卫星通信的基本原理范文1
【关键词】微波与卫星通信；多维立体互动；教学模式
《微波与卫星通信》是电子信息工程无线通信方向必须的一门核心专业基础课程。该课程介绍微波与卫星通信的基本原理、微波与卫星通信技术以及电波传播原理等三大部分的知识，具有极强的理论性和抽象性。通过本课程的系统学习将有助于移动通信、射频通信电路、无线通信电波传播与天线技术等后续专业课程的开展。为此，本文就该课程的理论与实践的联合培养模式、专业知识衔接、多维立体互动教学和对分易教学平台的应用开展探讨。
一、理论与实践联合培养模式探究
本课程的教学目标在于：通过对《微波与卫星通信》基本原理的剖析式分析，要求学生掌握微波与卫星的基本概念、特征和系统结构，了解微波与卫星通信区别于其他无线通信技术的最基本的特点；通过学习微波与卫星通信的基本技术，要求学生掌握《微波与卫星通信》常用的调制与解调原理、信道编码技术、多址技术；通过学习《微波与卫星通信》无线电波传播原理，要求学生掌握电磁波的传播特性、电波传播链路的计算与设计。可以看出，《微波与卫星通信》也是一门实践性较强的实训课程，若学生仅限于学习书本上的基本原理、常用通信技术以及电波传播等理论知识，并不能解决与《微波与卫星通信》相关的复杂工程问题。鉴于此，该课程需要开设一定课时量的实验，学生可以熟悉微波与卫星通信的基本技术，掌握常用微波电路系统的测试方法和设计思想，实地测量并分析实用的微波电路部件，包括放大器、各种滤波器、混频器和功放器等输出的时域和频域信号。通过使用卫星通信收发平台、测试软件及分析仪器，对微波电路系统进行测量和设计可以培养学生的操作能力、分析能力、知识的应用能力、协作能力等综合素质，使学生对工程性实践操作有更明确、更深刻、更直观的认识，从而为学生的工程实践应用奠定基础。
二、专业知识衔接，提高教学效果
该课程需要扎实的数理基础和抽象思维，因此在前期导向课程的教学活动中，比如大学物理、通信原理、移动通信等，应对相关的基本知识点做介绍。例如大学物理中的麦克斯韦方程组知识点在电波传播中的衔接；地面移动通信中常用的调制解调技术与卫星通信背景下调制解调方案的指标差异。除了与前导向课程的衔接，还需要结合空天地海一体化技术的发展，增加该技术领域的发展前言，激发学生对课程的兴趣，比如增加卫星定位、导航、深空通信、临近空间、水声通信等相关背景和关键技术的介绍。
三、以学生为主体，激发能动性
近年来，高等院校在教育教学改革方面进行了积极探索，取得了一定的成绩，但仍是在以往教育机制上做的延续，因而教育模式还存在弊端，这种弊端主要体现在忽视了学生的主体地位，未能激发学生学习的主动性和能动性。为此，我们应该结合日常的教学活动，将创新性的多维立体互动式教学模式应用到理论与实践课程教学活动中[1][2]。《微波与卫星通信》课程中的重点知识点的理论性比较强，仅在有限的学时中，让学生对微波与卫星通信的基本原理有深入的理解尤为困难。若将学生作为课堂教学的主体，结合多样化、多维度和互动式的教学模式，将会改变原有的一些固定教育方法。举例来说，在讲授卫星通信中的信道分配和多址接入时，可以等效为各楼层教室的使用时间、使用群体和群体语言等。
四、使用现代多媒体技术改革教学模式
随着通信技术的快速发展，各种先进的现代化多媒体技术应运而生。这些技术改变了传统的灌输式教学方法，不再只强调教师对课堂的主导。对分易是一种新型的教学平台，适合多种教学模式，是一款服务于高校教师的技术平台。在《微波与卫星通信》课程管理中，利用此平台能够将课堂教学中的框架、重点、难点和讲解内容展示给学生，同时，学生课后也能自主性、个性化的独立学习或者开展小组讨论和交流。此外，在课程中，还可以利用平台的灵活性、快捷性、实时性和可控性等特色进行作业批阅、课后师生互动、课堂反馈和课堂分组等管理。结论：通过以上对《微波与卫星通信》课程内容设计与教学模式的探索研究，我们以学生为主体，结合电子与信息专业应用型学生的特点调整理论与实践教学环节，重点开展理论与实践的联合培养。同时，采用多维立体互动的教学模式，以线上慕课微课、线下对分易平台提高学生对课程的热情和学习的积极性，管理课程教学，获得较好的教学效果。同时，通过前向与后续课程的衔接，使学生掌握电子技术基础知识体系和信息通信领域的基本理论与方法，从而具有运用理论知识解决复杂工程问题的能力。
参考文献
[1]邱格磊.“多维互动式”教学机制的探索与实践—以《金融法》课程为例[J].海峡法学,2016,第1期,99-104页.
卫星通信的基本原理范文2
关键词 卫星导航原理 课程建设 导航工程专业
中图分类号：G424 文献标识码：A
The Preparation for the Construction of the Course Theory of Satellite Navigation for the Specialty of Navigation Engineering
XU Xiaohua， HUANG Jinsong， ZHOU Xiaohui， ZHANG Xiaohong
（School of Geodesy and Geomatics， Wuhan University， Wuhan， Hubei 430079）
Abstract This paper is focused on the constructions for the new specialty "navigation engineering". The task of the course "theory of satellite navigation" is presented and the relationship between this course and "theory and application of GPS" of the specialty of geomatics is analyzed. The preparation status for the textbook of this course is shown.
Key words theory of satellite navigation； course construction； the Specialty of Navigation Engineering
0 引言
导航工程专业作为一门新增设的本科专业，其各门主干课程的教学实施需要进行大量的探索和总结。笔者在对该专业的设立背景进行介绍的基础上，针对其中一门专业基础课程卫星导航原理的建设，围绕该课程的建设目标、与已有相关成熟课程的联系和区别、教材的主要内容等方面进行思考和讨论，以期为该课程的教学实施做好充分准备。
1 导航工程专业
导航工程专业是武汉大学于2011年向国家教育部成功申请增设的新专业。该专业旨在培养从事导航定位技术研发及应用的复合型高层次人才。作为一门多学科交叉的边缘性学科，导航工程专业与测绘工程专业有着紧密联系。武汉大学测绘学院是建设导航工程本科专业的主要依托单位之一。我院在全国测绘学科的综合实力上处于领先地位，在测绘工程专业的多年建设中已积累了大量经验和丰富资源，并在上世纪九十年代就以开设导航班的形式对导航人才的培养方式进行了探索。但测绘工程专业强调的是如何利用各种测量设备进行地理空间数据的采集和处理。卫星导航定位技术作为一种测量手段是测绘工程专业关心的对象，但主要局限于卫星定位在测量上的应用，在导航方面的内容则非常有限。
依托已成熟的测绘工程专业来开展新兴的导航工程专业的建设，如何继承与创新是需要解决的问题。导航工程专业主干课程大部分与原测绘工程已开设的课程之间有着密切关系，在课程建设上要把握好新开课程与已有相关课程各自的定位，在已有课程的基础上切实把新开课程建设好。
2 卫星导航原理课程的建设
2.1 课程目标
卫星导航原理是针对导航工程专业所开设的一门专业基础课程，目的是通过该课程的学习，使学生全面掌握卫星导航的基本原理、技术和方法。学生在进行本课程学习之前，已修完了导航概论、导航学、最优估计等专业基础课程，对导航的基本概念、基础理论、导航技术、导航涉及的主要数学方法已经有了明确的整体认识。卫星导航、惯性导航、组合导航等不同导航技术的具体内容则在后续课程中逐一展开。与卫星导航技术有关的系列课程包括本课程、卫星导航数据处理方法、嵌入式系统与程序设计。在该系列课程中学生最先接触的是本课程，完成对基本原理方法的学习。其后进一步通过卫星导航数据处理方法这一门课掌握与工程实践密切相关的数据处理技术；通过嵌入式系统与程序设计这一门课培养与卫星导航有关的软件开发能力。
2.2 本课程与GPS原理及其应用的联系与区别
GPS原理及其应用是测绘工程专业的主干课程。作为测绘工程专业卫星导航定位系列课程的第一门，该课程着重介绍以GPS为代表的卫星导航定位系统在测量定位应用中的基本理论与方法。完成该课程的学习之后，测绘工程专业的学生可根据具体方向选修GPS数据处理、GPS程序设计等后续课程。卫星导航定位系列课程经过多年建设，已取得丰硕的成果。该教学团队荣膺部级教学团队，GPS原理及其应用也被评为国家精品课程。目前导航工程专业卫星导航系列课程的建设正是由该团队来承担。凭借在卫星导航定位技术方面多年的经验积累，团队有足够实力做好这一工作。而原有已成熟的优质课程也为相关新课程的开设打下了坚实基础。其中GPS原理及其应用就是卫星导航原理这门课程的先行者。
GPS原理及其应用这门课程的主要内容包括卫星导航系统组成、GPS信号结构、GPS测量的误差来源、GPS定位模型、GPS应用。这些内容在卫星导航原理中都将涉及，因此就课程建设而言，原有教材内容、课件以及教学方法等资源在新课程建设中均可继承使用。但是继承并不等于完全照搬，虽然两门课程之间关系密切，但由于导航工程专业与测绘工程专业的培养目标不同，两个专业培养方案中课程体系的总体设计不同，卫星导航原理和GPS原理及其应用两门课程涵盖的具体内容和讲授重点均各有不同。总的来说，GPS原理及其应用侧重于卫星导航定位系统与定位有关的基本原理和应用，而卫星导航原理侧重于与导航有关的基本原理。后者将涉及导航数据协议、导航完备性相关理论和方法，而这些内容在GPS原理及其应用中鲜有提及。另外，GPS原理及其应用主要针对美国的GPS系统介绍卫星导航定位技术。而近年来我国自主建设的北斗卫星导航定位系统已逐渐成熟并在国防和国民经济建设中发挥重要作用。北斗和GPS系统在星座设计、信号结构等方面有较显著的区别。虽然原有课程也包含了对除GPS之外的其他卫星导航定位系统的介绍，但内容相对简略。随着北斗系统建设的进一步推进，其在未来导航市场上将占据与GPS、GALILIEO等系统分庭抗礼的地位。导航工程专业学生未来的就业机会将与如何有效利用北斗导航定位系统，基于该系统开发相关应用服务平台等有关。在校学习期间有必要对北斗系统有深入的认识，因此卫星导航原理这门课程应该增加全面介绍北斗系统的内容。
2.3 本课程的教材建设
编写内容全面、体系合理的教材在课程建设中占有举足轻重的地位。目前部级规划教材《GPS测量与数据处理》很好地满足了测绘工程专业GPS原理及其应用以及GPS数据处理两门课程的授课需求。考虑到卫星导航原理和GPS原理及其应用两门课程虽然在内容覆盖上有一定重复度，但讲授对象、课程内容各有不同，在原《GPS测量与数据处理》编著者的组织下，卫星导航原理教材的编写工作被提上议程。
卫星导航原理教材内容包括卫星导航的发展及应用前景、现代卫星导航系统的基本组成、基本信号结构及工作原理、卫星导航信号的生成、捕获和跟踪方法、主要误差源，常见误差处理方法、卫星导航定位的数学模型和数据处理方法、卫星导航系统增强的基本方法，高精度GNSS定位与定姿、卫星导航定位中常用的协议及数据格式、卫星导航系统的完备性等。目前教材编写工作正在紧张进行中，完成之后有望为国内导航工程专业的人才培养提供重要的借鉴与参考。
3 结束语
综上所述，卫星导航原理课程的建设将以测绘工程专业的精品课程GPS原理及其应用为基础，结合导航工程专业人才培养目标以及课程体系进行。其教材内容将覆盖卫星导航基本理论方法，并反映国内外卫星导航技术最新发展状况。
项目资助：武汉大学测绘学院2012年本科专业综合改革教学研究项目（编号：201212）；湖北省教学研究项目“测绘工程专业课程体系综合改革”
卫星通信的基本原理范文3
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
Research of Space-based Jamming System and Based on Pico-satellite
LI Guo-qing
(Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, China)
Abstract: Based on the summarization of the characteristics and development of actuality of the pico-satellites, a space-based jamming system constructed by pico-satellites is proposed. The theoretic project of the jamming system is given, and the key technologies are analyzed.
Key words: pico-satellite; jamming; distributed system
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Ad Hoc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.
卫星通信的基本原理范文4
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（Time To First Fix，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.
卫星通信的基本原理范文5
北斗导航系统是我国独立发展的拥有完全自主知识产权的全球卫星导航系统，截至 2012年10月25日，北斗卫星导航系统已成功发射16颗卫星[1]，并于2012年底组网运行，形成区域服务能力，与美国GPS系统、俄罗斯GLONASS系统和欧盟伽利略定位系统被认为是全球四大卫星导航系统。为加快推进北斗卫星导航系统的应用与产业化，增强我国导航与位置服务产业自主创新能力，国家制定了《导航与位置服务科技发展“十二五”专项规划》，其中明确提到“以北斗为核心的多系统兼容互用、室内外协同实时精密定位”[2]的关键技术突破。
辅助定位技术是通过移动终端和移动通信网络为卫星定位提供必要的辅助信息，以提高卫星定位终端定位的速度、灵敏度和定位精度等。辅助定位技术已广泛应用于GPS定位系统，被称作AGPS（Assisted Global Positioning System）。目前基于北斗定位导航系统的辅助定位技术暂时处于空白，从技术发展的角度看，利用辅助定位技术提高北斗定位的速度和精度是未来北斗定位系统的发展趋势和重要研究方向，而时钟同步是实现辅助北斗定位的关键，也是CDMA网络辅助北斗定位的技术难点之一。
2 时钟同步定义
时钟同步是数字通信系统的基础，时钟同步不良容易导致信息传递出现误码、滑码等问题，对于任何通信设备和系统而言，都需要提供一个精准的同步时钟，以保障其正常运作。北斗辅助定位终端涉及接收机时钟、北斗时钟、北斗卫星钟、基带时钟和CDMA基站时钟，若没有处理好各时钟的同步问题，必然引起辅助北斗定位的精度变差，甚至无效。因此，北斗辅助定位终端的时钟同步是实现CDMA网络辅助北斗定位的第一步。
3 北斗卫星时钟同步
北斗卫星导航系统的时间基准是北斗时（BDT），采用国际单位制（SI）“秒（s）”为基本单位连续累计，而北斗辅助定位终端的时间基准是本地时间UTC，两者时钟不同步存在钟差，因此，必须先使北斗辅助定位终端接收机时钟与北斗时实现同步。
北斗辅助定位终端接收机由于成本因素，无法配备高精度的原子钟，一般配备了石英钟，石英钟的晶体振荡器连续产生一定频率的时钟脉冲，计数器对这些脉冲进行累计得到时间值，这些时间值就作为辅助定位终端接收机的基准时间，由于时钟振荡器的脉冲受环境温度、电容、电平以及晶体老化等多种不稳定因素的影响，终端接收机的时间基准不可避免地存在误差。目前，石英钟日频率稳定度约为10-11，假设终端接收机时钟与北斗卫星钟之间的同步钟差为1微秒（s），则由于时钟偏差引起的定位等效距离误差约为300m（m）。
为有效解决北斗辅助定位终端接收机时钟与北斗卫星时钟异步的问题，将终端接收机时钟的钟差作为未知数与终端位置参数共同求解，假设北斗辅助定位终端接收机同时接收到至少4颗卫星信号，利用最小二乘法解算终端位置和钟差参数：
（1）
式中为终端位置;为卫星位置;为终端接收机时钟与北斗卫星时钟的偏差;c为光速2.99792458×108m/s;为终端对卫星j的伪距。
得到终端接收机时钟与北斗卫星时钟的钟差后，北斗辅助定位终端接收机从导航电文中解调出A0UTC（BDT相对于UTC的钟差）和A1UTC（BDT相对于UTC的钟速），根据、A0UTC和A1UTC实现北斗辅助定位终端接收机时钟与北斗卫星时钟的同步。
然而，北斗卫星时钟并不是北斗时钟，尽管北斗卫星配备了高精度的原子钟，日频率稳定度约为10-13，卫星钟与北斗时钟的钟差为纳秒级（s），等效距离误差为0.3m，但随着卫星的不断运行，卫星钟与北斗时的钟差不断增大，带来的距离误差也越大。
为了修正北斗卫星钟的钟差，北斗辅助定位终端接收机从北斗导航电文中解调出钟差参数，并计算在定位时刻卫星钟的钟差tsv，用tsv去修正北斗卫星钟的时钟偏差，从而确保北斗卫星钟与北斗时的同步，公式如下：
（2）
（3）
式中，为卫星钟钟差，为卫星钟钟速，为卫星钟的钟速变化率，tsv为参考历元，由北斗辅助定位终端接收机伪码跟踪环锁定得到，F为常数，e、和分别是卫星轨道偏心率、卫星轨道长半轴的开方和卫星轨道偏近点角。
北斗辅助定位终端接收机时钟与北斗时钟同步后，可以输出秒脉冲信号1PPS，用于精确授时。秒脉冲是一个以方波形式输出的电平信号，北斗辅助定位终端接收机输出1PPS的上升沿时刻与北斗时钟的偏差通常少于1纳秒，1PPS是终端接收机测量时刻的稳定信号，但并不包含绝对的时间信息，还需要通过其他输出语句获得。至此，北斗辅助定位终端接收机时钟与北斗时钟实现了同步，利用秒脉冲1PPS将时钟信息输出，终端可利用接收机时钟信息实现与北斗时钟的同步。
4 CDMA基带时钟同步
CDMA网络中所有基站都以GPS作为系统时钟基准（以CDMA2000网络为例说明），北斗辅助定位终端通过接收/解调前向链路信号中的导频信道和同步信道，获取定时和同步信息，从而与CDMA系统时钟保持同步。
北斗辅助定位终端基带的时钟同步分为两步，一是导频信道的捕获，二是同步信道的解调。
每个基站在导频信道上不断发射导频信号，导频信号是全零数据，码长为32 768（215）chip/s，码片速率为1.2288Mchip/s，信号周期为26.66毫秒（1.2288M/215=26.66）。在同一基站中，各信道都具有相同的序列初相位，即时间偏置指数，基站利用导频PN序列的时间偏置指数来标识每个前向CDMA信道，在IS-95中，时间偏置指数有512个（215/64=512）。导频信道的捕获主要是短码相位的捕获，北斗辅助定位终端不断搜索可用的相位，当本地PN码发生器发射的扩频码与搜索到的扩频信号PN码的相位差在一定范围内，采用锁相环技术来进行扩频信号的跟踪，直至本地PN码发生器和扩频信号PN码相位完全同步，此时导频信道的捕获完成。
北斗辅助定位终端一旦完成导频信道的捕获，同步信道的同步也完成，基站开始以80毫秒同步信道超帧为单位发送定时和同步信息，同步信道超帧包含一个完整的同步信道消息，由3个同步信道数据帧构成，每个同步信道数据帧与PN码周期相同，为26.66毫秒。同步信道发送前经过卷积编码、码符号重复、交织、扩频调制等步骤。北斗辅助定位终端解调同步信道的消息，获取对时间同步有用的定时信息。同步信道传输的信息如表1 所示：
表1 同步信道传输的信息
字段 含义
P_REV 协议版本
MIN_P_REV 最小协议版本
SID 系统标识
NID 网络标识
PILOT_PN 时间偏置指数
LC_STATE 长码状态
SYS_TIME 系统时间
LP_SEC GPS时间与本地时钟累计误差，以秒为单位
LTM_OFF 本地时间距系统时间的偏移，单位为30分钟
DAYLT 是否启用夏时制
P_RAT 寻呼信道速率
北斗辅助定位终端根据所解调同步信息中的PILOT_PN、LC_STATE和SYS_TIME计算自身的系统时间，实现与CDMA系统的同步：
[3] （4）
公式（4）中：为CDMA网络的起始时间1980年6月6日00：00：00。
5 北斗辅助定位终端的时钟同步
北斗辅助定位终端既实现了与北斗时钟的同步，也实现了与CDMA网络时间的同步，而CDMA网络与GPS保持时钟同步，也就是说，北斗辅助定位终端还需要解决北斗时钟与GPS时钟的异步问题。
目前科学上有2种时间计量系统：世界时UT系统和原子时AT系统，世界时是以地球自转为基础的时间系统，由于地球自转速度不均，自转轴存在极移，世界时的时间稳定性弱，而原子时是基于原子震荡周期，时间稳定性高。随着时间的迁移，世界时和原子时的偏差越来越大，为避免两者偏差过大，从1972年开始采用以原子时秒长为基础，在时刻上尽量逼近世界时的协调时间时（UTC）作为时间基准，UTC采用闰秒（或跳秒）方式，当UTC与世界时的时刻偏差超过±0.9s时，在UTC引入1闰秒[4]，闰秒的和维护由国际地球自转服务机构（IERS）负责。
GPS时钟基准为GPST，属于原子时，溯源于美国海军天文台（USNO）的协调时间时UTC（USNO），与国际UTC的偏差均方根约为2纳秒[5]，起始历元为1980年1月6日（UTC）00时00分00秒，根据IERS的官方公布，截止到2012年6月30日23时59分60秒，国际原子时TAI与UTC时的偏差为35s[6]，即，又GPST与TAI之间存在常数差，即，因此有
（5）
而北斗时钟基准为BDT，溯源于我国科学院国家授时中心的协调时间时UTC（NTSC），与国际UTC偏差保持在100纳秒以内，起始历元为2006年1月1日（UTC）00时00分00秒，不闰秒，北斗时与UTC之间的闰秒信息在导航电文中播报，目前，北斗时与UTC的偏差大约为2s，即。
假设GPS和BDT时的偏差为，有
（6）
可知，目前GPS时与北斗时的偏差是常数14s，随着跳秒的增加而增大，北斗辅助定位终端可利用该常数实现北斗时钟与GPS时钟的同步。
6 结束语
2013年12月，中国卫星导航系统管理办公室更新了北斗卫星导航系统公开服务信号北斗空间信号接口控制文件2.2版（ICD）[7]，为手机终端芯片厂家研发辅助北斗定位提供了重要技术支撑，未来将有越来越多北斗终端手机面世，对辅助北斗定位的需求也将会与日俱增。本文重点研究了CDMA网络辅助北斗定位的时钟同步，对运营商研究和开发辅助北斗定位系统提供了理论基础，对未来辅助北斗定位领域也有一定的促进作用。
参考文献：
[1] 中国卫星导航系统管理办公室. 北斗卫星导航系统发展报告（2.2版）[EB/OL]. （2014-09-30）[2014-07-23]. http：//ssii.com.cn/News/show.asp？id=382.
[2] 中华人民共和国科学技术部. 科技部关于印发导航与位置服务科技发展“十二五”专项规划的通知[EB/OL]. （2012-09-18）[2014-07-23]. http：//gov.cn/zwgk/2012-09/18/content_2227443.htm.
[3] 王剑，凌翔. IS95/cdma2000授时提取模块的设计[J]. 电子设计， 2009（7）： 249-251.
[4] 百度百科. 闰秒[EB/OL]. [2014-07-30]. http：//baike.baidu.com/view/37685.htm？fr=aladdin.
[5] 中国科学院国家授时中心. 北京时间的性能[EB/OL]. [2014-07-30]. http：//ntsc.ac.cn/kxcb/kpcg/shijian/201209/t20120921_3648799.html.
卫星通信的基本原理范文6
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。
2 gps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。
3.5 gps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》elliott d.kaplan[m],科技出版社
