卫星通信基本原理范文

关键词：皮卫星；干扰；分布式系统

中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)32-1066-02

ResearchofSpace-basedJammingSystemandBasedonPico-satellite

LIGuo-qing

(HarbinUniversityofScienceandTechnology,Harbin150080,China)

Abstract:Basedonthesummarizationofthecharacteristicsanddevelopmentofactualityofthepico-satellites,aspace-basedjammingsystemconstructedbypico-satellitesisproposed.Thetheoreticprojectofthejammingsystemisgiven,andthekeytechnologiesareanalyzed.

Keywords:pico-satellite;jamming;distributedsystem

1引言

皮卫星（PicoSat）通常指质量小于1公斤的微小卫星[1]。目前，国际上卫星的分类如表1所示。皮卫星以微型机电系统（MEMS）技术为核心，由于质量很轻，可不使用高成本的大型运载工具进行发射，其成本可比一般卫星大大降低。近年来，随着微纳技术（MNT）的迅速发展，现代小卫星特别是皮卫星，都采取了软件无线电的设计思想，对各个功能模块进行一体化管理。此外，皮卫星的研制将不再需要大型的实验设施和高跨度厂房，因此目前大学等研究机构是研制皮卫星的主要科研力量。皮卫星因其体积和功耗所限，虽然功能比较单一，但是如果开发出标准的皮卫星平台，在其基础上通过装载不同的有效载荷，再加上具有“一箭多星”的发射特点，也可满足不同的飞行任务需要。所以，研制开发标准的皮卫星总线系统和皮卫星应用平台是在军事领域充分发挥皮卫星优势的必要条件。目前已发射的皮卫星有美国的Kutesat卫星、MASAT等卫星，日本的Cute-I卫星，韩国的HAUSAT-1卫星等。

皮卫星除了具有发射方式灵活、成本低、研制周期短、功能密度高等特点，在军事应用方面还有隐蔽性好、生存能力强、便于及时发射和补充等优点，战术上还便于组网，或由多个皮卫星组成编队，进行分布式的通信对抗[2]。本文在介绍皮卫星发展概况的基础上，提出一种基于皮卫星的天基分布式干扰系统，并对其中的关键技术进行了讨论。

2皮卫星发展动态

目前，美国、日本、加拿大等国都进行了皮卫星的发射试验[3]。2000年美国在近地轨道释放了第一对绳系“皮卫星”，每颗卫星的质量小于230g，彼此通过30m长的细绳连接，并和固定在地面上的第三颗“皮卫星”进行通信试验，验证了皮卫星之间通信的可行性。2005年由欧洲学生建造的SSETI快车小卫星在俄罗斯发射成功，在轨释放了3颗质量为1kg的皮卫星[4]。

皮卫星的标准至今仍未统一，目前应用最广泛的是美国加利福尼亚大学和斯坦福大学提出的CubeSat标准[5]。根据该标准，使卫星的体积为10cm×10cm×10cm、最大质量不超过1kg等。目前皮卫星研究团队主要集中在大学中。

近几年来，我国在小卫星研究方面取得了丰硕的成果。1994年2月，我国运用成熟技术，以较快速度研制发射了“实践四号”小卫星，这颗重396kg的卫星由“长征三号”火箭搭载发射，卫星在轨道上进行了空间幅照环境探测与研究，并进行了砷化镓太阳电池和镍氢电池等试验，取得了令人鼓舞的成果。1996年，完成了“实践五号”现代小卫星工程研制。1999年我国成功发射了一颗重297kg的“实践五号”小卫星，卫星在轨运行三个月，共进行了30多种不同条件下的科学试验，获得了国际微重力流体力学领域的重大成果。由清华大学和英国萨利大学合作研制的重50g的“清华一号”小卫星于2000年成功发射，主要用于通信和观测，卫星运行状况良好。

目前，小卫星技术在我国得到了蓬勃的发展，随着“航天清华一号”微小卫星在俄罗斯成功发射及在卫星姿态控制、宽频带、大动态范围的数据接收和扩展观测等方面的创新性工作，标志着我们已掌握了微小卫星研制和测控的关键技术，为我国高校进军航天高科技领域迈出了坚实的一步。但有关皮米量级的卫星研制还未见报道，因此为跟踪国际卫星发展的前沿技术，在我国开展皮卫星的研制显得非常重要。

3基于皮卫星的天基干扰系统

皮卫星具有隐蔽性强和灵活机动的特点，可以构成分布式干扰系统，当由皮卫星构成的编队星群接近敌目标星时，可以对敌目标星实施分布式干扰。

根据干扰原理，如果干扰距离减少到1/10，则干扰强度增大100倍，因此，在敌卫星接收端产生相同的干扰功率强度，近距离的分布式干扰设备发射功率要比远距离的集中式干扰机发射功率减少很多。近距离干扰信号可以从敌接收天线主瓣进入，干扰信号不会受到低副瓣天线、副瓣匿隐或副瓣对消的抑制，其干扰效率比副瓣干扰高得多。多个皮卫星搭载的干扰机散布在敌目标星的周围，可以形成多方向的主瓣干扰扇面，这种多方向干扰扇面的组合，可形成大区域的压制性干扰。

3.1皮卫星组网

由皮卫星构成的编队星群在向目标星靠近时，需要组成一种分布式的网络，实现卫星间的信息传输和交换，以及对目标星的分布式干扰。常见的微小卫星编队模型包括主从模式、伴飞模式、混合模式等。

考虑到皮卫星网络的拓扑变化相对固定，通信链路质量相对较好，这里采用基于AdHoc网络结构，由于它固有的分布式特性以及特有的网络独立性、平等无中心性和自组织性，使干扰系统具有更好的位置调整能力和抗毁性能。系统模型如图1所示。由图可见皮卫星被释放后，通过和母星的信息交换获得控制信息，移动到预定位置形成自组织网络，对目标星实施干扰。

3.2干扰原理和关键技术

皮卫星的干扰系统可以看作一台电子干扰机，其干扰信号可以是由自己产生（压制式干扰或产生式欺骗干扰），也可以是将敌有用信号经一定时延后转发（转发式欺骗干扰）。同时皮卫星要实现和己方卫星通信进行信息交换，以及贴近敌目标星进行干扰两个功能，还存在通信和干扰分系统分时复用的问题。图2为干扰系统的原理框图。

由图2可见通信/干扰分系统由收发共用天线、发射机、接收机、调制解调器、干扰产生管理器、FPGA、微控制器构成。其中发射机和接收机的天线为通信/干扰共用，开关选择键K1、K2由微控制器控制来选择用于通信或者干扰。当K1选择3、K2选择2时，通信模块处于工作状态；当K1选择4、K2选择1时干扰模块发挥作用。FPGA用于对各种干扰算法的控制以及对基带信号的各种处理，包括成帧、编码、交织、复用等。

由于无线电信号的空间开放性，实施干扰的可行方法就是在有用信号到达的同时把干扰信号也送至敌接收机。针对军用系统的各种抗干扰技术，要达到有效干扰的目的，还有许多关键的技术需要解决。1)通信信号的截获技术，截获敌通信信号并从中提取信号的特征参数，是对其进行针对性干扰的基础。现有的检测技术如能量检测、相关检测等都需要一些先验知识，检测效果并不好。目前对扩频信号的截获以发展到对参数进行精确估计阶段，并以开始对扩频码进行估计；2)高速处理和干扰引导技术，对于存储转发式干扰，要在短时间内对干扰设备获得的信息进行适当的处理并转发，需要使用高性能的信号处理器件结合硬件电路，在充分仿真和模拟的基础上实现；对于产生式干扰，要把干扰信号频率快速、准确地调谐到目标星工作频率上，快速频率引导是其中的关键技术；3)射频转发技术，根据干扰系统距离目标远近的特点，存储转发敌卫星上行信号，以对目标星实施干扰，关键是射频转发设备。可以参考已广泛用于军用雷达和电子领域的数字储频器（DRFM）的设计思想；4)最佳干扰策略的选择，由于通信干扰固有的对抗性，因此用单一的方式难以实现对敌目标星的可靠持续干扰。应根据获得敌信息的程度和敌通信保密机制的变化情况，进行自适应干扰，干扰方式包括阻塞噪声干扰、单/多频干扰、脉冲噪声干扰、梳状谱干扰等；5)干扰调制波形的选择，根据最佳接收理论，接收系统的输出信噪比仅取决于信号波形的能量，但干扰信号波形在信道带通内的能量分布，对干扰的效果还是有相当程度的影响。对于通带内能量集中、频谱能量泄漏少的波形，则干扰效果会更好。实际选取波形时为便于实现，常采用时域展宽已有干扰码元波形整数倍的方式；6)其他关键技术，干扰天线决定了干扰信号的集中度和方向性，为使绝大部分干扰功率都能够进入敌目标星通信天线主瓣，要求卫星干扰天线具有一定的波束宽度和较高的指向精度。

另外，对自适应调零天线系统的有效干扰、对点波束系统的低信噪比副瓣干扰等都是进一步需要解决的技术。

4结束语

该文提出了一种基于皮卫星的天基分布式干扰系统，其优点是机动灵活，隐蔽性好，可以对目标星实施近距离干扰。但要对目标星实施有效的干扰，还需要对相关的关键技术进行深入的研究。

参考文献：

[1]詹亚峰,马正新,曹志刚.现代微小卫星技术及发展趋势[J].电子学报,2007(7):102-106．

[2]朱振才,杨根庆,余金培.微小卫星组网与编队技术的发展[J].上海航天,2004(6):46-50．

[3]邓明泉,尤政,张晓敏.皮型卫星的发展与MEMS卫星设计[J].中国航天,2003(7):32-36.

卫星通信基本原理范文篇2

关键词：首次定位时间；冷启动；温启动；热启动；BDS

中图分类号：TP393文献标识码：A

1引言北斗卫星导航系统[1]是我国具有自主知识产权、全天候、全天时全球卫星导航系统，除了具备美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo系统定位、授时功能外，还具备短消息通信功能。这是北斗系统所特有的功能。目前，北斗系统已经具备为整个亚太地区提供正式服务的能力。卫星导航的定位功能是派生用户使用功能的基础功能，缩短卫星导航接收机首次定位时间（TimeToFirstFix，TTFF）是提高用户体验指标的一个重要环节。目前国内使用的大多是GPS导航接收机，它的首次定位时间一般为：冷启动模式基本没有可用信息，启动过程为数分钟；温启动为45s左右；热启动为9s左右[2]。本文基于北斗导航系统，分析了首次定位的启动原理，结合北斗导航接收机，提出了一种缩短首次定位时间新的策略，并在北斗导航接收机上进行了实验，实验结果表明，该方法缩短了用户机的首次定位时间。

2常规启动策略原理与不足

首次定位时间是指导航接收机从上电到输出首次定位结果的时间差。一般导航接收机启动分为三种：冷启动，温启动和热启动。

冷启动是指卫星导航接收机开机时，在没有任何可利用信息，满天搜星，实现对卫星的捕获和跟踪。由于冷启动时没有任何先验信息可利用，因此，常规冷启动的首次定位时间可能需要数分钟。

温启动是指星历信息失效，但历书、精确时间和接收机的位置都有效时采用的启动方式。在温启动状态下，通过历书计算可以获得当前时刻所有卫星的概略位置。这样就可以使卫星接收机在搜索卫星时做到有的放矢，缩短捕获卫星信号的时间。常规温启动的首次定位时间一般为45s左右。

热启动是指接收机重启时间间隔很短时，此时星历、历书、精确时间和接收机的位置都有效，在这些先验信息基础上，可预测载波多普勒，PN码码相位，从而实现卫星的快速捕获跟踪，加上有效星历信息，就可解算用户位置。常规热启动的首次定位时间一般为9s左右，甚至更短。

冷启动、温启动和热启动的先验信息条件如表1所示。其中，“√”表示必要条件，“-”表示信息无效。

但是常规启动策略在实施过程中也存在以下几个问题：

第一，如果前一种启动方式失败（捕获卫星数不足4颗），将必然增加后一种启动方式的首次定位时间。

第二，通道数利用不足。常规热、温启动捕获和跟踪的卫星可能只有4-6颗，而一般导航接收机的通道数量为12以上，大量的通道资源被浪费。

第三，三种启动模式之间的相关性利用不够。

3启动策略优化

针对常规启动的不足，充分利用硬件和信息资源，在保持其原有定位精度的基础上，为减少首次定位时间，对启动策略进行优化。

热启动和温启动之所以能缩短首次定位时间是因为能利用已知信息让接收机的各通道优先搜索那些捕获成功率高的卫星。如果根据卫星的捕获成功率将所有的卫星进行分级，使接收机的所有通道根据卫星的优先级别依次搜索，可充分利用通道资源。对卫星进行分级是该思路的关键。

3.1通过星历和载噪比分级

最优先搜索的一类卫星是具有有效星历的卫星。在这些卫星中，可以根据载噪比估计值来选择卫星进行捕获，因为载噪比是判定导航卫星信号质量的一个重要参考信息[4][5]。上次定位时的载噪比估计值可以储存在接收机的Flash中，供下次搜索使用。本课题组采用宽窄带载噪比估计法计算载噪比估值。载噪比估计值的具体处理流程如图2所示。

（2）无辅助信息时，优先捕获GEO卫星、IGSO卫星次之、最后是MEO卫星。5GEO+5IGSO卫星星座的组合是BDS系统专门为中国及周边区域服务的星座。

（3）一旦导航接收机启动，无论是否有足够的辅助信息，所有搜索通道将根据建立的卫星信息优先级别依次搜索卫星信号，充分利用通道资源。

（4）优先捕获载噪比高的卫星和仰角在40°附近的卫星，卫星信号更可靠。

4实验结果

作者所在课题组研制了BDS用户接收机。该接收机基于FPGA+ARM体系结构，硬件实物图如图5、图6所示。

图7描述的是实物对应的硬件框图。嵌入式处理器（ARM）主要实现导航电文的解析，PVT计算和信号处理模块的调度。FPGA主要完成信号的解调解扩和导航电文子帧格式的形成。系统还包括ARM和FPGA各自的FLASH存储器，主要实现ARM、FPGA程序和相关参数的存储。RTC模块提供秒级精度的本地时间。

星历、历书无效时，TTFF平均时间为41.9秒，一般的GPS模块冷启动时间为1分钟左右。可以看出与一般GPS接收机相比，实验BDS接收机冷启动时间明显减少。这是因为首先BDS系统在服务的卫星数为14颗，而GPS为30颗，盲搜的范围较GPS少；其次该BDS接收机优先搜索GEO卫星，实验地区长沙纬度不高，捕获成功率高。

有历书辅助定位时，TTFF平均时间为32.1秒，一般的GPS模块，温启动时间为38秒左右，有较小提升。说明选取仰角40°附近的卫星优先进行搜索，捕获成功率更高，可有效减少首次定位时间。

历书、星历均有效时，TTFF时间是7.1秒，一般的GPS模块，热启动时间为9秒，有较少提高。该7-8秒时间主要是比特同步、子帧同步、定位解算所消耗的时间。

从上述实验结果可以看出，本文的启动策略相对于传统启动策略有一定的改进。

5结论

本文提出的新启动策略是根据BDS系统的特点，针对于我国及周边范围区域定位服务，提出的一种优化启动策略。该启动策略充分使用了接收机的硬件资源，合理分配使用各个通道进行卫星信号的搜索。同时利用传统冷、热、温启动之间的相关性，更加充分的利用已知信息，缩小接收机搜索范围和增加捕获卫星信号的成功率。实验结果说明该启动策略可有效的缩短导航接收机，尤其是北斗导航接收机的首次定位时间。

参考文献

[1]杨鑫春，李征航，吴云.北斗卫星导航系统的星座及XPL性能分析[J].测绘学报，2011，40：68-72.

[2]秦奋.GPS接收机快速定位技术的研究与应用[D].东南大学，2009.3.

[3]王梦丽，陈华明，王飞雪.GPS历书数据的有效龄期[J].遥测遥控，2007，（03）：12-26.

卫星通信基本原理范文

关键词:gps；原油长输管道；打孔盗油；巡线

1全球定位系统gps简介

全球卫星定位系统gps是美军70年代初在“子午仪卫星导航定位”技术上发展而起的具有全球性、全能性（陆地、海洋、航空与航天）、全天候性优势的导航定位、定时、测速系统。gps由三大子系统构成：空间卫星系统、地面监控系统、用户接收系统。

1.1空间卫星系统

gps的空间星座部分由24颗均匀分布在6个轨道平面内的卫星组成。各轨道平面相对于赤道平面的倾角为55o，轨道平面间距60o。在每一轨道平面内，各卫星升交角距差90o，任一轨道上的卫星比西边相邻轨道上的相应卫星超前30o。事实上，空间卫星系统的卫星数量要超过24颗，以便及时更换老化或损坏的卫星，保障系统正常工作。该卫星系统能够保证在地球的任一地点向使用者提供4颗以上可视卫星。

空间系统的每颗卫星每12小时（恒星时）沿近圆形轨道绕地球一周，由星载高精度原子钟控制无线电发射机在“低噪音窗口”附近发射l1、l2两种载波，向全球的用户接收系统连续地播发gps导航信号。gps工作卫星组网保障全球任一时刻、任一地点都可对4颗以上的卫星进行观测（最多可达11颗），实现连续、实时地导航和定位。WWW.133229.cOM

1.2地面监控系统

地面监控系统由均匀分布在美国本土和三大洋的美军基地上的5个监测站、一个主控站和三个注入站构成。该系统的功能是：对空间卫星系统进行监测、控制，并向每颗卫星注入更新的导航电文。

地面监控系统由监测站主控站和注入站组成。

监测站用gps接收系统测量每颗卫星的伪距和距离差，采集气象数据，并将观测数据传送给主控点。5个监控站均为无人守值的数据采集中心。

主控站接收各监测站的gps卫星观测数据、卫星工作状态数据、各监测站和注入站自身的工作状态数据。根据上述各类数据，完成以下几项工作：

（1）及时编算每颗卫星的导航电文并传送给注入站。

（2）控制和协调监测站间、注入站间的工作，检验注入卫星的导航电文是否正确以及卫星是否将导航电文发给了gps用户系统。

（3）诊断卫星工作状态，改变偏离轨道的卫星位置及姿态，调整备用卫星取代失效卫星。注入站接受主控站送达的各卫星导航电文并将之注入飞越其上空的每颗卫星。

1.3用户接受系统

用户接收系统主要由以无线电传感和计算机技术支撑gps卫星接收机和gps数据处理软件构成。

gps卫星接收机的基本结构是天线单元和接收单元两部分。天线单元的主要作用是：当gps卫星从地平线上升起时，能捕获、跟踪卫星，接收放大gps信号。接收单元的主要作用是：记录gps信号并对信号进行解调和滤波处理，还原出gps卫星发送的导航电文，解求信号在站星间的传播时间和载波相位差，实时地获得导航定位数据或采用测后处理的方式，获得定位、测速、定时等数据。gps数据处理软件是gps用户系统的重要部分，其主要功能是对gps接收机获取的卫星测量记录数据进行“粗加工”、“预处理”，并对处理结果进行平差计算、坐标转换及分析综合处理。解得测站的三维坐标，测体的坐标、运动速度、方向及精确时刻。

2gps调度系统的组成

完整的gps调度系统应该包括以下几部分：

监控中心、移动监控席、移动智能终端、无线通讯网络,这是一套能够生成路径信息,时间表和其他后勤应用的多用途工具,它能把人员调度,交通工具,线路组合,车队编组等大量单调、复杂的数据转成直观、可视化的图形数据,使调度系统的工作更有效.

2.1监控中心

监控中心是整个系统的核心，根据系统的规模可设置下一级分中心，监控中心同时也是通讯枢纽，负责与移动智能终端的信息交互，完成各种信息的分类，记录和转发，同时对整个网络状况进行监控管理。监控中心采用

（3）车载移动台

车载移动台由三步分组成：无线电收发信机、控制单元和gps接收机，车载移动台接收gps卫星信号和监控中心基地台的差分信号，根据用户的操作将差分位置信息及状态数据经无线电台发回调度中心，移动台还具有接收监控中心下发的指令信息，并按指令要求完成相应的操作能力。此外，在车载移动台上预留一个rs－232接口，可接笔记本电脑，不仅可显示调度中心发来的指令，而且可根据电子地图选择行车路线。

3.3系统的技术特点

（1）、目标定位精度髙（定位精度优于10米）。

（2）、可实时跟踪目标。

（3）、与站控scada系统有机结合。

（4）、能够实时跟踪和查询、管理目标。

（5）、跨区自动漫游。

（6）、集gps技术、通信技术、计算机技术和网络技术与一体。

3.4系统的主要功能

（1）、实时连续跟踪、间续跟踪等多种方式

（2）、与电子地图结合，能够显示案发地点位置分布。

（3）、调度中心可对全线巡线车辆进行调度指挥。

（4）、支持自动报警和手动报警，并保存报警数据。

（5）、跨区漫游地图，无极缩放显示，可测量地图上任意两点间距离。

（6）、支持多台车辆及多分地区车辆监控。

（7）、可存储车辆运行轨迹并回放。

（8）、自动生成并打印报表。

3.5gps应用技术在输油管道反打孔盗油中的作用及发展趋势

目前，gps车辆监控系统已成为输油管道反打孔盗油的重要组成部分，该系统能为反打孔盗油车辆提供精确位置信息，准确时间信息及多种事件信息等。

gps车辆监控系统的精确定位功能，为反打孔盗油工作提供了准确可靠的信息，提高了调度中心的指挥和快速决策能力。

随着卫星定位系统技术，有线、无线公用通信网络、社会共同信息基础设施的不断发展进步和输油管道的加速发展，卫星定位应用技术在输油管道反打孔盗油工作中的应用也肯定会有大的发展，应用范围由小到大，应用技术逐步提高。在不同的发展阶段会有如下几种模式：

（1）专用gps定位系统与电子地图处理系统结合，提供地图、地理信息等辅助手段，提高工作效率，实现统一协同运作（主要适合输油处）。

（2）与scada系统中泄漏检测有机结合，为反打孔盗油工作提供强有力的技术支持。

（3）建立大范围的卫星定位系统网，形成庞大的调度指挥中心，通过网络，完成实时监控，并各自监控调度其所属车辆，互不干扰。

参考文献：

[1]邱志王万义译《gps原理与应用》elliottd.kaplan[m],科技出版社