卫星通信系统.docx

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卫星通信系统

卫星通信介绍

卫星通信系统实际上也是一种微波通信，它以卫星作为中继站转发微波信号，在多个地面站之间通信，卫星通信的主要目的是实现对地面的“无缝隙”覆盖，由于卫星工作于几百、几千、甚至上万公里的轨道上，因此覆盖范围远大于一般的移动通信系统。

但卫星通信要求地面设备具有较大的发射功率，因此不易普及使用。

卫星通信系统由卫星端、地面端、用户端三部分组成。

卫星端在空中起中继站的作用，即把地面站发上来的电磁波放大后再返送回另一地面站，卫星星体又包括两大子系统：

星载设备和卫星母体。

地面站则是卫星系统与地面公众网的接口，地面用户也可以通过地面站出入卫星系统形成链路，地面站还包括地面卫星控制中心，及其跟踪、遥测和指令站。

用户端即是各种用户终端。

在微波频带，整个通信卫星的工作频带约有500MHz宽度，为了便于放大和发射及减少变调干扰，一般在星上设置若干个转发器。

每个转发器被分配一定的工作频带。

目前的卫星通信多采用频分多址技术，不同的地球站占用不同的频率，即采用不同的载波。

比较适用于点对点大容量的通信。

近年来，时分多址技术也在卫星通信中得到了较多的应用，即多个地球站占用同一频带，但占用不同的时隙。

与频分多址方式相比，时分多址技术不会产生互调干扰、不需用上下变频把各地球站信号分开、适合数字通信、可根据业务量的变化按需分配传输带宽，使实际容量大幅度增加。

另一种多址技术是码分多址（CDMA），即不同的地球站占用同一频率和同一时间，但利用不同的随机码对信息进行编码来区分不同的地址。

CDMA采用了扩展频谱通信技术，具有抗干扰能力强、有较好的保密通信能力、可灵活调度传输资源等优点。

它比较适合于容量小、分布广、有一定保密要求的系统使用。

工作轨道

按照工作轨道区分，卫星通信系统一般分为以下3类：

2.1.1、低轨道卫星通信系统（LEO）：

距地面500—2000Km，传输时延和功耗都比较小，但每颗星的覆盖范围也比较小，典型系统有Motorola的铱星系统。

低轨道卫星通信系统由于卫星轨道低，信号传播时延短，所以可支持多跳通信；其链路损耗小，可以降低对卫星和用户终端的要求，可以采用微型/小型卫星和手持用户终端。

但是低轨道卫星系统也为这些优势付出了较大的代价：

由于轨道低，每颗卫星所能覆盖的范围比较小，要构成全球系统需要数十颗卫星，如铱星系统有66颗卫星、Globalstar有48颗卫星、Teledisc有288颗卫星。

同时，由于低轨道卫星的运动速度快，对于单一用户来说，卫星从地平线升起到再次落到地平线以下的时间较短，所以卫星间或载波间切换频繁。

因此，低轨系统的系统构成和控制复杂、技术风险大、建设成本也相对较高。

2.1.2、中轨道卫星通信系统（MEO）：

距地面2000—20000Km，传输时延要大于低轨道卫星，但覆盖范围也更大，典型系统是国际海事卫星系统。

中轨道卫星通信系统可以说是同步卫星系统和低轨道卫星系统的折衷，中轨道卫星系统兼有这两种方案的优点，同时又在一定程度上克服了这两种方案的不足之处。

中轨道卫星的链路损耗和传播时延都比较小，仍然可采用简单的小型卫星。

如果中轨道和低轨道卫星系统均采用星际链路，当用户进行远距离通信时，中轨道系统信息通过卫星星际链路子网的时延将比低轨道系统低。

而且由于其轨道比低轨道卫星系统高许多，每颗卫星所能覆盖的范围比低轨道系统大得多，当轨道高度为l0000Km时，每颗卫星可以覆盖地球表面的23．5%，因而只要几颗卫星就可以覆盖全球。

若有十几颗卫星就可以提供对全球大部分地区的双重覆盖，这样可以利用分集接收来提高系统的可靠性，同时系统投资要低于低轨道系统。

因此，从一定意义上说，中轨道系统可能是建立全球或区域性卫星移动通信系统较为优越的方案。

当然，如果需要为地面终端提供宽带业务，中轨道系统将存在一定困难，而利用低轨道卫星系统作为高速的多媒体卫星通信系统的性能要优于中轨道卫星系统。

2.1.3、高轨道卫星通信系统（GEO）：

距地面35800km，即同步静止轨道。

理论上，用三颗高轨道卫星即可以实现全球覆盖。

传统的同步轨道卫星通信系统的技术最为成熟，自从同步卫星被用于通信业务以来，用同步卫星来建立全球卫星通信系统已经成为了建立卫星通信系统的传统模式。

但是，同步卫星有一个不可克服的障碍，就是较长的传播时延和较大的链路损耗，严重影响到它在某些通信领域的应用，特别是在卫星移动通信方面的应用。

首先，同步卫星轨道高，链路损耗大，对用户终端接收机性能要求较高。

这种系统难于支持手持机直接通过卫星进行通信，或者需要采用l2m以上的星载天线（L波段），这就对卫星星载通信有效载荷提出了较高的要求，不利于小卫星技术在移动通信中的使用。

其次，由于链路距离长，传播延时大，单跳的传播时延就会达到数百毫秒，加上语音编码器等的处理时间则单跳时延将进一步增加，当移动用户通过卫星进行双跳通信时，时延甚至将达到秒级，这是用户、特别是话音通信用户所难以忍受的。

为了避免这种双跳通信就必须采用星上处理使得卫星具有交换功能，但这必将增加卫星的复杂度，不但增加系统成本，也有一定的技术风险。

目前，同步轨道卫星通信系统主要用于VSAT系统、电视信号转发等，较少用于个人通信。

发展趋势

未来卫星通信系统主要有以下的发展趋势：

4.1、地球同步轨道通信卫星向多波束、大容量、智能化发展；

4.2、低轨卫星群与蜂窝通信技术相结合、实现全球个人通信；

4.3、小型卫星通信地面站将得到广泛应用；

4.4、通过卫星通信系统承载数字视频直播（DvB）和数字音频广播（DAB）；

4.5、卫星通信系统将与IP技术结合，用于提供多媒体通信和因特网接入，即包括用于国际、国内的骨干网络，也包括用于提供用户直接接入；

4.6、微小卫星和纳卫星将广泛应用于数据存储转发通信以及星间组网通信。

动中通控制系统方案

天线跟踪控制技术是卫星动中通系统的关键技术之一，如何能够有效控制天线的准确对星，使系统能在最短的时间内锁定卫星、在信号中断后最短的时间完成重捕获，并能在各种复杂地形和快速机动条件下保持系统的正常工作和信号不丢失，是动中通用户和设备厂家非常关注并亟待解决的问题。

慧联科技通过市场调研，在众多厂家的大力支持下，推出了系列化解决方案，可分别用于高轮廓、中轮廓、低轮廓和抛物面等天线的跟踪控制。

1.控制系统包含以下几个部分

1）GPS单频天线

2）惯导单元

3）信标接收单元

4）伺服控制单元

2.系统安装示意

1）动中通天线罩安装底板；

2）动中通天线面安装底板；

3）动中通天线面；

4）GPS天线1，安装需尽量靠近天线罩顶部，减少GPS遮挡；

5）GPS天线2，安装需尽量靠近天线罩顶部，减少GPS遮挡；GPS天线1和GPS天线2之间距离尽量拉长，可以有效提高系统精度；GPS天线与方位电机驱动的平面一起旋转。

6）惯导需要安装在动中通天线底面上，与方位电机驱动的平面一起旋转。

3.系统工作流程示意

1）系统通电；

2）动中通天线扫描卫星，双GPS初始化，系统进行初始锁定；

3）系统完成初始锁定有以下两种，任何一种情况都能够实现系统初始锁定：

a）动中通天线扫描卫星锁定（此时不论双GPS初始化是否锁定），惯导系统将此时需要的天线仰角传输给控制单元，信标参数及转台机械参数同时传递给控制单元，天线跟踪系统根

据确定信标最大信号进行初始锁定；

b）双GPS完成锁定（此时不论动中通天线扫描卫星是否锁定），双GPS参数及INS组合参数传递给控制单元，天线跟踪系统初始锁定完成；

4）天线跟踪过程中，信标参数、转台机械参数、双天线GPS及INS组合参数实时传递给控制单元；控制单元结合信标信号进行实时步进跟踪，当天线对准时，将此时水平编码器数值发

送给惯导，惯导可根据此值进行对准。

4.系统特点

1）初始化引入天线信号扫描锁定技术，可以有效解决GPS卫星状况不好情况下初始锁定问题；

2）系统运行过程中，GPS/INS组合给天线跟踪提供粗对准和信标扫描给天线跟踪提供精对准的工作模式，可以显著降低系统对GPS/INS组合精度要求，显著降低GPS/INS组合成本。

动中通是“移动中的卫星地面站通信系统”的简称。

通过动中通系统，车辆、轮船、飞机等移动的载体在运动过程中可实时跟踪卫星等平台，不间断地传递语音、数据、图像等多媒体信息，可满足各种军民用应急通信和移动条件下的多媒体通信的需要。

动中通系统很好地解决了各种车辆、轮船等移动载体在运动中通过地球同步卫星，实时不断地传递语音、数据、高清晰的动态视频图像、传真等多媒体信息的难关，是通信领域的一次重大的突破，是当前卫星通信领域需求旺盛、发展迅速的应用领域，在军民两个领域都有极为广泛的发展前景。

“动中通”在直播中有以下优点：

（1）在转播过程中采用自主跟踪方式跟踪卫星，充分利用了卫星通信覆盖区域大、抗干扰能力强、线路稳定的特点，可实现点对点、点对多点、点对主站移动卫星的通信；　　

（2）“动中通”车具有灵活、机动的转播特点，能确保快速、实时的静态和动态现场直播；　　（3）自动重捕时间短，驶出通信盲区后能快速恢复通信；　　（4）与OFDM“无方向”移动微波设备相比，“动中通”车无需收、发设备操作人员在恶劣环境条件下工作，节约了人力、物力，而且减小了电磁辐射污染；　　（5）信号传输过程的节点减少，提高了转播质量和可靠性；　　（6）能降低大范围、复杂场景直播过程的运行成本。

　　然而，受目前技术的限制，“动中通”仍存在一些不足，主要是：

（1）在转播环境比较复杂（建筑物太高、太多，桥梁、山区等）的情况下，会出现信号中断现象；　　

（2）用两辆“动中通”车传送不同电视图像信号，在图像播出时不易做到无闪点连接（两车同时遇到闪点）；　　（3）“动中通”车与移动信号采集车之间信号传输不易（两车的方向、位置在不断变化）。

静中通：

静止状态下与卫星实时通信。

GINS3200光纤组合惯导系统用于动中通天线跟踪

                              无锡慧联信息科技有限公司

1 动中通通信系统介绍

    动中通通信系统采用新型的移动卫星通信天线，专为移动载体（特别是汽车、火车、水上运输工具、海上石油平台）在运动过程中完成实时卫星通信而设计。

在载体运动过程中，采用先进的相控阵技术及自动跟踪技术，自动完成搜索并捕获指定的卫星信号，提供高速、宽带大容量的语音、数据及高清晰的动态视频图像等多媒体信息，具有快速高质量自动寻星、快速精准对星、受干扰后依靠陀螺稳定快速回复等特点。

广泛应用于军用、警用车辆通信、抢险救灾通信、铁路、公路、水上运输、地质勘探、野外科考、森林巡视、水利电力巡查、突发事件新闻采集、海上石油、远洋运输等领域。

2 动中通通信系统工作原理

  动中通通信系统是在初始静态情况下，由卫星定位、捷联惯导系统测量出航向角、载体所在位置的经纬度及相对水平面的初始角，然后根据其姿态及地理位置、卫星经度自动确定以水平面为基准的天线仰角，在保持仰角对水平面不变的前提下转动方位，并以信号极大值方式自动对准卫星。

载体运动中，测量出载体姿态的变化，通过数学平台的运算，变换为天线的误差角，通过伺服机构调整天线方位角、俯仰角、极化角，保证载体在变化过程中天线对星始终在规定范围内，使卫星发射天线在载体运动中实时跟踪地球同步卫星。

系统跟踪有自跟踪和惯导跟踪两种：

自跟踪+是依靠卫星信标进行天线闭环伺服跟踪；惯导跟踪是利用陀螺惯导组合敏感载体的变化进行天线跟踪，两种跟踪可根据现场情况自动切换。

当系统对星完毕后转入自动跟踪后。

由于遮挡或其它原因引起天线信标信号中断时，系统自动切换到惯导跟踪方式。

3 GINS3200是动中通跟踪控制的最佳解决方案

  一套实时高性能姿态方位测量系统是整个动中通通信系统的核心，天线的跟踪性能完全取决于姿态测量的精度。

公司研制的GINS3200集高精度陀螺仪、加速度计和卫星测姿接收机于一体，为卫星动中通天线跟踪提供了最佳解决方案。

系统采用两个卫星接收机精确计算运动载体的航向角；克服了以往纯惯性需要静态对准和长时间漂移等问题。

通过结合高精度的惯性测量单元和改进姿态测量算法，使GINS3200在卫星信号被干扰或遮挡后，仍能提供高精度的姿态数据。

GINS3200克服了单一器件的不足，充分发挥了卫星测姿精度高、无累积误差、无漂移、可动态对准以及惯性测量动态性好、抗干扰能力强等特点，有效提高了系统整体的姿态方位测量精度、导航精度及实时跟踪对准性能。

4 系统指标

参数

GINS3200

系统精度

航向精度

0.1º

姿态精度

0.05º

位置精度

2m（noSA）

速度精度

0.02米/秒

器件性能

陀螺

量程

±400º/s

零偏稳定性

1º/h

零偏重复性

1º/h

非线性

100ppm

加速度计

量程

±10g

零偏稳定性

0.05mg

零偏重复性

0.05mg

接口特性

数据更新率

100Hz

接口方式

RS-232或RS-422，波特率115200

数据协议

NMEA0183或二进制，可定制数据格式

物理指标

供电电压

12VDC（以实际提供系统参数为准）

工作温度

-40℃～+65℃

物理尺寸

144mm×122mm×146mm

重量

＜3kg

5 GINS3200的主要特点

1）高精度组合测量技术

    “动中通”系统主要由天线稳控、卫星通信、车辆改装三部分组成，其中卫星通信和车辆改装是通用技术，各家基本相同，天线稳控则是衡量动中通性能的关键技术。

目前市场中大部分厂家采用的方案是通过双极化信标信号驱动天线，利用速率陀螺阻尼天线驱动轴的干扰运动来实现跟踪卫星。

这种方式天线稳定效果差，遇到遮挡后极易丢失信号，无法满足对信号高质量的要求。

相对而言GINS应用双天线卫星定向单元与高精度惯性测量单元共同测量载体运动，可实现天线的高精度自主定位定向，完全不受地域或环境的变换影响，使运动中的天线始终对准卫星，尽可能的避免了通信中断。

2）惯性保持不怕遮挡

    由于采用了捷联惯性系统，GINS3200不怕卫星信号遮挡，可以自主对星和稳定天线指向，即使卫星信号被长时间遮挡，车辆怎样移动，天线始终对准卫星，一旦遮挡物去除，即可迅速恢复通信。

下图为某部装备的卫星动中通。

3）闭环控制抗干扰能力强

   GINS3200内部可以接收信标机的信号，并与惯性测量系统进行组合使其在GPS信号受影响的时候也能有效锁定卫星，形成闭环控制，大大提高了系统的适应性和可靠性。

4）优秀的性价比

    GINS3200产品具有良好的性能得益于我们的先进传感器器融合技术，而不是单一追求器件精度，产品的价格合理具有极强的竞争力，可大大降低用户的系统投资。

GINS1200高精度MEMS组合微惯导系统用于动中通天线跟踪

 1、概述

    随着高新技术的迅猛发展，战争形势正在发生深刻变革，无人作战、信息战、制导武器已经成为现代战争的重要手段，低损耗、零伤亡已经成为现代战争的新理念。

为了满足现代战争的需求，机动灵活、精确打击、快速响应、高度智能的海、陆、空、天微小型武器平台成为战场的新宠，分布式微小飞行器、灵巧弹药、小型低成本战术导弹等已逐步成为部队的重要武器装备。

上述精确制导的战术任务必须在高性能微惯导和卫星定位技术的支持下才能完成，微小型导航、制导与控制系统是微小飞行器、微小型水下航行器、微小型地面机器人以及微纳卫星等的核心技术。

为了使得微小武器装备能够高精度、高效率、长时间的工作，作为核心部件的微惯性测量单元和GPS接收机必须提高集成度、精度和可靠度，减小体积、重量，降低功耗。

慧联科技根据市场需求，充分利用成熟的MEMS惯性器件，通过多种技术途径提高了器件的精度，并通过与GPS定位定向技术结合，研制开发了GINS1200姿态方位组合导航系统。

2、产品组成

    全球卫星定位系统（GPS）导航能够全天候工作，且具有较高的导航精度，成本低廉，是当今应用最多的一种导航系统。

通过差分应用的双天线GPS接收机不仅可以完成定位，而且可以动态获得精确的北向，长时间使用也不会产生漂移。

但在应用于运动载体时，由于运动载体的机动变化，常使接收天线受到断续的遮挡，甚至对已跟踪的卫星信号会发生失锁现象，需要一定时间才能再次捕获和跟踪上卫星信号，使导航数据出现断续，影响导航的可靠性。

    惯性（INS）导航能够提供多种导航参数，具有不依赖外界信息、隐蔽性好、抗干扰性强、全天候工作、数据输出率高等优点，是完全自主的导航系统。

但它的精度随时间而变化，长时间工作会累积较大误差，不宜作长时间导航。

    卫星导航系统（GPS）、惯性导航系统（INS）单独使用都有难以克服的局限，GINS1200将卫星导航系统（GPS）与惯性导航系统（INS）联合使用，应用计算机数据处理、卡尔曼滤波等技术实现两种导航技术的有机组合，发挥各自特点，融合优势，取长补短，弥补了单一导航技术的缺陷，具有在精度、可靠性、体积、成本等方面的竞争优势。

    GINS1200姿态方位组合导航系统，由微惯性测量单元、双天线定位定向单元、组合导航解算单元、接收天线四部分组成。

3、主要技术指标

（1）系统指标

     航向精度：

0.2°/L（L为天线基线长度）

     俯仰精度：

0.1°

     横滚精度：

0.1°

     位置精度：

2m

     重量500g  

     尺寸132x68x79mm

     电源12VDC额定（9-15VDC） 

     工作温度-40℃～+75℃

     振动5grms（20Hzto2kHz,random）   

     冲击200gPK½sine2msec

（2）陀螺仪

      量程        ±300°/s 

      零位偏差     ≤0.15°/s 

      零偏稳定性   10°/h

      零偏重复性   0.15°/s

      噪声         0.003°/s  

      带宽         50Hz

（3）加速度计

      量程         ±2g（±10g可选optional）  

      零位偏差     ≤0.005g  

      零偏稳定性   ≤1mg 

      零偏重复性   ≤0.001g

（4）   双天线定位定向单元技术指标

      定位时间     ≤50秒。

      定向时间     ≤90秒。

      航向精度     0.2/L（L基线长度，单位：

米）。

      定位精度     水平<2m  ，垂直<4m