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論文摘要：低軌道（LEO）衛星移動通信系統是衛星距離地面500～1500km，運行周期2～4小時的衛星通信系統。銥系統、全球星系統及系統是地軌道衛星移動通信系統發展最快的范例。LEO衛星移動通信系統具有廣闊的發展前景
1LEO衛星移動通信系統的特點
低軌（LEO）衛星移動通信系統與中軌（MEO）和靜止軌道（GEO）衛星移動通信系統比較，具有以下特點：
1.1由于具有更小的信號衰減和更低的傳播時延，低軌衛星通信系統更有利于實現個人全球通信。LEO系統的路徑傳輸損耗通常比GEO低幾十分貝，所需發射功率是GEO的1/200-1/2000，傳播時延僅為GEO的1/7~1/50，這對于實現終端手持化和達到話音通信所需要的延時要求是十分有利的。
1.2蜂窩通信、多址、點波束、頻率復用等技術的發展為LEO衛星移動通信提供了技術保障。
1.3由于地面移動終端對衛星的仰角較大，天線波束不易受到地面反射的影響，可避免多徑衰落。
1.4它在若干個軌道平面上布置多個衛星，由星間通信鏈路將多個軌道平面上的衛星聯接起來。整個星座如同結構上連成一體的大型平臺，在地球表面形成蜂窩狀服務小區，服務區用戶至少被一個衛星覆蓋，用戶可隨時接入系統。
1.5由于衛星的高速運動和衛星數目多，也帶來了多普勒頻移嚴重和星間切換控制復雜等問題。但不管怎樣，低軌衛星移動通信系統的上述特點對于支持實現個人通信是有巨大吸引力的。
2LEO衛星通信系統用戶切換的一般過程
低軌衛星移動通信系統中，由于衛星的高速運動，使得它的波束覆蓋區也跟著移動，而波束覆蓋區的移動速度遠大于用戶的運動速度，因此，在LEO衛星移動通信系統中，切換主要是由于衛星波束移動引起的。
對于衛星移動通信系統中的呼叫切換，通常經歷這樣一個過程：
2.1用戶周期測量當前使用波束和鄰近波束的導頻信號或廣播信道的信號強度的變化，以便確定它是否正在穿越相鄰波束之間的邊界或者處于相鄰波束的重疊區內。
2.2若用戶進入相鄰波束的重疊區，達到切換觸發的條件，將開始啟動切換過程。用戶中止利用當前波束進行通信，等待分配信道利用新波束進行通信。
2.3切換過程開始后，需要在新到達波束中為該用戶按照一定的信道分配算法進行信道分配，并在原先波束中釋放使用的信道；如果采用了波束內切換或信道重安排，則原先波束還須按照呼叫結束后的信道重安排算法進行波束內的信道優化分配，進行必要的波束內分配。分配完成后，將數據流從舊鏈路轉移到新鏈路上來，完成切換。
3LEO衛星通信系統用戶切換的種類
低軌衛星通信系統用戶切換可分為以下類型：
3.1同一信關站和衛星的不同波束之間的切換
目標波束和現用波束在同一信關站和同一衛星內，該切換涉及兩個波束的信道分配和修改同一信關站(不采用星上交換)或衛星(采用星上交換)的交換路由表。
3.2同一信關站不同衛星之間的切換
目標波束與現用波束不在同一顆衛星內、但在同一個信關站范圍內，它涉及兩顆衛星的信道分配；對于采用星上交換的體制，需要改變兩顆衛星星上交換路由表；對于衛星透明轉發的體制，需要修改信關站交換路由表。
3.3不同信關站同一衛星的波束間的切換
目標波束和現用波束屬于同一顆衛星，但屬于不同的信關站，它涉及兩個信關站之間的切換，包括信道分配、改變地面線路連接、位置更新、記費等，對于采用星上交換的衛星還需要改變其交換路由表。
3.4不同信關站不同衛星之間的切換
目標波束和先用波束屬于不同的衛星且屬于不同的信關站，它涉及兩個信關站和兩顆衛星之間的切換，信關站涉及信道分配、改變地面線路連接、位置更新、記費等問題，對于采用星上交換的衛星需要改變其交換路由表。
4LEO衛星通信系統中用戶切換目標衛星的選擇準則
在低軌衛星移動通信系統的切換控制中，切換的目標衛星的選擇策略對切換的最終性能也有著直接的影響。因此，根據系統的需要，設計出適合于本系統的切換目標衛星選擇方案至關重要。目前，低軌衛星移動通信系統中的切換目標衛星選擇策略主要有以下幾種：最近衛星準則、最強信號準則、最長可視時間準則、最多可用信道數準則、覆蓋時間與仰角加權準則及最小跳數切換準則。
其中，最近衛星準則認為距離用戶終端最近（仰角最大）的衛星能夠提供很好的服務質量（QoS），可從純幾何上對其性能進行分析，也稱為最大仰角準則。采用該準則時，用戶終端在任何時候都選擇能夠為其提供最大仰角的衛星。該準則實現簡單，但一般不會在實際系統中采用，因為它既沒有考慮無線信號在空中的傳播條件，也沒有考慮網絡的運行狀況。強信號準則是終端在任何時候選擇能夠接收到最強信號的衛星。擁有足夠高的信號強度是無線通信的一個基本條件，可以認為最強信號衛星準則能夠提供較好的服務質量。
最長可視時間準則又稱為最大覆蓋時間準則。按照這個策略，用戶將利用星座系統運行的先驗知識，始終選擇具有最大服務時間的衛星作為其切換的目標衛星。該準則基于對最小化系統的切換請求到達率考慮，延長了切換后呼叫一直被某個衛星服務的時間，從而可獲得較低的被迫中斷概率。
最多可用信道數準則為：用戶選擇具有最多可用信道數的衛星為它提供服務。該準則出于對整個系統信道資源利用率考慮，以使衛星系統中每個衛星所承載的業務量趨于均勻分布，避免因某個衛星節點超負荷而失效，從而影響到整個系統性能。應用這個準則時，不管衛星的具置，新呼叫和切換呼叫會經歷相同的阻塞率或被迫中斷概率，從而可以避免出現某個衛星超載的情況。
最小跳數切換準則則應用于具有星上路由的情況，策略要求用戶在任何時候都選擇能夠為其提供最少跳數路徑的衛星。在具體實現過程中，通信雙方周期性檢測其可見衛星中是否有比當前通信路徑的跳數更少的路徑，如果存在則進行切換，否則繼續使用當前衛星進行通信。當然，如果通信雙方的當前衛星出現低于最小仰角（或信噪比）時，也需要進行切換。假定衛星系統使用準靜態路由算法，路由表項中帶有衛星到衛星的路由跳數，而且其路由信息隨著網絡拓撲變化由系統自動刷新。
5低軌衛星通信系統用戶切換與路由
在切換時，由于服務衛星的改變，對于采用星上交換和星上路由的衛星通信系統，原有路由也需要被重新建立。重建路由有以下幾種方案：全路由重建，部分路由重建，重路由結合擴展路由，動態概率優化路由，最小跳數路由。
其中全路由重建衛星切換方案：原有路由完全被新路由代替，該方案得到的新路由仍然是最優化路徑，但其處理時延比較大。
部分路由重建衛星切換方案：當切換發生時，原有路由被部分保存，只有變化部分被更新，該方案處理時延比較小，但新生成的路由可能不是最優化路徑。
重路由與擴展路由結合：切換后首先進行路由擴展，再進行路由優化。以降低延時，但信令開銷增大。
動態概率優化路由：全路由重建節約帶寬，但是擴大了信令資源，需要選擇合適的優化概率P，在帶寬和信令資源之間折中。即并不對所有擴展后的路由進行優化，而是以概率P，對一部分路由進行優化，一部分仍保持原擴展路由。
最小跳數路由策略：用戶在任何時候都選擇能夠為其提供最少跳數路徑的衛星。通信雙方周期性檢測其可見衛星中是否有比當前通信路徑的跳數更少的路徑，如果存在則進行切換，否則繼續使用當前衛星進行通信。該策略能夠獲得較低的傳播延時和較小的切換頻率，具有很好的系統性能。
參考文獻
[1]陳振國，楊鴻文，郭文彬.衛星通信系統與技術.北京：北京郵電大學出版社，2003
為了使構建的衛星通信業務基本框架符合企業運營流程管理邏輯，支撐衛星網絡規劃建設，提供面向客戶的運營服務和保障，衛星通信業務基本框架采用自頂向下的方法，對衛星通信服務進行模塊劃分、描述和定義，力爭構建起一個涵蓋衛星通信業務建設、運營、管理完整業務鏈、全面系統的基本框架。
1.1基本框架的模塊設計思路
對于衛星通信企業來說，衛星通信業務是其最根本的核心產品，衛星通信企業是通過向客戶銷售衛星通信業務產品，以實現滿足客戶需求、增加客戶價值和公司盈利發展。因此，我們首先選取衛星通信業務為切入點，希望采用價值鏈分析方法對衛星通信業務產品的全生命周期進行細化分解，力爭能夠理清、認識、理解各組成環節要素及其相互關系，為基礎框架的設計奠定基礎。如圖1所示，在一個衛星通信業務的全生命周期中，主要包括了前期客戶需求調查研究、業務規劃、產品設計、能力建設，中期的市場營銷、業務開通、服務保障、運行維護，以及后期的業務產品退出或轉型升級等各環節要素；另外在其各個環節實施過程中還需要企業人力、財務、質量管理、知識管理、品牌建設等運作管理環節進行基礎支撐保障。從圖1可以看出，衛星通信業務的全生命周期基本上分為兩個階段，第一階段為前期衛星通信業務規劃和能力建設，其主要完成了由戰略和業務目標驅動，進行基礎設施建設和形成業務產品或服務能力；第二階段為中后期的衛星通信業務的運營和服務，主要承擔了對業務產品進行運營管理并形成服務能力和產生收益。兩個階段之間相互關聯、協同發展。業務規劃與能力建設工作是運營與服務工作的前提和條件。只有設計出滿足市場需求的業務產品，并能夠及時具備能力并推出市場，才能夠向客戶提供滿意的服務和可靠地運營保障；另一方面，運營與服務工作是業務規劃和能力建設的實現和發展。業務規劃和能力建設工作完成之后，必須通過運營和服務來實現產品銷售和客戶價值增加，在給客戶提供服務的過程中不斷發現和挖掘客戶需求，并能夠及時反饋給業務規劃與能力建設進行業務產品的改進、提升和開發，從而形成最令用戶滿意、最具競爭力的優質服務產品。與此同時，兩個階段的各個環節都需要企業管理來進行支撐和保障。對于運營服務型企業來說，其更加關注運營與服務，所有業務規劃與建設以及企業管理工作，都是企業為了通過運營服務產生價值、滿足客戶需求所需不同層面的服務保障工作。因此，為了在基礎框架中突出強調衛星通信業務的規劃建設和運營服務支撐的兩個關鍵環節，同時體現出企業管理的基礎支撐和保障作用，我們從總體上將衛星通信業務基本框架分為三大模塊，即，戰略與基礎設施模塊、運營與服務模塊和企業管理模塊，如圖2所示。
1.2基本框架的層次設計思路
客戶的衛星通信業務需求分類多種多樣，我們可從市場、產品、資源和組織四個關鍵因素進行分析研究。客戶購買的是衛星通信業務產品，而衛星通信企業的核心基礎設施所能支撐的僅是企業向客戶提品所需要的資源能力，要想將資源能力轉化為客戶需求實現，還需要通過衛星通信業務產品進行有效銜接。對于衛星通信企業而言就是對各種衛星通信資源和服務能力進行規劃、設計和組裝，形成了可以獨立計價和運維支撐的業務產品。此外，客戶所需業務產品多樣，衛星通信服務商還需要結合供應商或者合作伙伴的基礎設施資源進行有效組合使用，以發揮核心資源的最大效能和滿足客戶需求實現。因此，客戶需求的實現主要由衛星通信企業的市場、業務、資源和供應商等關鍵因素協同完成。另外一方面，在基本框架的設計中，我們希望構建起能夠面向客戶的端到端運營服務支撐體系，即以客戶需求為引導，業務實現為手段，資源、供應商和組織管理流程為保障的運營服務體系。主要經過市場需求的挖掘、提煉與轉達，業務的開發、集成與實施，調動內外部資源，最終實現業務并反饋給用戶的過程，如圖3所示。該過程中，輸入端是市場，輸出端也是市場，形成的是一個從市場到市場的端到端的閉環，從而最終實現為客戶提供最為優質和滿意的服務。綜上所述，為了表明客戶需求實現過程中四個關鍵要素及其之間的相互支撐關系，并強調打造端到端的高效運營服務體系，我們在三大模塊基礎上，又將衛星通信業務基本框架劃分為四個層次，包括市場層、業務層、資源層和供應鏈層，如圖4所示。如圖4的層次設計，將市場層放在最高層客戶緊鄰的第一位，突出強調企業是從客戶需求出發，以客戶需求為根本依據的理念；逐級向下的各層分別為業務層、資源層和供應鏈層，充分體現了客戶需求實現是通過具體業務來實現，業務產品需要資源提供支撐，最底層的供應商和合作伙伴為企業提供除核心資源以外所需配套資源的各要素協同關系。這種層次設計充分體現出衛星通信企業的以客戶為中心為市場服務的運營理念。
2基本框架各模塊的設計
根據前述基本框架結構設計思路，我們對衛星通信業務基本框架各模塊進行進一步設計和定義，各模塊功能描述如下。戰略與基礎設施模塊設計戰略與基礎設施模塊主要負責指導和支撐運營服務。包括市場戰略、資源戰略的制定、基礎設施規劃、基礎設施的構筑、產品和服務的開發和管理以及供應鏈/價值鏈的開發和管理。其中，基礎設施不僅包括空間衛星資源的規劃、建造、測控、運營和退役的全生命周期管理，還包括支撐產品運營服務的其他硬資源和軟資源，如地面測控系統、客戶關系管理、知識共享庫，等等。運營與服務模塊設計運營與服務模塊主要負責客戶需求實現和服務保障。包括日常的服務提供、運營支撐準備、質量保障以及銷售管理和供應商/合作伙伴關系管理等，其包含所有由客戶驅動的直接面向客戶的運行和管理工作。組織管理模塊設計組織管理模塊為完成戰略與基礎設施模塊和運營與服務模塊所需進行的公司內部機構組建，包括了任何商業運行所必須的基本的企業或商務支持。
3基本框架各層次的設計
3.1市場層設計
市場層主要包括客戶需求挖掘、分析、客戶細分、銷售和渠道管理、市場營銷管理、服務產品和定價管理，以及客戶關系管理、問題處理、服務等級協議管理和計費等。在戰略與基礎設施模塊內，市場層提供對企業核心業務產品的規劃開發管理，包括制定戰略、開發新產品服務、管理現有資源、實施市場及戰略等所需職能。在運營與服務模塊內，客戶關系管理集中考慮客戶需求的基礎情況和管理。
3.2業務層設計
業務層包括業務的設計開發、業務配置、業務問題管理、質量分析以及業務使用量的計費等。在戰略與基礎設施模塊中的服務開發與管理就是為運營與服務模塊提供所需產品或服務能力的規劃、開發和建設，它包括服務戰略制定、服務的性能管理和評估、確保未來服務需求能力等所必須的功能。在運營與服務模塊中業務運行管理聚焦于對客戶服務的提供，包括客戶需求分析、服務方案設計、和服務保障等客戶服務所需的功能性需要。本層的焦點是服務提供和管理，面向客戶提供個性化服務。
3.3資源層設計
資源層主要包括基礎設施的規劃設計、建設和管理，是為支持衛星通信運營服務所需的衛星資源、地面基礎設施和軟資源等的規劃、開發和交付，主要包括衛星資源、衛星測控站、業務監測站、運營服務網絡平臺、IT系統、知識共享庫等，以及新技術的引入與現有資源技術的互相作用、現有資源性能管理和評估，確保滿足未來服務需求的能力等所必須的功能。資源管理和運行主要負責衛星資源管控（衛星性能監視、分析和控制）和其他地面基礎設資源的運維管理等所有功能性責任，確保各類基礎設施資源平穩運轉，能夠為客戶提供所需的端到端服務能力，并直接或間接地響應服務、客戶和員工的需求。同時也包括對資源的功能集成、關聯和實時數據統計，以便進行信息綜合管理和采取提質增效措施。
3.4供應鏈層設計
供應鏈層主要包括處理與衛星建造商、設備提供商、集成商和工程服務商等合作伙伴的交互，它既包括基礎設施的供應鏈管理，也包括與供應商和合作伙伴之間關于日常運營的接口管理。
4基本框架的整體設計
綜合上述分析，衛星通信業務基本框架模型一方面突出衛星服務商的基礎設施規劃建設和運營服務支撐的核心重要性，另一方面強調面向客戶、聚焦前端提供端到端的服務交付能力，從而我們可以得出衛星通信業務基本框架的整體結構設計，如圖5所示。如圖5所示，箭頭以上半部分代表從衛星通信業務的全生命周期管理和客戶需求實現兩個維度進行的三個模塊、四個層次結構設計思路；箭頭的下半部分表示抽象化、可視化的衛星通信業務基本框架結構設計。該基本框架從頂層將衛星通信業務服務商劃分為戰略與基礎設施、運營與服務和組織管理三大模塊，并在框架布局上體現出面向客戶的服務中戰略與基礎設施是前提先導，運營與服務是關鍵實施，組織管理是全過程支撐的運營特點；該框架自上而下的四個層次架構設計，充分體現出衛星通信企業是以客戶需求為引導，以業務實現為手段，以資源和供應商為保障的層次遞進關系，各層次環環相扣，緊密鏈接。這種以客戶為中心，面向市場的層次設計，確保企業在享用客戶需求時更迅速、策略更靈活，大大提供客戶滿意度，同時能夠更優化企業內外部軟硬資源的工作效能，以最高效的方式為客戶提供最適當的信息服務，真正做到讓大市場來主導企業的流程架構。
5結束語
1.1衛星通信具有眾多的優勢（1）電波覆蓋地域比較寬廣。（2）傳輸路數多，通信容量大。（3）通信穩定性好、質量高。（4）衛星通信不受地域限制，運用方式靈活。
1.2衛星通信的一些劣勢主要的方面有：（1）延遲現象比較常見。（2）傳播過程中由于信號較差，容易出現信號中斷的現象。（3）終端產品的選擇面不廣。
2衛星通信產品的多址體制方式的選擇
衛星通信由于具有廣播和大范圍覆蓋的特點，因此，特別適合于多個站之間同時通信，即多址通信。多址通信是指衛星天線波束覆蓋區內的任何地球站可以通過共同的衛星進行雙邊或多邊通信。目前比較常用的兩種衛星通信多址體制方式為：TDM-FDMA（時分復用-頻分多址）和MF-TDMA（跳頻-時分多址）。（1）多址體制方式一：TDM-FDMA。（2）多址體制方式二：MF-TDMA。
3衛星通信在鐵路應急通信中的應用網絡架構
有時候會因為遇到突發性、嚴重的自然災害、人為因素導致其他所有通信手段無法使用時，而應急指揮中心又急需現場相關資料，這時就可以利用衛星通信覆蓋區域廣和快速部署的優勢將信息發送到應急指揮中心。常規衛星系統現場接入方式可以分成兩種：一種是車載型，一種是便攜型，這兩種衛星接入方式可以視現場情況而定。而對于鐵路應急通信人員來說，以上兩種接入方式均可以采用，但在到達應急現場后，還需要在現場對衛星接入設備進行開設，考慮操作使用人員的技術水平和熟練程度，選擇自動對星的車載或便攜衛星設備就顯得非常的方便，可確保快速建立通信鏈路保證通信。
事發現場人員要將信息傳送到應急指揮中心，在鐵路應急衛星通信系統網絡建設時，可根據實際情況需要，按下文所述三種方案進行建設，如圖1所示。
方式一：在中國鐵路總公司應急中心建立衛星地面通信站，這樣就可以通過應急指揮中心收發數據，再通過地面的有線網絡傳輸到需要數據的各路局應急指揮中心。這種方案對于現代網絡資源的應用比較充分，但在遇到一些突況時，數據可能無法通過地面有線網絡傳輸到需要數據的各路局應急指揮中心，這就導致可能會出現一些無法預知的情況。
方式二：在各個路局的應急指揮中心建立衛星通信站，這樣就可以在發生狀況時迅速的將數據發送到各路局的應急指揮中心，同時各路局也能夠及時的下達指令，進行相關問題的處理。這樣做的好處是各路局應急指揮中心能及時掌握應急現場狀況，但不利的是其建設費用將會大大增加。
方式三：在中國鐵路總公司應急指揮中心以及各路局應急指揮中心均設置衛星通信站，這樣一來，無論發生什么災害情況，各路局應急指揮中心與中國鐵路總公司應急指揮中心都可以實時掌握事發現場情況。這樣做的好處不言而喻，但其建設費用也無疑會昂貴很多。
4結束語
本系統采用LabWindowsCVI來進行設計與開發，系統軟件框圖如圖2所示。軟件系統由監控界面、參數設置模塊、數據采集模塊、程控命令模塊、數據處理模塊、圖像顯示模塊和數據存儲模塊組成。各模塊功能通過LabWindowsCVI進行模塊化設計。
計算機通過GPIB通信接口對AV4033的功能控制是通過程控儀器標準指令來實現的，程控指令是可以對頻譜儀進行遠端控制的一組特殊格式串，包括儀器設置、通道配置、數據掃描方式、控制輸出、讀取數據、狀態報警、接口設置等指令集。這些指令的發送均是字符串形式,所有的頻譜儀命令都必須符合特殊的語法規則，在應用高級語言進行編程時，程控指令一般是作為一個獨立的參數在調用函數中出現，這類針對遠程控制的函數隨GPIB接口和采用的高級語言的不同而不同，但其程控指令是相同的，AV4033系列頻譜儀的語法命令圖如圖3所示。本文利用程控指令和頻譜儀進行通信時,選擇LabWindowsCVI自帶的GPIB函數庫,可以方便地進行程控命令發送和數據讀取操作。
2應用舉例
衛星固定通信臺站天線口徑大波束窄，對天線伺服系統的自動跟蹤性能要求較高，為確保通信效果，需定期測量衛星天線系統的自動跟蹤性能，傳統的測試方法需用頻譜儀在射頻方艙內測試，且測試結果保持和記錄都不方便，利用本系統可以方便進行遠程測試，而且可以將測試結果保存在數據存儲單元中，方便后續查詢和參考。衛星天線跟蹤性能測試流程如下：（1）調整衛星天線使其對準通信衛星；（2）在監控主機上按下述過程設置頻譜儀；a)按衛星信標頻率設置頻譜儀中心頻率，設置SPAN為0到100KHzb)根據信標信號的電平變化范圍設置Sacle/DIV，以使測量過程中的載波電平變化始終落在頻譜儀的可顯示電平范圍內c)根據信標頻率穩定度，選擇盡可能窄的RBWd)根據載波的峰值頻率和功率，調整頻譜儀的中心頻率和參考電平e)利用鍵盤調窄SPAN，重復4f)重復5，將SPAN調整到最小g)將SPAN置0，使載波顯示譜線作水平運動h)輸入掃描時間，確定掃描長度（3）用手控方式調偏衛星天線的方位角和俯仰角，頻譜儀顯示譜線的電平將隨天線偏離衛星而下降（4）啟動天線自動跟蹤功能，觀察衛星信標電平隨時間的變化，記錄自動跟蹤天線的對星過程以及跟蹤速度和精度（5）存儲記錄數據，重復3、4步驟，多記錄幾次測試結果，分析衛星天線自動跟蹤性能。
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1.1北斗衛星通信系統的主要特點
北斗衛星通信系統的主要特點體現在抗雨水能力強，具備高可靠性和低功耗且簡單維護的特點，再加上是由我國自主獨立研發，因此在信息的保密性和安全性方面都更有保障。另外其多元化的不同制式能夠實現和水情測報系統的無縫集成。特別是水情自動測報系統更加注重短通信的數據傳輸，而這一點正是北斗衛星通信系統所特有的優勢。這個系統的工作頻段主要有L/S/C，其頻段范圍較寬，所以在信息傳輸方面擁有其獨特的優勢。
1.2北斗衛星技術下的水情自動測報站的主要構成
北京市的北斗衛星技術下的水情測報站的主要構成包括了四個方面。第一是北斗通信模塊。主要選擇的是用戶終端。該北斗衛星的用戶終端主要有天線設備和主機設備兩種，而且這兩種設備的終端體積也相對較小，且操作比較簡單，安裝維護工作也非常容易。其主要信號的傳送機制是通過瞬間突發的模式，這樣也能夠有效的降低用戶終端的功耗。而且也能夠支持環境惡劣的野外水情測報。第二是測試中心的終端機。測試中心一般遠離監測中心，所以需要通過遙測的方式來實現。這種終端機能夠和不同的傳感器進行連接，并支持不同的數據通信模式。北京的水文測試中心的遙測終端就支持北斗衛星通信，同時也支持了GSM通信和GPRS通信等。并能夠根據信號的變化自動切換，從而保障遙測數據能夠及時的反饋到監測中心。第三就是前端的傳感器。這些傳感器主要有涉及到測報水情的相關數據需求，包括了水位傳感器和雨量傳感器以及水質、水位等傳感器等。第四就是電源。電源主要選擇的是密封的蓄電池，并能夠通過太陽能板進行充電，這樣能夠具有一定的環保性。另外這些電池還具有自動啟動和切斷的裝置，只有在發送數據的時候才會啟動，從而提升蓄電池使用壽命，并節省用電。
1.3北斗衛星通信鏈路分析
北京市某地北斗衛星的通信鏈路構成主要包括了北斗衛星以及網管中心。這個鏈路的功能就是對水情測報站的數據進行備份以及進行查詢和下載。
1.4北斗衛星的監測中心
北斗衛星的監測中心自然是這個水情測報系統的核心，主要有由衛星指揮型終端以及數據接收端和數據庫等構成。這個監測中心是所有數據的交匯點。同時也是控制中心。第一是衛星接收終端。主要具備兼收功能和通播功能以及全信道鎖定以及大數據處理功能。同時還包括了內置的電池。第二就是接收數據服務器。這是專門集中管理數據的重要設備。具備兩個信道來進行接收。其中第一個信道主要是連接互聯網，通過互聯網來進行數據接收。第二個信道則是通過衛星系統。在北京某地的水情測報系統，這個信道就是和北斗衛星通信系統進行實時的數據接收。這個數據也能夠通過RS232串口來接收。第三就是水情數據庫。當數據接收服務器接收到各種途徑獲得數據之后，就會對這些數據進行解碼和分析，然后將水情數據錄入到水情數據庫中，從而為各種水情的應用提供服務。第四是數據應用服務器。這個服務器主要是對水情數據進行處理和存儲以及統計報表等。另外監測中心能夠將指令或者某一個執行動作信息發到各地的遙測站點，或者指定某個遙測站點進行發送。
1.5北斗衛星自動測報的軟件設計
北斗衛星自動測報的系統軟件主要包括兩個部分。其一是控制測站的軟件。在北京的水情自動測報系統中，主要是有北斗衛星監控中心以及遙測站點形成一對多的傳輸關系。遙測站將感應信息通過衛星傳輸到監控中心，然后監控中心反饋收到信息。而這些遙測站點會根據相應的反饋信息進行相應的處理，或者轉入休眠，抑或是重新要求遙測站點進行收集數據。其二就是軟件系統的處理。這是系統軟件的關鍵部分，能夠對遙測站點傳輸的數據進行多元化的處理，從而為相應的使用人員提供多種的水情服務，有助于提升當地的水情觀測水平。
1.6通信機制的設計應用
北京的水情自動測報系統的通信機制設計的關鍵在于解決了通信頻度控制問題以及信息格式的設計問題兩種。其一是通信頻度的控制策略。基于北斗衛星通信系統的收費標準要比移動的GSM以及全球衛星定位系統的GPRS的費用都要高出不少，根據北京市場大概要高出5倍多。因此在發送信息策略上和普通的移動遙測站的數據傳輸策略要盡心差異化。只有在出現明顯差異的水情數據時，才會性發送。根據北京的通信費用，每次傳輸為0.5元。因此北京的遙測站點設置傳輸策略為每小時傳輸一次。如果沒有發生變化，如沒有下雨，每天在早晨8點發送一次平安數據報。這樣就能有效的降低信息的傳輸次數，節省了傳輸費用。其二就是在信息格式設置上，北斗衛星通信系統可以設置的短字節有43字節數和70字節數以及98字節數三種，字節數越大，那么單次的傳輸內容就越多，因此費用也就越高。由于水情數據相對較為復雜，而且為了提升數據的準確性，在北京的水情自動測報系統上，就采用了98字節數進行傳輸，所以每次的傳輸價格在1元。
2結束語
本系統采用LabWindowsCVI來進行設計與開發，系統軟件框圖如圖2所示。軟件系統由監控界面、參數設置模塊、數據采集模塊、程控命令模塊、數據處理模塊、圖像顯示模塊和數據存儲模塊組成。各模塊功能通過LabWindowsCVI進行模塊化設計。計算機通過GPIB通信接口對AV4033的功能控制是通過程控儀器標準指令來實現的，程控指令是可以對頻譜儀進行遠端控制的一組特殊格式串，包括儀器設置、通道配置、數據掃描方式、控制輸出、讀取數據、狀態報警、接口設置等指令集。這些指令的發送均是字符串形式,所有的頻譜儀命令都必須符合特殊的語法規則，在應用高級語言進行編程時，程控指令一般是作為一個獨立的參數在調用函數中出現，這類針對遠程控制的函數隨GPIB接口和采用的高級語言的不同而不同，但其程控指令是相同的，AV4033系列頻譜儀的語法命令圖如圖3所示。本文利用程控指令和頻譜儀進行通信時,選擇LabWindowsCVI自帶的GPIB函數庫,可以方便地進行程控命令發送和數據讀取操作。
2應用舉例
衛星固定通信臺站天線口徑大波束窄，對天線伺服系統的自動跟蹤性能要求較高，為確保通信效果，需定期測量衛星天線系統的自動跟蹤性能，傳統的測試方法需用頻譜儀在射頻方艙內測試，且測試結果保持和記錄都不方便，利用本系統可以方便進行遠程測試，而且可以將測試結果保存在數據存儲單元中，方便后續查詢和參考。衛星天線跟蹤性能測試流程如下：（1）調整衛星天線使其對準通信衛星；（2）在監控主機上按下述過程設置頻譜儀；a)按衛星信標頻率設置頻譜儀中心頻率，設置SPAN為0到100KHzb)根據信標信號的電平變化范圍設置Sacle/DIV，以使測量過程中的載波電平變化始終落在頻譜儀的可顯示電平范圍內c)根據信標頻率穩定度，選擇盡可能窄的RBWd)根據載波的峰值頻率和功率，調整頻譜儀的中心頻率和參考電平e)利用鍵盤調窄SPAN，重復4f)重復5，將SPAN調整到最小g)將SPAN置0，使載波顯示譜線作水平運動h)輸入掃描時間，確定掃描長度（3）用手控方式調偏衛星天線的方位角和俯仰角，頻譜儀顯示譜線的電平將隨天線偏離衛星而下降（4）啟動天線自動跟蹤功能，觀察衛星信標電平隨時間的變化，記錄自動跟蹤天線的對星過程以及跟蹤速度和精度（5）存儲記錄數據，重復3、4步驟，多記錄幾次測試結果，分析衛星天線自動跟蹤性能。
3結束語
半物理仿真平臺的建立采用.NET環境下應用C#編程語言設計具有Windows風格的人機交互半物理仿真平臺。通過各個模塊的點擊模擬操作，可以很好地實現用戶對仿真模型的智能化運動控制，并且在完成仿真運動后，讀取并記錄顯示衛星通信機動站運動過程的所有狀態位置信息以及虛擬傳感器的測距數據，最后生成仿真動畫，達到直觀的效果，虛擬場景測得的數據最終和真實環境中的實物所得數據進行比較，從而驗證智能化控制算法的合理性、適用性。上位機用戶平臺包括虛擬現實展示、DLL調用測試、衛星通信機動站控制器半物理仿真通訊平臺、狀態信息的記錄與讀取、傳感器測距信息的記錄與讀取，狀態信號實現衛星通信機動站的虛擬現實運動動畫的展示，人機交互半物理仿真平臺，如圖2所示。
2衛星通信機動站動力學模型的建立
Maplesim是一個多領域物理建模和仿真工具，它提供了一個三維可視化的環境建模以及動畫顯示仿真結果，在這種環境下，可以通過簡單且直觀的方式搭建各種復雜系統的模型，還可以可視化分析仿真結果。在Maplesim中能將建立好的模型轉換到C代碼中，可以在其他應用程序和工具中使用此C代碼。在3D可視化建模環境下可以快捷、方便且直觀地創建所需要的動力學仿真模型，之后將模型轉生成C代碼，在VC++環境下編譯C代碼生成動力學模型的DLL文件，這樣可以方便其他應用程序的調用仿真。本研究基于.NET開發平臺采用C#語言編寫上位機仿真用戶界面，進而對生成的DLL文件進行調用。半物理仿真系統開始執行，給定一個初始時間t0（初始值），每次經過t時間后，對動力學模型DLL文件進行調用，從衛星通信機動站的動力學模型DLL中輸出第一個狀態信號，將這個狀態參數傳遞給衛星通信機動站控制器實物，控制器中對輸入的狀態參數完成控制算法后將再次發出控制信號并傳遞給C#軟件環境，再經過t時間，再次調用DLL中的動力學模型。此時衛星通信機動站動力學模型的DLL輸出第二個狀態信號。如此循環反復執行此過程，如圖3所示，形成了一個閉環的半物理仿真系統。
3半物理仿真系統設計
衛星通信機動站半物理仿真系統主要由人機交互操作界面、STM32控制器、信號轉換器、數據采集系統以及PC機中的衛星通信機動站動力學模型5部分組成。以STM32控制器為核心的衛星通信機動站半物理仿真系統本身是一個閉環系統，在仿真通訊過程中，由衛星通信機動站控制器實物發出控制信號，控制信號模擬量經過信號轉換器轉換成數字信號，再通過USB虛擬串口通訊傳遞給PC機，PC機則調用WindowsAPI（Windows系統中可用的核心應用程序編程接口）對數字信號進行接收。PC機將接收到的信號再調用C#軟件環境的動力學仿真模型，最后輸出一個狀態信號。PC機再將輸出的狀態信號通過WindowsAPI接口發送出去，狀態信號經過USB虛擬串口傳遞給信號轉換器。信號轉換器將狀態信號數字量轉換成模擬量后傳給衛星通信機動站控制器，在控制器中完成控制算法后，重新輸出新的控制信號。此控制信號再經信號轉換器PC機動力學模型的DLL，最終返回狀態信號，如此循環地執行就形成了一個閉環的半物理仿真系統［4-5］，如圖4所示為半物理仿真系統框圖。
4硬件系統的構建
衛星通信機動站的智能化控制是一個復雜的運動控制系統，其具有多自由度、多傳感器、多驅動器、多運動形態的特點，對衛星通信機動站在現實運動過程中的多個傳感器的輸出模擬量數據進行采集，同時采用SPI串口通訊、藍牙無線通訊的方式將數據傳遞給PC機上位機軟件用戶界面，以數據和虛擬動畫相結合的方式直觀地顯示衛星通信機動站的實時運行狀態。采用ADAS3022數據采集系統采集傳感器數據，經ADAS3022的數字接口SPI與MCU選用的STM32芯片內部自帶的SPI通訊，并且可實現內部自帶的ADC（模/數轉換器）進行信號轉換，再通過HC-05嵌入式藍牙模塊與PC機進行通訊，如圖5所示為系統總體設計方案。硬件系統設計了一個完整的5V單電源、8通道、多路復用的數據采集系統，可以集成用于工業級信號的可編程增益儀表放大器（PGIA）［6］。如圖6所示為數據采集系統電路原理圖。數據采集系統主要是以ADAS3022芯片為核心設計的，ADAS3022芯片上具有完整的DAS，它可以以最高1MSPS轉換速率進行轉換，能夠接受的最大輸入信號范圍最高可達±24.576V的差分模擬輸入信號。與傳統的數據采集相比，在標準的數據采集方案中都會涉及到信號緩沖、電平轉換、放大、噪聲抑制以及其它模擬信號調理等，但是在ADAS3022中則無需這些輔助調理電路。這樣一種高性能的核心芯片的應用，簡化了具有高精密16位數據采集系統的設計難點，降低了成本。此外，在外觀上，它具有更小的外形尺寸（6mm×6mm），40引腳的LFCSP封裝；在性能方面，它可以提供最佳的時序和噪聲性能，工作溫度跨度-40℃到+85℃的工業溫度范圍［7-8］。此電路系統采用ADAS3022、ADP1613、ADR434和AD8031精密器件的組合，可同時提供高精度和低噪聲性能。
5結語
信標機提供串行通信接口，通過串口服務器，將串行通信做協議轉換為網絡通信協議，再通過一根網線與交換機連接，最終與控制計算機進行數據交換。設備連線后，在計算機上要進行虛擬串口映射，即把串口服務器的串口映射到計算機上，映射成功后，就可以把這些虛擬串口作為計算機上的串口使用，解決計算機本身無串口的問題。載波的發射狀態是通過改變調制解調器參數來實現的，控制載波發射狀態實際上通過控制調制解調器的發射狀態繼而達到控制載波狀態的目的。調制解調器提供網絡接口，通過交換機最終與控制計算機進行數據交換。控制軟件實時監視信標機和調制解調器的工作狀態，以此作為發送控制指令的依據。
2信號處理
通過監控軟件完成，為了不占用更多的主線程資源，監控軟件分別建立兩個獨立的線程CThreadBeacon信標機線程類和CThreadModem調制解調器線程類，通過這兩個線程的通信處理載波的關閉與開啟。當確定天線進入遮擋區后，CThreadBeacon信標機線程根據當前的信標強度和調制解調器載波發射的狀態，發送打開或關閉載波的消息給CThreadModem線程。CThreadModem線程主要有兩個作用，一是讀取調制解調器當前的參數，明確設備的工作狀態，二是負責接收由CThrea-dBeacon線程發送過來的消息，根據消息的具體內容，向調制解調器發送相應的控制指令。車載站在載波發射的行進中，如遇到高大的貨車或小面積的建筑遮擋瞬間遮擋時，這時關閉載波是不必要的，故在信標機線程中，設定當遮擋超過10s后發送關閉消息給調制解調器線程，進而關閉載波發射。同樣在離開遮擋區超過5s后發送開啟消息給調制解調器線程，進而開啟載波發射。具體流程見圖1“載波自動關閉流程圖”。
3實現過程
軟件以visualc++6.0作為開發編譯環境，在基于對話框的應用程序界面中，運用多線程串口通信編程和SNMP網絡編程方法，利用線程間通信機制，完成載波自動關閉功能。軟件啟動時，建立CThreadBeacon線程并啟動運行，運用串口通信編程，在InitInstance函數中，初始化串口參數，線程中使用定時器，頻率為300ms，按照通信協議格式，以查詢方式讀取信標強度，經過適當處理后，以浮點數顯示在監控界面上，范圍是0~10，根據浮點數的大小，來判定天線是否進入遮擋區，如當信標強度小于3時，確定天線進入遮擋區，再以PostThreadMessage的方式發送消息給CThrea-dModem線程。建立CThreadModem線程，運用SNMP網絡編程，在In-itInstance函數中，初始化調制解調器SNMP相關參數，創建兩消息響應函數OnGetParam_Modem用來獲取設備當前狀態，和OnSetParam_Modem用來接收由CThreadBeacon線程發送過來的消息，根據消息的附加參數和當前調制解調器的狀態，確定發送關閉或開啟載波的指令。
4結語
