卫星云图模拟

卫星云图模拟（精选9篇）

卫星云图模拟 篇1

摘要：为了保证地面测控系统的系统指标,尤其是针对综合基带的测速和测距的指标,设计了一套能模拟卫星轨道运行的设备,来对地面测控系统的系统指标进行验证。介绍了卫星信道模拟器的工作原理设计和信号的模拟要求,阐述了信号在空间信道传输时延及衰减表述为接收端多普勒频率以模拟目标的距离和速度的硬件和软件设计,解决了其涉及的关键技术,并提供了测试数据,最后给出了系统应用模型。

关键词：卫星信道模拟器,轨道拟合,多普勒频率,测控系统

0 引言

卫星信道模拟器通过对中频信号进行处理,完成空间信道传输时延、空间信道衰减、射频多普勒频率以及信号与信噪比的模拟。其功能的实现与其输入的具体信号体制无关,可以适用于各种中频信号的处理。并且利用其与应答机设备的组合,可以在没有卫星的条件,模拟卫星的运行轨道和运行方式,从而来验证地面测控系统的综合基带设备在低轨卫星、中高轨卫星、探月和深空探测条件下的测距、测速数据正确与否,进而确保上述方面的地面测控系统指标的验证。

1 系统设计

卫星信道模拟器承担的主要任务是:卫星信道模拟器可装载理论卫星弹道数据或给定的曲线,从而对目标距离、时延、多普勒、电平信号和空间白噪声进行模拟,以验证测控设备的测距、测速数据正确与否。依据卫星信道模拟器承担的主要任务,从其功能上划分为3部分:① 轨道根数方式。输入接收站的站址坐标、轨道根数及时间初值,根据轨道根数模拟出目标的距离、速度、加速度和信号的幅度变化;② 设定曲线方式。输入目标最近距离、最远距离、速度、加速度值、距离初值及时间初值,根据三角波理论或正弦波理论曲线,模拟出目标各个时刻的距离及幅度;③ 单独控制方式。对信号的各个动态进行单独控制,上下行信号的功率衰减、多普勒频率、距离、噪声和功率衰减;

要完成卫星信道模拟器所承担的任务,卫星信道模拟器包括硬件和软件两部分。其中,硬件部分由一台CPCI(紧凑型PCI)工业控制计算机、自研制板卡构成;软件部分由系统监控软件、FPGA(现场可编程门阵列)数据处理软件和DSP(数字信号处理)数据处理软件组成。

卫星信道模拟器的硬件部分由中频采样部分、采样数据存储和回放部分、时钟控制部分、中频输出控制部分组成,软件部分由板内监控通信控制部分和计算机监控部分组成如图1所示。

1.1 硬件设计

中频采样部分:采用高速A/D(模数转换)采样芯片,将中频模拟信号转换为数字信号;

采样数据存储和回放部分:依据模拟卫星轨道与地面接收站的距离远近,分为两部分:① 中低轨模式:使用FPGA内提供的双端口RAM(随机存取存贮器)或FIFO(先进先出存取存贮器)实现数字信号的存储和回放;② 高轨、探月及深空模式:使用FPGA内的双端口RAM或FIFO作为数据缓存,通过DMA(直接内存存取)模式使用PCI数据总线,直接访问计算机内存实现数字信号的存储和回放。依据RAM的大小来决定初始距离的范围;

时钟控制部分:控制采样数据存储和回放部分的读写时钟,通过改变读写时钟的速率,来实现对卫星速度的模拟;

中频输出控制部分:采用高速上变频器芯片,将加入时延的数字信号恢复发送出去,同时利用芯片的幅度控制实现空间电离层信号衰减的模拟。利用DDS的BPSK(二相移相键控)模式输出的中频信号来模拟白噪声。

硬件控制过程如下:① 上电初始化完成后,开始数据采样;② 依据监控下达的命令,从规定时刻起开始存储数据;③ 依据监控下达的命令,从规定时刻起开始回放数据,加入多普勒频率和幅度控制;④ 依据监控下达命令,结束存储和回放数据流程。

1.2 软件设计

板内监控通信控制部分:接收计算机下发的命令,依据下发命令的参数,生成模拟的卫星轨道和运行方式,模拟卫星轨道的运行;

计算机监控部分:将在界面接收的命令参数,通过PCI总线下发到自研板卡的监控通信控制部分,并显示模拟数据的图形。

软件控制过程如下:① 系统初始化,完成计算机内自研板的上电自检和程序加载,同时建立与计算机的通信;② 依据系统传来的外时码,将计算机和自研板的时码进行同步;③ 通过卫星信道模拟器的显示控制界面,选择所要模拟的轨道模式,中低轨模式或高轨、探月深空模式;④ 确定轨道模式后,选择所要模拟的功能模拟方式,轨道根数方式、设定曲线方式和单独控制方式;⑤ 接收界面设定参数;⑥ 依据界面设定参数,生成模拟出的卫星轨道和运行方式;⑦ 模拟运行拟合出的卫星轨道和运行方式;⑧ 轨道模拟运行结束。卫星信道模拟器的软件控制流程如图2所示。

2 关键技术

2.1 卫星轨道模拟

卫星运动的轨道是通过地心平面上的椭圆,且椭圆的一个焦点与地心相重合。卫星的轨道可有六个基本参数(又称轨道根数)来完全描述和确定:

① 长半轴α:轨道椭圆长轴之半,它确定了卫星轨道的周期;② 倾角i:轨道平面与地球赤道平面之间的夹角,常以地心至北极方向和轨道平面正法向之间的夹角来度量,i=900;③ 轨道偏心率e:轨道椭圆两焦点之间的距离与长轴的比值,其大小在0～1之间,e=0为圆轨道;④升交点赤经Ω:春分点与升交点对地心的张角,在赤道面内度量;⑤ 近地点幅度ω:升交点与近地点对地心的张角,在轨道面内度量;⑥ 过近地点时刻tP:卫星经过近地点的时刻。

上述6个基本参数中,α和e决定卫星轨道的大小和形状,i和Ω决定卫星轨道平面在空间的位置,ω决定椭圆在轨道面上的方位,tP决定卫星在轨道上的时间关系。

在已给定6个轨道参数的情况下,可以拟合出卫星运行的轨道,从而确定任意时刻t的卫星位置及其运动速度。

2.2 空间电离层模拟

2.2.1 空间电离层延迟模拟

电离层传播延迟对地面测量设备对卫星位置的确定(包括卫星到测站距离和卫星的速度)是有影响的,如果对卫星运行精确模拟,就必须对其进行补偿。而空间延时带来的初始距离的模拟依靠于数据的采样时钟的频率,Rq=c/fs,式中Rq为距离量化精度;c为光速(299792458m/s);fs为中频采样部分的采样时钟频率。

确定带通采样频率fs的一般结论为:

$\frac{(2f{}_{\text{C}}-B)}{\text{m}}\ge f{}_{\text{s}}\ge \frac{(2f{}_{\text{C}}+B)}{m+1}‚1\le m\le n-1$, (1)

式中,fC为信号的中心频率;B为信号带宽;$n=\left[f{}_{\text{Η}}/B\right]‚f{}_{\text{Η}}$为带通信号的最高频率,fH=2fC+B。

根据系统的要求选择适当的采样时钟频率,有助于提高目标与接收站之间初始距离模拟的精度。

2.2.2 空间电离层信号衰减模拟

无线电波在空间传播随着距离的延长,信号强度会越来越弱,信号频率和传输距离是决定信号强度衰减的2个因素。

输入接收机的功率可以表示为:

${\rm P}{}_{\text{R}}=\frac{\text{E}\text{Ι}\text{R}\text{Ρ}}{4\pi R{}^2}\cdot \frac{\lambda {}^{2}G{}_{\text{R}}}{4\text{π}}=\text{E}\text{Ι}\text{R}\text{Ρ}$·$G{}_{\text{R}}\cdot (\frac{\lambda }{4\text{π}R}){}^2$。 (2)

上式右边被分成了三项,分别与发射机、接收机及自由空间距离有关。GR是接收天线的全向功率增益;EIRP是发射天线的有效全向辐射功率; Lr=(4πR/λ)2是电波的自由空间损耗,它与传播距离R的平方成正比,与波长λ的平方成反比。

以dB表示的自由空间损耗值[FSL]为:

$[FSL]=20\lg \frac{4\text{π}R}{\lambda }=92.45+20\lg R+20\lg f$。 (3)

式中,R为传输距离(km);f为传输频率GHz。

通过输出信号的幅度变化,来模拟根据目标与接收站之间距离远近所达到不同的衰减在信号上的表现。

2.3 多普勒频率偏移的模拟

当发射机与接收机相对运动而彼此接近时,接收机所收到的信号频率fR将高于发射信号频率fT;而当彼此远离时,接收信号频率fR将低于发射信号频率fT。这种由于相对运动而使接收频率不同于发射频率的现象,称为“多普勒效应”。

多普勒频率fd为接收频率与发射频率之差,即

$f{}_{\text{d}}=-\frac{v}{\text{c}}f{}_{\text{Τ}}$, (4)

式中,v为卫星的径向速度;c为光速;fT为发射信号频率;径向速度v的极性约定为:当目标(发射机)与接收机彼此靠近时,v的极性为负,而彼此远离时,v的极性为正。

设地面发射站发射信号频率为f1=Mf0,f0是频标源输出频率,M为倍频数。考虑到多普勒频率,星载应答机接收频率为:

$f{}_2=f{}_1\cdot \left(1-\frac{v{}_{{\rm T}}}{c}\right)$, (5)

式中,vT是发射站与飞行器间的径向速度。由于vT/c≤1,故应答机接收频率f2与f1相差很小,若直接将f2再转发到地面,则会引起应答机接收信号和发射信号相互间的干扰,为此,一般将f2乘上一个转发系数N/M,即

$f{}_3=\frac{{\rm N}}{{\rm M}}f{}_2={\rm N}f{}_0\left(1-\frac{v{}_{\text{Τ}}}{c}\right)$, (6)

将f3作为应答机的转发频率。地面接收站的信号频率为:

$f{}_4=f{}_3\left(1-\frac{v{}_{\text{r}}}{\text{c}}\right)={\rm N}f{}_0-{\rm N}f{}_0\left(\frac{v{}_{\text{Τ}}}{\text{c}}+\frac{v{}_{\text{r}}}{\text{c}}-\frac{v{}_{\text{Τ}}\cdot v{}_{\text{r}}}{\text{c}{}^2}\right)$, (7)

接收站接收信号的多普勒频率为:

$f{}_{\text{d}}=f{}_4-{\rm N}f{}_0=-{\rm N}f{}_0\left(\frac{v{}_{\text{Τ}}}{\text{c}}+\frac{v{}_{\text{r}}}{\text{c}}-\frac{v{}_{\text{Τ}}\cdot v{}_{\text{r}}}{\text{c}{}^2}\right)$, (8)

因为vT·vr<<c2,故上式可简化为:

$f{}_{\text{d}}\approx -{\rm N}f{}_0\left(\frac{v{}_{\text{Τ}}}{\text{c}}+\frac{v{}_{\text{r}}}{\text{c}}\right)$, (9)

当发射站和接收站设在一起时,上式又可进一步简化:

$f{}_{\text{d}}=-\frac{2{\rm N}f{}_0}{\text{c}}v{}_{\text{r}}$。 (10)

由多普勒公式$f{}_{\text{d}}=-\frac{2{\rm N}f{}_0}{\text{c}}v$,可导出$v=-\frac{f{}_{\text{d}}}{2{\rm N}f{}_0}\text{c}$,f0是频标源输出频率和c为光速是已知的,那么决定v卫星的径向速度的精度的变量为fd,也就是说fd的模拟精度决定了v为卫星的径向速度的模拟精度。在fd的模拟精度由DDS芯片的输出频率精度(最小步进量)决定,DDS芯片的频率控制字为32比特时,其引入的速度量化误差约为0.29 m/s。若想降低量化误差,需要提高DDS芯片频率控制字的位宽。如提高到40位,则速度量化误差为0.11 cm/s;提高到48位,则速度量化误差为0.004 4 mm/s。

2.4 高速数据采集传输

由于卫星信道模拟器的模拟的初始距离范围很宽,当初始距离很大时,经A/D采样后得出的中频数字信号存储会占据很大的存储空间,由于大容量的存储芯片难以获得而且价格昂贵。从而选择使用直接内存存取(DMA)的方式。采用DMA方式可以把A/D转换数据直接写入系统内存,不需要CPU的参与。特别适合应用于大量数据的高速采集存储传输。DMA有两种类型:系统DMA和总线主控DMA。总线主控DMA通常用在PCI设备中。DMA方式工作有以下几个步骤:① 硬件初始化;② 分配内存;③ 确定中断事件类型;④ 开始DMA模式数据传输。

3 性能测试结果分析

性能测试结果如表1和表2所示。其中距离的精度测量结果,为静态测试结果。

对测试结果分析后可以得出结论,卫星信道模拟器的性能测试结果,能够满足地面测控系统指标的验证的要求,可以作为地面测控系统的测试设备,尤其对综合基带设备的测速和测距的测量精度能够提供可靠保障。

4 系统应用模型

在探月工程中,探月飞行器与测量站之间的距离远,飞行时间长,传输时延大。探月飞行器的飞行距离为350 000～400 000 km之间,传输时延为τ=2R/c(τ为星地时延,R为飞行器与地面的径向距离,c为光速)。

考虑上述因素,在距离较大情况下,为体现出时延对系统测速和测距的影响,要求距离初值的存储量较大,从而采用PCI总线高速接口总线主控DMA方式直接对内存进行读写。

设中频信号为fIF=70 MHz、带宽为B=4 MHz,考虑PCI总线高速接口的限制,选取中频采样时钟的频率为ClkSAMP=11.2 MHz、A/D采样位数为12位,PCI总线高速接口数据吞吐速率为256 Mbps。

在探月工程中,以卫星信道模拟器和中频标校终端设备以及应答机信道设备联合工作,如图3所示。将地面测控系统的综合基带设备测量数据的记录结果和卫星模拟器设备模拟数据的记录结果进行比较,从而验证地面测控系统的综合基带测距、测速数据的正确与否,测量精度是否符合系统指标。

5 结束语

卫星信道模拟器的设计原理以及信号的模拟要求,详细阐述了卫星信道模拟器进行模拟实际卫星信道的硬件和软件设计方法和关键技术,以及如何提高设备的设计精度。通过测试数据说明了卫星信道模拟器能够满足对地面测控设备的系统指标验证。最后结合工程应用模型,表明卫星信道模拟器能够对地面测控设备的系统指标验证起到良好的支持作用和可靠保障。

参考文献

[1]周智敏,李企舜.现代航天测控原理[M].长沙:国防科技大学出版社,1998.

[2]赵业福.无线电跟踪测量[M].北京:国防工业出版社,2003.

[3]杨小牛,楼才艺,徐建良.软件无线电跟原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2006.

卫星云图模拟 篇2

漫反射卫星激光测距的地面模拟研究

激光测距是研究地球动力学、大气动力学、地球物理学等众多学科的一种技术手段.本文的目的.是基于卫星激光测距, 试探观测不带后向反射器的卫星.主要是从理论和实验两方面出发,预测用多大的激光出射能量,能探测到多远距离的卫星, 当然这与所采用的激光器光束参数有关.文章从传统激光测距入手,提出了理论推导、实验方法、实际预测的漫反射激光测距方法.

作 者：刘军 熊耀恒 LIU Jun XIONG Yao-heng 作者单位：中国科学院国家天文台云南天文台,云南,昆明,650011刊 名：天文研究与技术-国家天文台台刊 PKU英文刊名：ASTRONOMICAL RESEARCH & TECHONOLGY-PUBLICATIONS OF NATIONAL ASTRONOMICAL OBSERVATORIES OF CHINA年，卷(期)：20085(3)分类号：P228.5关键词：漫反射 分布函数 卫星激光测距

用于通联模拟卫星的CAT接口 篇3

现在越来越流行操作FM业余卫星, 也就是太空中的中继台。仅需使用常见的双段调频手台、简单的定向天线,以及多多实践监听,你也可以很方便的连接业余卫星。然而有时FM鸟也会变成连接成功的受害者。高轨道的卫星数量不断下降,单通道中继器导致了卫星转发的过度拥挤和激烈竞争,这让许多喜欢操作FM卫星的人边缘化,特别是使用低功耗和便携式电台的人。

拓展你的卫星操作

一种能替代FM中继卫星的宽带模拟卫星,可以转发SSB与CW信号的完整子带。这种卫星和普通的中继卫星有同样的功能,并且代替了使用单通道的转发器技术,在一个更宽的频率波段发射,同时多个连接可以被同步发送(每个信号共享可用带宽和卫星的RF输出)。转发器与SSB/CW的使用,而地面的接收电台需要更加精确的接收频率,然后准确追踪多普勒频移——这一切都在地面上完成。

软件把这一切汇集在一起

目前的卫星追踪软件不仅能追踪位置,而且还可以对无线电台进行调整,以提供多普勒频移频率校正(计算机辅助调谐简称CAT)。如果它有帮助,就不必让卫星来操作了。 然而,在发送(全双工)时能不能听到下行链路,对于使用模拟卫星通联是至关重要的。宽带模拟卫星替代FM卫星有许多功能,他们没有得到充分利用。当我一直在和我自己说话的时候模拟鸟有很多通道,然而我却在下一个FM卫星通过时无法插嘴。这是为什么呢?

我想答案包括:

缺乏现成的(功能的和负担得起的)所有模式,双波段VHF / UHF,全双工电台。

一旦在设备上投资,就需要更多技巧和多次实践来操作模拟卫星。顶上的图是指导老师Matt Severin,N8M,正在通过宽带卫星通信。

分解一个昂贵的全双工无线电, 得到两个全波段收发器(或一个转换器,使下行链路与HF设备结合,得到IF),一个用于上行链路,另一个用于下行链路从而实现全双工。诚然,这是一个昂贵的选择。

接口带来的一切

经过这漫长的介绍,终于该说说这篇文章的重点了。接下来会介绍一个接口,你可以通过它使用全模式VHF /UHF单工电台来操控模拟卫星。而电路和软件是为一个特定无线电(非常流行、紧凑、多模式的八重洲FT-817 HF/VHF/UHF便携式收发机),以及卫星跟踪软件包(Sat PC3) 制作的。它是作为一个可以适用于其他的电台和其他跟踪软件的例子——只给制作者留下了无限遐想。这个接口项目是全双工模式收发器连接的最终选择,虽然不是最好的,但能让你对模拟卫星的探索变得经济实惠。

首先选一个电台

我评估了许多电台的适宜性,是之前发展ARRL教育和太空技术项目教师委员会2(TI-2),老师们把太空科技带进课堂时使用的电台,最合适的设备FT - 817。这是一个比较实惠的低功耗、全波段、全模式的收发器,可用电池供电或者使用固定电源。这个电台最吸引我的地方是它可以在所有的模式下操作,具备多频率功能(双VFOs),能够CAT控制,覆盖VHF和UHF频段。然而,它并不是一个全双工电台。

显然,对这个电台好评的不只一个人,因为有很多卫星爱好者都使用这个装备(有的人用两个FT-817允许全双工操作)。在TI-2期间,老师使用FT-817来复制Cube Sat卫星转换的CW遥测,来监听模拟卫星以及通过FM卫星进行通信。

然后选软件

我在TI-2选择的卫星追踪软件是Sat PC32(还有很多其他同样功能的软件包),这个我自己也在用。Sat PC32追踪想要监控的卫星的位置;发送天线方向定位命令, 这可以用一种旋转器控制接口使定向天线指向卫星(有很多旋转器控制接口电路已经上市了);发送无线电专用CAT命令,调整连接的电台的工作频率,保持这些频率在多普勒校正轨道上。

听起来Sat PC32应该能够让一个非全双工收发器来操作模拟卫星。我发现单FT-817与Sat PC32的结合在某些方面还是有缺陷。当更新接收和发射频率时,Sat PC32在电台的VFO A和VFO B功能之间切换。这使得电台无法使用了。 因为频率更新是不顾电台PTT现状的,也有可能的情况是当接收器在VFO状态时,为了接收,操作员会按下发射键。如果这样做可能会弄坏接收前置放大器。Sat PC32可以同时控制两个电台,所以它能和两个FT-817完美工作,一个上行,一个下行。但如果只有FT-817就不起作用了。

进入Sat CAT控制接口

这里所说的FT-817 Sat CAT控制接口(图1)是设计来拦截Sat PC32发送的无线电调谐命令,只允许在接收模式下接收频率更新来传递给收发器,当设备在发射时,只通过更新发送频率。这可以防止再接收的同时VFO和VFO B之间的不断切换,使接收正常,防止在连接过程中接收频率的无意发射。接口由硬件和软件两部分组成。

控制接口硬件

接口硬件(图2)基于PIC16LF1827微控制器。该装置具有USART功能,使得它很容易连接到其他设备的串行控制器。电脑运行的Sat PC32输出在串行RS232电平 (±12 V) ,而PIC16LF1827的输入在晶体管逻辑 (TTL) 电平(3.3V),所以电平转换是必需的。这由2N3904 NPN晶体管和限流电阻来完成。 FT-817的CAT输入是TTL电平,因此PIC和电台ACC连接之间没有必要转换电压。有许多LED指示灯安装在板上在电路图中做标记,为了让操作员更方便以及操作和模式验证。该电路的PTT开关是用来代替在FT - 817麦克风话筒PTT开关。

C1、C2:1μF, 50V 电解电容 D1~D5:LED J1:9-pin D-sub 插口 P1:匹配电台 ACC 插口的插头 Q1:2N3904 或等效晶体管 R1、R2:1kΩ, 1/4W 的电阻 U1:MCP1702 3.3V 稳压 IC U2:PIC16LF1827 微控制器

控制接口软件

这个项目的重点在于微控制器软件。这个项目的微控制器软件是用C语言编程,可以在QST-in Depth网站下载或者在作者的邮件中请求1。在讨论微控制器软件的逻辑之前,Sat PC32的CAT输出指令格式就绪了。这是个好时间来翻出FT-817的操作手册,看看70-73页。(将这个项目与不同收发器相匹配的人一定要学习一下你的特定电台CAT命令格式以及创始软件的匹配。)

用电脑来控制FT-817,特定格式的特定命令必需由电脑通过CAT接口传送到电台ACC插孔。八重洲接口是CT-62型——基本上是一个在RS232和TTL电平之间的电压电平变换器。这些命令包含在一个带有在用户指定的传输速率下,单个字节先发送LSB,后发送MSB功能的5字节结构中(这个接口基于9600波特率)。指令结构的前4字节是参量(如频率设置这样的数据),最后一个字节是实际指令操作码,如表1所示。

参数的十进制值与含有第一个十进制数字(0-9)的第一点(4位)字节,构成了二十进值(BCD);字节的第二点包含第二个十进制数字。两个点的结合,一字节, 依次转换为用于传输的单独的十进制值。 这可能会吓到计算机新手,我的观点是想说明这会花费一些精力和研究来理解控制软件与电台所用的格式。

举个例子。假设控制软件网电台发送435.345 MHz的频率,开头两位数字(43) 转换成BCD。4的二进制码是0100,3的二进制码是0011,把第一个十进制数字放到高位组,第二个十进制数字放到低位组,就得到字节0100 001或十六进制的0x43或十进制的67(0x## 表示十六进制)。你可以用科学计算器,是Windows的附带工具,可以在几个进制间转换。我一直都在用。

这个项目与FT-817格式有关的例子在表2。到电台的频率设置命令格式是P1: P2: P3: P4:01,0x01是设置频率的十六位进制码。

这个项目中需要用来控制FT-817的另外几个相关命令是TOGGLE VFO, PTT ON和PTT OFF。

现在来看看从Sat PC32传到FT-817的命令设置。表3为例子。

要注意程序命令收发器切换VFO然后才发送频率,还有其他命令设置操作模式。这就是为什么Sat PC32与单一的FT-817运行得不好。所有的命令使得接口软件复杂化。 给有些年头的八重洲电台发送命令,比如FT-736,类似于给FT-817设置的命令,但是更简单。如表4。

在这种情况下,Sat PC32软件只发送交替传送和接收频率,不发送切换VFO的命令(这是因为FT-736是早期的卫星收发器,有全双工功能且带有两个VFO,所以没必要进行切换)。你可以抽取Sat PC32的命令程序终端,如超级终端或Putty,但你需要再编号系统之间做一些转换。 由Sat PC32转换的命令为十进格式。数字1实际上是1的十进制,数字127实际上十进制为127。

终端程序使用ASCII格式来表示所发送的字符。所以在超级终端屏幕上显示数字1,发送系统需要发送ASCII呈现的数字1,ASCII码值为49,而不是十进制值1。要显示十进制值127,发送系统不得不发送ASCII呈现的十进制数1、 2和7,ASCII码分别是49、50和55。为了捕捉上面显示的Sat PC32命令,我专门撰写了PIC程序致力于把发送到超级终端的十进制值翻译成ASCII。

通过软件通联

接口的PIC软件加载到微控制器的运作过程是这样的:

确定操作模式取决于接口模式切换的设置,或U/v (UHF上行链路 /VHF下行链路 ) 或V/u (VHF上行链路 /UHF下行链路 )。

等待从Sat PC32命令读取有效频率。

根据情况为VHF和UHF把频率储存为临时变量。

检查接口板PTT开关的状态。

如果PTT开关打开(接收模式), 发送相应的接收频率到FT - 817(取决于模式开关)。

a(1) 回到第一步。

如果PTT开关闭合(电台切换到发送模式),发送一个命令切换VFO然后发送相应的传输频率到FT-817。

发一个命令让FT-817开始发送。

保持发送模式直到PTT按钮松开。

回到第一步。

这个步骤看起来会比较复杂,但如果你花点时间去思考你是怎样手动操作电台的,这就是你要做的步骤。要让计算机为你做这样的工作,你只要把你要做的事翻译成电脑能读懂的命令。

接口连接

接口从FT-817 ACC接口取电。这个电流源始终开着, 不被设备的电力转换控制。因为接口没有开关,只要插入FT-817它就有电流。要注意这一点,不用的时候就不要把接口插入到电台了,否则会耗尽电台的电池。使用一个标准的USB串口转换器连接电脑USB端口, 把FT-817 VFOA (RX) 和VFOB (TX) 为你要将要使用的卫星设置到正确的波段和模式。为了卫星设置正确的模式,要么V/u或U/v。

SatPC32的设置

用八重洲FT-736在Sat PC32电台设置界面如图3所示,为计算机设置选择合适的串行端口。如图4选择9600波特率,确保FT-817的CAT波特率也设置为9600。在菜单栏点击CAT把SSB/CW和FM的区间频率设置为0,并保存。此外,选择X10的Speed(图5)。这些设置能让接口在操作期间变得更灵敏。但是Speed设置在每次Sat PC32发射时都没有保存,所以每次启动程序时都要重新设置。如果忘记了,接口会变得迟缓,虽然也能操作。当你想用Sat PC32控制FT-817时, 点击Sat PC32菜单栏左上角的C图标。

电台操作

Sat PC32应该开始为选定的卫星更新频率了,数据LED灯会随着频率的更新闪烁。根据Sat PC32显示的箭头上下来调整电台频率,不是按照收发器的主调谐旋钮(如图6), 这可能要慢慢适应。开始用总调谐的高赫兹间隔,然后过渡成低赫兹调谐来进行微调。当使用接口来控制电台时,新的开普勒数据更为关键,这样就不会听到由于频移造成的数据流失和计算机时钟不准确造成的下行补偿。

当电台根据Sat PC32箭头调整到所需的接收频率时,程序将计算适当的上行频率。一旦你有了接收频率,用FT-817 RIT调节器对接收机频率进行微调,使信号更清晰,对多普勒频移的小调整进行补偿。

想发射时就按下接口板的PTT开关,不是麦克风上那个(接口不显示麦克风上的PTT开关专题)。PIC切换到VFO略有延迟,所以要在钻机进入发送模式前设置好发送频率。因为设备在发送模式时FT-817不支持CAT频率调整,保持传送简短(这通常不是卫星连接的问题)。传输完成时,释放接口板上的PTT开关,回到接收模式。 Sat PC32与接口的组合会回到设备接收适当的VFO和适当的多普勒调整接收频率。

总结

理想情况下,操作模拟卫星,你会想要一个全双工电台,这样你就能在传输时监控下行频率来追踪多普勒频移。这里所说的接口,并不是用来操作非全双工电台的理想解决方案,只能帮你用全双工电台操作模拟鸟,在这种情况下FT-817才能被Sat PC32控制。接口概念作为一个模型,可以适应其它电台和卫星追踪软件。卫星上见。

卫星云图模拟 篇4

基于多功能数字基带硬件平台的通用卫星模拟平台及箭遥模拟器的设计

在新一代微波统一测控系统的研制改造过程中,基于软件无线电技术的多功能数字基带得到了广泛的应用,通过软件的现场重构,可以实现不同的.测控功能.为了有效利用已有的测控设备资源,充分挖掘多功能数字基带的可扩展能力,提出了基于多功能数字基带硬件平台的通用卫星模拟平台和箭遥模拟器的设计思路并进行了联试.

作 者：瞿元新 周朝猛 丛波 QU Yuan-xin ZHOU Chao-meng CONG Bo  作者单位：中国卫星海上测控部,江苏,江阴,214431 刊 名：电讯技术  PKU英文刊名：TELECOMMUNICATION ENGINEERING 年，卷(期)： 48(3) 分类号：V448.15 关键词：测控系统   多功能数字基带   通用卫星模拟平台   箭遥模拟器   软件无线电  

卫星信号模拟器技术研究动态分析 篇5

卫星信号模拟器是一种精确度非常高的信号发射装置, 发射出来的信号能够被一些特殊的卫星所接收作为导航信息使用, 为导航接收装置的开发研究、数据测试创造了良好的条件, 是导航接收装置在设计与开发过程必不可少的部分。

1 卫星信号模拟器国内外研究动态

1.1 卫星信号模拟器在国内的研究状态

根据卫星导航信号模拟器可模拟的卫星通道数量的不同, 可以将模拟器分为单通道模拟器和多通道模拟器两种类型。在国家政策的支持与扶持下, 多个科研机构第一时间展开了与GPS卫星信号模拟器相关的研究。这种型号的GPS信号模拟器与以往的GPS卫星信号模拟器存在一定的差异, 根据GPS信号发射装置、计算机和信号接收装置共同组成, GPS信号发生装置由多种不同的硬件组成, 这种信号发生装置能够在同一时间产生多种多样的通道的信号。信号接收装置是GPS信号发生器核心组成部分, GPS信号发生装置所用到的各种信号都是从仿真软件计中整理得出的。

1.2 卫星信号模拟器在国外的研究状态

我国GPS卫星信号模拟器的研制相对国外一些发达国家起步较晚, 但是, 现在已经很多厂家提供多个系列的产品, 比如英国Spirent公司开发研究的GSS和STR系列卫星信号模拟设备、美国CAST公司开发研究的数字信号系列的卫星模拟装置、雅虎公司研制的GJ100、GS600、GS5410系列等。从这些产品可以看出目前国际上高端GPS卫星信号模拟器的开发研究状况。

2 卫星信号模拟器研究的技术现状及发展趋势

2.1 卫星信号模拟器技术现状

从现在的市场发展状况可以看出卫星信号模拟器的发展模式, 主要有下列两种。

1) 基于软件的模式:在这种运营模式下, 所有和导航相关的信息和信号都是通过计算机处理获得, 包括对各种模型的数据和信号都是通过计算机软件进行计算处理后, 存储在相关设备中进行保存。

2) 基于软硬件结合的模式:在这种运营模式下, 计算机软件主要负责整理和计算相关的信息与信号, 然后运用与信号相一致的参数控制硬件对整理的信息进行分析, 发射出卫星信号。北京航空航天大学张其善等研究开发的高动态信号模拟器就是运用了这种模式。卫星信号模拟器的这两种形式都存在各自的优点, 对我国卫星信号模拟器的研究和发展有很大的帮助。

2.2 卫星信号模拟器发展趋势

卫星信号模拟器是一个全新的系统装置, 就目前来看, 其功能还无法满足所有用户同时接受信号的要求, 还有很多关键技术不够成熟, 需要进一步进行完善。对于目前卫星信号模拟器存在的问题和缺陷, 对未来卫星信号模拟器进一步发展我们需要做到以下几点:开发使用多模卫星信号收集整理功能, 对于多模卫星接收机的GPR功能、定点收索能力进行验证和测试;监视和掌控接收机在高频率环境中对信号收集、跟踪和识别的能力, 特别是在频率突然变化的状态下对卫星信号进行准确的定位与识别;运用仿真器发射一种专门跟踪一些特殊信号的装置, 对接收机系统程序的分析准确程度进行更加科学有效的验证。建立不同类型的误差模型, 然后根据对误差模型进行具体细致的实验与测试, 并根据实验所得结果逐渐完善各种误差模型, 使信号模拟器的工作环境与具体效果相互对应;减少接收机运动模型在工作过程中的误差和错误。除此之外, 可以根据实验所得结果增加信号接收机对多种错误信息的识别和筛选;另一方面, 则根据信号模拟器的运动轨迹对数据构建进行筛选和识别;使卫星导航的定位与追踪功能得到更新和升级。在开发研究定位与跟踪卫星信号模拟接收器方面, 为跟踪和定位导航计划的检验和测试提供经验和方法。选取正确有效的差分信息整理收集方案, 充分发挥出信号模拟器的测量系统功能, 使天线模型功能更加完整。并着重研究天线方向敏感程度及覆盖面积对信号的干扰问题, 构建出科学有效的数学模型, 从而对天线信号的敏感程度进行深入研究, 分析不同载体形态对卫星信号的接受方式。有些信号载体在飞行测试期间姿态角变会随着时间的变化而改变, 使得接收机天线对空间的覆盖面积也出现一些错误的判断, 严重的时候就会导致部分或全部卫星无法正常接受和处理信号。

3 结语

我国关于卫星信号模拟器的研究还处于初级阶段, 虽然进展显著, 但是还有一些技术性问题尚未突破, 在下一阶段, 需要针对卫星信号模拟器的技术规范与指标要求进行深入研究, 促进卫星信号模拟器技术水平的提升。

摘要：详细介绍卫星信号模拟器在国内外的研究状况, 总结得出一些相关的理论知识, 根据这些理论知识对卫星信号模拟器未来的发展趋势进行详细的探讨。

关键词：卫星信号模拟器,技术研究,应用

参考文献

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[3]常青, 张伯川, 陈向东, 等.高动态GPS信号模拟器信号强度问题研究[J].电子与信息学报, 2007 (4) .

卫星云图模拟 篇6

随着通信技术、计算机技术的发展，我军的信息化建设也加快了前进的步伐，卫星通信以其独有的特点受到军队各级用户的青睐，各种战略卫星通信系统和战术卫星移动通信系统已经在部队得到广泛使用。在各种终端大量配发部队的时，相关的训练却存在大量实际问题：

1)卫星通信设备结构复杂，开关、旋钮、表头及指示灯种类和数量较多，操作程序繁琐，对操作人员要求较高。

2)卫星通信设备的造价较高，维修费用大，操作失误造成装备的损坏时有发生，造成巨大的经济损失。

3)由于卫星通信网资源有限，专网专用，实际操作训练需要经过各个部门协调，组织难度大;

4)不同的网络不同的设备操作差异也很大，每次配发新装备都需要重新培训，相关人员退伍或者转业都需要培训新操作员。

基于以上的原因，开发一套成本低、功能强、适合部队教学训练的卫星通信模拟训练系统对部队的训练具有重要的意义。

2 系统设计

2.1 系统组成

卫星通信网模拟训练系统由卫星通信网管理中心(网控中心)、模拟网控中心、仿真测试平台、评估监控服务器，以及仿真训练终端组成，如图1所示。系统内部各组成部分之间通过管理信息传输系统(局域网或广域网)相连。

其中：

地球站仿真终端：主要的用户接口，通过3D交互技术，使用户得到类似于操作真实设备的操作体验，从而达到训练效果。包括设备仿真与环境仿真。

模拟网控中心：由于保密的原因，仿真终端不能用真实卫星网信令与网控中心直接交互，模拟网控中心通过开关切换，当不与网控中心互连时，负责网控功能的模拟;当与网控连接时，负责网控中心及仿真训练终端双方信令的转换;

联网训练考核平台：是实现远程组织卫星通信训练和考核的平台，提供用户管理、实时监控和记录重放功能。通过该平台，能够组织不同地域的用户参加联网训练，实现对更多卫星通信业务的训练;也能够组织训练效果检验，实时监控并记录各参训人员的操作流程。

网控中心：卫星通信网的核心部分，实现对卫星通信网专业网络内部的综合管理，对通信卫星和卫星通信地球站进行管理和控制。在模拟训练系统中，与仿真训练终端仿真的地球站实现正常的交互。

2.2 系统结构设计

2.2.1 地球站仿真终端软件结构

地球站仿真终端采用三层结构的设计实现其功能，如图2所示，自下而上分别是网络层、仿真层和应用层。网络层的任务是实现地球站仿真终端与联网训练考核平台、模拟网控中心及其他地球站仿真终端之间进行通信的接口;仿真层实现自然环境仿真和虚拟设备仿真;应用层主要是图形化界面显示和接受用户操作。

2.2.2 联网训练考核平台软件结构

联网训练考核平台采用三层结构设计，如图3所示，自下而上分别为I/O层、核心层和应用层。其中I/O层负责平台与网络和文件系统的交互;核心层实现平台的实时监控和记录存档功能;应用层为训练组织人员提供图形化的操作配置界面。

2.2.3 模拟网控中心软件结构

模拟网控中心结构如图4所示，采用三层结构设计，自下而上分别为应用层、功能层和网络层。其中网络层负责平台与网络和文件系统的交互;功能层实现网控业务仿真及信令转换功能;应用层为训练组织人员提供图形化的操作配置界面。

3 仿真终端的实现

仿真终端包括对卫星设备的仿真及天气地形的仿真，在Windows XP系统上，基于DirectX 3D技术实现，效果如图5所示。

4 通信信令的实现

在仿真终端与模拟网控中心之间，设计实现了一套基于XML的信令，并实现了与卫星网专用信令之间的互换，XML信令的基本格式如下：

5 结束语

本文论述了卫星通信网模拟训练系统的设计与实现，对卫星通信网的通信特点及系统的设计要点着重进行了分析.最后对系统进行了实现。

参考文献

[1]吴诗其,吴延勇,卓永宁.卫星通信导论[M].北京:电子工业出版社,2006.

[2]徐振东.仿真应用中的高级结构综述及其关键技术[J].计算机仿真,2001(3).

[3]陈增荣.软件开发方法[M].上海:复旦大学出版社,1997.

卫星云图模拟 篇7

1 GPS卫星信号特点

GPS卫星发送的信号由三部分组成:载波信号 (L1和L2) 、扩频序列 (即测距码, C/A码、P码或Y码) 和导航数据 (D码, 亦称为导航电文) [2]。GPS信号是利用两个载波进行传输的, 即L1和L2。载波L1的频率为1575.42MHz, L2的频率为1227.60MHz。GPS卫星信号的结构如图1所示, GPS信号发射机产生的伪码 (C/A码和P码) 及相应的数据码 (导航电文) 一起通过L1和L2的载波调制, 然后卫星将调制后的载波信号播发出去。

2 基于Simulink的GPS信号模拟器设计

Simulink是Matlab中的一种可视化仿真工具, 用于对动态系统进行建模、仿真和分析[3]。本文利用Simulink工具包构建GPS信号发生器, 具有流程直观, 界面友好, 易于操作。

根据GPS信号结构特点, 基于Simulink的GPS信号模拟器的整体框架图如图2所示, C/A码与导航电文进行模2加后进行BPSK调制, 组成GPS信号的I路信号, P码与导航电文模2加后进行BPSK调制, 组成GPS信号的Q路信号, 最后I、Q两路信号与噪声叠加形成最终的GPS信号。

2.1 C/A码产生

可以利用反馈移位寄存器产生C/A码, 也可以把各个卫星的一个C/A周期数据存储于2位查找表中, 在仿真时根据时钟频率播发[4]。考虑到需要对C/A码的码流进行控制 (1.023MHZ) , 同时需要控制输出码的相位, 本文在最终的仿真的时候采用查找表发产生C/A码, 如图3所示, 给出了C/A码发生器仿真图及其时域波形, 利用二维查找表Lookup Table存储卫星产生的C/A码, 一号端口为卫星编号输入, 二号端口为计数器输入。计数器由1.023MHZ的方波驱动, 同时C/A phase shift模块产生一个常数和计数器相加后对1022取模, 保证寻找范围不超过1022, 这样实现了C/A码的相位控制。

2.2 P码产生

如图4所示, P码发生器由X1A, X1B, X2A, X2B分别由12级反馈移位寄存器构成。其中, X1A的生成多项式为:G (X) =1+X6+X8+X11+X12, 初始状态为:001001001000。X1B的生成多项式为:G (X) =1+X+X2+X5+X8+X9+X10+X11+X12, 初始状态为:010101010100。X2A的生成多项式为:G (X) =1+X+X3+X4+X5+X7+X8+X9+X10+X11+X12, 初始状态为:100100100101。X2B的生成多项式为:G (X) =1+X2+X3+X4+X8+X9+X12, 初始状态为:010101010100。X1A生成的伪码与X1B生成的伪码异或产生X1随机码, X2A生成的伪码与X2B生成的伪码异或产生X2随机码, X2随机码进过移位寄存器延迟后与X1异或生成最终的P码, 移位寄存器的延迟数与卫星编号相关。

2.3 导航电文数据码产生

GPS的导航数据码的播发速度是50HZ bit, 对于GPS接收的射频前端和数字中频, 该数据码可以用Bernoulli随机分布模型来模拟[5], 在Simulink仿真环境中可以直接调用Bernoulli模块直接产生随机序列。

2.4 BPSK调制

完成C/A码、P码和导航数据码等基带处理后需要对其进行BPSK调制。BPSK调制时将基带单极性码 (0, 1) 转换成双极性码 (-1, 1) , 然后将其乘上载波。二进制单极性码转为双极性码的转换原理为:将输入左移1位后减1。得到双极性码后乘上正弦波就得到调制波形。

3 GPS信号的基带等效仿真

由于GPS LI载波频率为1575.42MHz, 若在Simulink平台下直接进行频带BPSK调制, 由于lms内数据点数太多, 模块运行速度慢, 造成整个系统延迟严重, 所以一般采用基带等效模型, 将频带通信系统转化为基带等效通信系统进行仿真。图5是基带仿真频谱图。

4 小结

本文利用Simulink工具产生L1波段上的GPS信号, 给出了C/A码, P码, 数据码, BPSK等模块的仿真图, 主要针对基带信号仿真。对应1575.42MHz的L1波段。由于频率较高, 时域仿真不太现实, 因此将频带通信系统转化为基带等效通信系统进行仿真。

摘要：在GPS接收机设计仿真阶段, 为了测试接收机的各种性能, 需要在仿真环境中产生可用于测试的GPS模拟信号。首先从原理上分析了GPS信号结构, 重点讲述了C/A码的产生方法。接着分析了GPS信号的实现原理, 最后利用Simulink工具设计了GPS卫星信号发生器, 实现了L1波段上C/A码, P码, 导航电文的调制。对于民用GPS接收机, 主要捕获L1波段信号, 检测本地C/A码与接收码的相差以及解调相应的导航电文。

关键词：GPS接收机,C/A码,GPS卫星信号发生器,Simulink仿真

参考文献

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[4]涂凤琴.GPS中频卫星信号的仿真研究[D].南京:南京理工大学, 2010.

卫星云图模拟 篇8

通信中普遍采用基带信号对载波波形的某些参量 (如振幅、频率以及相位等) 进行调制, 以满足系统发射和接收的需要。随着现代电子技术的飞速发展, 器件工艺越来越先进, 器件功能越来越强, 实现信号调制的方法也越来越多, 实现信号调制的稳定度和可靠性都在不断提高。尤其在卫星通信系统中, 信号调制的应用越来越广泛, 要求也不断提高。采用现代数字信号处理技术实现的调制方法, 各种信号的产生依靠软件操作来确定, 同一信号经过数字化后可由不同的软件模块来实现各种调制功能。这使得硬件电路结构变得更加简单, 操作更加方便, 稳定度更高, 可靠性更强。而且结合相应的数字信号处理软件及控制软件可以加载新的调制方式, 形成一个通用的数字调制器, 能够方便灵活地进行通信调制方式的扩展。

软件无线电是一种基于宽带模数/数模转换器件、高速数字信号处理芯片, 以软件为核心 (Software-Oriented) 的崭新的体系结构[1,2]。软件无线电技术的发展为卫星通信系统提供了良好的发展基础。由于FPGA具有高度的灵活性和重配置性, 其在基于软件无线电的通信系统中应用越来越广泛。该设计是基于软件无线电, 采用FPGA实现全数字调制的通用卫星信号源模块, 数据协议及调制方式任意可变, 可以灵活地应用于各种卫星通信系统中。

1 硬件系统设计

软件无线电技术要求靠近天线的地方尽可能使用宽带的数模/数模转换器, 尽早地完成信号的数字化, 从而使得无线电台的功能尽可能地用软件来定义和实现。但是由于受宽带天线、高速A/D, D/A及DSP 等技术水平的限制, 实现一个理想的软件无线电平台的条件目前还不具备。因此, 现在对软件无线电的研究一方面集中在上述关键技术的研究上, 另一方面更多地是在现有的技术条件下, 研究如何最大程度地实现软件无线电所要求的通用性和灵活性, 将软件化、通用化的设计思想体现到具体的应用实践中。虽然目前基于软件无线电的直接射频收发系统的实现还有些难度, 但基于中频数字信号处理的中频收发技术已相当成熟。本卫星通信模拟源就是采用基于软件无线电的中频发送技术, 以高速DAC和高端FPGA为硬件载体, 给出了模拟中频信号的输出。系统结构框图如图1所示 (完整的发送系统还需要混频器、放大器及天线等, 这不在本文的讨论范畴内) , FPGA对数据进行编码调制后再送给DAC, 以产生中频输出。

卫星通信模拟数据源既可由FPGA内部产生, 也可以由外部送入。为了保证硬件平台的通用性, 本卫星通信模拟源系统的外部接口有TTL, 422及LVDS等类型, 用以满足各种不同的接口需要。FPGA是整个系统的核心器件, 为了保证处理速度和逻辑单元的容量, 采用Altera公司Stratix Ⅱ系列FPGA——EP2S90F1020。EP2S90F1020拥有72 768个寄存器和72 768个算术查找表单元, 另有4 Mb存储器单元和384个9 b乘法器, 其工作速度快, 资源非常丰富, 可以在内部进行绝大部分的数字中频处理运算。

为了保证中频输出信号的质量, DAC的采样时钟最好大于等于载波频率的4倍。如载波中频为70 MHz, 则DAC的采样时钟应为280 MHz或更高。再考虑系统的可编程性和升级性, 采用了Analog Devices公司的超高速DAC——AD9736。AD9736的数据精度为14 b, 采样率高达1 200 MSPS, 采用DDR方式LVDS数据接收器, 电流型输出, 内置同步控制电路, 适合应用在宽带通信系统中[3]。

由于硬件系统的工作频率很高, 需要采用高速电路设计方法, 需要注意以下几点:

信号完整性 需要对板级系统进行信号完整性仿真, 注意阻抗匹配, 减小关键信号线之间的串扰, 控制数据总线之间的延时;

电源完整性 需要对板级系统进行电源完整性仿真, 增加线和过孔上所能通过最大电流的裕量, 通过在合适的位置加去耦电容, 以降低电源和地平面上的交流阻抗[4];

电磁兼容 由于硬件属于模/数混合电路, 在布线时需要注意模拟部分和数字部分的隔离, 采用独立的模拟电源和数字电源以及模拟地和数字地, 特别要注意降低数字部分对模拟部分的干扰;

功耗问题 随着系统工作频率的提高, 系统的功耗也随之增加, 需要对关键器件进行散热处理。

2 软件系统实现

软件系统主要包括芯片配置、数据协议、基带数据调制、内插成形滤波以及正交调制等模块。芯片配置模块主要对DAC等芯片进行初始化配置, 设置其工作方式。数据协议模块定义了数据打包成帧的结构, 协议和调制方式相对应。基带数据调制模块包含各种基带调制方式的实现, 如BPSK, QPSK, OQPSK, MSK及BFSK等。内插成形滤波模块负责对基带调制后的数据进行内插成形滤波, 以满足系统带宽和数据率的需要。正交调制模块主要对I/Q数据进行数字上变频 (DUC) 处理。调制方式和数据协议的选择可通过译码器来实现。具体的软件系统如图2所示。

信源数据根据数据协议编码成帧和串/并转换后送给基带调制模块, 这里初步选用了三种典型协议 (ISO HDLC, ANSI ADCCP和GJB1198.1A-2004) , 用户根据需要可以自行扩充。ISO HDLC为国际化标准组织 (ISO) 制定的面向比特规程的高级数据链路控制协议 (HDLC) 。ANSI ADCCP协议帧的基本结构与ISO HDLC基本相同, 主要的区别在于前者的帧校验序列字段 (FCS) 的生成多项式为G (x) =x16+x15+x2+1。GJB1198.1A-2004标准规定了航天器遥测遥控的基本数据结构, 其遥控数据帧包括启动序列、地址同步字、方式字、注入数据帧、开关指令帧、循环冗余检错码和结束序列。

I/Q数据在直扩模块中选择需要扩谱与否, 扩谱所用PN码为移位寄存器级联生成的m序列, 信息数据与PN码直接异或就能实现扩谱。

对于数字相位调制方式 (如BPSK, QPSK和OQPSK等) , 数据经过成形和内插滤波后再正交调制到中频上, 其实现方式遵循软件无线电调制基本理论, 如图3所示[1]。

为了将信号频谱限制在一个合理的范围内, 需要对信号进行成形滤波。平方根升余弦滚降滤波器是无线通信中最常用的一种成形滤波器, 它可以消除理想低通滤波器设计的困难。其过渡带平滑, 通过引入滚降系数来改变传输信号的成形波形, 可以减小抽样定时脉冲误差所带来的影响。基带信号经过成形滤波以后, 在进行数字上变频之前, 为了提高信号的采样速率, 需要对输入信号进行内插, 同时需要滤波器以滤除高频镜像。成形滤波器和内插滤波器可以合并为一个FIR滤波器, 其系数可由Matlab中的rcosine () 函数生成。滤波器系数可存储在FPGA的ROM中, 使用时以查找表方式读出, 由于数据为单比特串行输入, 成形内插滤波操作仅为滤波器系数之间的加减运算, 无乘法运算。这样既提高了系统的处理速度, 又节省了乘法器资源[5,6]。

从理论上来说, 各种通信信号都可以用正交调制方法加以实现。根据图1, 可以写出时域表达式为:

$S(t)={\rm I}(t)\cos (2\text{π}f{}_{\text{c}}t)+Q(t)\sin (2\text{π}f{}_{\text{c}}t)(1)$

式中:fc为载波频率。调制信号的信息包含在I (t) 和Q (t) 内, 各种调制方式下的I/Q数据由基带数据调制模块生成。由于各种调制信号的都是在数字域实现的, 故在数字域实现时要对上式进行数字化:

$S(n)={\rm I}(n)\cos (2n\text{π}f{}_{\text{c}}/f{}_{\text{s}})+Q(n)\sin (2n\text{π}f{}_{\text{c}}/f{}_{\text{s}})(2)$

式中:fs为采样频率。当采样频率为载波角频率的4倍时, 式 (2) 中cos和sin项变为0或±1, 可省去混频乘法器和数控振荡器 (NCO) , 使调制模块大为简化[1]。

NCO在软件系统中作用非常重要, 它既可产生混频用的本振 (LO) 信号, 又可用来输出FM和FSK调制信号。一种常用的实现NCO的方法是采用坐标旋转数字计算方法 (CORDIC) 算法[7]。CORDIC的基本思想是采用逐次逼近的算法实现三角函数的计算, 其优点是只进行加减运算和移位操作, 结合并行处理和加流水线, 可以实现每一个时钟周期输出一个经过n位迭代的结果。该NCO模块的基本功能是由相位控制字来产生正弦和余弦分量输出。数据源控制NCO的相位控制字就可产生FM调制数据。数据源控制NCO相位控制字在两个常数频率中选择切换, 便可产生2FSK调制数据。

3 模拟源的指标测试

安捷伦公司的矢量信号分析仪89641A可分析各种模拟和数字调制信号, 作为接收机可显示调制信号的各种信息 (如时域波形、频谱以及星座图等) , 作为测试仪表可定量分析被测信号的调制精度 (如EVM、相位误差和载波频率误差等) 。采用89641A对本卫星通信模拟源中频输出信号进行测试, 不同调制方式下的矢量幅度误差 (EVM) 如表1所示。可以看出, 各种调制方式下的EVM指标均良好。目前该信号源已成功应用到某卫星通信系统中, 工作正常。

4 结 语

基于软件无线电构架的卫星通信模拟源以软件无线电基本理论为依据, 以FPGA为基本实现平台, 具有很强的适用性与兼容性, 无需改动硬件就可按用户要求进行软件升级, 可靠性高。它既可应用于国防军事上 (如军用卫星通信和电子战系统) , 又可应用于和平时期国民生产的各个方面 (如GSM, 卫星电视, 3G通信等) , 具有很大的经济效益和推广价值, 对雷达通信一体化技术、卫星对抗技术都具有巨大的推动和发展作用, 有着良好的社会效益。

参考文献

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卫星云图模拟 篇9

1.1 目的

浦东国际机场规划南航站区卫星指廊构型提供了较多的近机位和过夜机位以提高旅客服务水平和运行效率。研究重点分析讨论南航站区近机位和远机位的数量问题，以确保机场在年旅客量8000万水平下空侧和陆侧设施的容量平衡和协调。研究主要要解决南航站区需要多少近机位和远机位才能够有效地服务未来预测的8000万旅客量的问题。

1.2 技术分析方法

通过对机位需求进行分析，提出规划的需求和方案。使用计算机仿真模拟技术对航站区机位/机坪等之间的相辅相成的联系进行量化分析，从而提出优化改进意见。

计算机仿真模拟使用的是美国联邦航空局机场空域模拟模型（SIMMOD）。在深化模拟分析中，使用SIMMOD模拟到港飞机从进入浦东机场终端控制区的最后进近阶段到滑进机门位，以及离港飞机从机门位推出到进入最初爬升阶段这个过程中的飞机运行情况。模拟设计日航班表的航班经过定义的空侧系统，SIMMOD通过记录地面滑行时间和延误时间记录航班飞机在飞行区的运行情况。通过分析模拟所获得的数据，跑道运行容量、飞机地面滑行时间和延误时间等信息将有助于确定飞行区的整体运行容量和运行绩效，用于进行卫星厅的方案优化和经济性比较。

1.3 主要假设条件概要

根据运行统计，浦东国际机场目前年旅客量为2670万人次左右。按照年平均增长13%计算，最早在2015年就有可能达到8000万旅客量需求水平。按照比较保守一点的增长率，估计在2020年就有可能达到8000万的旅客吞吐量需求。

南航站区机位布局，包括101个近机位以及过夜机位。同时，在南垂直联络滑行道的南面还提供了11个远机位。南航站区卫星厅构型见图1。

2 航班时刻参数的设定

2.1 日航班时刻预测

计算机仿真模拟研究采用的是能够代表高峰月平均日运行特征的设计日航班时刻表。规划采用此类设计日的需求水平来代表一年中的高峰日作为研究对象，而不是一年中的最高峰日，这样能有效地避免对设施需求的过高估计所带来的设施浪费。设计日航班时刻表中包含了像具体的航空公司官方指南（OAG），将描述浦东机场8 000万旅客运行水平下24h内到港和离港飞机的航班信息。飞机的这些运行特点包括飞机机型、飞行时间、始发地和目的地。研究的意义在于一天内高峰时段的飞机运行特点以及一个星期或一个月内飞机架次需求都是不断变化的。

根据总体规划确定的需求架次预测数据，建立8000万需求水平下的设计日航班时刻表。如表1所示，预计未来8000需求水平时的年飞机起降将达563 979架次。设计日系数将从原来的4 200万水平时的320上升到8 000万水平时的330。这个达到330的系数则表明浦东机场的航班需求量市场已趋于成熟，航班量将很少受到季节周期性因素的影响。当日系数达到330时，此时的设计日飞机起降将达到1709架次。

2.2 高峰小时运行架次预测

高峰小时的运行架次也是在预测数据的基础上所确定的。尽管在过去几年里运行架次总数在不断增长，但是高峰小时时段的运行架次增长率相比运行架次总数增长率要低。在最初发展阶段，高峰小时运行架次的增长率和总运行架次增长率保持一致，然而，随着浦东机场航班需求市场的日趋成熟，尤其在运行容量受限的情况下，高峰小时运行架次增长率将逐步减小。如图2和图3所示是未来航班时刻表中进港和离港航班的小时分布情况。根据这一航班时刻表可以看到，未来高峰到港时间发生在下午1时，此时共计有90架到港航班；高峰离港时间发生在上午9时，此时共计103架离港航班。高峰小时时段发在下午1时，此时航班运行量达147架次。

在典型情况下，枢纽航空公司在进行枢纽运营时，会将飞机停在其他非枢纽运营机场过夜，第二天清晨这些飞机载运旅客飞往枢纽运营机场进行航班连接、旅客中转。目前航空公司均将大部分飞机在前晚飞回浦东机场过夜，造成人为的一个夜间晚些时候到港航班高峰，一个清晨时间的离港航班高峰。转成枢纽运营后，晚间到港高峰小时会提前到夜间早些时候，离港高峰小时也会推迟到早上晚些时候运营。

按照目前的运营数据和对现有航班分布的理解，模拟预测还假设国际航班的运营到2015年还会继续增长。因此，浦东机场的国际和国内航班运营架次分布将更均平。目前2004年的浦东机场运营航班中，60%为国内航班，40%为国际航班。2004年的高峰小时时段为下午1时，假设国际航班运营稳定增长，到2015年，早上晚些时候（从10时到11时间）会出现同样的高峰小时，这是国际离港航班的高峰小时，这样就会带来航班分布的转换。

2.3 机型组合预测

机型组合也是决定机场跑道系统运行容量的重要因素之一，因此在研究中对浦东机场未来机型组合情况进行了预测分析。在未来8 000万旅客需求水平下，预计国内航班需求增长率将高于国际航班。预测未来国内航班市场将主要以窄体机为主，并含少量支线飞机服务临近的一些旅客需求水平不高的机场，以航班服务频率的增加满足需求。国际航班市场预计将继续采用宽体机和窄体机结合使用的方式。其中宽体机主要服务国外远程航线市场，而窄体机主要服务亚洲航线的运营。

图4到图6所示为2004年和2015年设计日航班时刻表的机型组合参数。其中，图4是2004年的机型组合，图5是2004年的机型组合参考ICAO的标准进行的归类，图6是根据国际民航组织ICAO机型分类对2015年的机型组合预测。按照预测信息，2004年的机型组合预计今后会有如下一些变

1)新增F类飞机运行;

2)增加D类和E类飞机数量，以满足未来国际航班需求量的增长；

3)部分旧型飞机服务期满后由新型飞机取代运行。

2.4 其他影响因素预测

航空公司市场占有份额、飞机航班的始发地与目的地也是未来预测的重要信息。通过对现有数据、预测信息和假设条件的分析将为未来航空公司市场占有比例和空域航路运行提供依据。

图7所示是浦东机场2004年航空公司比例分配情况。如图7所示，东航以30%的市场占有率名列首位，紧随其后的是南航的16%和上航的12%。

根据规划目标，浦东国际机场将作为上海未来国际枢纽门户机场和国内枢纽机场，虹桥机场作为上海主要国内航空业务机场，这两个机场服务上海和长三角地区。因此，预计未来浦东机场国际和国内航班的比例分别为61%和39%。图8显示了浦东机场未来国内和国际航班的分配比例。

根据2004年航班时刻表中飞机始发地和目的地信息、未来市场份额预测以及国内国际航班的比例分配，得到了如图9和图10所示的未来始发地和目的地分配比例。从图9、图10中可以看出，随着亚洲航空市场的迅速发展，未来国际航线的发展将主要集中在亚洲地区。此外，由于上海和香港两地频繁的商业往来，来往于这两个城市间的旅客量仍将保持相当高的比例。

依据2004年和2010年航班时刻表和相关数据分析，可以得出2015年8000万需求水平下的航班时刻表。图11所示为到港和离港航班运行小时的分布情况。需要指出的是，该航班时刻表将作为未来8 000万旅客需求水平下对南航站楼停机位布局和运行分析的基础依据。

3 南航站区机位分配及需求预测

表2列出了浦东机场现有东、西航站区停机位数量分布,即近机位和远机位共计82个,其余需要的停机位将设置在南航站区的卫星指廊。其中南航站区将设置101个近机位,南垂直联络道以南还将设11个远机位。确定的停机位总数为194个,略低于原先预计的197个,这是考虑了未来将部分停机位设为国内/国际航班可转换机位。

浦东国际机场航站楼规划是基于一个屋檐下原则，即基地航空公司及其联盟应在一个航站楼内运作，以减少旅客在两个航站楼之间换乘的可能和减少步行距离。这种情况下旅客从一个航站楼前往另一个航站楼转机的比例很小，这是因为大部分旅客转机都会选择乘坐原航班的联盟航空公司，因此只需在同一个航站楼内转机即可。

航站楼和卫星厅之间的国际/国内航班中转或换乘都由旅客捷运系统相连。一般来说，旅客倾向于在代码共享的航空公司及其联盟之间换乘航班，所以跨越代码共享航空公司搭乘航班的旅客预计只会有很少一部分比例。对于东航和上航联盟之外的航空公司，鉴于上述原因其旅客一般不需要进行中转或换乘航班，大部分都是始发终到旅客，所以这些航空公司的布局主要依据可供选择的机位和空间而定。

4 南航站区卫星厅推荐构型

南航站区的机位布局是基于机场总体规划和满足8 000万年旅客量的机位组合需求而确定的。根据计算机仿真的结果推荐的机位组合布局如图12所示。这一机位布局构型设计考虑了实际的运行因素，具体包括飞机的机动操作能力、喷气吹袭标准和飞机的净距要求等。

满足年8 000万旅客量需求的机场总体机位数量可以在182个到197个机位之间。其中T1和T2航站楼现在共有82个机位，未来的南航站区最多需要提供115个机位以满足197个机位的需求。推荐的南航站区机位布局提供的各类机位组合情况为，C类、D类、E类和F类机位数分别为43个、38个、17个和3个。同时，在南垂直联络道的南面还提供了11个C类远机位。

图13和图14标示出了T1/T2航站楼和南航站区的机位布局。为了便于识别，图中将机位分布区域按照机位的大小用机型种类字母进行了识别。

经过仿真优化的南航站区的机位布局的一个特点就是所有机位均为近机位的布局。这样近机位的布局提高了旅客服务水平，避免旅客乘坐捷运从一号或者二号航站楼到达卫星指廊，再摆渡到远机位的运行。同时，全部近机位的布局也能够简化站坪运行，为地面服务设备提供足够的运行和储存空间。同时，优化后的南卫星厅采用了双平行滑行道设计，方便飞机进出机坪，同时也设计了机位推出区，减少飞机推出对临近垂直联络滑行道上飞机的滑行运行。在停机位附近区域也设置了地面服务车辆的存放和等待区域，便于运行使用。

5 结论

通过SIMMOD模型分析结果表明，浦东国际机场为满足8 000万旅客量共需布置机位194个，扣除已有的T1和T2航站楼82个机位，南卫星厅机位共计101个（3F17E38D43C），另外还在南垂直联络道以南布置11个远机位。该机位布局考虑了目前已经实施的APEC专机坪机位，同时也考虑了未来机型组合和高峰小时的机位运行需求。依据目前世界上其它类似机场的机位运行情况表明，浦东机场在未来正常运行水平下，采用的停机位布局方案将能够满足未来旅客服务需求。

参考文献

[1]中国民航机场建设集团公司.浦东国际机场总体规划(2004版)[Z].2004.