双模卫星系统

2024-05-13

双模卫星系统（通用5篇）

双模卫星系统篇1

1 引言

远程视频监控系统主要用于完成远程现场点的数据采集、处理、实时监控等功能[1]。CDMA2000 1X单模远程视频监控系统采用自动控制技术、计算机技术并已被广泛应用于工业自动化、工业控制领域;然而,由于单模远程视频监控系统没有或无法解决实时大数据量处理、无线远程实时通信等问题,其应用受到很大的限制。随着通信技术的快速发展,数据的传输速度不断提高,能被使用到远程视频监控系统中实时地向监控中心发送现场采集到的数据,这样依靠CDMA2000 1X和TD-SCDMA双网络的双模无线远程视频监控系统就应运而生了。近几年来,速率最高的无线广域网即为CDMA2000 1X,但由于CDMA2000 1X网络传输带宽的限制和用户的增多,实际数据传输速度只有80 Kbit/s左右,这使监控中心图像接收时延大,图像显示不连贯,远远不能满足用户的需求。因此,在国产3G标准的TD-SCDMA网络的试商用阶段,笔者想充分利用TD-SCDMA网络和CDMA 2000 1X网络的带宽进行视频传输,来改善视频监控的效果[2,3,4,5,6]。

面向上述无线视频监控的应用,结合国内无线移动网络的现状,本文设计并实现了一种基于TD-SCDMA和CDMA2000 1X双模远程视频监控终端,并应用到视频监控系统中。该双模远程视频监控系统适用于公安、消防及交通等领域,依托CDMA2000 1X和TD-SCDMA移动通信公众网实现图像监控,便捷实用,比传统的单模监控系统有多方面的优势。本文重点介绍此系统的整体设计及硬件结构,给出监控终端关键模块的硬件和软件设计,还简单介绍了监控中心的软件设计,最后对整个系统进行了测试,并记录了测试结果。

2 视频监控系统结构

基于TD-SCDMA和CDMA2000 1X无线网络的双模远程视频监控系统使用MPEG-4格式对视频进行压缩编码,完成多画面显示与切换、远程控制等功能。系统结构如图1所示。

整个系统主要由监控终端和监控中心服务器两部分组成。在监控终端,首先通过视频采集模块把摄像机摄取模拟图像转换成数字图像,再压缩编码成为MPEG-4格式的图像,放到发送缓冲区里,网络传输部分再从缓冲区里读取数据,封装成UDP包,然后CDMA模块通过CDMA2000 1X无线网络发送UDP包,TD-SCDMA模块通过TD-SCDMA网络发送UDP包。在远程监控中心服务器端,把接收到的UDP数据包进行拆包处理,放到接收缓冲区里,进行解码播放及存储。

2.1 系统功能描述

监控终端的功能:将处理后的模拟视频信号数字化,压缩,并将压缩后的图像数据进行录像保存到硬盘或传输到监控中心;接受监控中心的远程指令,根据指令要求切换视频源或对云台和镜头等监控设备或其他开关设备进行控制。

监控中心的功能:接收视频流进行实时播放,并保存到硬盘;随时跟踪监控终端当前所处的位置、移动速度、移动方向、状态信息等情况,对终端进行定位时可以按照定时、定距等多种方式监控,并能够在系统界面上显示终端的各项监控指标。

2.2 系统硬件

监控终端的硬件设备主要有视频采集模块、无线通信模块、GPS定位模块、摄像机、云台和电源。摄像机为前端采集单元,云台为控制单元,工控机和视频采集模块构成了视频处理单元,无线通信模块提供视频流传输通道。GPS部分负责采集时间和定位信息。

监控终端系统结构如图2所示,其工作原理是由CCD采集输入的模拟视频信号,经过视频解码器转换成数字视频信号,送到主芯片中,主芯片再将采集的视频数据进行压缩处理,然后将数据封装成UDP包传到TD-SCDMA和CDMA无线模块上,由两模块轮询地通过各自的无线网络发送UDP包,视频监控中心计算机接受UDP包,构成监控系统。

3 视频监控终端软件设计

根据系统设计的功能需求,可以分为视频采集模块、GPS定位模块、图像数据压缩模块以及无线通信模块。具体到任务代码的划分时,如果分解过细,会不断地在各个任务之间切换,而且任务之间的通信量也会很大,将大大增加系统的开销,而任务分解过粗,又会造成原本可以并行操作但目前只能按顺序串行执行,从而影响系统的吞吐量。终端软件功能结构如图3所示。

各功能模块功能说明如下:

1)视频采集模块。该模块用于完成对视频信号的采集,将USB摄像头接收器采集到的信号以文件的形式保存或者放入缓冲区供其他模块使用。

2)GPS定位模块。该模块用于实时记录监控终端当前所处的位置、移动速度、移动方向等状态信息。

3)图像压缩模块。该模块用于完成对图像数据的压缩处理,读取由视频采集模块产生的缓冲区数据,对其进行压缩处理后再以文件的形式保存或者将压缩数据放入缓冲区供其他模块使用。

4)无线通信模块。该模块用于完成对视频数据的网络传输,读取缓冲区里的视频数据,并将其打成UDP包,然后将其做成流式文件格式,通过TD模块和CDMA模块传输到服务器上。

3.1 视频采集模块

视频采集线程如图4所示,首先初始化采集卡,包括先将本机串口的波特率设为9 600 MS/s(兆符号/秒),配置采集卡的波特率为230 400 MS/s,然后将本机串口的波特率设为230 400 MS/s,写入控制指令,使采集卡开始工作。

然后从串口中读取数据,并存入缓存Stream Buf中,同时搜索缓存Stream Buf中是否有一个完整的子数据帧,并将其拷贝到缓存Packet Buf中。判断该子数据帧是否为结束帧,如果不是,则系统将该帧拷贝到图像缓存Frame Buf中,并继续从串口读取数据;如果是,则系统从图像缓存Frame Buf中读取数据,并加上包头,推入网络传送队列。而在此之前,系统还将判断采集卡是否需要重新配置,并作相关操作。

3.2 视频数据的网络传输

UDP是面向数据报的传输层协议[7,8,9],它建立在IP协议之上,提供了一种无连接的高效率的服务,时延短但不保证数据的可靠性,很适合实时性高而不要求数据绝对可靠的场合,由于视频数据的实时性强,数据量大,所以采用此协议传输数据。

3.2.1 视频数据封装过程

视频数据发送时,封装过程为,首先将视频数据封装成UDP包,然后封装成IP包,最后封装成多功能通信帧进行传输。视频数据接受时,解封装过程与发送时相反,先解多功能通信帧,然后去IP包封装,去UDP包封装,最好得到视频数据。数据封装过程如图5所示。

3.2.2 视频数据拆帧原理

通过CDMA网络或TD网络发送UDP数据时,若发送的数据大于1 500 byte,监控中心收不到。一帧视频数据大概有1 900 byte,因此要把一帧视频数据拆成2个子数据帧。拆帧的原理是将一帧数据拆成1 200 byte子数据帧,将其余的另外作为一子数据帧,再给每一子数据帧添加一个UDPImg Header帧头作为编号,以便在服务器端进行数据组帧[10]。

子数据帧帧头结构:

imgseq是对原数据的编号,属于同一数据拆帧后的imgseq应该相同。img ID是拆帧后的编号,如果是最后一分拆帧数据,则img ID的首位置1,imglen所代表的长度是指这份包头所携带的正文的长度,不包括这个头的长度。imglen采取网络字节序。举例如下:

一份数据有1 900 byte:

拆包后如下:

4 视频监控中心软件设计

监控中心是整个远程监控系统的神经中枢,是管理人员发送控制命令以及获取现场信息的指挥调度场所,它负责指挥控制整个系统的运转,完成监控和管理等功能。本系统采用Microsoft Visual C++6.0开发,可将整个监控中心软件设计分为图形监控部分、数据处理部分、网络通信部分以及终端服务部分。图形监控部分负责将监控终端设备的数据、状态、故障等信息以图形方式显示给用户。数据处理部分一方面将图形界面发来的现场设备控制命令打包成协议的相应内容发送给网络通信部分,另一方面将网络通信部分接收到的数据进行解析转送到数据库程序或者解析成软件可识别的信息通过图形监控部分显示给用户。网络通信部分运行Socket服务器编程实现将数据处理部分发送过来的数据发送给监控终端,并将监控终端发送来的数据送给数据处理部分。终端服务部分提供对客户的认证以及合法客户的命令处理。

5 测试结果

监控系统配置如下:

1)服务器端

操作系统:Windows XP操作系统;

硬件要求:CPU P4 2.8 GHz,内存512 Mbyte,硬盘160 Gbyte,128 Mbyte独立显卡,天敏VC8000 PCI卡,网卡。

2)客户端

操作系统:Linux操作系统;

硬件要求:CPU P3 1 GHz,内存128 Mbyte,硬盘20Gbyte,网卡。

经过测试,性能结果如表1所示。(表中单位f·s-1为“帧/秒”)可以看出,在监控终端视频图像采集帧速一样的情况下,TD-SCDMA和CDMA双模块比单CDMA模块传输视频数据要快很多。双模系统充分利用了TD-SCDMA和CDMA2000 1X的传输带宽,相比于单模视频传输系统有效地提高了视频传输的带宽。这是由于在监控终端通过调度算法,充分利用两模块的无线信道资源,使得数据的传送速率最大化。

6 结论

鉴于视频监控的广泛应用,从实时性和传输速率着手,提出了一种具有TD-SCDMA和CDMA2000 1X双网络传输视频、图像实时连续采集和显示管理功能的设计方案,并且在实际中得到了验证。它与传统的单模视频监控系统相比,具有发送速率大、对单一网络依赖性小、稳定性高等优点,可以对监控终端进行跟踪监控,并能创造良好的社会效益和经济效益。

摘要：设计并实现了一种基于TD-SCDMA和CDMA2000 1X无线网络的双模远程视频监控系统,描述了监控系统设计和实现中的关键技术,包括监控终端的软、硬件结构,以及监控中心的软件设计。实验结果表明,该系统充分利用了TD-SCDMA和CD-MA2000 1X的传输带宽,相比于单模视频传输系统,有效提高了视频传输速率。

关键词：视频监控,无线传输,视频采集

参考文献

[1]杨志伟,冯宗哲,郭宝龙.实时视频网络传输系统实现技术[J].电讯技术,2007(4):61-65.

[2]李善,刘文峰,王焕龙.Linux与嵌入式系统[M].北京:清华大学出版社,2006.

[3]潘国良.简易视频会议系统的设计与实现[J].微电子学与计算机,2008,21(2):56-58.

[4]颜菲菲,高胜法,刘晓兰.远程视频监控系统的安全可靠性研究[J].计算机工程与设计,2007,26(9):2494-2496.

[5]RICHARD W S.UNIX环境高级编程[M].北京:机械工业出版社,2004.

[6]丁贵广,计文平,郭宝龙.Visual C++6.0数字图像编码[M].北京:机械工业出版社,2006.

[7]王军,许建龙,孙树森.视频监控系统设计与实现[J].浙江大学学报,2008,25(3):75-78.

[8]陈章龙,唐志强,涂时亮.嵌入式技术与系统——Intel XScale结构与开发[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.

[9]LI J,HAO Wei-dong.Research and design of embedded network video monitoring system based on Linux[EB/OL].[2009-03-20].http://doi.ieeecomputersociety.org/10.1109/CSSE.2008.134.

[10]李萍,刘克.视频监控系统中面向用户的接入调度策略研究[J].计算机工程与应用,2008,26(10):2716-2718.

卫星移动天线系统（续）篇2

车载卫星天线系统是车载的单向通信或双向通信的卫星通信天线，可与单颗或多颗Ku频段卫星通信的车载天线系统。

在运动中接收卫星信号的车载天线为“动中通”；在静止状态自动寻星，接收卫星信号的车载天线为“静中通”。

美国卫星通讯公司RaySat的SpeedRay3000车载卫星天线，可置于汽车顶部，支持卫星高速上网并能随时随地接收卫星电视信号。

1．车载卫星天线

车载卫星天线解决了各种地面载体在移动中实时高频宽带大容量不间断地传递语音、数据、动态图象、传真等多媒体信息的难题，是通讯领域的一次重大突破。

车载卫星天线工作环境恶劣，天线高度、功耗、天线重量都受到限制，因此，在天线方案的选取中，采用高效率变焦距椭圆波束天线，以降低天线高度；天线反射面采用碳纤维材料成型，并采用了天线碳素或玻璃钢加罩设计，以减轻重量和降低伺服功耗。如图6所示。

2．车载卫星天线组成及功能

（1）天馈系统

由等效0.35～1．2米椭圆波束天线和宽带TE21模馈源系统组成，它的主要任务是接收和发射通信载波。

（2）跟踪接收系统

跟踪接收系统由LNA、跟踪下变频器和跟踪接收机等组成，它的主要任务是为伺服控制系统提供天线在仰角和方位角两方向偏离卫星的二路误差信号，经过环路调整后，使天线能始终跟踪卫星目标。

（3）天线伺服控制系统

载车在行进中可能遇到各种路况，包括崎岖路面造成的车体颠摇和振动冲击；隧道、桥洞、树林、山体遮挡造成电波的中断等，都是静止接收站不会遇到的工作条件。

（4）天伺系统的功能

①载车在不同方向、不同坡度的路面行驶，天伺系统的跟踪方位范围在0～N×360°、俯仰范围在0～90°；

②载车在各种不同路况下行驶，伺服系统对路面和车速共同造成的载车颠摇与冲击的隔离度大，保证天线始终指向卫星；

③遮挡消失后伺服系统再捕信号的最大捕获时间小。载车进入信号中断区域后，伺服系统无信号跟踪卫星、通信中断；载车离开中断区，信号恢复后，立即恢复通信。伺服系统重新使天线主波束对准卫星的最大捕获时间短；

④信号中断后天线指向的记忆功能。经过短时间的电波中断后，天伺系统不需要重新捕获，即可恢复通信；

⑤天伺系统的跟踪精度，选择跟踪精度≤1/8天线波束宽度；

⑥能耐受车型、车速与路况共同造成的冲击震动环境。

3．车载卫星接收系统主要特性

（1）机动性强

可实现动态中不间断宽带多媒体通信，具有很强的灵活性和机动性。

（2）接收信号能力强

可以通过任何一颗地球同步卫星或空中平台，超越时间和空间的限制，实现点对点、点对多点的移动卫星多媒体通信，并能迅速将移动载体中多媒体数据瞬时传到世界各地或接收世界各地的多媒体信息。

（3）保密性强

采用数字信息加密、用户加密和线路加密，增强了安全性和保密性。

（4）抗干扰能力强

采用先进的跳频、前向纠错、扩频技术，增强抗干扰能力。

（5）信息容量大

集动态图像、语音、数据、传真于一体，带宽可达广播级，完全满足不同用户的需要。

4．车载卫星天线系统主要性能技术标准，如表2车载卫星天线系统主要性能技术标准所列。

5．车载卫星天线系统应用范围

（1）移动载体多媒体卫星通讯系统

用于在移动的汽车、轮船、火车、飞机上实现实时高频宽带多媒体通信联系及接收新闻等电视节目，很好地解决了各种条件下的电视、通信保障难题；可以对远离中心地方的现场情况一览无余，并实时进行指挥调度和处理。

（2）电视移动转播系统

直接将摄制的新闻实时地通过动中通发射到任何一颗地球同步卫星，再传到世界各地，充分体现了新闻的及时性和灵活性，很好地解决了马拉松竞赛、战地采访、实时直播、大型运动会、抢险、抗洪、救灾等电视主题实时移动转播的难题。

（3）运动中不间断网络中心

该系统不需要任何电缆或光缆就可实现车、船等载体在移动中通过卫星实现不间断电视传输、通信传输，实现有线和无线接入。该系统还可用于突发事件移动指挥中心、通信中心、调度中心、实时数据采集、处理、传输中心等。

（4）商用移动卫星通信系统

实时将车内外监控的所有图象、语音信息迅速地传送给指挥监控中心，实时不间断地保持与监控中心图象、语音数据、传真等双向联系。

（5）部队移动卫星通信系统

用于部队训练场，特别是战场等场所实时不间断地实现多媒体通信，使指挥中心迅速作出正确有效的决策。

（6）消防灭火卫星通信系统

可以将火灾现场情况实时地通过卫星传送到指挥中心，对火灾现场有效地监控立即作出正确的判断和指挥等等。

6．车载卫星电视天线系统

中国军工、航天和科研单位研发的多种车载卫星通信系统，已应用在部队通信、航空测量、航天探测、公安消防等事业，民用的已应用在电视直播、电视转播、电视传输、救灾测量、探矿考古、野外作业等领域。如图7超薄的车载天线所示。

中国航天科技集团公司重庆巴山仪器厂生产的一种军民两用的车载卫星天线系统———动中通，达到国际先进水平。

该动中通系统集图像、话音、数据、传真于一体，可在移动中接收卫星电视，并可双向传送数字保密电话1路、语音电话4路、数据1路、数字G3或G4传真1路、视频2路、可视电话1路。

该动中通系统是能够在移动中实现连续不间续宽带多媒体通信的系统；可在移动中实现不间断窄带通信，能超越时间和空间的限制，迅速将移动载体中的多媒体信息瞬时传输。

该系统可实现点对点、点对多点、点对主站的移动卫星通信，大大提高用户在移动过程中的通信能力，满足各种应急通信系统移动条件下通信的需要。

该系统在一级路面上最大行驶速度为100公里/小时，通信传递速率可达2至5兆比特/秒。该系统还可装备车辆、坦克、装甲车等军事车辆，如图8、图9所示。

7．动中通车载卫星电视接收系统

（1）动中通车载天线

动中通车载天线是车辆在运动中接收卫星电视和进行多媒体通信的天线。动中通车载天线主要适用于室外通信作业、军事系统野外作业车辆以及相关部门野外工作车。该天线需具有小型、携带方便、操作简单等特点。

①通信能力强：可以通过任何一颗地球同步卫星或空中平台，超越时间和空间的限制，实现点对点、点对多点移动卫星多媒体通信，并能迅速将移动载体中的多媒体数据瞬时传到世界各地和接收世界各地的多媒体信息。汽车在高速公路上车速大于140Km/h（移动电话由于多普勒效应不能通信）；坦克训练场路面行驶速度大于60 Km/h时，“动中通”仍能实时通信，图象4级以上。

②保密性强：采用数字信息加密、用户加密和群路加密，增强了安全性和保密性。

③信息容量大：集动态图像、语音、数据、传真于一体，带宽可达到2M～78M，完全能满足不同用户的需求。

④隐蔽性好：内藏式天线0.35～2.4m，保证机动性通信传播的隐蔽性。

主要技术指标

对星精度：≤0.1°

初始找星时间：≤1分钟

方位跟踪范围：全方位或指定方位

工作范围：卫星信号服务区

工作频段：C、Ku、Ka频段

通讯码速率：2M～78M

行驶速度：≥100Km/ h

工作环境温度：-45℃～+55℃

平均无故障工作时间：≥3000 h

车载卫星电视天线的自动跟踪系统利用激光制导和卫星姿态测量技术。在车辆移动中清晰地接收卫星电视直播节目，要求天线增益很高，天线的波束就很窄，为高精度实时跟踪卫星，天线中心轴必须始终对准卫星，必须采用姿态测量技术。

（2）天线自动跟踪系统的组成与工作原理

天线自动跟踪系统主要由：陀螺传感器、激光陀螺仪、16bit CPU的单片机、伺服系统（包括伺服驱动器和伺服马达）、横置偏馈或椭圆偏馈卫星接收天线、卫星电视接收机、电压/频率（V/F）转换模块、GPS接收机模块等组成。

①陀螺传感器：测量汽车行驶的航向角。陀螺传感器具有体积小、重量轻、功耗低、启动快等优点；随机漂移小（<1°/h），动态范围在±60°/s，标度因子误差<2%；能对陀螺传感器输出的汽车航向角变化的角速率进行积分，可得到汽车行驶中的航向角变化量，还可由CPU处理对数据进行编程。代表产品：俄罗斯的全固态光纤陀螺传感器，美国的微电子机械系统（MEMS）的惯性陀螺传感器。

②激光陀螺仪：测量卫星天线俯仰角和横滚角变化量的传感器。激光陀螺仪以NMEA格式，通过RS232串口提供俯仰角、横滚角和航偏变化量的输出。激光陀螺仪具有响应快速，最高可达20Hz，响应时间为0.1s，航向精度为±0.5°，分辨率为0.1°，倾斜角(俯仰、横滚)在±40°，精度为±0.1°。激光陀螺仪可在恶劣环境下长时间工作。代表产品：美国霍尼威尔、利顿、斯佩里等公司的激光陀螺仪。

③伺服系统：伺服驱动器和伺服马达。驱动器由微处理器来控制所有功能，并产生供逆变器专用的可调脉冲宽度PWM输出的ASIC芯片，用ASIC的输出来控制IGBT逆变器。应用模块能同时进行单轴或多轴控制。全数字化可以消除模拟量控制存在的漂移，还能承受启动时负载的冲击。伺服马达可线性控制、角速度控制、拉伸速率。代表产品：英国CT公司的微型交流无刷伺服马达和伺服驱动系统

④GPS接收机模块：测量汽车当前经纬度定位坐标。可控航向角范围在0～360°，俯仰角的范围在0～90°。

陀螺传感器长时间工作会有零点漂移和随机漂移，并会产生累积误差，影响天线的跟踪精度。GPS模块每隔一两个小时后就要用GPS给出的汽车当前经纬度定位坐标；同时根据卫星电视接收机输出的自动增益控制（AGC）信号来校正一次天线的位置，修正它的误差并重新对准卫星。

如果汽车行驶在隧道、高层楼群、高架桥下以及密林等地段时，信号遮挡会使GPS定位失效，引入更大的误差。这时就要采取推算定位（Dead Reckoning）进行自律导航。有了GPS给出的汽车当前经纬度定位坐标，再利用同步卫星轨道的坐标，通过计算公式就可以推导出卫星天线应保持的航向角和俯仰角。

（3）单偏置抛物面天线

单偏置抛物面天线的馈源及其支撑遮挡最小，有较大的焦距直径比f/D，天线的纵向尺寸变大，短径降低，降低天线旁瓣电平和改善馈源的极化辐射电平。横向安装在汽车顶上有利于降低整体高度，折叠式设计可减小阻力，便于汽车行驶。

整个系统的初始化条件是以激光陀螺仪数据的输出为最高级别中断，并选择最高响应频率20Hz串行输出俯仰角和横滚角的变化量，来保持与陀螺传感器测量到的航向角变化量同步，经单片机中的CPU处理后以20Hz频率驱动伺服系统，控制天线转动方向使天线中心轴始终对准卫星，实现实时跟踪。

卫星电视接收机输出的AGC模拟信号，经V/F模块转换成频率后送单片机，以50ms定时中断的单片机开始对V/F输出的频率计数，当信号最大时，表示又重新捕获到卫星。

天线自动寻星以二种方法交替进行：

程序跟踪———将卫星轨道预报的数据（卫星的方位角和仰角随时间变化的数据）和从天线角度检测器来的天线位置的角度值一并输入CPU，CPU对这些数据进行处理、运算、比较，得出卫星轨道和天线实际角度在标准时间内的角度差值，将此值送入伺服系统驱动天线，消除角误差。通过不断地比较、驱动，使天线一直指向卫星。

自动跟踪———根据天线接收到的卫星所发的信标信号检测出误差信号，驱动跟踪系统，使天线自动地对准卫星。由于卫星位置受影响因素太多，无法长期精确预测卫星轨道，故目前一般以自动跟踪为主，程序跟踪为辅的方式。按跟踪原理分类，民用自动跟踪可采用步进式跟踪、圆锥扫描和单脉冲跟踪等三种方式。图10所示为漂亮的车载天线———动中通。

（4）北京赛锦诺电子公司的动中通车载天线 SJN-VTA-05501技术参数如表3所示。

8．静中通车载卫星电视接收系统

（1）静中通车载天线

静中通车载天线是定点接收卫星电视和通信的天线。静中通车载天线主要适用于开车到郊外的旅游者、军事系统野外作业车辆以及相关部门野外工作车。该天线需具有小型、携带方便、操作简单等特点，如图11所示。

天线自动寻星以二种方法交替进行：

自动跟踪———根据天线接收到的卫星所发的信标信号检测出误差信号，驱动跟踪系统，使天线自动地对准卫星。由于卫星位置受影响因素太多，无法长期精确预测卫星轨道，故目前一般以自动跟踪为主，程序跟踪为辅的方式。按跟踪原理分类，民用自动跟踪可采用步进式跟踪、圆锥扫描和单脉冲跟踪等三种方式。

（2）北京赛锦诺电子公司的静中通车载天线

SJN-VSA-0601技术参数如表4所列。

船载卫星电视天线系统

1．船载卫星天线

在舰船上安装自动跟踪同步卫星的船载卫星移动天线，通过在轨的同步卫星C、Ku或Ka频段转发器，接收卫星电视或进行卫星通信。如增加CDMA卫星通信终端，使舰船与陆地构成卫星移动通信专网，整个专网通过卫星通信主站接入地面指挥中心，也可接入PSTN和PLMN。舰船通过该系统与陆地构成高质量、宽频带的多媒体通信，是目前最佳的海上通信解决方案。船用卫星天线系统可以使舰船与陆地构成完整的通信指挥系统，保障海上安全和提高海上作业水平。船用卫星天线系统还可以用于海上各类移动平台，以接收卫星电视和进行卫星通信。图12为船载卫星天线与其他天线。

德国某船载卫星移动天线如图13 船载卫星移动天线所示。

2．船载卫星天线工作原理

船用天线是移动接收卫星电视天线。从结构功能上，可分为稳定系统和自动捕获跟踪系统两大部分。稳定系统是通过传感器、计算机软件、天线驱动机构和步进马达，随时调整天线座姿态，使天线一直处在一个稳定的基础上；自动捕获跟踪系统是根据GPS天线提供的运动物体的实时经纬度、传感器提供的航偏角经计算机运算后，指示驱动器迅速捕获到目标卫星。捕获到卫星后，再通过进行“和波束”极大值判断或“差波束”极小值判断的方法，对卫星进行持续跟踪。船载卫星天线系统工作原理，如图14所示。

3．船载卫星天线系统的特性

（1）捕获时间短：初次使用接通电源后，一般不超过三分钟即可捕获到卫星，收到卫星电视信号。

（2）跟踪精度高：系统采用园锥扫描(conical scanning)差信道跟踪体制，跟踪灵敏度高。

（3）使用寿命长：天线座采用电子倾斜仪作为位移传感器，其使用寿命远高于机械陀螺系统。

（4）使用操作方便：天线已内置GPS系统和电子罗盘，无须外接任何部件。

（5）自动寻星：自动寻星或切换，可在全球海洋范围内接收多数卫星信号。

（6）快速捕捉：初始化后 1s ～ 3s 内即可截获信号，然后进入跟踪接收卫星信号状态。

（7）自动识别：能在频率和位置上准确分辨两颗相邻 2 °～ 3 °的卫星。

（8）即时诊断：可自动诊断、监视设备工作情况。

4．船用天线系统技术参数

北京赛锦诺电子公司的船用天线系统技术参数如表5所列，稳定系统性能技术参数如表6 所列。

根据船只大小，内河、近海、远洋及卫星场强、卫星服务区等情况不同，船用卫星天线系统的用途也不同，可分为以下多种系列和型号。

SJN-MTA-045系列接收系统，小型船用卫星天线系统，只接收单颗卫星的电视节目，适用于中国南方海域。其技术参数，如表7所列。

SJN-MTA-04502型接收系统，可接收多颗卫星的电视节目。其技术参数，如表8所列。

SJN-MTA-060系列接收系统，中型船用卫星天线系统，只接收单颗卫星的电视节目，适用于中国沿海及江河。其技术参数，如表9所列。

SJN-MTA-0602型接收系统，可接收多颗卫星的电视节目。其技术参数，如表10所列。

SJN-MTA-080系列接收系统，中型船用卫星天线系统，只接收单颗卫星的电视节目，适用于中国沿海及江河。其技术参数，如表11所列。

SJN-MTA-0802接收系统，可接收多颗卫星的电视节目。其技术参数，如表12所列。

SJN-MTA-100系列接收系统，大型船用卫星天线系统，适用于远洋地区。

SJN-MTA-100接收系统，只接收单颗卫星的电视节目。其技术参数，如表13所列。

SJN-MTA-1001接收系统，可接收多颗卫星的电视节目。其技术参数，如表14所列。

火车卫星电视接收天线

在中国，列车上全面推广卫星电视接收系统，已经指日可待了，这将在中国列车发展史上具有重大意义。随着中国直播卫星的发射，火车自动跟踪卫星电视接收，已成为可能。图15所示为德国火车车载天线。1．列车卫星天线系统的特性

（1）列车上的数百万旅客能实时收看到中央电视台节目和各地的卫星电视节目，及时了解国内外大事。

（2）丰富的文艺体育节目，让旅客消除旅途的劳累和寂寞，使列车服务上一个新台阶。

（3）通过自办节目，可介绍沿线各大城市及景点，体现出各条列车线路的不同特色。

（4）为沿线各大企业的产品进行电视广告宣传，开辟列车新的创收渠道。

（5）为火车上实现办公自动化打下基础。

2．火车卫星电视接收天线系统的优点

（1）自动寻星: 自动寻星或切换，在我国疆土范围内可接收多数卫星；

（2）快速捕捉: 初始化后 1s ～ 3s 内即可截获信号，然后进入跟踪接收卫星信号状态；

（3）自动识别: 能在频率和位置上准确分辨两颗相邻 2 °～ 3 °的卫星；

（4）即时诊断: 可自动诊断、监视设备工作情况

3．火车卫星电视接收天线系统的主要技术指标

工作频段： C、Ku频段

天线： 0.6～1.2m

初始找星时间：≤1min

方位跟踪范围：全方位

工作范围：卫星信号服务区

运行时速：≤260Km

环境温度：-40℃～+50℃

平均无故障工作时间 ≥3000h

4．北京赛锦诺电子公司的火车卫星电视天线系统根据用途不同，目前可分为以下两种型号：

SJN-TTA-0701火车卫星接收系统，只接收单颗卫星的电视节目。其技术参数，如表15 所列。

SJN-TTA-0702火车卫星接收系统，可接收多颗卫星的电视节目。其技术参数，如表16所列。

卫星移动双向通信站

卫星移动双向通信站是卫星电视接收、通信发射一体化系统，用于车船等载体。

北京赛锦诺电子公司的卫星通信车载站，天线1.2米。其功能与用途如下：

该站型是一种可移动式卫星通信地球站，提供区域和区域之间、服务中心和区域之间干线中继或机动远距离综合业务传输；可传输话音、传真、数据、视频业务，并提供交换机E1口；可构成地面通信线路的迂回和重要补充链路，具有较强的机动灵活性和越野性，开通快捷方便。

1．系统功能

采用三轴稳定数字平台和圆锥扫描跟踪，实现天线自动搜索、高精度实时跟踪；预置卫星参数、指令切换；宽带、高速传输多媒体信息；可进行广播、电视、数据、图像互视互动、视频点播。

2．应用范围

汽车、海洋、江河、湖泊轮船、海洋渔业、物流监控、银行运钞、军事通信、公安保卫、边防巡逻等。

3．技术特性

小型化、模块化、数字化、高可靠、易维修。

4．技术参数

工作频段：Ku

工作频率：上行 12.25 ～12.75GHz ，下行 14.0～14.5GHz

天线形式：修正卡式正馈 / 偏馈

跟踪方式：圆锥扫描

跟踪精度： 0.2°/s

跟踪定位：方位、俯仰

天线工作范围：仰角 0°～80°

方位：± 360°

极化方式：双极化

通信方式：TMD/SCPC/DAMA多址方式

主带小站，可进行点 / 域、点 / 点双向通讯，具有 2～4 路话务，及其它多媒体通讯工作方式。

在不同配置下，可进行非对称方式下行传输，下载文件图像、数据。

在不同配置下，实现自动链接和参数控制的网管，以最佳的时间分配提高信道使用效率。

双模卫星系统篇3

普通GPS接收机在某些地域使用存在一定的局限性。例如在山脉中或山地峡谷地形或者大范围原始森林地区进行地质勘查、测绘时,由于高山遮挡可见卫星数减少,或是由于受树木遮拦,卫星信号失锁的现象时有发生,从而无法完成定位。集成了双GNSS接收模块的接收机使得卫星数的可见数增加,在一些GPS信号薄弱的地区,该双模接收机大大提高了观测精度和数据可靠性。

但在使用GPS/GLONASS双系统组合测量中,只能使用其中一个时间系统作为基准来记录和处理观测数据。如果不考虑2个时间系统的差异,将为定位解带来系统差。因此,准确确定时间系统的差异及差异转化就成为集成模块接收机提高精度和可用性的关键。

1 时间系统及其相互关系

首先分析GPS时与GLONASS时在整秒上的关系。GPS时(GPST)属于原子时系统,其秒长与原子时相同,但与国际原子时(IAT)具有不同的原点。存在一个常量偏差,其关系为:

IAT=GPST+19(S)。

GPS时与UTC的时刻,规定于1980年1月6日0时(UTC)一致。由于GPST没有闰秒,其后随着时间的积累,二者之间的差别表现为秒的整数倍。二者的关系为:

SPST=UTC+1s×n+19s。

GLONASS时间(GLONASST),是以前苏联建立、俄罗斯维持的世界协调时UTC (SU)作为时间度量基准的UTC时间系统,也存在闰秒。GLONASST与UTC (SU)之间存在3 h的整数差。

由GLONASST与UTC的关系和GPST与UTC的关系可得:

GLONASST=GPST-1s×n-19s+03s00m。

再来分析不足整秒的时间微小量。GPST以UTC(USN0)为时间度量基准UTC (USNO)与国际时间局(BIPM)维护的UTC (BIPM)的差别在20 ns。

GLONASST是以俄罗斯维持的世界协调时UTC (SU)作为时间度量基准。GLONASST与UTC (SU) 在秒上,二者相差在1 ms以内,在GLONASS卫星发播的导航电文中有相关GLONASS时间与UTC (SU)的相关参数。UTC(SU)与国际标准UTC,相差在1 μs以内。

通过分析比较GPST、GLONASST、UTC (USNO)、UTC(BIPM)、UTC(SU)等时间系统的差异,可以预测出GPST与GLONASST之间相差的微小量应在1 μs以内。

2 时间系统一致性分析的方法

2.1 一致性分析概述

除了3 h的整数差值,GPS时间和GLONASS时间的差异还分为两部分:闰秒数和一个与时间有关的微小数值(慢变微小量)。闰秒数很容易得到,用户可从相关通报、通知和导航电文等途径提前知道闰秒日期。而这个微小的部分很难确定。对GPS和GLONASS时间系统一致性分析的重点在于确定慢变微小量。

在一个已知精确坐标的测站上,用户通过GLONASS/GPS双模系统接收机同时接收GLONASS和GPS 的卫星信号,如果求得同一接收时刻接收机钟在2个系统下的钟差ΔT $_{a}^{u}$ 、ΔT $_{b}^{u}$ ,用户钟面时间唯一,从而得知GPS时和GLONASS时的差异ΔT即(ΔT $_{a}^{u}$ -ΔT $_{b}^{u}$ )。

2.2 一站单机测钟差法

某颗GPS卫星在T $_{i}^{s}$ 时刻发射的GPS信号初相,通过电离层和对流层到达用户接收天线的时刻为ΔT $_{a}^{u}$ ,则GPS信号传播时间为:

t′d=T $_{a}^{u}$ -T $_{i}^{s}$ +τ。

式中,τ为电离层和对流层时延,若发射时刻的GPS时为T $_{i}^{g}$ ,又

T $_{i}^{s}$ =T $_{i}^{g}$ +ΔT $_{i}^{s}$ ;T $_{a}^{u}$ =T $_{a}^{g}$ +ΔT $_{a}^{u}$ ,

式中,ΔT=ΔT $_{a}^{u}$ -ΔT $_{b}^{u}$ 为接收机钟面时与GPS时之差,则

t′d=T $_{a}^{g}$ -T $_{i}^{g}$ +ΔT $_{a}^{u}$ -ΔT $_{i}^{s}$ +τ=td+ΔT $_{a}^{u}$ -ΔT $_{i}^{s}$ +τ。

式中,td=T $_{a}^{g}$ -T $_{i}^{g}$ 可认为是卫星信号的真实传播时间。

从而可得用户时钟偏差为:

ΔT $_{a}^{u}$ =t′d-td+ΔT $_{i}^{s}$ 。

2.3 使用IGS和IGEX精密星历计算卫星位置

IGS(International GNSS Service)和IGEX (The International GLONASS Experiment) 精密星历提供15 min和5 min间隔的精密星历钟差参数,而在实际接收机的采样率一般为30 s、15 s。因此,在数据处理中用户需选择合理的插值才能获得任意时刻卫星的位置。下面就拉格朗日插值的实现方法予以说明。

设在n+1个时间为t1,t2…tn+1,插值节点上卫星的坐标分别是x1(t1),x2(t2),…xn+1(tn+1), 那么在任意时刻t卫星的坐标可以表示为:

$x (t) = \sum_{j = 1}^{n + 1} [\prod_{j = 1}^{n + 1} \frac{t - t_{j}}{t_{i} - t_{j}}] x_{i}$ 。

利用公式,在X、Y和Z方向上分别进行插值处理,即可得到任意时刻卫星的位置。

3 算例与分析

使用集成双模的GPS和GLONASS 组合接收机在已知精确坐标的测站对GPS 和GLONASS卫星进行观测。使用RINEX格式观测文件和SP3格式的IGS和IGEX精密星历进行钟差解算。通过比较GPS和GLONASS系统下同一接收机的钟差来比较2个系统时间的差。

3.1 解算过程

测站坐标为WGS-84坐标系;使用伪距观测量ρ1、ρ2进行解算;确定观测时刻卫星位置使用拉格朗日插值法;IGEX精密星历所给坐标属于ITR97,与WGS-84坐标系差异很小,未进行坐标转换;IGEX和IGS 精密星历给出的时间均为UTC时刻,所以计算过程中无须考虑时间系统整秒差异;对于电离层延迟的改正采用双频改正法:

$d_{i o n} = \frac{f_{2}^{2}}{f_{2}^{2} - f_{1}^{2}} (ρ_{1} - ρ_{2})$ 。

对于GPS信号的改正为:

${\begin{cases} d_{i o n 1} = 1.54573 (ρ_{1} - ρ_{2}) \\ d_{i o n 2} = 1.54573 (ρ_{1} - ρ_{2}) \end{cases}$ 。

而对于GLONASS信号,因其不同卫星的频率不同,所以改正系数也不同。每颗卫星的频率为:

${\begin{cases} f_{L_{1}} = 1602.5625 + 0.5625 j \\ f_{L_{2}} = 1246.4375 + 0.4375 j \end{cases} ‚ (j = 0, 12, \dots 24)$ 。

再根据公式进一步求得改正数;

采用Hopfield对流层改正模型来改正对流层折射延迟;卫星测量时刻的位置加入地球自转改正。

3.2 计算结果说明

通过软件对2009年12月22日双模GPS/GLONASS接收机获得的观测数据和IGS与IGEX提供的精密星历模拟计算出接收机钟差,其中:

δt′1=δt $_{u}^{g 1}$ -δt $_{u}^{n}$ ; δt′2=δt $_{u}^{g 2}$ -δt $_{u}^{n}$ 。

式中,δt $_{u}^{g 1}$ 、δt $_{u}^{g 2}$ 、δt $_{u}^{n}$ 分别为GPS 21号、GPS 30号和 GLONASS 13号卫星算得的钟差。

将计算结果进行分析比较如下:

① 解得的接收机钟差均在ms以内。在有些历元低至几μs,在某些历元高至几百μs;

② 2个系统下的钟差之差(δt1,δt2)均为μs级。这其中包含GPS和GLONASS时间系统的差异测量过程中的各种误差;

③ 接收机钟差均是随时间规律变化的。表1给出的结果显示接收机钟差的绝对值在不断减少。钟差之差(δt1,δt2)的变化不明显,保持较小的浮动。这也说明接收机的钟漂在2个系统中变化是一致的。

其变化情况如图1、图2和图3所示。

3.3 计算结果

在以上计算中得到的时间系统的差异包含两部分:一部分是与测量、计算相关的可估计的差δu;一部分是2个系统的真正差值δt,即δt′=δt+δu。

对可估计的那部分影响予以估值如下:

① 已知点位坐标精度对测算精度的影响。已知点的坐标精度在分米级,对结果的影响在10 ns左右;

② 卫星位置的影响。IGS精密星历对卫星位置的精度高达厘米级,对结果的影响低于0.1 ns.IGEX精密星历的精度低于米级,对结果的影响在10 ns左右;

③ 卫星钟差、电离层对流层延迟、多路径效应等等效伪距约10 m,结果变化在100 ns左右。

从以上分析中,可以得出GPS和GLONASS时间系统的差异除了3 h和闰秒外,约有μs级的差值。

4 结束语

在实际工程应用中,若需要精确测定这些μs级的具体差值,还应分别对GPS和GLONASS进行长期的观测来把握其随时间变化的规律,并选用相应得平差模型来得到更为精准的相差值,从而大幅提高双模接收机的定位精度,使其测量值更为可靠。该方法可以推广至基于多种卫星导航系统的多模接收机。

参考文献

[1]J¨ORGEN B¨ORJESSON.GLONASS Contributions to Space Geodesy[J].GNSS Technical Report,2000(2):P35-37.

[2]PETERSON.GPS/GLONASS Time Difference Measurements and Test Bed Development[J].GRA,1995(1):19-21.

[3]BANERJEE P,MATSAKIS D.Time Transfer Through GPS,and the Harmonization of GPS,GLONASS and Galileo for Timing[J].GRA,2007(1):24-28.

一种双模通讯的外系统等效器设计篇4

随着航空航天设备、军用系统等产品的自动测试系统(ATS)面对越来越复杂的测试环境,影响系统稳定工作的因素也越来越多,传统工控机与外系统等效器之间往往采取单总线通信,由于总线通信受到干扰导致信号通信中断,降低了测试设备的可靠性[1]。为了提高通信可靠性,本文设计了一种基于PCI和以太网总线接口的外系统等效器,为了保证数据可靠传输,采用了双总线通信,当一条总线中断时,另一条总线也可以继续工作,用以高效稳定地模拟控制系统及测试系统的接口,实现了在地面实验室完成对飞行器系统的闭环测试。

1 系统原理设计

外系统等效器基于FPGA,USB,PCI技术,采用模块化设计,按照功能设计区分各板卡,设计框图如图1所示。上位机发送的命令和数据通过光纤或者USB接口下发,经过背板,将命令有序传达至各功能板。背板在外系统等效器中的功能为上位机与外系统等效器的数据中转站,此板卡不对数据或命令作任何处理,接收下发的数据、命令,直接转发给功能板[2]。功能板接收到背板发送的数据或命令信息,进行命令解析,按照寄存器执行各通道功能。

数字信号板即该等效器功能板,主要实现RS 485信号和PCM信号。RS 485信号通过标准的RS 485接口芯片实现信号输出,同时用光耦隔离提高FPGA引脚对RS 485接口芯片的驱动能力。另外,此板卡能够接收测量系统发送的位同步、字同步信号,并按照一定的帧格式输出PCM信号。

2 硬件电路设计

2.1 PCI接口电路设计

在本设计中PCI总线与FPGA的桥接芯片选用PCI9054,它集成了PCI接口协议,用户不需要深入掌握PCI通信协议,降低了PCI总线的开发难度,方便用户使用[3]。其工作时钟为33 MHz,允许支持32位数据总线,符合PCI 2.2协议,传输速度根据项目要求设计为10 MB/s。本设计中PCI9054选择从模式,从模式允许PCI总线上的主控设备访问局部总线上的配置寄存器和内存,支持单周期和突发动模式传输[4]。PCI9054通过PCI从设备从FIFO中读写数据的长度分别为16 B和32 B,以支持从PCI总线到局部总线上的突发和单周期存储器映射访问和I/O映射访问。PCI9054作为本地总线主控设备通过进行本地总线仲裁。

仲裁过程如下:当PCI9054收到PCI端发出的读写控制命令后,随即向FPGA发出控制信号,表明PCI端已经准备就绪,此时FPGA将信号回馈给PCI9054,表明双方都已准备就绪,可以进行正常的数据传输,否则需等待12个CLK才能释放总线。PCI接口与FPGA硬件接口如图2所示。

2.2 USB接口电路设计

USB接口是计算机常用的通信接口之一,以数据传输可靠稳定,传输速率快,通用性强,扩展性强,支持热插拔等优势广泛应用于各个领域的产品开发[5]。选择了FTDI公司的FT245L作为USB接口芯片,其接口电路如图3所示,FT245RL有总线供电和自供电两种供电模式,总线供电模式中,USB接口最大驱动电流只能达到500 m A,此种供电模式只适用于小电流、低功耗的系统[6]。由于本系统功耗较大,所以设计中选择5 V自供电模式来满足功耗要求。

为了进一步优化外界和电磁干扰对USB数据传输造成的影响,一方面增加磁珠配置在USB电源接口处,从而减少设备与主机的干扰;另一方面串入滤波器ADCM2012在USB接口数据传输线中减少纹波引起的干扰。

2.3 数字信号板电路模块设计

在本设计中选用SN55LBC176作为RS 485接口芯片,接口电路如图4所示,SN55LBC176是一款抗雷击芯片,对于多节点系统中复杂的现场状况,选用此款芯片可以有效避免由于雷击而引起的故障[7]。在设计电路时,选用光耦器件HCPL⁃0631作为隔离芯片,由于光耦器件的输入端为发光二极管,其干扰源等效电阻很大,可以有效地抑制尖峰脉冲,从而进一步优化系统,降低电磁干扰对系统的影响。

PCM信号源模块实现的功能是接收测试系统字同步和位同步信号,按照测试系统数据传输的波特率产生一路带有帧格式且数据量可调的PCM码流。设计中采用DS26C31和DS26C32分别作为RS 422信号的驱动和接收芯片。由于两者的电源脚、地脚、信号使能端以及4路差分信号同相端均相同,不同之处是DS26C32和DS26C31的TTL信号端反相[8]。根据这个特点,在PCB布局时,将RS 422电路模块设计为通用型,使DS26C31,DS26C32根据后续项目需要随时进行替换。电路设计如图5所示。R18,R19,R20,R21是一个0805封装的四脚焊盘,当芯片选用DS26C31时,则在1,4管脚和2,3管脚间分别焊接0Ω电阻以实现信号连接,当选用DS26C32时,1,3管脚和2,4管脚间焊接0Ω电阻,此设计大大增加了模块的可拓展性和通用性。

3 关键技术实现

3.1 PCI通信设计

PCI接口板通过金手指连接在工控机的PCI总线上,其作用为在工控机与等效器的通信之间起数据打包和数据转发的作用。PCI接口板与背板之间采用异步串行通信,由于其数据传输速率与PCI总线的读写速率不一致,需通过建立内部FIFO解决通信速率匹配问题。设计中采用FPGA内部自带的双口RAM搭建了位宽为32 b,深度为8 KB的内部FIFO。双口RAM选用了数据位为2 b,地址位为13 b的RAMB16_S2_S2,16个双口RAM共用地址线并置为32 b数据端口以实现32 b数据的输出。

双口RAM的A,B两组接口都可以实现数据的读写操作。设计中内部FIFO端口连接如图6所示,A端口设计为写FIFO,并将WE内部置高,其时钟信号等同于FIFO的写信号,在写时钟的上升沿,从FIFO中写入数据,同时端口A的写地址递增加1;B端口设为读FIFO,将WE内部置低,B端口的时钟信号等同于FIFO的读信号,在读时钟的上升沿,从FIFO中读取数据。PCI板卡向上位机上传批量数据时,需要将数据先缓存于FIFO中,FIFO的工作原理是先进先出,通过判断FIFO的读、写地址差值辨别FIFO的空、半满、满的状态信息。当判别到FIFO半满,即写FIFO地址与读FIFO地址差值达到4 096 B时将产生中断,LINT#置低,通知PCI9054可以从本地总线上读取数据。

3.2 系统通信协议设计

系统通信协议是为了建立统一的通信标准,各板卡按照协议传递命令、状态、数据,从而使系统的通用性和可扩展性更强。在本系统中上位机与外系统等效器的通信方式有PCI总线通信和USB总线通信两种方式,由于PCI总线与USB总线数据位不同,为了实现协议的标准化,统一二者的通信协议是本系统设计的关键。

标准化协议采用40 b异步串行通信方式,通信包格式为1 b起始位+2 b模式域+32 b数据位+2 b模式域+1 b校验位+2 b停止位,其中32 b数据位为下发功能板的有效信息。采用PCI通信时,上位机发送32 b数据,双模通信接口卡接收PCI总线数据,并将其打包为40 b串行数据通过光纤下发给背板;采用USB通信时,上位机下发6 B数据至双模通信接口卡,转换为40 b串行标准数据包下发至背板。

3.3 USB逻辑控制设计

USB接口控制采用FT245RL完成,FT245RL可以自动实现USB接口和并行I/O的协议转换,芯片内部配置有实现接收和发送缓冲的两个FIFO。在本设计中,数据传输遵循标准协议,由于FT245RL一次只能传输一个字节的数据,所以上位机需发送6个字节的数据以包含标准协议中的所有信息。USB接口逻辑控制流程图如图7所示。

FPGA读取USB总线上的数据:

(1)自检,首先判断是否为自检命令,若接收到0x5C,双模通信板产生带有帧结构的递增数据上传至上位机,上位机将检测读取到数据,若数据正确,则USB接口通信正常,自检正确,上位机可以继续下发命令或数据,否则切换至PCI总线通信模式;

(2)读取命令,确认USB通信正常后,若接收到0x EB,进入读取USB接口命令模式,读取6 B数据,并将其缓存至48位的缓存寄存器中;

(3)解析USB命令,D[47:40]表示数据是否为有效数据,D[39:36]为USB工作模式,根据不同的工作模式,进入不同的状态。若工作模式为下发命令,将按照标准协议将命令信息进行重组,并转换为40位的异步串行数据并下发。若工作模式为读取状态,读取32位状态信息增加帧头0x5C,帧尾0x5C至USB并行端口,依次发送即可。若工作模式为上传批量数据,批量数据缓存于8 KB FIFO中,当FIFO达到半满时,在批量数据前添加帧头EBEB和帧尾6F6F,再以字节为单位依次向上位机发送数据。

4 实验结果

4.1 RS 485信号测试结果

RS 485差分信号输出如图8所示,RS 485标准阈值为±200 m V。对于RS 485接口芯片而言,VA-VB≥0.2 V时,输出为“1”;VB-VA≥0.2 V,输出为0。本设计中|VB-VA|=4.5 V,所以输出信号是确定的,试验结果正确。

4.2 PCM信号测试结果

PCM码流的检测还需另一块数字量板模拟系统实现发送字同步信号、位同步信号,并将接收到的PCM码流上传到上位机进行检测。图9为测试板发出的字同步、位同步信号。

图10为在位同步上升沿发送的一个PCM数据,测试系统接收PCM数据会在位同步的下降沿接收。

测试板收到PCM数据会上传至上位机,上位机存储数据文件,如图11所示。此数据包设定模式为递增数,帧头、帧尾分别设为0x EB90,0x146F,帧长度设为256 B。

5 结语

为了对抗恶劣环境的干扰,提高信号传输的可靠性及通用性,外系统等效器采用PCI接口及USB接口双接口通信设计,实现了测试系统所需全部接口信号的输出。双接口通信解决了单接口掉线系统无法正常工作的问题。等效器采用标准化板卡设计,增强了可拓展性以及可移植性,为产品升级及类似产品生产提供了便利,现已成功应用于某航天测量项目中。

参考文献

[1]屈建兵.军用自动测试系统的发展综述[J].直升机技术,2014(1):59-64.

[2]连恒兴.集成多总线接口的外系统等效器设计与实现[D].太原:中北大学,2012.

[3]陈嫣然,张会新,郑燕露.基于PCI9054的通信卡设计[J].电视技术,2012,36(5):33-34.

[4]严发宝,张京,王能,等.基于FPGA的PCI数据采集系统的设计[J].火力与指挥控制,2012(z1):77-79.

[5]苏虎平,沈三民,刘文怡,等.基于USB和FPGA的多功能等效器设计[J].电视技术,2012,36(23):50-53.

[6]易春莉,张彦军,王瑾琪,等.USB 2.0接口传输的FPGA控制与实现[J].化工自动化及仪表,2011(6):733-735.

[7]张昊.基于PCI总线的外系统等效器的设计与实现[D].太原:中北大学,2014.

双模卫星系统篇5

1 系统需求分析

自适应练习系统主要为学生提供个性化的练习并进行评价反馈, 同时通过测试进行检验复习, 以提高学生对相关知识的掌握程度。同时为教师提供学生练习结果的分析反馈功能以帮助教师更好的了解学生的学习状态和个性化特点, 为教学过程优化以及个性化教学的实施提供支持。因此系统需具备以下功能:

(1) 用户注册、登录功能和用户权限管理。

(2) 自适应练习功能和自主练习功能。

(3) 测试评价功能。

(4) 练习信息、练习结果查询, 根据练习结果进行分析评价和反馈功能。

(5) 练习课程建设及题库管理维护功能。

2 系统功能结构

本系统采用典型的B/S模式三层架构进行设计, 分为展示层、业务逻辑层和数据层[3]。展示层分布在学生、教师、管理员等用户用于登录系统的计算机上, 向用户呈现与系统进行交互各种操作界面;业务逻辑层架设在Web服务器和应用服务器上, 提供相应的接口和服务, 数据层位于数据库服务器上, 用于对相应数据库、数据表的存储。根据需求分析, 自适应练习系统共包括5个模块包括练习测试模块、个人信息管理模块、题库管理模块、系统管理模块、用户登陆管理模块。具体的功能结构如图1所示。

3 系统工作流程设计

用户登录系统后首先进行身份验证和用户类型的判断, 然后根据用户的类型进入相应功能界面。如果是新用户则先进行注册, 在用户忘记密码时也可以通过找回密码功能取回密码。根据需求和使用权限的不同, 本系统用户分为教师、学生和管理员三类。

管理员用户拥有系统的最高权限, 可以对用户及其权限进行管理和分配并进行课程的管理, 同时在系统运行使用过程中进行必要的系统维护, 适时发布维护系统公共信息。

教师用户是练习课程的建设者、使用者和内容维护者。能够查看修改相关信息, 发布练习任务、发布测试任务进行课程练习管理, 也可以对课程学生进行管理、查看学生练习效果, 还负责对练习课程相关习题的管理和维护、知识点的管理和维护、测试题的管理和维护等。

学生用户是自适应练习系统的主要使用者。学生如果有多门练习课程则在登录系统后需要先选择练习的课程, 在系统中可以查看修改个人信息、查看练习和测试的历史记录、进行自适应练习或者根据自己的认知能力状态自主选择内容进行练习、测试、复习强化, 查看系统给自己的评价反馈, 适时了解自己的练习进度和效果。

系统工作流程如图2所示。

4 主要模块设计

4.1 练习测试模块设计

练习测试模块是系统的核心模块, 包括智能练习、自主练习、测试、评价反馈、智能复习等5个子功能模块, 构成自适应练习模式和自主模式相结合的双模互补, 双轨推进式练习系统, 主要实现学生的个性化练习、测试、评价反馈、复习等功能。用户登录后, 在系统的双模双轨式结构支持下开始练习。

(1) 自适应练习模式

学生首次进入系统时, 首先进入自适应练习模式, 系统根据学生的认知能力状态信息随机抽取符合学生当前水平的习题进行呈现, 学生在系统的引导下完成相应知识点的练习, 系统将对学生练习的结果进行分析评价, 灵活调整习题的难度以及练习数量, 动态呈现适合学生当前认知能力状态的练习。随着智能练习的推进对应的知识模块和已练习的习题就会自动解锁, 开启习题的自主练习模式。学生可以适时查看系统对自己的评价反馈, 根据个人的练习效果和偏好灵活选择使用自适应练习模式继续练习, 或者进入自主练习模式, 根据需要选择已经解锁的知识点、习题进行重复练习以强化相关知识技能或挑战更高难度的练习。当知识模块的所有知识点完成练习后系统自动激活进入模块测试, 对练习效果进行测试, 并结合测试结果对学生进行认知评价, 给出相应的反馈意见, 智能评判是否激活进入智能复习。智能复习是在学生进行一定的知识点练习后, 系统针对学生当前知识点的掌握情况以及练习题的完成情况来筛选出认知能力值较低的知识点进行复习强化。

(2) 自主模式

在自主模式下学生可以自主选择已经解锁的知识点和练习进行进一步的学习, 具体包括查看各个练习的得分和评价结果, 选择重做练习以复习和强化相关知识或者进入挑战模式, 挑战本模块未做的练习或者更高难度的练习。学生进入自主模式下的挑战环节后可通过以下方式退出挑战:学生选择结束;挑战的知识点对应练习全部完成;挑战的知识点对应练习连续3次达到优秀, 建议学生退出本挑战或继续下一挑战。

4.2 题库管理模块设计

题库管理模块是自适应练习系统的基础, 主要包括课程管理、知识点管理、习题库管理、测试题库管理等功能。在本系统中学生可以对自己所学习的不同课程进行练习, 为了实现这一功能, 需要针对不同课程进行记录和管理, 设计相应的知识点表、练习题和测试题目。为了方便课程的管理以及提高练习系统运行效率, 在数据库中以课程为单位对内容进行组织, 将不同课程的知识点、习题、测试题目分别存放在各自的数据表中。在学生选择相应课程进行练习时读取相应数据表的内容呈现给学生。题库管理模块主要实现对课程、知识点、习题、测试题目的管理和维护包括查询、添加、修改和删除等操作。

在进行题库管理时用户必须具备相应的权限才能进行相应的操作, 系统管理员可以进行课程管理, 教师主要是对自己所授课程的具体练习内容进行建设和维护, 可以构建课程的知识点库, 查询、添加、修改、删除习题, 进行测试题的添加与管理。

为了提高练习系统题库的建设效率, 本系统还支持知识点和练习习题的批量导入和导出功能。教师可以根据需要从系统中下载相应的模板, 按照要求将知识点或练习习题的相关信息填好, 然后导入到系统中。也可以将系统中的内容导出进行使用或修改后重新导入系统。

5 结语

自适应练习系统通过对学生个体特征、认知能力状态的记录和分析来动态调整练习, 从而实现对学生的个性化练习支持, 采用自适应练习模式和自主模式相结合的形式实现优势互补, 提高系统的智能化程度, 也给予学生充分的练习灵活性和自主性。

参考文献

[1]陈颖, 何钦铭, 王申康.基于超文本结构的智能计算机辅助教学系统[J], 计算机研究与发展, 1998, 32 (11) :442.446.

[2]肖曼.人工智能技术在计算机辅助教学中的应用[D], 南京:南京工程学院, 2002.

【双模卫星系统】推荐阅读：

KU卫星系统05-26

卫星广播系统08-02

卫星测控系统设计09-11

全球卫星导航系统09-13