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论文摘要：低轨道（LEO）卫星移动通信系统是卫星距离地面500～1500km，运行周期2～4小时的卫星通信系统。铱系统、全球星系统及系统是地轨道卫星移动通信系统发展最快的范例。LEO卫星移动通信系统具有广阔的发展前景
1LEO卫星移动通信系统的特点
低轨（LEO）卫星移动通信系统与中轨（MEO）和静止轨道（GEO）卫星移动通信系统比较，具有以下特点：
1.1由于具有更小的信号衰减和更低的传播时延，低轨卫星通信系统更有利于实现个人全球通信。LEO系统的路径传输损耗通常比GEO低几十分贝，所需发射功率是GEO的1/200-1/2000，传播时延仅为GEO的1/7~1/50，这对于实现终端手持化和达到话音通信所需要的延时要求是十分有利的。
1.2蜂窝通信、多址、点波束、频率复用等技术的发展为LEO卫星移动通信提供了技术保障。
1.3由于地面移动终端对卫星的仰角较大，天线波束不易受到地面反射的影响，可避免多径衰落。
1.4它在若干个轨道平面上布置多个卫星，由星间通信链路将多个轨道平面上的卫星联接起来。整个星座如同结构上连成一体的大型平台，在地球表面形成蜂窝状服务小区，服务区用户至少被一个卫星覆盖，用户可随时接入系统。
1.5由于卫星的高速运动和卫星数目多，也带来了多普勒频移严重和星间切换控制复杂等问题。但不管怎样，低轨卫星移动通信系统的上述特点对于支持实现个人通信是有巨大吸引力的。
2LEO卫星通信系统用户切换的一般过程
低轨卫星移动通信系统中，由于卫星的高速运动，使得它的波束覆盖区也跟着移动，而波束覆盖区的移动速度远大于用户的运动速度，因此，在LEO卫星移动通信系统中，切换主要是由于卫星波束移动引起的。
对于卫星移动通信系统中的呼叫切换，通常经历这样一个过程：
2.1用户周期测量当前使用波束和邻近波束的导频信号或广播信道的信号强度的变化，以便确定它是否正在穿越相邻波束之间的边界或者处于相邻波束的重叠区内。
2.2若用户进入相邻波束的重叠区，达到切换触发的条件，将开始启动切换过程。用户中止利用当前波束进行通信，等待分配信道利用新波束进行通信。
2.3切换过程开始后，需要在新到达波束中为该用户按照一定的信道分配算法进行信道分配，并在原先波束中释放使用的信道；如果采用了波束内切换或信道重安排，则原先波束还须按照呼叫结束后的信道重安排算法进行波束内的信道优化分配，进行必要的波束内分配。分配完成后，将数据流从旧链路转移到新链路上来，完成切换。
3LEO卫星通信系统用户切换的种类
低轨卫星通信系统用户切换可分为以下类型：
3.1同一信关站和卫星的不同波束之间的切换
目标波束和现用波束在同一信关站和同一卫星内，该切换涉及两个波束的信道分配和修改同一信关站(不采用星上交换)或卫星(采用星上交换)的交换路由表。
3.2同一信关站不同卫星之间的切换
目标波束与现用波束不在同一颗卫星内、但在同一个信关站范围内，它涉及两颗卫星的信道分配；对于采用星上交换的体制，需要改变两颗卫星星上交换路由表；对于卫星透明转发的体制，需要修改信关站交换路由表。
3.3不同信关站同一卫星的波束间的切换
目标波束和现用波束属于同一颗卫星，但属于不同的信关站，它涉及两个信关站之间的切换，包括信道分配、改变地面线路连接、位置更新、记费等，对于采用星上交换的卫星还需要改变其交换路由表。
3.4不同信关站不同卫星之间的切换
目标波束和先用波束属于不同的卫星且属于不同的信关站，它涉及两个信关站和两颗卫星之间的切换，信关站涉及信道分配、改变地面线路连接、位置更新、记费等问题，对于采用星上交换的卫星需要改变其交换路由表。
4LEO卫星通信系统中用户切换目标卫星的选择准则
在低轨卫星移动通信系统的切换控制中，切换的目标卫星的选择策略对切换的最终性能也有着直接的影响。因此，根据系统的需要，设计出适合于本系统的切换目标卫星选择方案至关重要。目前，低轨卫星移动通信系统中的切换目标卫星选择策略主要有以下几种：最近卫星准则、最强信号准则、最长可视时间准则、最多可用信道数准则、覆盖时间与仰角加权准则及最小跳数切换准则。
其中，最近卫星准则认为距离用户终端最近（仰角最大）的卫星能够提供很好的服务质量（QoS），可从纯几何上对其性能进行分析，也称为最大仰角准则。采用该准则时，用户终端在任何时候都选择能够为其提供最大仰角的卫星。该准则实现简单，但一般不会在实际系统中采用，因为它既没有考虑无线信号在空中的传播条件，也没有考虑网络的运行状况。强信号准则是终端在任何时候选择能够接收到最强信号的卫星。拥有足够高的信号强度是无线通信的一个基本条件，可以认为最强信号卫星准则能够提供较好的服务质量。
最长可视时间准则又称为最大覆盖时间准则。按照这个策略，用户将利用星座系统运行的先验知识，始终选择具有最大服务时间的卫星作为其切换的目标卫星。该准则基于对最小化系统的切换请求到达率考虑，延长了切换后呼叫一直被某个卫星服务的时间，从而可获得较低的被迫中断概率。
最多可用信道数准则为：用户选择具有最多可用信道数的卫星为它提供服务。该准则出于对整个系统信道资源利用率考虑，以使卫星系统中每个卫星所承载的业务量趋于均匀分布，避免因某个卫星节点超负荷而失效，从而影响到整个系统性能。应用这个准则时，不管卫星的具置，新呼叫和切换呼叫会经历相同的阻塞率或被迫中断概率，从而可以避免出现某个卫星超载的情况。
最小跳数切换准则则应用于具有星上路由的情况，策略要求用户在任何时候都选择能够为其提供最少跳数路径的卫星。在具体实现过程中，通信双方周期性检测其可见卫星中是否有比当前通信路径的跳数更少的路径，如果存在则进行切换，否则继续使用当前卫星进行通信。当然，如果通信双方的当前卫星出现低于最小仰角（或信噪比）时，也需要进行切换。假定卫星系统使用准静态路由算法，路由表项中带有卫星到卫星的路由跳数，而且其路由信息随着网络拓扑变化由系统自动刷新。
5低轨卫星通信系统用户切换与路由
在切换时，由于服务卫星的改变，对于采用星上交换和星上路由的卫星通信系统，原有路由也需要被重新建立。重建路由有以下几种方案：全路由重建，部分路由重建，重路由结合扩展路由，动态概率优化路由，最小跳数路由。
其中全路由重建卫星切换方案：原有路由完全被新路由代替，该方案得到的新路由仍然是最优化路径，但其处理时延比较大。
部分路由重建卫星切换方案：当切换发生时，原有路由被部分保存，只有变化部分被更新，该方案处理时延比较小，但新生成的路由可能不是最优化路径。
重路由与扩展路由结合：切换后首先进行路由扩展，再进行路由优化。以降低延时，但信令开销增大。
动态概率优化路由：全路由重建节约带宽，但是扩大了信令资源，需要选择合适的优化概率P，在带宽和信令资源之间折中。即并不对所有扩展后的路由进行优化，而是以概率P，对一部分路由进行优化，一部分仍保持原扩展路由。
最小跳数路由策略：用户在任何时候都选择能够为其提供最少跳数路径的卫星。通信双方周期性检测其可见卫星中是否有比当前通信路径的跳数更少的路径，如果存在则进行切换，否则继续使用当前卫星进行通信。该策略能够获得较低的传播延时和较小的切换频率，具有很好的系统性能。
参考文献
[1]陈振国，杨鸿文，郭文彬.卫星通信系统与技术.北京：北京邮电大学出版社，2003
为了使构建的卫星通信业务基本框架符合企业运营流程管理逻辑，支撑卫星网络规划建设，提供面向客户的运营服务和保障，卫星通信业务基本框架采用自顶向下的方法，对卫星通信服务进行模块划分、描述和定义，力争构建起一个涵盖卫星通信业务建设、运营、管理完整业务链、全面系统的基本框架。
1.1基本框架的模块设计思路
对于卫星通信企业来说，卫星通信业务是其最根本的核心产品，卫星通信企业是通过向客户销售卫星通信业务产品，以实现满足客户需求、增加客户价值和公司盈利发展。因此，我们首先选取卫星通信业务为切入点，希望采用价值链分析方法对卫星通信业务产品的全生命周期进行细化分解，力争能够理清、认识、理解各组成环节要素及其相互关系，为基础框架的设计奠定基础。如图1所示，在一个卫星通信业务的全生命周期中，主要包括了前期客户需求调查研究、业务规划、产品设计、能力建设，中期的市场营销、业务开通、服务保障、运行维护，以及后期的业务产品退出或转型升级等各环节要素；另外在其各个环节实施过程中还需要企业人力、财务、质量管理、知识管理、品牌建设等运作管理环节进行基础支撑保障。从图1可以看出，卫星通信业务的全生命周期基本上分为两个阶段，第一阶段为前期卫星通信业务规划和能力建设，其主要完成了由战略和业务目标驱动，进行基础设施建设和形成业务产品或服务能力；第二阶段为中后期的卫星通信业务的运营和服务，主要承担了对业务产品进行运营管理并形成服务能力和产生收益。两个阶段之间相互关联、协同发展。业务规划与能力建设工作是运营与服务工作的前提和条件。只有设计出满足市场需求的业务产品，并能够及时具备能力并推出市场，才能够向客户提供满意的服务和可靠地运营保障；另一方面，运营与服务工作是业务规划和能力建设的实现和发展。业务规划和能力建设工作完成之后，必须通过运营和服务来实现产品销售和客户价值增加，在给客户提供服务的过程中不断发现和挖掘客户需求，并能够及时反馈给业务规划与能力建设进行业务产品的改进、提升和开发，从而形成最令用户满意、最具竞争力的优质服务产品。与此同时，两个阶段的各个环节都需要企业管理来进行支撑和保障。对于运营服务型企业来说，其更加关注运营与服务，所有业务规划与建设以及企业管理工作，都是企业为了通过运营服务产生价值、满足客户需求所需不同层面的服务保障工作。因此，为了在基础框架中突出强调卫星通信业务的规划建设和运营服务支撑的两个关键环节，同时体现出企业管理的基础支撑和保障作用，我们从总体上将卫星通信业务基本框架分为三大模块，即，战略与基础设施模块、运营与服务模块和企业管理模块，如图2所示。
1.2基本框架的层次设计思路
客户的卫星通信业务需求分类多种多样，我们可从市场、产品、资源和组织四个关键因素进行分析研究。客户购买的是卫星通信业务产品，而卫星通信企业的核心基础设施所能支撑的仅是企业向客户提品所需要的资源能力，要想将资源能力转化为客户需求实现，还需要通过卫星通信业务产品进行有效衔接。对于卫星通信企业而言就是对各种卫星通信资源和服务能力进行规划、设计和组装，形成了可以独立计价和运维支撑的业务产品。此外，客户所需业务产品多样，卫星通信服务商还需要结合供应商或者合作伙伴的基础设施资源进行有效组合使用，以发挥核心资源的最大效能和满足客户需求实现。因此，客户需求的实现主要由卫星通信企业的市场、业务、资源和供应商等关键因素协同完成。另外一方面，在基本框架的设计中，我们希望构建起能够面向客户的端到端运营服务支撑体系，即以客户需求为引导，业务实现为手段，资源、供应商和组织管理流程为保障的运营服务体系。主要经过市场需求的挖掘、提炼与转达，业务的开发、集成与实施，调动内外部资源，最终实现业务并反馈给用户的过程，如图3所示。该过程中，输入端是市场，输出端也是市场，形成的是一个从市场到市场的端到端的闭环，从而最终实现为客户提供最为优质和满意的服务。综上所述，为了表明客户需求实现过程中四个关键要素及其之间的相互支撑关系，并强调打造端到端的高效运营服务体系，我们在三大模块基础上，又将卫星通信业务基本框架划分为四个层次，包括市场层、业务层、资源层和供应链层，如图4所示。如图4的层次设计，将市场层放在最高层客户紧邻的第一位，突出强调企业是从客户需求出发，以客户需求为根本依据的理念；逐级向下的各层分别为业务层、资源层和供应链层，充分体现了客户需求实现是通过具体业务来实现，业务产品需要资源提供支撑，最底层的供应商和合作伙伴为企业提供除核心资源以外所需配套资源的各要素协同关系。这种层次设计充分体现出卫星通信企业的以客户为中心为市场服务的运营理念。
2基本框架各模块的设计
根据前述基本框架结构设计思路，我们对卫星通信业务基本框架各模块进行进一步设计和定义，各模块功能描述如下。战略与基础设施模块设计战略与基础设施模块主要负责指导和支撑运营服务。包括市场战略、资源战略的制定、基础设施规划、基础设施的构筑、产品和服务的开发和管理以及供应链/价值链的开发和管理。其中，基础设施不仅包括空间卫星资源的规划、建造、测控、运营和退役的全生命周期管理，还包括支撑产品运营服务的其他硬资源和软资源，如地面测控系统、客户关系管理、知识共享库，等等。运营与服务模块设计运营与服务模块主要负责客户需求实现和服务保障。包括日常的服务提供、运营支撑准备、质量保障以及销售管理和供应商/合作伙伴关系管理等，其包含所有由客户驱动的直接面向客户的运行和管理工作。组织管理模块设计组织管理模块为完成战略与基础设施模块和运营与服务模块所需进行的公司内部机构组建，包括了任何商业运行所必须的基本的企业或商务支持。
3基本框架各层次的设计
3.1市场层设计
市场层主要包括客户需求挖掘、分析、客户细分、销售和渠道管理、市场营销管理、服务产品和定价管理，以及客户关系管理、问题处理、服务等级协议管理和计费等。在战略与基础设施模块内，市场层提供对企业核心业务产品的规划开发管理，包括制定战略、开发新产品服务、管理现有资源、实施市场及战略等所需职能。在运营与服务模块内，客户关系管理集中考虑客户需求的基础情况和管理。
3.2业务层设计
业务层包括业务的设计开发、业务配置、业务问题管理、质量分析以及业务使用量的计费等。在战略与基础设施模块中的服务开发与管理就是为运营与服务模块提供所需产品或服务能力的规划、开发和建设，它包括服务战略制定、服务的性能管理和评估、确保未来服务需求能力等所必须的功能。在运营与服务模块中业务运行管理聚焦于对客户服务的提供，包括客户需求分析、服务方案设计、和服务保障等客户服务所需的功能性需要。本层的焦点是服务提供和管理，面向客户提供个性化服务。
3.3资源层设计
资源层主要包括基础设施的规划设计、建设和管理，是为支持卫星通信运营服务所需的卫星资源、地面基础设施和软资源等的规划、开发和交付，主要包括卫星资源、卫星测控站、业务监测站、运营服务网络平台、IT系统、知识共享库等，以及新技术的引入与现有资源技术的互相作用、现有资源性能管理和评估，确保满足未来服务需求的能力等所必须的功能。资源管理和运行主要负责卫星资源管控（卫星性能监视、分析和控制）和其他地面基础设资源的运维管理等所有功能性责任，确保各类基础设施资源平稳运转，能够为客户提供所需的端到端服务能力，并直接或间接地响应服务、客户和员工的需求。同时也包括对资源的功能集成、关联和实时数据统计，以便进行信息综合管理和采取提质增效措施。
3.4供应链层设计
供应链层主要包括处理与卫星建造商、设备提供商、集成商和工程服务商等合作伙伴的交互，它既包括基础设施的供应链管理，也包括与供应商和合作伙伴之间关于日常运营的接口管理。
4基本框架的整体设计
综合上述分析，卫星通信业务基本框架模型一方面突出卫星服务商的基础设施规划建设和运营服务支撑的核心重要性，另一方面强调面向客户、聚焦前端提供端到端的服务交付能力，从而我们可以得出卫星通信业务基本框架的整体结构设计，如图5所示。如图5所示，箭头以上半部分代表从卫星通信业务的全生命周期管理和客户需求实现两个维度进行的三个模块、四个层次结构设计思路；箭头的下半部分表示抽象化、可视化的卫星通信业务基本框架结构设计。该基本框架从顶层将卫星通信业务服务商划分为战略与基础设施、运营与服务和组织管理三大模块，并在框架布局上体现出面向客户的服务中战略与基础设施是前提先导，运营与服务是关键实施，组织管理是全过程支撑的运营特点；该框架自上而下的四个层次架构设计，充分体现出卫星通信企业是以客户需求为引导，以业务实现为手段，以资源和供应商为保障的层次递进关系，各层次环环相扣，紧密链接。这种以客户为中心，面向市场的层次设计，确保企业在享用客户需求时更迅速、策略更灵活，大大提供客户满意度，同时能够更优化企业内外部软硬资源的工作效能，以最高效的方式为客户提供最适当的信息服务，真正做到让大市场来主导企业的流程架构。
5结束语
1.1卫星通信具有众多的优势（1）电波覆盖地域比较宽广。（2）传输路数多，通信容量大。（3）通信稳定性好、质量高。（4）卫星通信不受地域限制，运用方式灵活。
1.2卫星通信的一些劣势主要的方面有：（1）延迟现象比较常见。（2）传播过程中由于信号较差，容易出现信号中断的现象。（3）终端产品的选择面不广。
2卫星通信产品的多址体制方式的选择
卫星通信由于具有广播和大范围覆盖的特点，因此，特别适合于多个站之间同时通信，即多址通信。多址通信是指卫星天线波束覆盖区内的任何地球站可以通过共同的卫星进行双边或多边通信。目前比较常用的两种卫星通信多址体制方式为：TDM-FDMA（时分复用-频分多址）和MF-TDMA（跳频-时分多址）。（1）多址体制方式一：TDM-FDMA。（2）多址体制方式二：MF-TDMA。
3卫星通信在铁路应急通信中的应用网络架构
有时候会因为遇到突发性、严重的自然灾害、人为因素导致其他所有通信手段无法使用时，而应急指挥中心又急需现场相关资料，这时就可以利用卫星通信覆盖区域广和快速部署的优势将信息发送到应急指挥中心。常规卫星系统现场接入方式可以分成两种：一种是车载型，一种是便携型，这两种卫星接入方式可以视现场情况而定。而对于铁路应急通信人员来说，以上两种接入方式均可以采用，但在到达应急现场后，还需要在现场对卫星接入设备进行开设，考虑操作使用人员的技术水平和熟练程度，选择自动对星的车载或便携卫星设备就显得非常的方便，可确保快速建立通信链路保证通信。
事发现场人员要将信息传送到应急指挥中心，在铁路应急卫星通信系统网络建设时，可根据实际情况需要，按下文所述三种方案进行建设，如图1所示。
方式一：在中国铁路总公司应急中心建立卫星地面通信站，这样就可以通过应急指挥中心收发数据，再通过地面的有线网络传输到需要数据的各路局应急指挥中心。这种方案对于现代网络资源的应用比较充分，但在遇到一些突况时，数据可能无法通过地面有线网络传输到需要数据的各路局应急指挥中心，这就导致可能会出现一些无法预知的情况。
方式二：在各个路局的应急指挥中心建立卫星通信站，这样就可以在发生状况时迅速的将数据发送到各路局的应急指挥中心，同时各路局也能够及时的下达指令，进行相关问题的处理。这样做的好处是各路局应急指挥中心能及时掌握应急现场状况，但不利的是其建设费用将会大大增加。
方式三：在中国铁路总公司应急指挥中心以及各路局应急指挥中心均设置卫星通信站，这样一来，无论发生什么灾害情况，各路局应急指挥中心与中国铁路总公司应急指挥中心都可以实时掌握事发现场情况。这样做的好处不言而喻，但其建设费用也无疑会昂贵很多。
4结束语
SOQPSK－TG信号可以在OQPSK的基础上由CPM的形式表示。二进制序列映射为NRZ码序列后进行预编码，再将所得信息插值，经过脉冲成形滤波后积分得到相位调制信息，利用正余弦查找表取得基带同相和正交分量，最后通过正交调制可以获得SO－QPSK－TG信号。SOQPSK－TG与BPSK，QPSK，GMSK信号功率谱比较，如图1所示。由于SOQPSK－TG调制方式相对传统BPSK、QPSK调制方式消除了载波相位±π／2或±π的突变现象，相对于GMSK调制方式，载波相位不仅可以在±π／2内连续变化，还可以保持不变。因此从图1中可以看出SOQPSK－TG调制方式功率谱密度更为紧凑，滚降速度快，频谱利用率高，因此能够满足目前卫星通信领域对频谱性能的要求。又因为其具有恒包络特性，放大器的非线性对其解调影响不大，因此功率利用率高，满足卫星对低功耗的要求。
2SOQPSK－TG的极化分集接收
经过高斯信道传输后的卫星接收信号可表示为，本文设计的极化分集接收系统首先通过ADC将接收的两路圆极化信号（左旋极化、右旋极化）转换为数字信号，然后经过自动增益控制环路（Au－tomaticgaincontrol，AGC）、差模环（Differentialmodeloop，DML）、最大比合并（Maximumratiocombining，MRC）、共模环、定时同步环路，得到解调信号，整体框图如图2所示。
2．1自动增益控制环路卫星通信信道衰落使得接收信号的包络会产生起伏，幅度变化可以相差几十分贝，本文给出的MRC算法、载波恢复算法和时钟恢复算法都要求输入端的两路信号幅度保持恒定不变，可见AGC在系统中至关重要。因此需要通过AGC调节接收信号的增益，使接收机输出电压恒定或基本不变，提高系统性能。其数学模型如下A（n＋1）＝A（n）＋βR－A（n）x（n［］）（8）式中：A（n）为AGC的调节增益，R为增益门限，β为增益步长。经过当前时刻增益A（n）所得的信号A（n）x（n）与门限R作比较，若小于门限则会增大下一个时刻的增益A（n＋1），同理若大于门限则减小下一时刻的增益，使输出信号基本维持在门限附近。增益步长β越小，幅度收敛越慢，捕获时间越长，误差越小，即波形失真越小；反之β越大，收敛越快，捕获时间越短，误差越大。
2．2差模环到达接收机的两路信号由于相位或本振频率不一致会引入一定的相位偏移和频率偏移，而MRC算法要求两路信号同频、同相后才能加权合并，取得增益，因此必须完成两路信号的同频同相处理。两路信号经过下变频、低通滤波后通过鉴相器将所得的误差信号分为两路，通过环路滤波器后以相反的极性调整数字控制振荡器（Numericalcontrolledoscillator，NCO），使两路信号以相反的方向被推到同一个公共频率上，实现两路信号的同频同相锁定。SOQPSK－TG信号的差模环算法模型推导如下，设经过AGC后的两路信号分别。
2．3最大比合并常用的极化分集接收合并方式有3种：等增益合并、选择合并和最大比合并。本文采用分集增益最佳的最大比合并算法［25］，其原理是通过AGC所获得的加权系数对两路信号进行加权合并，使信噪比较大的一路获得较大的权值，信噪比较小的一路获得较小的权值。设so为合并输出信号电压，αi为各支路加权系数，si为各支路输入信号电压，N为支路个数。假设各支路噪声不相干，因此合并输出噪声功率n2o应为各支路输入噪声功率n2i之和，可得合并输出信噪比γo为当且仅当各支路信号电压与加权噪声功率之比相等时，输出达到最大值，此时分集增益为N。
2．4共模环卫星相对地面的高速运动会使信号载波产生多普勒频率分量，这就要求接收机有较强的频移捕获能力、较快的同步速度以及较高的同步精度。本文采用同相正交环算法对载波进行恢复。
3仿真验证
仿真条件：信号中频f0＝32MHz，下变频后载波fR＝fL＝4MHz，每周期采样点数Nc＝32，采样率fs＝128MHz，码元个数Num＝800，每个码元采样点数Ns＝64，接收信号为正弦起伏包络，起伏范围为20dB，两路输入信号频差Δf＝2．56kHz，相差Δφ＝π／4，多普勒频移fd＝6．4kHz，噪声为高斯噪声，信噪比SNR＝15dB，各环路仿真结果见图3～10。上述仿真结果表明，自动增益控制环路能够较好地恒定输入电平，如图3，4所示；差模环、共模环能够准确跟踪两路输入信号频差、相差及多普勒频移，如图5～8所示；最大比合并模块能够使得信噪比较差的一路得到补偿，如图9所示；最后的解调结果如图10所示，在最大起伏为20dB条件下，通过分集接收实现了正确解调。为进一步验证本文所提算法性能，图11给出了分集接收SOQPSK－TG卫星通信系统与传统BPSK卫星通信系统的性能对比结果。对比结果表明，极化分集SOQPSK－TG传输系统明显优于传统BPSK系统，在最大起伏为20dB条件下，可获得5～10dB平均信噪比增益。
4结束语
1.1北斗卫星通信系统的主要特点
北斗卫星通信系统的主要特点体现在抗雨水能力强，具备高可靠性和低功耗且简单维护的特点，再加上是由我国自主独立研发，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够实现和水情测报系统的无缝集成。特别是水情自动测报系统更加注重短通信的数据传输，而这一点正是北斗卫星通信系统所特有的优势。这个系统的工作频段主要有L/S/C，其频段范围较宽，所以在信息传输方面拥有其独特的优势。
1.2北斗卫星技术下的水情自动测报站的主要构成
北京市的北斗卫星技术下的水情测报站的主要构成包括了四个方面。第一是北斗通信模块。主要选择的是用户终端。该北斗卫星的用户终端主要有天线设备和主机设备两种，而且这两种设备的终端体积也相对较小，且操作比较简单，安装维护工作也非常容易。其主要信号的传送机制是通过瞬间突发的模式，这样也能够有效的降低用户终端的功耗。而且也能够支持环境恶劣的野外水情测报。第二是测试中心的终端机。测试中心一般远离监测中心，所以需要通过遥测的方式来实现。这种终端机能够和不同的传感器进行连接，并支持不同的数据通信模式。北京的水文测试中心的遥测终端就支持北斗卫星通信，同时也支持了GSM通信和GPRS通信等。并能够根据信号的变化自动切换，从而保障遥测数据能够及时的反馈到监测中心。第三就是前端的传感器。这些传感器主要有涉及到测报水情的相关数据需求，包括了水位传感器和雨量传感器以及水质、水位等传感器等。第四就是电源。电源主要选择的是密封的蓄电池，并能够通过太阳能板进行充电，这样能够具有一定的环保性。另外这些电池还具有自动启动和切断的装置，只有在发送数据的时候才会启动，从而提升蓄电池使用寿命，并节省用电。
1.3北斗卫星通信链路分析
北京市某地北斗卫星的通信链路构成主要包括了北斗卫星以及网管中心。这个链路的功能就是对水情测报站的数据进行备份以及进行查询和下载。
1.4北斗卫星的监测中心
北斗卫星的监测中心自然是这个水情测报系统的核心，主要有由卫星指挥型终端以及数据接收端和数据库等构成。这个监测中心是所有数据的交汇点。同时也是控制中心。第一是卫星接收终端。主要具备兼收功能和通播功能以及全信道锁定以及大数据处理功能。同时还包括了内置的电池。第二就是接收数据服务器。这是专门集中管理数据的重要设备。具备两个信道来进行接收。其中第一个信道主要是连接互联网，通过互联网来进行数据接收。第二个信道则是通过卫星系统。在北京某地的水情测报系统，这个信道就是和北斗卫星通信系统进行实时的数据接收。这个数据也能够通过RS232串口来接收。第三就是水情数据库。当数据接收服务器接收到各种途径获得数据之后，就会对这些数据进行解码和分析，然后将水情数据录入到水情数据库中，从而为各种水情的应用提供服务。第四是数据应用服务器。这个服务器主要是对水情数据进行处理和存储以及统计报表等。另外监测中心能够将指令或者某一个执行动作信息发到各地的遥测站点，或者指定某个遥测站点进行发送。
1.5北斗卫星自动测报的软件设计
北斗卫星自动测报的系统软件主要包括两个部分。其一是控制测站的软件。在北京的水情自动测报系统中，主要是有北斗卫星监控中心以及遥测站点形成一对多的传输关系。遥测站将感应信息通过卫星传输到监控中心，然后监控中心反馈收到信息。而这些遥测站点会根据相应的反馈信息进行相应的处理，或者转入休眠，抑或是重新要求遥测站点进行收集数据。其二就是软件系统的处理。这是系统软件的关键部分，能够对遥测站点传输的数据进行多元化的处理，从而为相应的使用人员提供多种的水情服务，有助于提升当地的水情观测水平。
1.6通信机制的设计应用
北京的水情自动测报系统的通信机制设计的关键在于解决了通信频度控制问题以及信息格式的设计问题两种。其一是通信频度的控制策略。基于北斗卫星通信系统的收费标准要比移动的GSM以及全球卫星定位系统的GPRS的费用都要高出不少，根据北京市场大概要高出5倍多。因此在发送信息策略上和普通的移动遥测站的数据传输策略要尽心差异化。只有在出现明显差异的水情数据时，才会性发送。根据北京的通信费用，每次传输为0.5元。因此北京的遥测站点设置传输策略为每小时传输一次。如果没有发生变化，如没有下雨，每天在早晨8点发送一次平安数据报。这样就能有效的降低信息的传输次数，节省了传输费用。其二就是在信息格式设置上，北斗卫星通信系统可以设置的短字节有43字节数和70字节数以及98字节数三种，字节数越大，那么单次的传输内容就越多，因此费用也就越高。由于水情数据相对较为复杂，而且为了提升数据的准确性，在北京的水情自动测报系统上，就采用了98字节数进行传输，所以每次的传输价格在1元。
2结束语
本系统采用LabWindowsCVI来进行设计与开发，系统软件框图如图2所示。软件系统由监控界面、参数设置模块、数据采集模块、程控命令模块、数据处理模块、图像显示模块和数据存储模块组成。各模块功能通过LabWindowsCVI进行模块化设计。计算机通过GPIB通信接口对AV4033的功能控制是通过程控仪器标准指令来实现的，程控指令是可以对频谱仪进行远端控制的一组特殊格式串，包括仪器设置、通道配置、数据扫描方式、控制输出、读取数据、状态报警、接口设置等指令集。这些指令的发送均是字符串形式,所有的频谱仪命令都必须符合特殊的语法规则，在应用高级语言进行编程时，程控指令一般是作为一个独立的参数在调用函数中出现，这类针对远程控制的函数随GPIB接口和采用的高级语言的不同而不同，但其程控指令是相同的，AV4033系列频谱仪的语法命令图如图3所示。本文利用程控指令和频谱仪进行通信时,选择LabWindowsCVI自带的GPIB函数库,可以方便地进行程控命令发送和数据读取操作。
2应用举例
卫星固定通信台站天线口径大波束窄，对天线伺服系统的自动跟踪性能要求较高，为确保通信效果，需定期测量卫星天线系统的自动跟踪性能，传统的测试方法需用频谱仪在射频方舱内测试，且测试结果保持和记录都不方便，利用本系统可以方便进行远程测试，而且可以将测试结果保存在数据存储单元中，方便后续查询和参考。卫星天线跟踪性能测试流程如下：（1）调整卫星天线使其对准通信卫星；（2）在监控主机上按下述过程设置频谱仪；a)按卫星信标频率设置频谱仪中心频率，设置SPAN为0到100KHzb)根据信标信号的电平变化范围设置Sacle/DIV，以使测量过程中的载波电平变化始终落在频谱仪的可显示电平范围内c)根据信标频率稳定度，选择尽可能窄的RBWd)根据载波的峰值频率和功率，调整频谱仪的中心频率和参考电平e)利用键盘调窄SPAN，重复4f)重复5，将SPAN调整到最小g)将SPAN置0，使载波显示谱线作水平运动h)输入扫描时间，确定扫描长度（3）用手控方式调偏卫星天线的方位角和俯仰角，频谱仪显示谱线的电平将随天线偏离卫星而下降（4）启动天线自动跟踪功能，观察卫星信标电平随时间的变化，记录自动跟踪天线的对星过程以及跟踪速度和精度（5）存储记录数据，重复3、4步骤，多记录几次测试结果，分析卫星天线自动跟踪性能。
3结束语
半物理仿真平台的建立采用.NET环境下应用C#编程语言设计具有Windows风格的人机交互半物理仿真平台。通过各个模块的点击模拟操作，可以很好地实现用户对仿真模型的智能化运动控制，并且在完成仿真运动后，读取并记录显示卫星通信机动站运动过程的所有状态位置信息以及虚拟传感器的测距数据，最后生成仿真动画，达到直观的效果，虚拟场景测得的数据最终和真实环境中的实物所得数据进行比较，从而验证智能化控制算法的合理性、适用性。上位机用户平台包括虚拟现实展示、DLL调用测试、卫星通信机动站控制器半物理仿真通讯平台、状态信息的记录与读取、传感器测距信息的记录与读取，状态信号实现卫星通信机动站的虚拟现实运动动画的展示，人机交互半物理仿真平台，如图2所示。
2卫星通信机动站动力学模型的建立
Maplesim是一个多领域物理建模和仿真工具，它提供了一个三维可视化的环境建模以及动画显示仿真结果，在这种环境下，可以通过简单且直观的方式搭建各种复杂系统的模型，还可以可视化分析仿真结果。在Maplesim中能将建立好的模型转换到C代码中，可以在其他应用程序和工具中使用此C代码。在3D可视化建模环境下可以快捷、方便且直观地创建所需要的动力学仿真模型，之后将模型转生成C代码，在VC++环境下编译C代码生成动力学模型的DLL文件，这样可以方便其他应用程序的调用仿真。本研究基于.NET开发平台采用C#语言编写上位机仿真用户界面，进而对生成的DLL文件进行调用。半物理仿真系统开始执行，给定一个初始时间t0（初始值），每次经过t时间后，对动力学模型DLL文件进行调用，从卫星通信机动站的动力学模型DLL中输出第一个状态信号，将这个状态参数传递给卫星通信机动站控制器实物，控制器中对输入的状态参数完成控制算法后将再次发出控制信号并传递给C#软件环境，再经过t时间，再次调用DLL中的动力学模型。此时卫星通信机动站动力学模型的DLL输出第二个状态信号。如此循环反复执行此过程，如图3所示，形成了一个闭环的半物理仿真系统。
3半物理仿真系统设计
卫星通信机动站半物理仿真系统主要由人机交互操作界面、STM32控制器、信号转换器、数据采集系统以及PC机中的卫星通信机动站动力学模型5部分组成。以STM32控制器为核心的卫星通信机动站半物理仿真系统本身是一个闭环系统，在仿真通讯过程中，由卫星通信机动站控制器实物发出控制信号，控制信号模拟量经过信号转换器转换成数字信号，再通过USB虚拟串口通讯传递给PC机，PC机则调用WindowsAPI（Windows系统中可用的核心应用程序编程接口）对数字信号进行接收。PC机将接收到的信号再调用C#软件环境的动力学仿真模型，最后输出一个状态信号。PC机再将输出的状态信号通过WindowsAPI接口发送出去，状态信号经过USB虚拟串口传递给信号转换器。信号转换器将状态信号数字量转换成模拟量后传给卫星通信机动站控制器，在控制器中完成控制算法后，重新输出新的控制信号。此控制信号再经信号转换器PC机动力学模型的DLL，最终返回状态信号，如此循环地执行就形成了一个闭环的半物理仿真系统［4-5］，如图4所示为半物理仿真系统框图。
4硬件系统的构建
卫星通信机动站的智能化控制是一个复杂的运动控制系统，其具有多自由度、多传感器、多驱动器、多运动形态的特点，对卫星通信机动站在现实运动过程中的多个传感器的输出模拟量数据进行采集，同时采用SPI串口通讯、蓝牙无线通讯的方式将数据传递给PC机上位机软件用户界面，以数据和虚拟动画相结合的方式直观地显示卫星通信机动站的实时运行状态。采用ADAS3022数据采集系统采集传感器数据，经ADAS3022的数字接口SPI与MCU选用的STM32芯片内部自带的SPI通讯，并且可实现内部自带的ADC（模/数转换器）进行信号转换，再通过HC-05嵌入式蓝牙模块与PC机进行通讯，如图5所示为系统总体设计方案。硬件系统设计了一个完整的5V单电源、8通道、多路复用的数据采集系统，可以集成用于工业级信号的可编程增益仪表放大器（PGIA）［6］。如图6所示为数据采集系统电路原理图。数据采集系统主要是以ADAS3022芯片为核心设计的，ADAS3022芯片上具有完整的DAS，它可以以最高1MSPS转换速率进行转换，能够接受的最大输入信号范围最高可达±24.576V的差分模拟输入信号。与传统的数据采集相比，在标准的数据采集方案中都会涉及到信号缓冲、电平转换、放大、噪声抑制以及其它模拟信号调理等，但是在ADAS3022中则无需这些辅助调理电路。这样一种高性能的核心芯片的应用，简化了具有高精密16位数据采集系统的设计难点，降低了成本。此外，在外观上，它具有更小的外形尺寸（6mm×6mm），40引脚的LFCSP封装；在性能方面，它可以提供最佳的时序和噪声性能，工作温度跨度-40℃到+85℃的工业温度范围［7-8］。此电路系统采用ADAS3022、ADP1613、ADR434和AD8031精密器件的组合，可同时提供高精度和低噪声性能。
5结语
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。
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”。
3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。
4结语
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