天地一体网络（共7篇）
天地一体网络 篇1
(接6月刊)
3我国天地一体化卫星通信网络[1~6]
3.1天地一体化全球覆盖卫星通信网络类型
3.1.1天地一体化“天星地网”式网络
当前,国外全球覆盖的天地一体化卫星通信网络主要是采用“天星地网”的方式来构造,各种卫星之间的互联互通主要在地面网络完成。如静止轨道的国际通信卫星(Intelsat)和国际海事卫星(I n ma r sat)通信网络,低轨道的美国的全球星(Globalst a r)卫星通信网络和轨道通信(ORBCOMM)卫星通信网络。其中,全球星卫星通信天地一体化网络架构如图1所示。
3.1.2天地一体化“天网地站”式网络
国外全球覆盖的天地一体化卫星通信网络中,也有采用“天网地站”式网络。在这种网络中,每颗卫星都是一个具有星上处理能力的网络交换器或者路由器,且卫星之间存在星间链路。此星间链路具备网络路由能力,空间段在星间链路的协助下具备网络层功能。这种网络特点是不需要在本地关口站或者地面网络支持下,通过星间链路可实现不同卫星覆盖区各个用户终端之间通信。这种系统如美国的静止轨道的军事星(Milstar)通信系统和低轨道的铱(Iridium)卫星通信系统,后者网络架构如图2所示。
3.2空间段
实现任何人在任何时间任何地点可与任何人进行任何业务通信或与相关物体进行相关信息联系的设计目标,此目标有二种:一是人与人间通信,二是人与物间通信(即是物联网中人与物间信息联系)。实现此目标的空间段方案有多种,本方案釆用“天网地站”一体化方案,且天网由双层网络组成。它分别由静止轨道(GEO)通信卫星星座(包括3~5颗一定间隔分布的卫星)和低轨道(LEO)通信卫星星座(包括数十颗卫星)组成。两层不同高度的星座共同组成一个立体交叉、优势互补、互联互通的双层星座网络,见图3(图中未画星间链路)。图3中为了便于讨论,假设低轨道星座采用极地圆轨道星座。在此网络中,GE0卫星既作为骨干网网络交换节点,也作为用户接入点;LEO卫星主要作为具有交换功能的用户接入点。骨干网卫星对接入网卫星承担系统的路由并实施动态管理。这种星座优点可利用国内测控和管理站通过GE0卫星全球全时监控和管理LEO卫星星座所有卫星,无需国外设站。
3.2.1静止轨道星座
静止轨道卫星星座由沿地球赤道上空彼此相隔一定间距的3~5颗静止轨道卫星组成,卫星间设有星间链路,组成环状网络。该星座作全球覆盖低轨通信卫星星座的骨干网,兼作空间段用户航天器、临近空间飞行器和地面层海陆空用户终端接入网。在地面段相应设施配合下该星座可承担如下任务:
⊙作全球覆盖的跟踪与数据中继卫星星座,对全球中低轨道航天器和临近空间飞行器进行跟踪、测控,并提供数据传输、处理和分发服务。
⊙作全球覆盖的宽带多媒体卫星星座,对全球特定地区(常态覆盖)和突发事件地区(机动覆盖)提供宽带多媒体通信业务。
⊙作全球覆盖的应急通信等相关信息广播系统。
⊙作全球导航卫星增强系统的星基传输系统星座,承担我国北斗卫星导航增强系统生成的完好信息和误差修正信息向全球传输和分发任务。
⊙通过星间链路对低轨通信卫星星座实施通信业务管理。
⊙视需要还可考虑通过星间链路对低轨通信卫星星座进行测控服务。
由上述众多业务可以看出,此星座卫星将起天基信息港(空间信息港)作用。为实施上述众多业务,如单颗静止轨道大平台难以承载多用途有效载荷,可分装于2颗或多颗卫星(组成卫星簇)上,并在同一轨道位置运行。
有关学者提出的由5颗静止轨道卫星为中继节点组成环状骨干网并连接各用户组成的空间段设想示例如图4所示。
3.2.2低轨道星座
为了便于讨论,假设本天地一体化信息网的低轨道星座类似于极地圆轨道铱星星座,各卫星之间设有星间链路,覆盖全球(含南北两极)。在国内地球站管理下,地球上任意两地用户终端可不通过国外地面关口站和地面网络中转直接通过星间链路进行通信。此低轨星座承担移动宽带多媒体业务的双向传输,并与地面移动通信3G/4G或5G业务融合。低轨星座按一定的方法将星座分组,每个组按一定的选取法从其中选取一颗卫星为组长,它既管理组内卫星,又与静止轨道卫星联系接受其管理。(未完待续)
天地一体网络 篇2
天基信息网络也叫天基信息系统, 它是彼此独立或相关的卫星通信系统、卫星遥感系统、卫星导航系统、载人航天系统、空间物理探测系统、空间天文观测系统、月球和行星深空探测系统以及多种功能的临近空间飞行器系统等各种空间信息系统总称。天基信息网络中卫星通信系统、卫星遥感系统和卫星导航系统统称为卫星应用系统, 天地一体化信息网络通常就是指这三大应用系统形成的网络。
天地一体化信息网络的天地一体化含义通常有两种:一种是单个天基网 (如卫星通信网) 与地基网 (如地面通信网) 通过信息或业务融合、设备综合或网络互联互通方式构成的天地一体化信息网络;另一种是单个天基网 (如卫星通信网) 自身的空间段 (如通信卫星) 与地面段 (如各种通信地球站组成的应用系统) 通过星地链路构成的天地一体化信息网络。我们可称前者为大天地一体化信息网络, 后者为小天地一体化信息网络。
天地一体化信息网络的信息网络含义通常也有两种:一种是广义天地一体化信息网络, 它至少包含通信、遥感、导航三大天地一体化信息网络中任意二种, 且其间有一定程度综合或融合;另一种是窄义天地一体化信息网络, 它只是通信、遥感、导航三大天地一体化信息网络中任一种信息网络。
本文提出构造的我国天地一体化信息网络, 其一体化包含了大天地一体化和小天地一体化, 其信息网络包含了广义信息网络和窄义信息网络。具体地讲其纵向网络包含了通信、遥感、导航三大网络各自的大天地一体化和小天地一体化, 其横向网络包含了通信、遥感、导航三大网络空间段的综合和用户段的综合。
2 我国天地一体化综合信息网络设计思想
2.1 设计目标
本文提出的我国天地一体化信息网络是构造一个由我国自主管控的全球覆盖的军民共用的天地一体化信息网络。此网络要实现如下目标:
(1) 天地一体化通信信息网络实现目标:任何人 (Anyone) 在任何时间 (Anytime) 任何地点 (Anywhere) 可与任何人 (Anyone) 进行任何业务 (Anyservice) 通信或与相关物体 (Related objects) 进行相关信息 (Related information) 联系。
(2) 天地一体化遥感信息网络实现目标:任何人 (A nyone) 在任何时间 (Anytime) 任何地点 (Anywhere) 可及时获取何时 (When) 何地 (Where) 何种目标 (What object) 发生何种变化 (What change) 的信息。
(3) 天地一体化导航信息网络实现目标:任何人 (A nyone) 在任何时间 (Anytime) 任何地点 (Anywhere) 可获取自己和相关人所在地点 (Where) 和时间 (When) 信息。
(4) 天地一体化通信、遥感、导航信息网络实现总目标:任何人在任何时间任何地点:可与任何人进行任何业务通信, 或与相关物体进行相关信息联系;可及时获取何时何地何种目标发生何种变化的信息;可获取自己和相关人所在地点和时间信息。
2.2 设计思路
依据上述设计目标其设计思路如下:
(1) 采用GEO和NGEO组成的通信卫星星座、遥感卫星星座和导航卫星星座, 实施全球全时覆盖空间层各种航天器、临近空间层各种飞行器、地面层各种用户终端和相关地面设施, 通过星间链路、星地链路和地面线路组成天基信息网络, 并与以互联网为代表的各种地面信息网组成的地基信息网络, 通过信息或业务融合、设备综合和网络互联互通等多种方式组成一个全球覆盖天地一体化信息网络。
(2) 在国外不设地球站的情况下可实现:国内测控站实时测控网内全球运行的各种飞行器;国内遥感站实时接收网内全球运行的各种遥感卫星发送的信息;国内关口站直接管理网内在全球活动的各种用户终端之间的通信。
(3) 充分利用国内外现有和正在研发的与本项目相关的各种科技研究成果, 特别是近年来, 国内相关院校和企事业单位进行广泛研究所取得成果。此外, 应尽可能与我国各种规划中建设的相关项目进行互动、衔接和融合。
(4) 先简后繁, 循序渐进, 分步实施。先地面仿真试验, 后天上运行试验, 逐步过渡到应用。系统要有可扩展性, 后续系统要与前系统兼容。
2.3 设计准则
依据上述设计目标和设计思路, 我国天地一体化综合信息网络的设计准则如下:
(1) 全球化:即服务区实现全球全时全气候覆盖地面层 (含海、陆、空) 各种用户地球站 (用户终端) 、临近空间层各种用户飞行器、空间层各种用户航天器三层用户。
(2) 网络化:各种飞行器和各种地球站主要依靠星间链路、星地链路和国内地面线路组成天基综合信息网络。
(3) 智能化:为应对庞大和复杂的天基网络, 全网运行和管理必须具备高度的自主运行和管理能力。
(4) 标准化:统一的标准和规范是天地一体化综合信息网络各系统实现互联互通和资源共享的前提和条件。
(未完待续)
摘要：本文阐述了天地一体化信息网络概念, 明确了我国天地一体化通信、遥感、导航信息网络设计目标是任何人在任何时间任何地点:可与任何人进行任何业务通信或与相关物体进行相关信息联系;可及时获取何时何地何种目标发生何种变化的信息;可获取自己和相关人所在地点和时间信息。提出了实现此目标的方案构想
天地一体网络 篇3
1 发展我国应急通信的重要性
发展我国的应急通信保障系统, 有助于维护国家和社会的稳定, 是让国家经济发展的重要条件, 让人民安居乐业的基础保证, 也是全面建设社会主义和谐社会时必须要解决的问题[1]。我国每年都会发生很多起重大的公共事件, 重大公共安全事件主要包括自然灾害、事故灾难、公共卫生、社会安全事件等, 这些重大事件给国家蒙受了巨大的经济损失和人员伤亡, 为了减少安全事件所带来的损失, 更加应该重视通信保障系统的建设。
2 卫星通信系统的分类
2.1 卫星地面站
卫星通信系统的发展还离不开地面站的部署, 在地面上建立超短波电台、无线集群系统等内容, 可以在交通不发达的地区实现交通通信的覆盖[2]。
2.2 应急通信车, 包括动中通和静中通
应急通信车的应用, 可以让卫星网络展现出更大的优势, 通信车的设施齐全, 使用方便, 在车体内也可以满足卫星网络覆盖范围内的通信能力, 而且机动能力性更强, 可以用于通信体系中的指挥调度。
2.3 空中转信平台
由于我国地大物博, 各种地形情况都会遇到, 在一些地质地貌破坏严重的地区, 就要利用直升机等设施, 进行空中中转, 以此来实现卫星网络和地面上的通信, 保障地面上的通信保障网络系统能和卫星网络进行有效地沟通。
3 天地一体的通信保障体系的构建方案
3.1 系统构建思路
天地一体的通信保障体系, 顾名思义, 就是这个系统要由空间段和地面段组成, 空间段是卫星网络, 而地面段则是卫星的地面站和通信车。将卫星网络和地面网络进行有机结合, 能让地面网络最大化辅助卫星网络的工作, 使通信保障更完善。
3.2 系统的组成
天地一体的通信保障体系是由宽带卫星和地面站以及通信指挥车共同构成的。在这两类中, 宽带卫星是一种能将语音、数据、图像等数据综合处理的通信方式, 视频的采集和回传、视频会议是通信保障系统的重要内容, 宽带卫星能为这些内容提供数据支持[3]。而地面站和通信指挥车则可以不受地形环境的影响, 更好地追踪卫星网络的移动轨道和基本情况, 有效地和卫星网络进行沟通, 实现语音、数据、图像、视频之间的传递。
3.3 系统的特点
天地一体的通信保障系统的, 强调了地面网络的能动作用, 在具体地实施中补充了卫星网络的多种通信方式, 而通信车也提供了更多的供电方式, 人们可以在地面上更好地观察到卫星网络在天体中的运行状况, 便于开展视频会议, 同时, 地面上指挥车和地面站上的设备能够实现远程监控的作用, 为通信保障的指挥决策提供一个更加准确的依据。
4 天地一体的通信保障体系的作用
天地一体的通信保障体系, 更加重视地面上网络通信的重要性, 是现代通信中的一种重要的手段, 在国际上也得到了广泛的运用。当国家中发生了重大安全事件, 天地一体的通信保障体系可以突破时间和空间上的限制, 卫星网络和地面网络相互合作、补充, 共同发挥出难以替代的作用。
同时, 天地一体通信保障体系的建立还满足了以下的要求:能够在任意地点建立起综合数据的互相沟通、具有双向的通信能力, 将数据传输透明化、一体化, 还具有对商业机密传输过程中的加密功能[4]。
5 结论
现代科学技术的不断发展, 对通信保障体系提出了更高的要求, 要求通信保障体系实现全时空、全方位的天地一体化, 在实际的通信指挥中实现多种并存的通信手段, 融合了多媒体性能的传输能力和处理能力。这样一体化的通信保障体系已经在我国得到了越来越广泛的运用, 在今后的发展中, 还应该更加努力, 去深入开展卫星通信系统和地面网络信息系统地建立, 实现二者的协调发展, 让我国的空间技术水平更加提高。
参考文献
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天地一体网络 篇4
天地一体化网络中, 无人机是重要空中单位的侦察目标载体[1]。在无人机系统的众多需求中, 链路系统是最重要的组成部分之一, 无人机与地面站之间完全依赖无线链路进行信息的交互和控制[2]。因此, 建立有效的通信信道模型并进行准确的模拟, 对通信链路进行具体的规划, 对于真实环境下的无人机通信系统至关重要。
无人机在飞行过程中需要实时与地面站保持通信连接, 这要求通信链路不能有任何死角。但是, 目前无人机通信链路应用的主要频段为微波波段, 不具有绕射功能, 两个微波天线之间只能视距通信。而无线信号在传播过程中会受到地形、地物以及大气等因素的影响, 信道会受到来自自然和人为的多种噪声干扰。为了实现无人机在多种环境下保持通信畅通, 需要合理的利用无人机配备的各种通信链路, 以及多无人机组成编队的优势。
无人机通信信道模型是目前国内外研究的热点。在国外, 2002年德国Haas E[3]研究了无人机近地面站信道模型随仰角的变化, 2013年希腊Hatziefremidis A等人[4]研究了一种无人机近地面站起飞降落的信道模型;在国内, 2013年厦门大学Shi Z[5]等研究了无人机与海上的一种信道建模方法, 2014年电子科技大学杨国胜等[6]研究了多种场景下无人机的地空数据链, 2013年南京航空航天大学徐仪华等[7]研究了无人机对无人机通信的一种空中信道模型, 2013年复旦大学陆曦等[8]对航空卫星信道进行了相关研究。
目前在无人机通信方面主要研究单一场景下无人机与地面站、空中平台和卫星通信链路, 但是, 对于无人机系统来讲, 其通信链路无法根据基于某种模型或算法直接得出可供实际使用的规划方案, 只能根据具体的任务需求和实际通信环境在有限的链路使用状态中进行必要的配置和管理。为了在飞行场景变化而改变通信环境的情况下, 无人机始终能够保持通信链路畅通, 本文提出了一种根据通信信道状态选择不同通信链路的策略。并对长时间、多场景的多无人机飞行进行建模仿真, 通过对误码性能、多普勒频移、时延、阴影衰落等数据的分析, 验证通信链路选择策略的可行性。
1 无人机通信链路选择策略
1.1 多无人机编队飞行系统结构
天地一体化网络中, 无人机系统由无人机编队、地面站和通信卫星组成, 如图1所示。无人机编队包括多架执行侦察或其他任务的无人机, 和作为中继通信平台的小型无人机, 作为簇首的侦察无人机或中继无人机通过空地信道接入地面基站网络, 或通过空天信道接入通信卫星, 提供无人机业务及飞行管理。地面基站除固定基站外, 有时也会用到雷达车等移动地面站保持地面通信。
无人机通信信道分为三种:无人机与地面观测站直接通信的空地链路, 以另一架无人机作为中继平台的空中中继链路, 以及借助通信卫星作为中继平台的无人机卫星链路。
1.2 无人机通信链路模型
无人机通信信道一般采用信道抽头延迟线模型。无人机和地面站一般使用高增益定向天线, 链路中存在一条较强的直视信号分量。在传播过程中, 直视信号会受到来自地形、地物以及大气等因素的干扰, 形成多径传播。此外, 微波通信还存在来自地面或海洋的反射波。因此, 无人机信道通常表示为直射径、反射径和若干散射径的叠加, 属于莱斯信道。无人机信道根据不同通信环境受到的影响因素不同, 如多普勒频移的强度等, 在不同条件下每一径的表现形式也有所差异。
地空数据链是无人机最常用的通信链路, 主要影响因素是地面阴影衰落和其他各种人为噪声干扰, 以及来自地面较强的反射信号[6]。无人机对地通信信道的数学模型可表示为[3,7]:
式中, adir、aref、asca分别为直视径分量、反射径分量和散射径分量的强度;f和τ为相应的多普勒频移和时延;θ为相应的相位差, 系数为散射径归一化因子。
无人机编队飞行过程中, 两架无人机之间的通信会应用到空中链路。与无人机对地面的静态场景信道模型相比, 无人机之间存在相对运动, 径向运动速度将导致接收信号产生较严重的多普勒频移。无人机机身本身存在一条强镜像反射链路, 也是无人机空中链路不可忽视的因素。空中链路的优点是当无人机飞行高度较高时, 来自地面的反射和散射波影响降低, 多径分量的强度会降低。
当无人机B为发送端, 无人机A为接收端时, 将 (1) 中的直视路径修改为[8]:
中高空长航时无人机通常配置卫通链路以支持其全球作战。无人机卫星通信信道需要考虑到机身反射、地面/海平面镜面反射以及地面/海平面漫反射等, 可以表示为[9]:
1.3 无人机通信链路选择策略设计方案
无人机空地链路系统组成要素少, 成本低, 以美军“猎人”无人侦察机[10]为代表的小型战术无人机通常不配备卫星通信链路, 续航时间短, 飞行速度较慢, 飞行高度一般小于7 km。无人机空地链路主要受两方面因素限制:第一, 无人机视距链路的最大距离一般在150~200 n mail (约合277~370 km) 之间, 超过这个距离无法与地面站保持连接;第二, 无人机对地面站仰角低于10时称为低仰角阶段, 受地面阴影衰落影响较大。
对于中、高空无人机来说, 飞行高度使其通信信道受大气影响较大, 且距离控制地面站很远, 不仅超出视距链路范围, 甚至由于地球曲率的影响导致视距通信链路根本不存在, 因此必须通过空中中继平台或卫星进行信号转发。此外, 有时无人机虽处于视距通信范围内, 但由于飞行高度较低而受到山脉、建筑遮挡时, 也应选择中继通信方式。
中继通信分为空中中继通信和卫星中继通信。空中中继的优势在于, 多架无人机编队飞行时, 可以选择一架无人机作为簇首与地面进行通信, 不同无人机之间可以根据通信状况轮流作为簇首, 通信中继平台在编队内部选取, 节约能源, 提高通信质量, 延长飞行时间。
空中中继通信的局限性, 一是需要至少两架或更多的无人机平台, 需要考虑多架无人机编队飞行策略, 对多架无人机航路规划要求较高;二是不同类型的无人机平台传输频段、传输速率、传输数据链不同, 造成通信链路复杂化;三是信号转发过程中需要重新对信号进行放大, 对无人机携带能量要求提高。
卫星通信一般情况下能保证较为稳定的通信需求, 但与空中中继相比, 信号传输的时延更长, 需要的天线增益更大, 申请卫星获得通信资源比空中困难很多, 成本大大提高, 还存在日凌中断等太空恶劣因素的干扰。
本文提出的无人机, 无人机在近地面站区域飞行时, 以地空链路为主要通信方式, 中继通信作为特殊情况下的补充。当无人机与地面站的相对位置超出视距范围内, 将通信方式切换为中继通信, 其中空中中继通信方式作为首选, 当空中信道环境较差, 达不到所需的通信要求, 以及中继平台也超出地面视距范围时, 以卫星通信作为补充。
以上为无人机通信链路选择策略的理论分析, 下一节将根据具体场景进行仿真模拟, 对以上通信方式的通信质量进行分析, 验证所提出方案的正确性。
2 性能分析
为了验证本文提出策略的正确性, 本节以两架无人机、一个地面观测站和低轨通信卫星组成的无人机系统为例, 对本文提出的通信链路选择策略进行仿真验证。
本文仿真中无人机飞行轨迹为大圆轨迹, 仿真场景无人机参数设置如表1所示:
注:坐标采用大地坐标系, 单位是 (东经/°, 北纬/°, 海拔/km)
此外, 地面观测站坐标 (E117.1, N35.8, 0.004 km) , 通信卫星为距地面高度400 km。
侦察无人机起点不在地面站视距范围内, 航线方向指向地面站, 经过地面站上空后保持原航向飞行;中继无人机起点在侦查无人机和地面站之间, 航向与侦查无人机基本相同, 海拔低于侦察无人机, 以便于建立中继信道。仿真飞行过程时长1.5 h, 载波频率5.5 GHz, 仿真点数80000点/s, 调制方式采用QPSK调制, 并加入信道编码[11]。
3.1 误码率仿真
如图2所示, 横轴为仿真时间, 纵轴为误码率, 每条曲线表示一种信噪比下误码率随时间的变化。从图2可以看出, 随着信噪比的增大, 纵坐标误码率逐渐下降。无人机空地链路, 在无人机飞临地面站时误码率下降, 在飞离地面站是误码率上升, 与理论分析相符。其飞临地面站分为两个阶段:第一阶段 (0~约30 min) 无人机进入地面站视距范围, 误码率下降到满足通信要求;第二阶段 (约30 min~60 min) , 无人机进入空地通信范围后, 对地面站天线的仰角逐渐减小, 达到最佳通信状态, 从航空信道角度来讲[12], 是由途中飞行状态到飞过塔台状态的过程, 弥散信道影响减弱。
图3的数据结果显示, 无人机空中中继链路, 飞行开始时一段时间 (约15min) 后, 两机距离较近, 误码率保持平稳;约30~40min时, 两机水平距离最小, 多普勒频移减小, 误码率快速降低, 下降超过一个数量级, 临近飞行结束阶段 (70min后) , 中继机到地面站距离的增大, 误码率上升, 无法达到可正常通信要求。图3的结果说明, 无人机空中中继链路在一定条件下能够为无人机系统提供相对稳定的通信。
从图4可以看出, 无人机卫星链路的误码率比较稳定, 不会随飞行状态的变化而产生较大的起伏, 在卫星链路存在的条件下, 卫星通信可以提供满足通信需求的服务。
3.2 通信链路选择策略误码率仿真
如图5所示, 相比于空中中继链路和卫星链路, 当侦察无人机在地面站视距范围内时空地链路误码率明显低于前两种通信链路。当侦察无人机超出地面站视距范围但中继无人机在地面站视距范围内时, 空中中继链路的误码率与卫星通信相当, 其中当两架无人机水平距离较近时空中中继链路有明显的优势, 此时空中中继链路是最佳选择。当中继无人机超出地面站视距范围时, 卫星通信仍能保持较低的误码率。仿真结果初步验证了上一节所提出的策略方案的可行性。
如图6所示, 通信链路选择策略在大部分场景下选择了误码率最低的通信方式。当无人机空中中继链路与空地链路误码率相当时, 由于空地链路受阴影衰落影响较重, 误码率方差起伏较大, 选择空中中继链路能够保证通信误码率的稳定性, 同时避免了通信链路的频繁切换。
3.3 时延、多普勒频移、阴影衰落对误码率的影响分析
图7、图8、图9的仿真结果对信道选择策略做出了进一步的说明。
从图7可以看出, 卫星链路的平均时延远高于其他两种通信链路, 因此从时延的角度来讲, 空中中继通信要优于卫星中继通信。当卫星链路误码率低于空中中继链路时, 在空中中继链路误码率满足通信需求的情况下, 选择空中中继链路更容易保证无人机通信的的实时性。
从图8可以看出, 卫星飞行轨道较高, 产生的飞行方向上的多普勒频移很小, 可以忽略;中继无人机由于与目标无人机相向飞行, 因此空中链路多普勒频移小于地空链路的多普勒频移, 因此中继无人机的航向对是空中中继平台通信质量的重要影响因素。
图9将误码率和阴影衰落数据进行量化, 绘制在一张图中比较。从图中可以看出, 当阴影衰落起伏较大时, 误码率的方差也比较大, 阴影衰落环境的会对误码率产生不可忽视的影响。因此, 当无人机与地面站直接通信时, 应将空中中继通信作为补充。以上仿真结果均与提出的方案相符。
从本次仿真结果可以提出一种编队飞行方式, 无人机编队在临近地面站附近时, 可令飞在队首无人机作为簇首加速飞向地面站, 尽早搭建空中中继链路;在飞离地面站时, 处在队尾的无人机降低飞行速度, 作为与地面通信的中继机, 延长空中中继的通信时间。
3结论
本文对目前已有的无人机通信链路进行了综合仿真, 研究了一种无人机系统在空天地网络下长时间飞行的通信链路选择策略, 通过分析无人机在不同飞行环境下的各项通信数据, 得出以下结论:无人机在近地面站飞行时, 应以空地链路为主要通信方式, 空中中继链路为辅助链路;当无人机与地面站超出视距范围时, 应以空中中继链路作为主要通信方式;当无人机配备卫星通信链路时, 卫星通信链路在任何时间段均可以选择;为根据信道特征调整无人机编队与通信方式提供了一种方法。
但是, 本文的研究也不尽完善, 例如本文没有考虑各项数据对通信质量的影响因子大小, 在今后的研究中, 还需进一步完善。
参考文献
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天地一体网络 篇5
1 我国土地测绘发展策略
1.1 进一步加强测绘工作的统一监管, 努
力构建“数字中国”地理空间基础框架, 加快信息化测绘体系建设, 提高测绘保障服务能力, 为解决我国人口、资源、环境等可持续发展问题, 提高强有力的测绘保障。
1.2 完善测绘法律法规体系、基础测绘保
障体系和现代化测绘技术体系, 加快标准化建设。要对现有标准进行清理, 制定和修订一批有利于建立共享平台的地理信息新标准, 保证国家、省、市、县地理空间信息的整体性、完整性和系统性, 促进地理空间信息的共建共享。
1.3 更新周期、政府投入、技术标准、成果
共享、分级管理等方面, 依法逐步建立从中央到地方稳定的基础测绘更新机制, 为社会各界提供新颖可靠的测绘数据资料。
1.4 要建立健全以3S技术、计算机和网络
通信技术为主要支撑的现代化测绘体系, 加快建设“数字中国”地理空间框架的五个重点数据库工程, 包括国家空间定位基准数据库工程, 省级基础地理信息数据库工程, 城市综合地理信息数据库工程和专用数据库工程。同时要着力开展数据整合、集成和再加工, 形成系列产品, 积极为政府其他部门的电子政务建设提供基础平台。
1.5 以应用为主导大力开展测绘技术应
用, 提高地理空间信息资源的开发利用水平, 充分发挥地理空间信息在国民经济建设和社会发展中的作用。
1.6 加速建设现代化的国家空间信息基础
设施, 为空间信息资源的开发和空间信息产业发展提供必要的技术环境, 支持空间技术的广泛应用和空间信息产业的跨越发展。
1.7 大力研制、开发国产测绘设备、仪器、
数字化测图软件, 并推广鼓励应用国产品牌软硬件, 以促进基础测绘工程的低投入、高收益。
2 时空信息获取的天地一体化和全球化
人类生活在地球的四大圈层 (岩石圈、水圈、大气圈和生物圈) 的相互作用之中, 其活动范围可涉及上天、入地和下海。这种自然和社会活动有80%与其所处的时空位置密切相关。为了获得这些随时间变化的地理空间信息 (下面简称时空信息) , 在上一世纪航空航天信息获取和地对观测技术的成就基础上, 21世纪人们已纷纷在构建天地一体化的对地观测系统, 以便实时全球、全天时、全天候, 中高分辨率的点方式和面方式的时空数据获取系统。
我国目前正在制定从现在到2020年的国家中长期科技发展规划。在这个规划中将正式提出建立我国天基综合信息系统的建议, 即通过发射一系列持续运转的卫星群、实现卫星通讯、数据中继、全球卫星导航定位和多分辨率的光学、红外、高光谱遥感和全天候全天时的雷达卫星群, 来获取国家经济建设、国防建设和社会可持续发展所需要的时空信息, 并与航空、地面、舰艇、水下等时空信息相融合, 并与国外的对地观测系统相互协调与合作, 成为信息时代我国的天地一体化时空信息获取系统, 从而为地球空间信息的数据源提供坚实的保证。
3 时空信息加工与处理的自动化、智能化与实时化程序
面对以TB级计的海量对地观测数据和各行各业的迫切需求, 使我们面临着“数据又多又少”的矛盾局面, 一方面数据多到无法处理, 另一方面用户需要的数据又找不到, 致使无法快速及时地回答用户问题。于是对时空信息加工与处理提出了要自动化、智能化和实时化的问题。
目前卫星导航定位数据的处理已经比较成熟地实现了自动化、智能化和实时化, 借助于数据通讯技术、RTK技术、实时广域差分技术等已使空间定位达到米级、分米级乃至厘米级精度。
遥感数据, 包括高分辨率光学图像、高光谱数据和SAR数据的处理, 就几何定位和影像匹配而言, 可以说已经解决, 要进一步研究的是无地面控制的几何定位, 这主要取决于卫星位置和姿态的测定精度。目标识别和分类的问题一直是图像处理和计算机视觉界关心的问题, 智能化的人机交互式的方法已普遍得到应用, 人们追求的是全自动方法, 因为只有全自动化才可能实时化和在轨处理, 进而构成传感器格网, 实现直接从卫星上传回经在轨加工后的有用的数据和信息。
4 时空信息管理和分发的网格化
时空信息在计算机中的表示走的是地图数字化的道路, 在计算机中存贮的带地物编码和拓朴关系的坐标串。在3W互联网环境下, 实时查询和检索GIS数据是成功的。随着全球信息网格 (GIG) 概念的提出, 人们将要面临在下一代3G (Great Global Grid) 互联网上进行网格计算。即不仅可查询和检索到GIS时空数据, 而且要能利用网络上的计算资源进行网格计算。在网格计算环境下, 目前的GIS数据面临着空间数据的基准不一致, 空间数据的时态不一致, 语义描述的不一致以及数据存贮格式的不一致的四大障碍。因此建立全球统一的空间信息网格对实现网格计算应当是势在必行。
5 时空信息服务的大众化
人类的社会活动和自然界的发展变化都是在时空框架下进行的, 地球空间信息是它们的载体和数学基础。在信息时代由于互联网和移动通讯网络的发展加上计算机终端的便携化, 使时空信息服务的大众化代表了当前和未来的时代特征。也是空间信息行业能否产业化运转的关键。
时空信息服务要以需求为牵引, 不同的用户, 不同的需求就要提供不同的服务, 在国防建设中, 除了整个数字化战争的准备, 策划, 实时指挥, 战场姿态, 作战效果估评的大系统外, 时空信息服务的本质就是将3S集成技术做成适合于各兵种、各作战单元和战士的时空信息多媒体终端。它既可实现实时导航定位, 实时通讯, 也可以实时获取和提供所需要的军事时空信息, 这样的3S集成系统将成为装备提供给部队。时空信息对政府高效廉政建设的服务就是为电子政务 (OA) 提供必要的具有空间、时间分布的自然、社会和经济数据与信息。目前的各种比例尺地形数据库距离电子政务和国家宏观决策分析使用尚有较大的距离, 希望能通过空间信息网格技术加以解决。时空信息为我国小康社会的服务是具有很好机遇的挑战性任务, 需要我们创造高效优质的服务模式, 这包括汽车导航, 盲人导航, 手机图形服务, 智能小区服务, 移动位置服务等等, 可以统称为公众信息化。时空信息的社会经济服务包括对国家资源、环境、灾害调查和各种经济活动的时空分布及其变化的实时服务, 数字城市, 数字港口, 数字仓库, 数字化物流, 配造诸方面的时空信息服务。
天地一体网络 篇6
关键词：一体化,通信仿真,HLA,VRNET
0 引言
已有的通信仿真系统应用往往针对特定的问题开展研究, 如地面通信仿真应用、航空通信网络仿真, 缺乏一体化、可扩展性的设计考虑, 导致面临新的通信仿真问题时需要开发新的仿真系统, 浪费了大量人力物力。此外, 各种系统在进行仿真过程展示、仿真结果分析时缺乏统一而生动的展示手段, 严重影响了通信仿真系统的应用效果。
为了解决上述问题, 基于HLA设计了一个空天地一体化的分布式通信仿真系统, 可根据实际问题的需要灵活搭建仿真网络, 便捷地接入实物、半实物设备参与仿真, 动态实时展示仿真过程。
1 系统设计
1.1 总体设计
系统总体结构如图1所示, 由参考模型库、通信网络仿真开发子系统、通信网络仿真应用子系统、三维态势演示子系统、卫星轨迹规划子系统、实物装备子系统在分布式仿真运行环境中组成。各子系统之间依托分布式仿真运行环境相互实时地交互信息达到协同仿真的目的, 并且为了便于管理, 系统引入分布式仿真主控平台, 利用分布式仿真主控平台统一地管理系统内的各个子系统。引入三维态势演示工具, 提供动态实时的仿真过程展示。
系统采用基于HLA/RTI的分布式仿真架构[1,2], 提供不同层次业务需求的软硬件数据接口和协议, 保证系统在完成现有需求的基础上具备一定的扩展能力:
能够在现有基础上有针对性地修改设计细化各类模型, 完善系统功能;
能够增加新的联邦成员从而能够增加新的系统功能;
能够和其他的信息系统互联互通, 可作为后台支撑也可作为前台显示和输入。
1.2 分系统设计
1.2.1 参考模型库和通信网络仿真开发子系统
参考模型库采用VRNET Net Lib[3]提供的模型库, 包括高级通信网络参考模型库、电台参考模型库、卫星通信参考模型库、精确无线传播模型库和计算引擎等, 各级模型库具有良好的开放性, 能支撑在有线和无线网络领域的各种仿真需求。
仿真通信网络开发子系统依托VRNET Developer[3]平台完成, 在此平台下根据需求, 可以在参考模型库的基础上, 进行针对性的开发, 完成网络模型、平台模型、设备模型、路由协议等, 供仿真应用系统使用。依托VRNET Developer可以将所有模型和场景导入通信网络仿真应用子系统, 既可以直接使用这些模型库, 也可以在提供的模型上进行修改或者重新开发相应的模型后再进行导入。
1.2.2 空天地通信网络仿真应用子系统
空天地通信网络仿真子系统是整个应用方案的核心, 依托VRNET Net Emula[3]提供大规模或超大规模实物、半实物实时仿真网络性能的模拟试验平台, 支持构建空天地一体化的通信仿真网络, 具有良好的人机交互界面和丰富的接口, 并能提供仿真参数分析, 根据指标体系的划分, 对仿真系统进行评估。
1.2.3 卫星轨迹规划子系统
卫星轨迹规划子系统[4]由STK工具完成, STK的核心能力是产生卫星位置和姿态数据、获取时间、遥感器覆盖分析。通过其卫星轨道预报算法、姿态定义、坐标类型和坐标系统等功能可以完成卫星轨道的规划设计, 并将其计算结果提供给网络仿真应用子系统, 完成对整个通信网络的规划。
1.2.4 三维态势演示子系统
三维态势演示子系统主要依托战场三维视景仿真器 (VBS) 结合仿真应用子系统进行二次开发完成。三维态势演示子系统基于Open GL API实现三维视景开发, 通过采用专业的视景技术和多数据库集成技术, 构建一个三维的数字化地球, 提供从航天航空、陆地海洋、到水底世界的全球所有地域的视景仿真开发平台。三维态势演示子系统以HLA联邦成员的方式加入通信仿真过程可立体、逼真反映当前仿真场景对应的具体地形实景和仿真网络的状态。
1.2.5 分布式仿真运行环境和分布式主控平台
分布式主控平台是整个分布式仿真系统的控制平台, 依托VRNET提供的分布式主控平台DPC实现。分布式主控平台是人机交互的主要界面, 负责整个分布式仿真系统从仿真前的想定配置, 到仿真初始化过程, 到仿真运行阶段的管理控制, 直至仿真结束后的结果收集分析和仿真过程回放。为处于不同物理位置的分布式仿真成员提供集中式的管理, 实现仿真管理的集中一致和有效便捷。
1.3 应用流程
基于空天地一体化通信仿真系统开展通信仿真问题研究时, 可采用如图2所示的流程开展仿真实验。
首先, 对通信仿真问题进行分析得到对通信仿真网络的需求。而后通过对需求的分解得到必须重新开发的各类模型 (包括模型的接口、协议、报文格式等需求) , 基于VRNET Developer对模型进行设计开发;在此基础上, 从VRNET Netlib中选择已有的设备模型和协议, 利用VRNET Net Emula搭建通信仿真网络。通过仿真输入并接受主控平台控制开始仿真运行, 最终得到通信网络仿真的结果。
表1对空天地一体化通信仿真系统使用的软件工具及其发挥作用进行了总结, 除了后两个软件外, 其它均采用VRNET产品系列。
2 关键技术
基于HLA的空天地一体化通信仿真系统在设计实现中采用了多种关键技术, 确保系统高效、稳定地达成仿真目的。
2.1 四层仿真建模机制
系统为实现对通信仿真网络的建模, 采用四层建模机制:协议模型、设备模型、平台模型、网络模型。协议模型:最小建模单元, 定义一个具体的协议 (或一个具体的功能) 的实现流程、与其它协议模型的连接关系、需要配置的参数、提供的对外接口等;设备模型:最小的具有独立通信功能的仿真模型, 由协议模型和辅助模型 (位置管理、故障模拟等) , 如电台、路由器、交换机、终端设备等;平台模型:由通信设备构成, 包括车载平台、机载平台、升空平台等;网络模型:对应一个具体的仿真场景, 由一组子网模型和平台模型, 即其连接关系构成, 网络模型自身包含一定的属性, 如地址位置、覆盖范围、采用何种坐标系等。
2.2 半实物仿真技术
系统支持接入实物设备参与仿真, 其核心是采用半实物仿真技术实现实物系统和仿真系统提供转接功能。半实物仿真技术在系统实现中体现为提供一系列半实物接口, 一方面处理实物数据, 转换为HLA数据包, 发往对应的仿真节点;另一方面解析HLA数据, 构建相应的接口数据格式, 发送给实物设备。目前, 系统提供两种半实物仿真模式:控制模式和数据交互模式。
数据交互模式主要用于外部设备、终端与仿真模型的协议级交互。包括透传模式和交互模式:透传模式中, 实物设备需要在仿真中设置映射点, 通过半实物接口模块接入仿真, 找到映射源节点, 在整个过程中, 仿真并不解析实际的数据内容;交互模式中每个实物设备也都需要指定一个映射节点, 但仿真会解析接收到的实物数据, 并根据数据构建对应的仿真报文或根据仿真报文构建出真实的数据流。
2.3 并行仿真技术
系统支持空天地一体化通信网络仿真, 需考虑参与仿真的模型规模和复杂度, 为实现高效的仿真需提供并行仿真技术支持。并行仿真可用于解决大规模仿真时单台主机的性能瓶颈问题。在并行仿真中, 仿真模型会被划分为多个逻辑进程, 每个逻辑进程维护自身的仿真时间推进和未来事件列表。
系统通过通信仿真应用子系统的仿真内核提供的并行仿真系统, 可以对仿真模型进行并行仿真, 仿真模型并不需要直接与并行仿真系统进行交互。是否采用并行仿真, 由仿真内核通过参数配置来决定, 对仿真模型的开发是透明的。在底层的并行通信确保机制上, 支持MPI、HLA、SOCKET等多种方式。
3 结语
空天地一体化通信仿真系统基于HLA/RTI架构, 具有较好的扩展性, 通过半实物接口可接入多种实物设备参与分布式仿真, 通过三维态势演示子系统可直观、逼真反映当前仿真场景对应的具体地形实景和仿真网络的状态。下一步将结合不同背景下的通信网络仿真需求, 基于空天地一体化通信仿真系统开展通信网络保障能力和通信网络使用研究。
参考文献
[1]余晓刚, 张玉冰, 姚富强.基于HLA的通信电子战平台设计[J].电子对抗技术, 2002, 16 (1) :32-34
[2]李军, 张亮, 张文明.基于HLA/Simulink的通信对抗链路仿真系统开发[J].系统仿真学报, 2006, 18 (8) :2166-2169
在网络上开辟德育新天地 篇7
在2005年面对全国九大城市的青少年开展的一次调查中, 问及上网目的时, 47.9%的孩子选择了聊天。统计表明, 学生利用互联网聊天、玩游戏、观看不健康内容的时间, 要远远多于网上学习的时间。网络具有数字化、虚拟化的特点, 学生以字符为中介进行网上交流, 表现出的是难以控制的虚拟人格, 容易使其忘记现实社会的责任与道德要求;而网上各种良莠混杂的信息, 也增加了中小学生辨别是非真伪的难度。因此, 有人惊呼“网狼”来了, 有人提出要强制青少年远离网络。网络难道真成了德育工作的“煞星”吗?
事实上, 网络教育所拥有的信息的丰富性、传播的便捷化、表现的多样性、交流的互动性、时空的无限性等特点, 都为德育工作开展提供了有利条件, 关键是我们如何用好这把“剑”。党的十六大报告明确提出“互联网站要成为传播先进文化的重要阵地”。《公民道德建设实施纲要》提出:“计算机互联网作为开放式信息传播和交流工具, 是思想道德建设的新阵地。”因此, 先进的信息网络技术是改进和创新中小学德育工作、加速德育现代化建设的重要载体和手段, 网络运用得当, 既有利于弘扬和培育民族精神, 又有利于提高德育工作的实效性。
在网络条件下如何开展中小学德育工作?有专家提出要像“大禹治水”一样, 该引的引, 该堵的堵, 要为我所用、因势利导。
下面试举两例, 加以阐述。
1. 运用“E-mail”实现师生之间平等真实的对话
传统德育工作往往是教师一言堂, 即使是最民主的教师, 也不可能让学生知无不言, 因此, 教师“受蔽”是常事。这也是传统德育的致命弱点。但是, 如果运用网络中的“E-mail”功能, 则可弥补传统德育中的这一弱点。由于“E-mail”的匿名、隐蔽的特点, 能充分缩短师生之间的心理距离, 消除教师职业所赋予的权威给学生带来的压力, 学生可以各抒己见, 真实地表达自己的内心情感。
【案例】
开学第一课, 我给学生唱了一首《朋友》的歌, 然后深情地说:“天底下最难得的是知心朋友, 英国哲学家培根说过:如果你把快乐告诉一个朋友, 你将得到两份快乐;把忧愁告诉一个朋友, 你将被分掉一半忧愁。我希望从今天开始, 我们能够成为可以共享快乐、共担忧愁的朋友。”
掌声响起。
我接着说:“因为咱们还不太熟悉, 同学们还不了解我, 还不一定敢当着我的面说心里话, 因此我向大家公布我的电子信箱, 欢迎大家随时随地给我发‘伊妹儿’。”
欢笑声响起。
我的话立竿见影, 第二天我的电子信箱便被塞得满满:
——老师, 您的头发长了一点, 请注意为人师表。
——老师, 您说话很风趣, 但有时候严肃不足。
第三天, 火药味渐浓, 第四天, 我就有点受不了了, 第五天的一封“犯上作乱”的“伊妹儿”终于使我大为恼火。我憋不住, 当众质问道:“今天的‘伊妹儿’是谁发的?”
众学生如惊弓之鸟, 默不作声。我威严地扫视了一下全班同学, 希望能从他们的表情中找到蛛丝马迹, 但我失望了:学生的眼神、脸色基本保持一致。
我原以为接下去会收到更出格的“伊妹儿”, 但是我错了, 第六天的信箱是空的, 第七天还是空的, 我感觉到我与学生之间的距离正在拉大。终于, 我向学生作了诚恳的检讨, 希望同学们不计前嫌, 继续把我当朋友, 给我发“伊妹儿”, 第八天, 我又收到了两封“伊妹儿”:
——希望叶公好龙的故事不要发生在我们可爱的老师身上。
——老师, 那天 (下转第26页) (上接第24页) 的“伊妹儿”是我发的, 事后我也很后悔。因为我的粗鲁的语言, 不仅伤害了老师的自尊心, 还说明我不是一个合格的学生。
【评析】
这是一个典型的成功的网络德育案例。班主任为了及时了解新生, 加强与新生的沟通, 在发表了一通热情洋溢的“演说”后, 把自己的电子信箱公开, 从而激发了学生与教师接近的兴趣, 并培养了学生的独立意识和自主心理。然而, 当有学生接连不断地向自己“发难”时, 这位教师未能正确处理, 居然破起案来, 这是德育的大忌, 结果学生噤声不语, 师生之间良好的沟通就此中断。好在这位教师严于律己, 及时向学生作检讨, 才重新赢得了学生的信任和尊重。那两封“伊妹儿”, 一封希望老师能够真正成为学生的知心朋友, 能够真正虚心地听取学生的批评意见, 而另一封则说明学生已被老师的人格魅力所折服, 作了认真的自我批评。这位教师以此实现班主任工作目标的第一步, 为今后德育目标的实现打下了基础, 较好地体现了网络的德育促进功能。
2. 运用网络模拟功能, 模拟生活中的德育情景, 做到寓教于乐
德育工作过于严肃的“面孔”, 往往会使学生产生一种压抑感, 而苦口婆心的说教又容易使学生两耳生茧, 产生厌倦心理。也有的老师组织学生编写、演出校园剧, 开展辩论、演讲等活动, 取得了较好的效果。但是学生学习时间紧, 要充分保证这些活动的开展, 难度较大。利用电脑技术模拟生活中的德育情景, 让学生在虚拟的社会生活中开展道德实践, 既具有强烈的娱乐性, 又有着相对的真实性, 而且学生在活动中所花的时间较少。
【案例】
今天, 我在班里举办了一个特殊的班队活动——通过虚拟情景进行德育体验。我事先从网上下载一个名为“洗衣机里的猫”的游戏和电影《洗澡》中的一个片段, 又在计算机教师的帮助下, 设计了一个动画故事《先救谁》和一组连环漫画, 在活动中播放并分别要求学生谈感想、作评论、进行选择、开展联想。以连环漫画的使用为例:我给学生提供了四幅漫画, 第一幅是在一间房子里, 一张桌子上摆着一个黑包, 两个人正在握手;第二幅是一个人拿着黑包在前面跑, 另一个人在后面追;第三幅是两个相对而立, 其中一个人正在开包;第四幅是一个人拿着黑包在跑。让学生对这四幅漫画进行重新排序, 并配上说明词。有的学生以4-2-3-1排序, 分别配以“有小偷”“追”“终于捉住了”“多谢你挽回了我的损失”, 最后总结为“见义勇为——社会良好的道德风尚”。有的学生以1-4-2-3排序, 分别配以“朋友见面分外亲热”“有人偷包”“死死盯住”“看你往哪儿跑”, 最后总结为“天网恢恢, 疏而不漏”。还有学生以2-3-4-1排序, 分别配以“抓小偷”“让我瞧瞧都有些什么”“这个包归我了”“见者有份”, 最后总结为“坐地分赃, 可耻!”这次班队活动搞得特别成功, 学生们事后评价是直观形象、生动有趣, 感想丰富、记忆深刻。
【评析】
做过班主任的老师都知道, 在小学里, 最难组织的便是班队活动。每次搞活动, 都有学生昏昏欲睡, 或者一副事不关己、高高挂起的神态;假如班主任不在场, 有的学生甚至会开溜。但运用多媒体技术就能使班队活动变得焕然一新。上面的案例实际上属于一种德育游戏。游戏是人的天性, 人类实际上正是通过游戏走向成熟, 而游戏又是电脑特别是网络所长, 充分利用电脑与网络的这一长处, 不仅能使德育活动变得更加生动活泼, 也为学生的道德规范实践提供了方便, 改变了传统的以知识教学为主, 辅以少量实践的德育方式, 发挥了德育应有的魅力。