则，针对信息安全专业与通信工程专业学生，授课内容重点有所不同，重点结合卫星通信环境，使通信工程专业学生掌握需要学习的信息安全知识点，使信息安全专业学生掌握其所学的信息安全知识在具体卫星通信工程实践中应用的方式方法。其根本在于，空间信息链路的特点决定了其安全增强方式与传统的地面网络安全机制之间的不同。主要表现在以下几个方面：
1.由传输距离远而引起的长传播时延以及上下行链路的高度不对称，导致了卫星链路遭受攻击的反应时间增加。
2.信息传输误码率高，信息传输过程几乎全部需要利用卫星链路，恶劣的空间辐射环境以及敌方的电磁干扰、电磁攻击，会导致信息误码率升高，而高误码率会对加密数据的正确性产生更大的影响，密码学算法的错误扩散影响范围急剧扩大，增加数据重传的概率。
3.卫星通信资源异常宝贵，传统的认证、加密及访问控制机制会大大消耗有限的卫星链路资源，应在实现安全控制的同时要避免浪费通信资源。
4.卫星的计算资源、存储容量及处理能力受限，使得采用的安全机制必须高效，以处理效率和安全为双重目标；并且，由于空间环境的电磁辐射引起的单事件翻转（SEU）会导致安全模块计算错误，同样加剧了错误扩散的程度。
5.卫星信道状态的不可预测性决定了在空间链路上实施入侵检测的难度较高、较为复杂。
通过如上分析，让不同专业学生了解到自己目前所掌握知识的差距，从而提升通信工程专业学生掌握信息安全与对抗知识的兴趣，也能够培养信息安全专业学生“学有所用”的自信。
（四） 跟踪科研发展成果，设计卫星通信信息安全教学内容
针对卫星通信协议所面临的安全威胁，基于卫星链路复杂性、异构性、高动态性、长延迟等特点，可从物理层的信息理论安全和链路层/网络层的计算安全两个方面研究空间通信协议的安全增强和数据保护技术，主要包含基于计算安全理论的数据安全保护和基于信息理论安全的物理层安全两大教学内容。由于卫星通信技术发展速度快，因此要紧跟最新科研成果，动态调整设计卫星通信信息安全教学内容。
1.基于计算理论安全的CCSDS链路协议数据保护。依据最新的CCSDS国际标准，重点讲授CCSDS空间数据链路协议保护的加密与认证技术。在讲授过程中，根据信息安全专业学生的密码学知识储备与通信工程专业学生的通信原理知识储备，减少理论授课内容，因材施教。结合卫星信道的高误码率等链路特点，讲授信息安全技术对链路协议的吞吐量效率、等待延迟等传输性能造成的影响。要让信息安全专业学生理解，安全机制实施的位置、采用的密码学算法和协议的执行过程之间存在错综复杂的联系。在原有卫星通信系统上添加安全机制，从可靠性角度来看无疑是增加了一个可能给系统可靠性带来不利影响的额外环节。可让学生在教学环节展开深入讨论，让信息安全专业学生和通信工程专业学生深入交流，从不同专业背景出发，讨论卫星通信系统中需要的数据保护技术具有哪些特点，受到哪些限制，与传统地面网络存在何种不同。
由于涉及的密码学知识较多，基于计算理论安全的卫星通信数据保护技术适宜在信息安全专业进行课程教学。
2.基于信息理论安全的物理层安全机制。首先，要让学生了解课程教学目的。由于空间链路中存在被动窃听的可能性，如果通信双方完全通过在经典信道上传输信息，则在双方之间建立保密的密钥是不可能的。其次，随着技术的不断发展，计算机的计算速度呈级数增长，量子计算机的即将出现更是威胁着计算密码的安全性，要满足空间链路的信息机密性需求就必须构建更科学更完善的密码体制。然后，引入信息理论安全的概念。信息理论安全结合了信息论与密码技术，其基本原理是利用信道传输的随机性，保证无线网络中恶意窃听的第三方不能对信息进行正确译码。在卫星通信链路的物理层采用基于信息理论安全的安全机制，星地通信双方不需要共享加密密钥，不需要复杂的加密解密算法，利用信道特性、编码、调制等一系列通信机制建立来建立安全的通信模型。
在具体教学实践过程中，要以Shannon信息论意义上的安全通信系统模型为基础，结合卫星通信信道存在着多径效应、阴影效应、多普勒频移和电离层闪烁等特征，重点讲授多径衰落等自然因素对信道安全容量和安全通信速率的影响，使学生掌握多径衰落环境下的信息理论安全模型。让学生了解通过多径衰落的阴影效应和多普勒效应的影响来加大窃听方对信息不确定性的方法，并学习利用多径衰落的相关系数之间的内在关系掌握基于信息理论安全的密钥生成算法等。由于涉及的信息论与通信原理知识较多，基于信息理论安全的物理层安全机制适宜在通信工程专业进行课程教学。
三、加强理工类高等院校跨学科信息安全教育的几点建议
根据上述分析，本文就如何加强理工类高等院校跨学科信息安全教育提出以下四点建议。
（一）因材施教，进行信息安全学科内部跨学科“二次教育”
信息安全专业研究生大多来自计算机、通信与数学等各个专业，其在本科阶段的知识背景、知识结构都较为不同。针对这种情况，应充分利用学生知识结构，找准切入点，选择适合来自不同专业学生的研究方向，使他们既能获得全面系统的信息安全专业知识又能发挥他们所长，因材施教进行“二次教育”。具体来说，针对来自计算机、通信等工程类专业的学生，利用其在互联网技术、通信技术以及计算机软硬件等方面的知识储备优势，重点加强其在信息安全理论知识方面的教育培养，指导学生阅读学习密码学与安全协议相关理论知识的经典教材或经典论文，培养其信息安全理论学习兴趣 。相应地，针对来自数学等理论性较强专业的学生，由于其已经具备了扎实的理论基础与理论学习方法，故应提高计算机、通信网和程序开发等方面的工程实践能力，弥补相应知识与能力的欠缺。
（二）与时俱进，有机结合系统工程知识与理论基础知识
对于信息对抗与网络系统安全等侧重于工程技术的研究方向，在打牢信息安全理论知识基础的同时，应加强工程实践教育，使教学工作融合于科研项目的研究开发过程中，让学生能够更加生动具体地理解专业知识并加以掌握。要不断总结经验，根据不断变化的本学科发展情况和学生的综合素质改进培养方案，根据最新的科研成果改进系统教材，做到研究生教育与项目科研与时俱进、研究方案与教学教材紧密结合、工程研发培训与信息安全理论教学跨学科并进，从而促使研究生培养水平不断提高。
（三）融会贯通，加强其他理工类专业信息安全“跨学科”教育
对于其他理工类专业，如自动控制类专业、物理类专业、化工类专业、航空航天类专业等涉及国家基础设施安全的专业学生来说，首先要加强其对信息理论知识重要性及理解程度，要求其重视本专业学科中信息安全问题的重要性；其次是在课程体系建设方面，适当增加信息安全在本专业应用方面的课程。例如在飞行器设计专业方面，要加强学生对行器通信安全重要性的理解，掌握飞行器通信安全在飞行器设计中的方法与要求；在电力系统专业方面，要求学生在设计电力网络的同时，要能够充分考虑电力网的安全性。总而言之，要理工类各专业学生在扎实掌握本专业基础知识的同时，具备一种包含信息安全在内的“大局观”，融会贯通地掌握体系知识与体系设计能力，全面提升专业素质能力。
（四）丰富形式，利用多种手段加强信息安全专业与其他专业的“跨学科”交流
除正规课程之外，信息安全教育还可以通过其它形式多样的跨学科教育活动来进行。许多高校都开设有“计算机文化节”之类的课外教学活动，信息安全可以作为这些活动中的重要组成部分，比如举行信息安全知识竞赛，计算机渗透技术大比拼等。另外，小型报告会、问卷调查、技术讲座等都可以作为信息安全教育的方式。总之，通过形式多样的教育活动，使信息安全专业学生充分了解所学知识与技术的“用武之地”与“用武之法”；使其他理工类专业学生了解信息安全的重要性，掌握基本的信息安全技术，增强其专业知识体系的全面性及其大局观，为实现信息安全管理、解决信息安全问题奠定坚实的教学基础。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 唐成华，钟艳如，王鑫，王勇，张瑞霞.信息安全专业发展现状及促进对策[J].计算机教育，2013，（7）：66-73.
[2] 融燕，侯思齐等.中美信息安全教育与培训比较研究[J].北京电子科技学院学学报，2009，（1）：27-31.
[3] 李晖，马建峰. 结合学校特色加强信息安全专业建设的几点体会[J].北京电子科技学院学报，2006，（1）：3-4.
[4] 王丽娜等.卫星通信系统[M].北京：国防工业出版社，2006.
[5] 吕海寰等.卫星通信系统（修订本）第二版[M].北京：人民邮电出版社，2003.
[6] 张晖.“卫星通信”课程本科教学的实践与探索[J].科技信息，2009，（31）：169.
[7] 魏东兴，徐红，邢慧玲.自动化专业开设通信技术课程的尝试[J].电气电子教学学报，2004，（4）：46-48.
[8] C. E. Shannon， “Communication theory of secrecy systems，” Bell Syst. Tech. J.， vol. 28：656715.
[关键词]自适应传输系统技术；卫星；应用
中图分类号：TN927.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）15-0322-01
随着互联网技术的普及与发展，宽带多媒体业务的发展与此同时进入了一个新的阶段，因此对于卫星系统的研究越来越引人关注，大多数的卫星系统工作于3GHz波段，然而，在这个波段上，卫星信道中因降雨导致的问题极其严重。为解决这种问题，卫星自适应传输的研究已成为新的热点，本文主要针对卫星自适应传输中的关键技术进行了研究，包括：系统容量分析，编码调制方式选择以及卫星多波束功率分配技术。并且文章展望了卫星自适应传输系统中的新技术。
1. 卫星自适应传输中的关键技术
本文研究了卫星自适应传输系统中的关键技术，我们这里通过理论容量限、离散调制方式、离散编码调制方式三个角度进行对频谱效率的分析，使卫星自适应传输系统有了理论参考，然后，对卫星信道中降雨导致的问题进行数据统计分析，在此基础上提出了一种有效的调制方式选择算法，而且还提出了一种多波束功率分配动态算法，这种动态算法是基于PSO算法之上。利用这种新的算法可以对卫星天线的多波束功率进行动态的分配操作。从而使整个系统的频谱效率达到最优，根据我们模拟的计算机仿真技术的结果显示，通过这种方法获得的频谱效率将为传统固定功率分配算法的两倍。
1.1系统容量分析技术
对卫星自适应传输系统的信道容量的研究分析，应当从理论容量限、离散调制方式、离散编码调制方式三个方面进行对信道容量的分析。根据对卫星信道中降雨导致的问题进行统计分析，基于统计概率最大原则和基于相对频谱效率损失最小原则的分析，提出了新的编码调制方式选择算法，这种算法可以使卫星自适应传输系统获得较高的系统容量利用较少的编码调制方式。由于考虑到多波束多用户的卫星信道特性和功率分配的公平性原则，通过运用粒子群优化算法对卫星天线多波束的功率进行优化分配，从而使卫星自适应通信系统的信道容量达到最大化。
1.2编码调制方式选择技术
编码调制方式选择技术是一种无线收发模块，主要应用于传感器节点间的数据传输，为了解决无线通信中载波频段选择、信号的调制方式以及数据之间的传输速度等等，编码调制方式选择技术与一般的通信技术很相似，与节点硬件平台有联系的主要是链路层与物理层（数据通信协议包括：链路层、网络层、应用层、物理层）。编码调制方式选择技术在卫星自适应的传输中可以进行数据的传输，从而使卫星信号传输到我们的生活中，帮助我们解决一些生活中的难题。
1.3多波束卫星天线技术
多波束天线不仅可以利用自身的特点覆盖地面上一定的区域，并且人们又可以根据在日常工作中的需要调整多波束的形状，这样一来，多波束天线技术就可以充分利用有限的频谱资源，与此同时可以使设备站的土地面积缩小。基于多波束天线的这些优点，因此在很多的方面都利用了这种技术，尤其是在卫星的研究发射上。随着多波束卫星技术的发展，新的多波束卫星天线技术在解决卫星信道中降雨导致的问题中发挥了强大的作用，尽管，我们研究了很多针对于卫星信道传输的技术，但是多波束卫星天线技术是一种很好的解决卫星抗雨衰的技术，并且多波束卫星天线技术将被用于下一代卫星自适应传输系统之中，基于一种粒子群优化的多波束动态功率分配算法，根据卫星信道降雨导致问题的时变情况，利用动态的技术，调整卫星波束的发射速度，从而使多波束卫星通信系统达到最大化的容量。
2.卫星自适应传输系统中的新技术
2.1无线电技术
由于现在紧缺的无线频谱资源，在很久以前一位博士曾经提出了无线电的意义 ，近年来，无线电的研究越来越受人关注，已经成为一项新的研究热点，经研究发现，这一技术的应用将有效提高无线频谱的使用效率，有利于卫星技术的发展，无线电技术的成熟可以在卫星通信技术中发挥巨大的作用，随着人类对其研究的脚步进一步加快，无线电技术，将会成为卫星自适应传输技术中的又一代新的技术。
2.2多输入多输出技术
现在，多输入多输出技术在卫星通信中已经得到应用，并且很多的学者认为这种技术的应用将会给人类带来巨大的收益，带动卫星技术的新发展，多输入多输出技术，它具有多种特点，首先它拥有抗多径、分集增高的特点，其次，这种技术的频谱利用效率高于其他的技术，从而成为它被广泛运用的最大特点。为使“多输入多输出”技术在卫星自适应传输系统中得到充分的应用，我们在今后的研究中应该针对不同场景下的多输入多输出技术进行研究，使其发展成熟。
2.3数字预失真技术
随着宽带技术的发展，卫星通信系统对其调制方式高阶数的要求变得更高，但是高阶的调制方式会失真当它经过高功率放大器时，然而传统的回退方法不利于卫星通信传输，容易导致传输效率低下，所以，我们需要研制一种根据放大器的特性对信号进行预失真处理的技术，从而提高功放效率，由于我们已经对卫星调制技术有了一些基础的研究，因此，我们可以利用先前的资源，在以往的基础之上对卫星系统中的数字预失真技术进行研究。
3.结语
卫星自适应传输技术多种多样，每一种技术都拥有自身的特点，随着现代科学技术的进步与发展，科技不断的创新，卫星自适应传输技术也在发生着巨大的变化，给人类的生活带来了很大的影响，本文主要研究了卫星自适应传输中的关键的几项技术，首先为，系统容量分析技术，其次是，编码调制方式选择技术，最后为，卫星多波束功率分配技术。通过对这些技术的分析我们又提出了一些新的技术，虽然这些技术在卫星自适应传输系统中应用尚未成熟，但是随着科学技术的发展，这些技术将会在卫星通信中发挥重要的作用。
参考文献
[1] 陈烈，郭庆，贾敏等.基于循环前缀的多普勒频移算法及其改进算法研究[J].现代电子技术，2016，39（1）：1-5
关键词: 卫星通信; 多输入多输出; 射线追踪; 模型仿真
中图分类号:TP9115 文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)13-0076-03
Characteristics of Satellite Communication MIMO Channel Model Based on Ray-tracing
LI Yun-long, GAO Xiao-feng
(Modern Education Technology and Information Center, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China)
Abstract:It is difficult to research the channel of satellite communication, and the traditional method has obvious defects. In the future, the MIMO diversity technology will be used in satellite communication system, what will add the difficulty of the research on satellite communication system. Recently, the research on satellite communication channel by using the ray-tracing with its development is realized. The satellite communication MIMO channel model based on ray-tracing techniques in urban environments was setup, the performances of spatial diversity and polarization diversity were simulated and analyzed. The results show that satellite communication MIMO channel model based on ray-tracing technique can improve the channel capacity efficiently.
Keywords:satellite communication; MIMO; ray-tracing; model simulation
0 引 言
卫星通信系统的可靠性很大程度上取决于电波传播因素,卫星至移动终端的通信链路工作在较窄的信号范围内,地形和树木的遮蔽衰减以及由反射信号引起的多径衰落都会大大降低通信质量,甚至造成通信中断。因此,不管是在军用还是在民用环境下,卫星通信信道[1]的建模是一个必须研究和解决的首要问题。
由于地面移动终端所处的环境复杂且不断变化,使星地之间信道特性研究难度较大,国内外主要研究途径有三个方面[2]:建立数学模型的理论分析;信道特性的仿真研究;进行实测,以供设计系统时参考。前两种方法着重于理论上的研究,而第三种方法必须要利用卫星或飞机进行实测,费时费力,特别是在预研阶段的前期研究中,由于条件的限制,在国内进行星载或机载试验,在技术和经费上都有问题,随时随地对实际卫星移动通信信道[3]进行测试常常不可能实现。所以,如果能够根据卫星信道的特性,建立一个能够很好反映卫星移动通信信道传播特性的模型[4],将是一个较好的解决办法,具有重要的实际意义,而射线追踪法[5]的出现,为这一问题提供了较好的解决办法。
1 射线追踪法简介
射线追踪技术在20世纪90年代以来被广泛地研究,其算法是基于几何光学理论,是光学的射线技术在电磁计算领域中的应用,能够准确地考虑到电磁波的各种传播途径,包括直射、反射、绕射、透射等,能够考虑到影响电波传播的各种因素。
在射线追踪法中,电磁波可被简化为射线,从而使用光的理论比如反射定律、折射定律、光程定律等研究电磁传播特性。同时,对于障碍物的绕射,通过引入绕射射线来补充几何光学(GO)理论,即GTD[6](Geometric Theory of Diffraction,几何绕射理论)和UTD[7](Uniform Theory of Diffraction,一致性绕射理论)。
射线追踪法的基本思想是:把从源点辐射出的电磁波分解为一条条射线,能量在各自独立的射线管内传播,对每一条射线的传播进行追踪,直到射线到达目标点或射线能量低于需要考虑的限度。在这个过程中计算出射线能量,求得所有到达接收点的射线,然后采用向量迭加的方法得出辐射源的影响。射线追踪法所需要的地理信息通常为两大类:所在地的几何描述;所在地的形态描述,即所在地的材料特性。单个建筑物室外所在地模型包括6个多面体面,其中4个多面体面为墙,1个面为屋顶,1个面为地面。
2 卫星通信MIMO信道特性与建模
在城市环境中,卫星信道具有多径效应,卫星通信多径链路如图1所示。由于收发终端设备间的距离很远,另外散射体也和卫星很远,所以使用的接收天线的增益高,传播路径的相关性低,同时到达地面散射体的电波为平面波,到达地面终端的电波多集中于有限的角度范围内,主要由二维正交极化成分组成。
图1 卫星通信多径链路示意图
卫星MIMO通信系统采用了分集技术,即多个卫星和一个多天线或者多极化的接收终端通信,分集技术的应用可以为整个系统提供额外的增益,提高系统性能。对于卫星,可以通过放置于大距离分隔开的轨道位置用以提供空间分集,虽然这样放置卫星对阴影效应提供的增益可以忽略,但是它提供了空间分集增益与小尺度衰落增益[8]。
本文研究的是陆地双星通信,引入MIMO抗多径技术,研究两个相邻同轨道卫星在城市环境下,分别对使用不同分集方式的天线进行通信的情况。运用射线追踪法建立可信、适用和完整的信道模型,并进行性能仿真,分析了潜在的卫星信道容量增益。
模型中天线的极化方式为圆极化,当信号在导体表面反射时,圆极化方向会反向。在散射环境中,能量在多径传播机制中传播,合成的正交极化成分中有用的功率,因此,模型反映了组合信道和天线的系统,而不是纯粹的信道描写。
这里通过仿真研究了S波段双星MIMO信道,模拟了两个临近的低轨卫星(各使用一个右旋极化天线)与地面使用空间分集和极化分集方式的两种天线接收系统进行通信的情况。仿真场景如图2所示,在城市较远处(12 km)上空,设着两个发射机,仿效两个右极化的通信卫星(仰角30°),发射机间相距10个波长。接收机放置于城市环境中,如图2中曲线所示。对于空间分集,沿接收路径成对放置396对接收机,一对接收机间相距4波长,组成MIMO接收系统,接收天线均是右旋极化方式;对于极化分集,沿接收机路径同一位置上放置396对接收机,一对接收机中的两个天线分别使用右旋和左旋不同的极化方式。仿真模型参数设置中,设置建筑物高度为15~100 m,接收天线高度为1.7 m,载波频率为2.45 GHz,带宽为200 MHz,天线间不考虑的干扰,完全隔离,其余相关参数采用的是典型的实际天线参数,仿真采用Full 3D模式。
图2 城区环境仿真场景图
3 数据处理
对于发射机的每个发射天线都具有相同平均发射功率的慢衰落MIMO系统,考虑信号为窄带的、点到点的、接收机精确信道估计的、无回馈的信号,那么MIMO信号模型为:
r = H•s + n
式中: r 为M×1的接收信号向量; s 为N×1发射信号向量; n 为M×1独立同分布加性复白高斯噪声向量,每个分量的方差是σ2; H 为M×N信道矩阵,其中第i行、第j列矩阵元素表示为hij,N和MХ直鹗欠⑸浜徒邮仗煜呤目,则MIMO容量为[9]:
C=log2det I M+ρN HH H (1)
式中: I M表示单位M阶矩阵,H H表示矩阵 H 的共轭转置;det表示对方阵求行列式值;ρ为接收机每根接收天线分支上的平均信噪比(SNR);C表示系统容量。这样就可以从射线追踪法得到的参数来构造信道矩阵 H,然后按照式(1)得出系统容量C。Х⑸浜徒邮仗煜叨灾间的信道冲激响应可以表示为所有被接收天线接收的射线向量:
g ij(t)=∑Mk=0Pk•eiθk•δ(t-τk) (2)
式中:Pk,θk和τk分别为接收功率、位相角和第k根射线的相对时延;M为被接收的射线的数目;δ(t)为δ函数。б虼苏带的系统频率响应为:
hij=∑Mk=0Pk•eiθk•e-i2πf0τk (3)
利用式(3),构建信道矩阵 H,Pk,θk和τk等参数可以利用射线追踪法得到。这样所有的N×M个hijЬ投际歉词。
另外,通常对接收信号的概率密度函数做数学上的近似,进而采用统计模型来分析和研究卫星移动通信信道传播特性,这是因为概率分布模型通过利用概率分布函数来建立对传播过程的理解,对实际情况作了简化假设,其分析过程比较简单,物理意义比较明确,仿真实现比较简单,因此,在对卫星移动通信信道[10]传播特性的研究中,通常采用概率分布的统计模型来对卫星移动通信信道进行建模。
这里,如果沿接收路径放置若干个接收天线,另外考虑到现实的衰减和典型的信道编码噪声,选取适当的噪声参数,在此基础上就可以计算得到每个信道样本的容量C,进而得到累积分布函数(CDF)。
4 仿真结果分析
对于图2中各接收机,分别提取出每个天线接收功率、到达角、时延等参数,另外考虑到现实的衰减和典型的信道编码噪声(这里取接收机平均信噪比为15 dB),在此基础上计算得到了每个信道样本的容量C,进而得到累积分布函数(CDF)。
在计算接收功率时,由于模型中发射机到卫星还有一定的距离,为了使结果准确,考虑使用了相对于自由空间损耗的接收功率。得出的信道功率的累积分布函数如图3所示,实线为空间分集,虚线为极化分集。图中展示了标准窄带陆地卫星移动信道特性,对于极化分集系统,接收功率为自由空间衰减35 dB以下时达到1%的信道衰减,而对于所建的空间分集系统,接收功率大约为自由空间衰减33 dB以下时达到1%的信道衰减。
图3 相对于自由空间损耗的功率分布
最后,对此MIMO信道的数据进行了研究,分析了相对于SISO系统潜在的容量改进,如图4所示,粗实线为SISO信道容量积累分布,虚线为空间分集信道容量积累分布,细实线为极化分集信道容量积累分布。结果显示,相对于SISO系统,50%的信道大于2.4 b/cycle,而对于分集系统,这个值为3.8 b/cycle。如果考虑指标为10%,那么对于SISO系统信道容量为0.9 b/cycle,空间分集系统为3 b/cycle,极化分集系统为3.3 b/cycle。说明使用MIMO技术对于SISO系统有很明显的改进。
图4 信道容量累积分布图
5 结 语
研究了卫星移动通信的信道特性和建模方法,建立了基于射线追踪法的卫星MIMO信道模型,分析了其相对于自由空间损耗的衰落特性,分别对其空间分集和极化分集性能进行了研究,计算了其信道容量积累分布,并与单卫星SISO系统进行了性能比较,结果表明基于射线追踪法的卫星MIMO信道模型能有效提高信道容量,相对于SISO系统有很明显的改进。卫星信道建模一直是卫星通信系统的难点,本文的工作为解决这一问题进行了有益的探索。
参考文献
[1]李锐.对卫星通信及卫星信道的论述[J].中国新技术新产品,2009(13):14-16.
[2]CYAN D, DIPPOLD M, FINKENZELLER J. Models for the land mobile satellite channel[J]. Archiv. Elec. Ubertr., 1988, 42: 329-339.
[3]朱析,李庆,朱立东,等.基于信道特性的低轨卫星切换性能研究[J].空间电子技术,2009,6(2):8-12.
[4]刘明富.无线通信系统中的信道模型及信道检测[J].科技资讯,2009(3):29-31.
[5]BROWN P G, CONSTANTINOU C C. Investigations on the prediction of radio wave propagation in urban microcell environments using ray-tracing methods[J]. IEEE Proceedings: Microwaves, Antennas and Propagation, 1996, 143(1): 36-42.
[6]CHAMBERLIN A, LUEBBERS R. An evaluation of longley-rice and GTD propagation models[J]. IEEE Trans. on Antennas, 1982, 30(6): 1093-1098.
[7]ANDERSEN J B, WIART J. EURO-COST231 TD(96)-003 UTD transition region diffraction[C]. Belfort: [ s.n.] , 1996.
[8]EVANS J V. Satellite systems for personal communications[J]. IEEE Antennas and Propagation Magazine, 1997, 39(3): 7-20.
【关键词】 便携式卫星通信站 卫星天线 终端单元 卫星通信网络
一、引言
随着应急通信指挥系统的应用领域逐渐扩大，便携式卫星通信站已成为应急通信的一种重要通信组成部分。便携式卫星通信站通过与地球同步轨道卫星组网形成卫星通信网络，可以实现话音、数据、音视频和广域网接入功能的多媒体通信业务，实现如电话、传真、电传、电报、图像、可视电话、话带数据、计算机数据、复用数据、电话会议等功能，广泛应用于交通运输、抢险救灾、新闻采访、科考探险、公安、军事等应急和特殊通信领域。
二、技术方案
2.1 系统组成及功能
便携式卫星通信站主要由便携式卫星天线单元（含天线、伺服、BUC、LNB）和终端单元（含卫星调制解调器、交换机、视频会议终端、VOIP、矩阵、显示器、3G图传、单兵图传接收机等）组成。整套系统可由2人完成操作使用，总质量不大于60Kg。便携式卫星通信站基于VSAT卫星通信网，通过便携天线，可与后方指挥中心建立基于IP的透明链路。主要特点是简单、方便，易于运输，适应应急性指挥通信的要求，能够在较短时间内迅速搭建一个卫星通信平台，并建立起与主站的通信连接。便携式卫星通信站原理框图如图1所示，该系统具备卫星通信、视频会议、VOIP语音通话等功能。在执行任务时，通过单兵式微波图像传输系统将野外现场的声音、图像等相关资料实时传输到便携站，再通过VSAT卫星系统和专业视频会议系统将其传送到国家、省、市级指挥中心，为领导总揽全局，果断决策，正确指挥提供直接的现场信息。本文设计的便携式卫星站具备“一键式”对星功能，同时采用双跟踪寻星模式，寻星时间小于3分钟，跟踪精度小于0.2度。为满足不同场合不同业务量的需求，天线单元可选用等效口径1m或1.2m天线面，功放选用20W～40W功率功放，组合配置，用于提供传输不低于2Mbps的通信业务。
2.2 便携式卫星天线单元
便携式卫星天线单元分为天线分系统、伺服控制系统和远程监控系统三部分。便携式卫星天线原理图如图2所示。
天线是卫星通信系统的重要组成部分，是便携站射频信号的输入和输出通道，天线系统性能的优劣直接影响到整个通信系统的性能。便携式卫星天线采用格里高利双反射偏馈型天线设计，天线单元包括主反射面、副反射面、馈源及其支架、高频头及双工器等。天线面的材质主要有铝合金、玻璃钢以及碳纤维等，考虑到高增益、低噪声温度，展开、收藏、携带方便，天线设计为碳纤维复合材料的双反射面天线。该天线面在+130℃中温压固化成型，可在-50℃～+80℃环境中使用，具有强度高、重量轻、耐腐蚀、膨胀系数几乎为零的特性。当天线对准目标卫星时，地面用户发出的基带信号经过地面通信网络传送到便携站，便携站通信设备对基带信号进行处理，使其成为射频载波后发送到卫星转发器。卫星转发器接收地球站上行频率发送来的射频载波，经过放大和变频处理后，再转发到地球站，由地球站天线接收。天线分系统的馈源、高频头将天线面接收的射频载波处理为中频信号，中频信号经过功分器后一路信号解调处理后给基带处理器，通过地面网络传送给用户，另一路信号经信标接收机和DVB-S载波跟踪接收机输出AGC电平给天线控制器，为伺服控制提供信号电平指示。
伺服控制系统是整个系统的核心部分，用于控制天线准确对准目标卫星。包括：伺服控制器、电子罗盘、GPS接收机、信标接收机、DVB-S载波跟踪接收机、执行电机及驱动部分。伺服控制系统工作原理为：在系统上电后开始搜索卫星信号，通过GPS接收机获取接收天线所在地的经度、纬度和高度，结合控制器存储的被搜索卫星的在轨经度，将这些角度信息送入控制器进行计算，获得天线对准卫星所需要的理论方位角、俯仰角和极化角。然后通过姿态测量传感器得到天线实时的方位角、俯仰角和极化角，与计算所得的理论角度进行比较，若不等，则驱动伺服电机转动天线逐步减小差值，完成天线的搜索与初始对准。随后进入步进跟踪模式，在方位、俯仰方向上按一定步进小角度运动，同时与信标接收机或DVB-S载波接收机配合使用将天线锁定在最佳跟踪位置，完成卫星信号的跟踪。伺服控制设计基于Microchip公司的dsPIC处理器方案，它是一种具有单片机和DSP综合功能的16位CPU，不但具有丰富的模块，I/O接口，支持多种电机控制，强大的中断功能，同时还兼具DSP高速运算能力，是嵌入式系统的一种高性价比解决方案。为了满足高精度控制，做到精确对准，本系统通过将GPS、数字罗盘、天线控制器、执行电机结合AGC电馈形成系统大闭环的方式，完成天线对卫星的稳定跟踪。对于DVB载波跟踪方式，由于数字高频头的解调过程需要几秒钟时间，所以存在对卫星信号反馈较慢的缺点，但是载波有带宽较宽，比较容易捕获，数据通信稳定的优点。信标是一个单载波，存在难捕获，易受干扰的缺点，但是信标接收机能快速反馈卫星信号的强弱。本系统采用了DVB载波和信标跟踪并存的方式，当一种方式无法对星时，可自动切换到另一种对星方式，从而确保了天线指向有效对准卫星。伺服转台采用俯仰、方位型天线架座，同时极化可调，执行电机通过驱动器电流的32细分，在减小噪声和震动的同时，提高了控制精度。通过安装限位开关对零点与限位位置进行定位。
远程监控系统主要由手持终端控制设备或笔记本组成，向伺服控制系统输入要对准目标卫星的位置信息、步进指令（步数以及方向）、开始运行指令、复位指令以及停止指令等，同时也可以在监控计算机上显示天线的实时状态信息以及角度波动情况，提供良好的人机对话功能。
2.3 终端单元
终端单元集VOIP语音、传真、视频采集及编解码传输、视频显示回放、网络互联等多种功能于一体，预留与各种非卫星通讯终端设备（如计算机）的接口，具备与卫星通讯网络间的实时双向通讯功能。终端单元集成于手提箱内，防尘、防震、体积小、重量轻、携带方便，采用积木式结构，可根据用户需要选择不同卫星通信体制设备终端单元，并根据具体需要，对功能模块进行选配。终端单元原理框图如图3所示。
终端单元的核心设备是卫星调制解调器，其主要功能是完成基带信号的编/解码、调制/解调等信号处理，且自身带有IP路由功能，通过设置网关，局域网内的网络设备能够连入卫星网络，实现与其他卫星站之间的网络通信、视频会议、数据通信等。
三、结构方案
便携式卫星通信站结构设计的核心部件是电/手动二维转台，它的结构形式直接关系到整个便携式卫星通信站的外形、重量、体积等。该转台分为上、下腔体两个部分，方位和俯仰驱动机构均布置在上腔体中，下腔体布置支撑结构和接插件。俯仰驱动机构采用双轴伸步进电机加成品减速器的方式：俯仰电机一端与减速器相连，一端与手动手柄相连，减速器一端与电机相连，一端与天线组件相连，带动天线组件做俯仰方向的转动；方位驱动机构采用双轴伸步进电机加自制减速机构（蜗轮蜗杆加圆柱齿轮）的方式：方位电机一端与手动手柄相连，一端与蜗杆相连，通过自制减速机构驱动上腔体和天线组件做方位方向的转动，上、下腔体的结合处加密封圈，能有效防尘、防雨。方位驱动机构中有蜗轮蜗杆，能有效自锁，可防止大风对天线面在方位方向上的吹移，俯仰驱动机构外加锁紧装置，可防止大风对天线面在俯仰方向上的吹移；极化装置所需的驱动力矩很小，采用单轴伸步进电机加成品减速器和同步带驱动的结构方式。
天线面采用可拆卸的剖分结构形式，共分为六瓣，除主瓣与转台固定连接外，其余五瓣可拆卸，通过专门的快装机构拆装。整个控制系统模块装在一个腔体内，该腔体采用碳纤维开模加镶嵌散热金属块的方式制造，盖板采用倒扣结构形式，配合碳纤维腔体边缘的密封橡胶条，和转台配合使用，能有效散热且能密封防雨。
四、软件设计
便携式卫星通信站实现一键对星功能采用程序跟踪与步进跟踪相结合的跟踪方式，即：先利用程序跟踪实现天线的粗对准，再采用步进跟踪实现天线的精对准，可以提高系统跟踪的速度与精度。
程序跟踪将需要搜索的卫星的轨道信息（卫星的在轨经度、极化方式、下行频率、符号率）预存入天线控制器中（在管理员权限下同时支持手动输入卫星的在轨信息），读取GPS、数字罗盘、倾角仪等传感器数据，计算出天线俯仰、极化、方位的指向，向俯仰、方位、极化电机控制驱动器发出命令，俯仰、方位、极化电机转到指定位置实现对卫星的搜索与跟踪。程序跟踪的关键是通过两点GPS位置信息计算天线的指向角度，主要涉及到大地坐标系到载体坐标系的矩阵变换算法。
步进跟踪是在程序跟踪后，在天线方位角±10°、俯仰角±2°范围内以“Z”字型方式扫描空域，精密调整天线指向，在信标信号或载波信号锁定后，微调天线找出信号的最大值指向角度，此时锁定卫星。
五、结论
我公司设计、生产的便携式卫星通信站具备全自动“一键对星”能力，设备从展开、跟踪、对星、调整、收藏均可全自动完成，安装简单，无须较准，快速对星，通过VSAT通信网，可在较短时间内迅速搭建一个高品质的卫星通信网络。目前该系统已在四川省人防办、绵阳市人防办、雅安市人防办、南充市人防办投入使用，客户反映良好。
参 考 文 献
[1] 胡正飞，访继东. 便携式卫星通信地球站结构及其控制系统设计[J]. 机电产品开发与创新，2006，19（3）：4～6
