卫星信号传播（精选7篇）
卫星信号传播 篇1
1 概论
对流层对卫星通信链路的影响主要表现为吸收衰减, 对流层中的水蒸气对2G H z以上的信号损伤较大, 且随频率增加而影响加剧。K u波段 (10~20G H z) 除了对水蒸气吸收敏感外, 对对流层中的尘埃也较为敏感。频率在20G H z以上的信号除了以上因素外, 还会出现谐振吸收, 如某些频率的信号会同空气中的氧气分子产生谐振, 其能量会因此被吸收。
对流层对卫星传输最常见和最显著的影响是雨雪衰。
1.1 雨衰成因及一般规律
当电磁信号穿过对流层时, 其能量会因雨、雪、云、雾的吸收和散射而受到衰耗, 衰耗的程度因信号频率, 雨雪的大小及信号穿过雨雪区的路程长短而不同。
一般来说, 大雨以下的雨量, 对于C波段的卫星信号不会产生明显的影响。大雨 (16m m/h) 时, C波段上行链路的单位雨衰量约为0.08d B/km, 下行链路的单位雨衰量约0.02d B/km。雨区的高度一般不超过10km, 因此对一个仰角为40°的地面站, 其卫星上行信号的最大衰耗不超过1.2d B, 卫星下行信号的衰耗约0.3d B;暴雨时。C波段上行链路的单位雨衰量小于0.5d B/km, 下行链路的单位雨衰量约0.1d B/km, 但雨区的高度一般小于2km, 地面站仰角为40°时, 卫星上行信号的最大衰耗不超过1.5d B, 卫星下行信号的衰耗约0.3d B。这种情况下的雨衰影响可以忽略, 但遇到大暴雨或暴雨、雨区的高度又超过2km的情况时, 雨衰对于C波段的衰耗也会相当严重。
K u、K a波段的卫星信号, 波长短。因雨、雪、云。雾引起的衰耗明显大于C波段。同样仰角和雨区高度, 大雨时, K u波段上、下链路的衰耗可分别达到11d B、7.5d B以上;暴雨时, 上、下链路的衰耗分别超过16d B、10d B。
事实上, 降雨不仅会衰减电磁波。还会产生去激化作用。空气阻力会使雨滴变成略微扁平的形状。雨滴越大, 变形越明显。极化面取向沿着雨滴长轴方向的电磁波因雨滴引起的衰减和相位移最大, 而极化面取向沿着短轴的电磁波因雨滴引起的衰减和相位移最小, 导致干扰增加。
1.2 减小雨衰影响的有效措施
卫星传输的路径和特点决定了可以和需要进行雨衰补偿的三个环节:一是在上行站补偿上行链路的雨衰损耗;二是通过卫星转发器补偿部分上行链路的雨衰;三是在下行站留出足够的雨衰备余量, 降低因雨衰造成的损失。
2 上行站的雨衰补偿措施
上行链路的雨衰补偿是通过一定范围内线性增大上行站的上行EIR P, 从而使降雨期间到达卫星转发器的上行信号的饱和通量密度相对稳定。在一定天气条件下有效补偿降雨的影口向。
2.1 C波段的雨衰补偿
从以上对C波段雨衰的理论分析中可见。非大暴雨等特殊气象条件, C波段的卫星传输受雨衰影响不明显, 因此在其相应的系统设计和配置中, 一般不需要考虑雨衰的问题即可满足99.99%的可用度。但对于大暴雨频繁的地区或对上行可用度有更高要求的情况, C波段卫星上行站在交调保护回退之后, 需至少具备4~6d B提高上行功率的能力。在暴雨对C波段上行站接收信标信号造成2d B以上损耗时, 上行站可以以接收信标信号的损耗量为参考, 人工及时调整上行功率。在一定范围内补偿C波段传输的上行雨衰, 最长一次持续时间在15m in以上, 将上行功率及时提高2~5d B即可有效地减少C波段卫星传输的雨衰影响。
2.2 根据接收信标信号的电平补偿上行雨衰的U PC
由于K u以上波段的卫星传输受雨衰影响明显, 因此在其系统配置中;必须考虑雨衰的影响。
由于射频器件的成本原因, 目前在K u波段的上行站基本都采用中频补偿的方式来补偿上行链路的雨衰, 即通过上行功率控制单元 (U PC) , 根据降雨对信号的衰减量, 相应提高中频信号电平, 从而增大功放输出功率, 补偿上行链路因雨衰产生的衰耗。
2.3 通过测算天线的噪声温度补偿上行雨衰的U PC
该系统的特点是利用一套独立的接收和控制系统完成上行功率的控制, 无需任何信标或地面转发的信号作功率控制参考。即用一个射电测量计代替了一个小型偏馈接收天线的LN B, 该射电测量计根据采集到的卫星上行通路上13.45G H z频点上的射电信号的强度, 得到天线的噪声温度, 并与晴天时测得的天线噪声温度相比较, 换算出相应的上行波段的雨衰及增益补偿量, 补偿上行功率。
与信标系统相比, 该系统的优点是:上行补偿更为准确 (测算波段更接近) 、更为可靠 (不受上行天线故障、信标接收单元故障、LN A/LN B增益一温度稳定性的影响) , 且不需人工识别日凌 (系统根据卫星的经度、上行站的地理位置、上行站U PC的工作时间可以计算出地球站上行波束和太阳的夹角, 当该夹角小于某一安全设定值时, 该U PC系统认为上行站进入日凌期, 对此期间的天线噪声温度的升高, 不进行增益补偿) 。缺点是费用稍高, 对U PC接收天线的意外遮挡会被误认为雨衰, 造成上行功率误增大, 对雨衰的补偿准确度不高。
2.4 雨衰对K u波段上行站设备配置的基本要求
雨衰补偿能力是评价一个K u波段上行站的重要指标之一, 主要表现在补偿范围和补偿线性两个方面。
由于该系统的非线性, 在中频增益超过10d B时, 高功放的输出功率即出现了压缩, 系统的最大增益补偿范围为10.3d B。经测试, 上变频器的输入输出动态范围不够是造成以上雨衰补偿范围减小的直接原因。
因此, 一个K u波段的卫星上行站应根据当地的气象条件确定, 满足99.9%的上行可用度时, 上行站应具备的最小上行补偿范围。选用的U PC的动态补偿范围不仅应该满足这一条件, 同时, 应在此范围内具备良好的增益线性, 系统后级的上变频器、高功率放大器应保证在此范围内具备良好的输入输出线性, 且当U PC最大增益时, 高功率的输出功率不会超过其交调保护回退工作点。
3 通过卫星转发器补偿上行链路的雨衰
目前在国际上, 较先进的K u波段的直播卫星或K a波段的通信卫星对上行链路的雨衰也具有一定的补偿能力。这种通信系统中, 对上行链路的雨衰补偿一部分由上行站实现, 一部分由卫星转发器实现, 当雨衰超过上行站的补偿能力时, 卫星转发器会根据接收信号的功率通量密度及时增大输入增益, 进一步补偿雨衰。
利用卫星转发器的雨衰补偿能力, 可以大大提高上行链路的雨衰补偿范围。这大大提高了K a波段卫星通信的可用度。在美国ku波段的直播卫星很多也采用了这项技术, 这降低了对上行站雨衰补偿能力的要求, 从而大大减小了上行站的成本。但这种技术的使用是有条件的, 即要求对同一个转发器的上行要集中在一个上行站或转发器采用M CPC工作方式。
4 下行站减小雨衰影响的办法
接收站对于雨衰的克服是通过在接收系统建立时留有一定的雨衰备余量, 以克服其范围内的雨衰影响。
另一方面, 接收站要获得较高的接收可用度, 还需留有一定的系统储备量, 即接收站只考虑环境温度。设备稳定性等因素时接收系统需留有的常规C/T门限储备量, 一般最大取2.5d B。
工程中综合考虑, C波段广播电视接收站, 降雨余量和门限储备之和一般取3~6d B, K u波段一般取5~12d B, 具体数值需据当地的气候条件 (雨季长短、雨量大小等) 及接收系统的不同可用度的要求而定。广播电视中转需配备更大的储备量。
接收信号的C/T值, 接收门限、LN B参数一定时, 接收天线的口径随接收储备量的增大而增大。实际应用中, 不应以吞食K u波段的雨衰备余量为代价, 一味减小K u波段接收天线的口径。
责任编辑:孙兆杰
摘要：对流层对卫星传输最常见和最显著的影响是雨雪衰。介绍了上行站的雨衰补偿措施及下行站减少雨衰影响的办法。
关键词：雨衰,对流层,卫星信号传播,影响,解决措施
低轨卫星扩频信号分析方法 篇2
随着新一代卫星移动通信技术的发展,中轨道(MEO)、低轨道(LEO)卫星通信系统获得了长足发展,与同步轨道相比,中、低轨道卫星移动通信系统具有传播时延短、路径损耗低、频率利用率高以及多星组网可实现真正意义上的全球覆盖等优点。在新一代低轨卫星通信系统中,码分多址(CDMA)技术得到广泛应用。CDMA技术通过使用一组正交或者准正交的伪随机噪声序列,经由相关处理实现多用户共享资源和同时入网的功能。扩频信号在接收端与相应的扩频码再相乘,恢复出原始信息。系统中各用户可占用同一频域、时域和空间域,彼此用不同的扩频码序列加以区别。相对于时分多址和频分多址而言,CDMA技术具有通信保密性好,抗干扰能力强等优势。同时,由于低轨卫星存在高速运动,接收信号中存在较大的多普勒频偏(Doppler Frequency Shift),这会对接收信号产生多普勒频移等影响[1]。在卫星高速运动条件下,对伪码周期估计、码字估计、初始相位同步和多普勒频率纠正的方法是需要重点研究的内容。
1 直扩信号参数估计技术
1.1 PN码周期估计
由于低轨卫星高速运动引入的码多普勒频移和载波多普勒频移的影响,传统的需要多个扩频周期数据的倒谱检测方法无法有效检测扩频信号的存在。考虑到直扩信号潜在的周期性,可将临近周期内相隔一定时间的2段数据做相关处理,令直扩信号s(t)如下式表示:
式中,A0为传输幅度;ω0为载波频率;cn为PN码第n个码片间隙Tc的极性;Tω为伪码周期为成形后的发射脉冲;ωn为沃尔什序列第n个码片的极性。的周期由PN码周期Tω决定,在时刻t1t2=t1+τ分别截取2段长为T0的数据st1t和
式中:
可得2段数据的相关值R:
则:
式中,τ=t2-t1。
显然,由于内PN码的周期性及正交性,当τ=kTω时(k为整数),
若不考虑成形滤波的影响,则为了避免因子的影响,可通过正交变换得到令检测值此时检测值最大(等于k)。
因此,按照一定的步长改变τ值,累积其相关检测结果,可以使相关特征得到逐步加强,当τ=kTω时,检测值最大,根据最大值位置可以检测扩频信号的扩频周期。
以某卫星实采数据为例,令T0为256码片长,以64码片为步长改变t1,累积各次相关结果,当τ为1 024码片长时,累计结果如图1所示。
当τ不等于1 024码片长或者其整数倍时,没有明显相关峰值,因此估计内PN码周期为1 024码片长。
此外,相关值也可以利用信号的解析形式进行计算,令输入信号的表达式为:
式中为传输信息,具有周期性,周期为T;ωc为载波频率。则在t+τ时刻:
为了检测时间偏移为τ时2段数据是否存在相似性,可通过如下相关运算进行处理,
可以看到,此时输入信号不同时间偏移数据间的相关值不但取决于传输信息不同时刻的相关性,还受到的影响,只有当时,相关检测值才不受影响,否则会产生倍的损失。
如果相关检测在解析域进行,令输入信号的解析信号如下表示:
可见,对相关结果取模后,可以消除ωcτ的影响,正确反映传输信息的相关性。
1.2 PN码及多普勒频移搜索
在获悉扩频码长的情况下,可推得PN码序列本原多项式的阶次,根据WW Peterson和Weldon列出的各次本原多项式列表,将符合阶次的本原多项式录入数据库,作为将来待搜索的PN码字集[2,3]。
同时由于低轨卫星的高速运动,使接收信号受到多普勒效应的影响,因此接收到的直扩信号可如下式所示:
式中,Δfd为多普勒频移,0≤t≤Tω,可以证明在积分时间τ上,由于Δfd的影响而导致的本地波形与接收波形的相关能量损失Lcorr为:
当τ为一个伪码周期时,1 kHz多普勒频移导致的相关能量损失约为15 dB。可见为了可靠的进行信号检测,必须对多普勒频移进行估计。由此产生一个三维的搜索空间如图2所示。
将频率搜索区间划分为n个小区间,在每个小区间完成内PN码字和码相位偏移的捕获,具体捕获算法如下节所述。n的数目取决于可能的最大多普勒频偏和频偏变化步长Δf,在不影响检测可靠性的前提下,增大Δf可以有效地提高搜索速度,但Δf过大导致Lcorr的增高,从而影响检测效果。
1.3 PN码初始相位捕获
假设多普勒频移和PN码字已知,设接收到的直扩信号为s t,
式中,为PN序列;T为PN序列周期。通过本地载波将其正交下变频,得到
式中,Δφ=Δwt+φ为残余相差。将它们分别乘以本地参考PN码并通过改变τ遍历所有内PN码相位,得:
式中,为噪声项。在积分时间T内构造如下的判决变量Zm=d12+dQ2,当搜索的PN码与接收信号的PN码相匹配,并且初始相位一致时,判决变量值最大。根据最大值出现位置实现了PN码初始相位的捕获。
对某卫星信号,设定当前多普勒频率及PN序列,按照上述方法进行PN序列初始相位的捕获,捕获结果如图3所示,横轴表示不同的PN码初始相位,以采样点为基本变化单位,共有8 192种可能,纵轴表示在不同初始相位下检测到的相关值。出现峰值位置表明当前接收信号中包含PN码的初相位置。
2 结束语
以某低轨卫星直扩信号为例,针对低轨星信号所固有的多普勒频移现象,通过采用分段累积相关法,解决了低轨星信号扩频周期的估计问题。在获悉扩频码长的基础上,建立PN码字、PN码初始相位和多普勒频移三维搜索空间,实现对扩频参数和多普勒频率的联合搜索。在多普勒频移轴上,将搜索区域按照一定步进划分为各个区间,在每个区间内可通过FFT实现PN码字和码初始相位快速捕获,该方法运算复杂度低,具有较强的工程实用性。
参考文献
[1]孙家旺,沈青峰,袁亮.分段相关累加算法提取直扩信号伪码周期[J].现代防御技术,2006,34(1):73-75.
[2]冯富强,陈鹏举,武传华,等.低信噪比条件下DS信号的检测与参数估计[J].通信学报,2002,23(9):63-68.
[3]BUERL G,BOUDER C.Detection of direct sequence spreadspectrum transmission without prior knowledge[C]∥GLOBECOM’01,IEEE,2001,1:236-239.
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[5]CHENG Unjeng.Spread-Spectrum Code Acquisition in thePresence of Doppler shift and Data Modulation[J].IEEETrans Comm,1990,COM-38:241-250.
[6]TONG P S.A Suboptimum Syschronization Procedure forPsedo-Noise Communications System[C]∥Proc NationalTelecommunications Conference,1973:261-265.
多路卫星电视信号频谱监测系统 篇3
卫星广播电视信号作为无线信号传输, 受空间环境影响很大。因此如何有效地对信号进行监测是保障安全播出的重点工作。目前, 市场上的频谱监测系统通过对单路频谱信息进行分析实现监测报警, 不能准确判断卫星传输信道干扰的原因, 类似这样的系统已经不能满足我站的实际监测需求, 因此开发建设一套多路卫星电视信号频谱监测系统, 综合判断多路卫星频谱信息, 准确、快速地识别干扰信号, 是十分必要的。
1 系统结构
1.频谱采集器
采用模块化设计, 每个模块是标准的3GHz频谱分析仪, 可独立实现实时监测, 完成卫星接收信号L波段内的频谱分析, 并可设置多种门限值, 及时准确地捕抓异常参数。单机支持8路实时频谱监测分析。
2.服务器
数据处理的枢纽。包括监控程序、数据导出程序、数据库。监控程序作为软件核心, 又包含数据采集程序、逻辑判断程序。图1为系统结构。
2 软件特点
多路卫星电视信号频谱监测系统集成了多项全新的实用功能, 能够满足广东卫星地球站目前及今后一段时间内事业发展的需要。
系统实现多路频谱综合干扰识别。除对单路频谱参数异常报警外, 系统通过监控程序将多路频谱重要参数进行综合比对, 并根据预设的逻辑分析流程进行判断, 最后作出具体干扰类型报警。
系统采用程控仪器标准命令集SCPI (Standard Commands for Programmable Instruments) 作为控制指令。SCPI语言目前被广泛应用于测试测量仪器的操作控制中, 它非常方便用户使用和维护。
系统采用多线程算法作为通讯机制。多线程就是一种多任务、并发的工作方式, 其优点是:提高应用程序响应, 充分利用多CPU资源。籍此, 系统的大量频谱数据可以实时处理和传输, 进入“并行运算”状态, 大带宽、多信号实时频谱监测得以真正实现。
系统可远程监控。通过IP网络, 远程客户端实时显示系统监控界面, 并可进行相关监测参数的设置。
系统实现频谱录制、存储、回放。系统将频谱数据保存在服务器计算机上, 当有需要的时候, 可以访问服务器查看保存的频谱信息, 或者按照条件进行分类检索。
系统提供灵活的多画面监测方案。方便用户按照自身的监控要求定义窗口, 并编辑多画面显示。
3 多路卫星电视信号频谱监测系统干扰识别功能的实现
3.1 设计思路
在以往的频谱监测中, 由值班人员参考单频谱参数异常报警, 或通过观察少数几台频谱仪频谱波形的变化情况, 最后根据监测经验得出初步结论。这种监测往往只能反映个别卫星天线的接收信号质量, 而不能综合判断信道劣化的原因。比如在值班过程中, 主用发射天线的接收频谱信号电平和载噪比突然跌落, 单靠这一频谱信息, 值班员很难快速判断是发射天线天馈线系统故障还是卫星故障。
目前, 广东卫星地球站拥有多副不同口径卫星接收天线, 这些天线接收的频谱信息有着各自的特点:主用发射天线接收频谱反映了上行发射天线的性能指标和工作状态如指向性等重要信息;小口径天线接收频谱能灵敏地反映信道的优劣情况;异地天线接收频谱是判断地面干扰的依据;自环耦合频谱是取自连接高功放的上行波导测量耦合口信号, 可反映播出系统运行情况。而且接收频谱中信号电平和信噪比是从接收站角度判断干扰的重要参数, 再配合卫星信标电平检测, 是判定空间异态性质的一种简单和有效的方法。
因此, 在实际工作中, 把上述频谱的电平、信噪比以及卫星信标电平等重要参数进行综合分析比对, 对于快速查找卫星传输信道干扰原因, 有着重要意义。
又随着多路频谱信息的接入, 计算分析数据量徒增, 在系统设计中必须解决数据采样、算法效率等问题。针对这些问题, 笔者除采用了多线程并行运算外, 还采用系列简单有效的采样方式和新算法。例如在频谱电平、载噪比越限的判断中, 采用了中心频率固定采样点与门限值的比对算法, 提高了运算速度和稳定性。
3.2 多路卫星电视信号频谱监测系统的界面
基于以上思路, 根据我站的设备资源, 笔者选取了发射天线自环耦合、主用12m天线、2m天线、异地天线的接收频谱信息和对应各副天线的卫星信标频谱信息作为系统判断依据。并设置每路接收频谱信号电平和载噪比、卫星信标电平的上下门限值。图2为系统界面。
3.3 干扰的判断逻辑
在多路卫星电视信号频谱监测系统中, 每路接收频谱的信号电平、载噪比以及卫星信标电平先和门限值比较, 软件分析这些参数的变化趋势, 然后进入逻辑判断程序, 判断出具体的干扰类型, 并作出告警, 提醒值班员。
具体判断逻辑为:当自环耦合信号不正常时, 作出“上行设备故障”告警, 否则进入三副天线 (12m、2m、异地天线) 载噪比判断, 如载噪比均正常, 系统判断上行传输正常, 程序返回;如载噪比均下降则进入三副天线信号电平的判断, 这里判断三种状态:1、如信号电平均上升, 作出“上行同频干扰”告警;2、如信号电平均下降, 则对三副天线信标电平进行判断, 并根据各天线信标电平的不同状态甚至全部消失, 系统分别作出“天馈线故障”、“雨衰”或者“卫星故障”的告警;3、如三副天线信号电平波动, 继续对天线信标电平进行再判断, 确定是否“电离层闪烁”。然后程序返回, 准备再一轮循环判断。这样, 系统对这些卫星传输信道干扰类型作出判断。
系统除对多路频谱综合干扰识别外, 对其他频谱参数异常 (如单路频谱参数异常) 进行个别参数异常报警。图3为逻辑判断流程。
4 结束语
多路卫星电视信号频谱监测系统在广东卫星地球站的一年多实际运用中, 在上行同频干扰、电离层闪烁、天馈线故障等卫星传输信道干扰中均作出快速、有效、可靠的分析判断, 让值班员及时采取应对措施。笔者将继续对系统的软硬件进行完善, 包括引入更多的频谱信息, 修改、完善逻辑判断程序, 开发Android系统手机远程监控客户端, 开发GSM短信报警等等, 让多路卫星电视信号频谱监测系统成为保障卫星广播电视安全播出的利器。
参考文献
[1]陈燕莉.卫星频谱综合监测和干扰识别系统的设计与实现[J].广播与电视技术, 2013 (9) :118-122.
[2]刘洪才.广播电视卫星数字传输技术[M].北京:中国广播电视出版社, 2003.
卫星信号模拟器的应用研究 篇4
1 GP S卫星信号模拟器
GPS卫星信号模拟器的设计思路:根据物体的运动, 分析其运动的规律, 用GPS接收其发出的信号, 对接收机的定位功能进行测试。该模拟器可以在某个时间, 同时接收多个卫星发出的信号, 并根据对这些信号的判断, 判断卫星所在的位置与坐标, 以及与接收机之间的距离。而随着卫星位置与距离的改变, 预判的卫星到达时间也会随之改变。所以, 模拟器的很多工作模式都是, 模拟器接收处于不同位置及动态卫星发出的信号, 通过信号的时延、衰减等, 调整控制模块, 改变信号。当模拟器的仰角只有5°时, 它可以接收到12颗卫星发出的信号, 通道数目最多为12个。它有以下功能:可验证接收机可以追踪卫星的发出的信号, 不管卫星在哪一地区, 或是不同的速度与加速度, 并且, 它还可以根据卫星运行轨迹的变化, 精准定位。另外, 因为信号传输会产生不同的信号比, 该模拟器可以在不同的情况下, 捕捉到信号, 对信号进行跟踪。
GPS卫星信号模拟器主要分为两部分, 分为软件和硬件。软件中, 仿真控制是保证其运行的核心, 会记录卫星的星历, 改变用户的状态等, 控制硬件的运行, 而硬件则会读取软件内的信息, 并根据这些信息处理信道中的内容, 做扩频调制处理, 把接收到信号变成一个中频信号波形, 从而确定卫星的位置。
2 卫星导航信号模拟器
以GPS卫星信号模拟器技术为基础, 研发出来的卫星导航信号模拟器技术, 可以让研究人员对芯片与终端进行测试, 测试其是否具有可行性。这一模拟器可以对一个系统进行检测, 同时也可以多个系统进行检测, 它模仿出卫星运动轨道的同时, 也可以建立一个与之对应的终端的运行轨道, 模仿它的运动状态。除此之外, 它还可以根据卫星运动的特点, 预先设定轨道, 让其变成一个卫星导航模拟信号, 或是接收计算机做出的模拟信号, 根据现有的载体, 以及影响卫星运动的多种因素, 模拟出卫星运动的不同场景, 把模拟的影像放在三维立体空间内, 制作出卫星运动的形态及动画, 给出模拟信号。信号模拟源给出的信号有明显的特征, 从中可以发现信号传播后产生的反应。
从以上内容可以分析出, 卫星导航模拟信号可以根据不同载体的特点, 模拟出其发出的信号, 并运用这一信号完成测试, 具有很强的信号仿真能力, 以及可操作性。其优势是包括以下几点:
首先, 可控性与可重复性, 可控性是指检测人员可以根据实际情况调整各项误差, 或者是在检测途中关闭某颗卫星的发出的信号。而可重复性是说能够多次以同一种环境和条件对终端进行测试。
其次, 广泛性与信号可用性。广泛性是指其可以在不同的动态中, 模拟卫星运动的动态, 完成终端测试。信号可用性主要针对空间导航系统来说, 它可以接收在建或是已经建成导航系统的信号, 加以应用。
最后, 节约成本是说用模拟器完成测试, 可以减少人力、物力的消耗, 减少使用的成本, 提高工作效率。
3 多通道卫星信号模拟器
多通道卫星信号模拟器的工作原理:该模块工作时, 会通过三个模块完成工作, 分别是导航电文的生成、C/A码发生器以及载波生成。首先, 系统会通过第一个模块, 生成导航电文, 把确定的动态距离变成动态测距码, 改变载波。接着, 把生成的这些数据用不同的内容用相乘的方式变成信号, 最后把信号输出。其主要采用的软件是VC++6.0, 硬件则是EPGA技术, 这两种技术的结合, 可以让模拟器与计算机建立连接, 通过计算机的操作控制模拟器的各项操作, 有稳定的性能, 并且, 它还可以测试卫星信号在多普勒效应下的变化, 可以推出一种高动态的信号源。
4 结语
综上所述, 卫星信号模拟器的应用分为很多方面, 比如GPS卫星信号模拟器、卫星导航信号模拟器、多通道卫星信号模拟器等, 这三种模拟有各自的工作原理与优势, 可以体现出卫星信号模拟器应用的广泛性, 以及应用行业的特殊性, 都表面了它具有的优势, 推进航空科研工作的进行, 加快航空事业的建设, 促进其发展。
参考文献
[1]刘丽丽, 王可东.卫星信号模拟器研究现状及发展趋势[J].全球定位系统, 2012, 03:58-62.
[2]任鹏飞.浅谈卫星导航信号模拟器的应用[J].卫星与网络, 2012, 09:58-59.
卫星信号传播 篇5
中频模拟信号经过A/D采样后将数字信号送入FPGA进行基带数字信号处理，在FPGA和DSP内完成数字下变频、捕获、码跟踪、载波跟踪等过程，最终实现卫星信号的解扩解调。在实际应用中，需要设计多个通道对多颗卫星同时进行跟踪，才能获得解算结果。
1 硬件设计
硬件平台用FPGA芯片和DSP芯片作为主处理器，主处理器之间可以互相通信。经过AD采样后的信号直接进入FPGA，此后所有对信号的处理均由软件来实现。如此可以充分利用FPGA和DSP的重复烧写及在线调试能力，尽量减少对其他硬件的依赖程度，从而增加了平台的灵活性。另外，每片DSP都外接了Flash和SDRAM。由于Flash掉电数据不会丢失，可以在Flash内保存程序及数据，而外接的SDRAM是DSP的扩展Ram，当DSP运行大型程序以致DSP的内部Ram不够用时，可以将程序放到外接的SDRAM内运行。
2 软件设计
信号处理模块框图如图1所示，捕获模块和通道的跟踪环路占用FPGA和DSP。整个跟踪环路包括五个部分：FPGA内的下变频模块，通道模块，通道控制器和DSP接口模块，以及DSP内的码环、载波环。
AD采样后的信号首先进入数字下变频模块，下变频输出的基带I/Q信号直接进入捕获模块和各个通道(跟踪模块)。各个通道的数据通过DSP接口被送到DSP, DSP和FPGA之间的数据传输通过中断的方式来完成。DSP完成鉴频鉴相及滤波运算后将结果反馈回FPGA。图中各个通道通过通道控制器共用一个捕获模块。
3 多通道设计
多通道的设计总体包括两个部分：多通道的控制和各个通道数据的传输。一种简单的多通道控制方法就是采用多个并行通道的设计，各个通道有各自独立和完全一样的功能模块，包括捕获模块，这种并行结构的设计不需要额外的通道控制逻辑，各个通道独立工作，不受干扰，尤其在捕获时各个通道可以同时工作，减少捕获时间。但是这种方法需要很大的硬件资源，尤其是在捕获算法很复杂时，捕获模块的资源占用最大。因此，在硬件资源有限的条件下，这种方法资源分配的不合理性使得实现这种结构不实际。在实际设计时，由于捕获模块需要占用整个FPGA的资源，因此只能采用捕获模块共享的结构，如图1所示，各个通道通过一个通道控制器共用捕获模块。这种结构下，各个通道的捕获是串行的方式，因此捕获时间为并行结构的N倍。
4 中断处理设计
由于跟踪环路的鉴频鉴相算法都是在DSP内运行，因此FPGA需要将通道的累加值及时发送到DSP, DSP运算结束后又需要及时将结果反馈回FPGA，这个过程需要用中断的方式来实现。传统的中断处理方法分为独立请求法、菊花链法和软件轮询法3种。独立请求法的方式给每个设备一个中断请求线，当有几个设备同时请求时，经判优逻辑选择一个优先级最高的中断请求，并形成对应的中断向量，通过数据总线送到处理器。菊花链法和软件轮询法都只需要一个中断请求线，处理器检测到中断请求信号后，根据优先级，分别通过硬件和软件的方法来选择中断请求设备。本课题选用的DSP处理器只有4个外部中断，而FPGA共有多个通道。因此，给每个通道分配一个中断请求线的方法不可行。另外，多个通道的数据到达时间间隔虽然固定，但是各个通道之间的数据到达时间并没有固定关系。综合考虑，本课题采用每个通道在积分累加结束后将累加值存入对应的相关峰值寄存器，DSP每隔时间T响应中断，并读取多个通道的相关峰值，运算结束后依次写入FPGA内的反馈寄存器。相关峰值寄存器的更新率和中断速率相同，但是两者并不同步;另外12个通道的数据更新也不同步。这里相关峰值寄存器组有类似双口Ram的功能，所不同的是该寄存器组的所有寄存器可以同时写入数据。
5 结论
可以根据实际来增加或删减通道达到相应的功能需要，用此种方法可以同时多通道稳定跟踪卫星信号，为后续的解算提供稳定的数据。
摘要：在设计卫星导航接收机时, 需要同时对多颗卫星实时跟踪才能获得最终的导航结果, 这就要求对每颗卫星都要有一个处理通道。本文提出了一种在FPGA和DSP的硬件开发平台上设计多通道跟踪环路的方法, 以及设计中断控制器来实现FPGA和DSP数据交互接口, 从而实现卫星信号的跟踪。
关键词：多通道,卫星信号,跟踪,中断
参考文献
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浅谈卫星信号监测和干扰定位方法 篇6
从上个世纪九十年代开始, 卫星通信事业进入了快速发展阶段, 许多国家都投入了大量精力致力于卫星通信研究。但是在卫星通信大发展的同时, 卫星通信系统受到的干扰也与日俱增。据联合国卫星事业署的统计信息, 最近几年的卫星通信系统受到干扰的频次呈上升趋势。在我国, 卫星通信系统也遇到了同样的问题, 因此, 为了防止卫星通信系统受到干扰, 保证卫星信号通信质量, 卫星信号监测和干扰定位技术应运而生。卫星信号监测和干扰定位技术, 不但有利于防止卫星信号受到干扰, 同时可以对卫星信号的传输进行有效的监测, 对卫星信号进行准确定位, 保障通信质量, 提高通信精度。目前, 卫星信号监测和干扰定位技术, 在多个国家都开始了研究和应用。
卫星信号监测和干扰定位技术的概念是:利用测量时间差定位技术与测量方向定位技术, 对卫星信号进行实时的监测和干扰定位。其中测量时间差定位技术主要是依靠卫星信号的传输先后达到时间来对信号进行监测;测量方向定位技术, 可以实现对卫星信号的传输方向进行准确定位, 能够锁定卫星信号的传输方向, 做到有针对性的测量。卫星信号监测和干扰定位技术, 能够一定程度的减小测量误差, 能够达到极高的测量精度, 因此, 卫星信号监测和干扰定位技术具有非常好的应用前景。
2 我国的卫星信号监测和干扰定位站的建设情况
目前我国的卫星信号监测和干扰定位技术主要通过建设卫星信号监测和干扰定位站实现。我国的卫星数量在全球位于前列, 要想保证对所有的卫星信号进行监测和干扰定位需要建立大量的卫星信号监测和干扰定位站。目前我国的卫星信号监测和干扰定位站在建设过程中, 保存了大量有价值的卫星信号监测和干扰定位数据, 对进行卫星信号监测和干扰定位提供了技术支持。但是我国的卫星信号监测和干扰定位站在建设和使用的过程中, 还存在一些需解决的问题。
⑴卫星信号监测和干扰定位站应该对监测数据建立专用数据库, 方便查阅卫星信号监测和干扰定位数据。目前卫星信号监测和干扰定位站对于监测到的数据, 形成了纸质文档原始记录, 和电子文档备份的存储形式。由于卫星信号监测和干扰定位测量的数据多而繁杂, 必须对其进行系统化管理, 以便达到对数据进行有效的分析和整理。而现有的存储形式, 使得每次查找监测数据的难度都很大, 不但浪费了人力资源, 还无法对监测到的数据进行综合的分析整理。所以, 目前我国的卫星信号监测和干扰定位站急需建立专用数据库。
⑵卫星信号监测和干扰定位站对卫星信号的监测和干扰定位应该建立专项的操作制度, 及时与国际测量标准接轨, 增强实际的监测和定位针对性。目前国际上对卫星信号监测和干扰定位的测量标准更新的很快, 不定期的对各项测量参数和具体测量方法进行更新。而我国的卫星信号监测和干扰定位的监测, 具有一定的偶然性, 没有形成专项的测量机制, 缺乏专项的操作制度, 导致在测量的时候测量方式滞后, 不能对运行到我国上空的别国卫星信号进行有效的监测和干扰定位。
⑶卫星信号监测与干扰定位站与国外的卫星信号监测与干扰定位站应该开展合作, 共享监测信息和数据没有实现信息, 以免卫星信号监测与干扰定位工作存在重叠和交叉, 浪费了人力资源和监测资源。
3 卫星信号监测和干扰定位方法
卫星信号监测和干扰定位主要是采用监测和干扰定位技术, 利用监测和干扰定位站, 对卫星信号进行监测和干扰定位。这种监测和干扰定位技术的测量手段是对卫星信号的频谱数据进行测量。而对卫星信号干扰定位主要是通过无线电追踪技术, 锁定卫星信号干扰源的位置, 释放反干扰电磁波来消除对卫星信号的影响。卫星信号监测和干扰定位站的作用是为卫星信号监测和干扰定位提供技术平台和监测定位环境, 使卫星信号监测和干扰定位能够得以实施。进行卫星信号监测和干扰定位, 要从以下几个方面开展实施:
3.1 对卫星信号发射装置进行实时监测
要进行卫星信号监测和干扰定位, 就要对卫星的信号发射装置进行实时监测。这种监测不但是为了保证卫星信号的发射环节畅通, 也是卫星信号发射的自身要求。在卫星信号监测和干扰定位的过程中, 对卫星信号发射装置的实时监测是整个监测的第一环节, 关系到是否能够为后续监测过程提供准确的监测数据。对卫星信号发生装置进行实时监测的时候, 需要针对卫星信号发生装置的频谱信息进行测量, 每次测量完毕, 都需将频谱信息数据用专用的记录表格随时进行记录。记录完成后要对频谱信息进行分析和整理, 看信息数据是否在正常的范围内, 如果频谱信息出现异常的话, 要马上分析异常信号的类型, 判断是否属于异常信号, 如果是异常信号的话, 就要马上查找干扰的来源, 确定干扰的目的和类型。如果是遇到恶意干扰的话, 就要马上采取屏蔽措施, 保证卫星信号发射装置的信号正常发射, 保证信号不受干扰正常传输。所以, 对卫星信号发生装置的实时监测非常重要, 通过对卫星信号发射装置的频谱监测, 保证我国的卫星能够正常工作。
3.2 对整体卫星状况和卫星信号传输过程进行准确监测
现在我国上空的卫星除了我国自有的卫星, 还有许多其他国家的卫星, 要想对我国的卫星进行卫星信号监测和干扰定位, 不仅要熟悉我国的卫星状况, 也要对我国上空的其他国家的卫星有全面的了解。卫星的轨道资源是有限的, 要对卫星进行信号监测和干扰定位的时候, 也要对卫星的轨道资源做一定程度的了解, 利用信号监测的空档期对卫星轨道资源做以调查和了解。在进行卫星信号监测和干扰定位的时候, 必须要对整体卫星状况做全面的了解, 要知道卫星信号监测和干扰定位站上方都有哪些卫星, 都能监测到哪些卫星, 什么时段出现什么类型的卫星, 对这些基本信息都要掌握。只有这样, 才能对卫星信号进行准确的监测, 才能选择合适的监测时机。对卫星信号传输过程进行监测的时候, 需要选取固定的监测时段, 选取卫星信号的监测节点, 保证所监测的卫星信号具有普遍性和代表性, 能够真实反映卫星信号传输的整个过程。因此, 对整体卫星状况和卫星信号传输过程进行准确监测, 是进行卫星信号监测和干扰定位的重要环节。同上一方面一样, 都需要扎扎实实的做好, 保证顺利完成卫星信号的监测和干扰定位工作。
3.3 对地面的干扰源进行准确定位
进行卫星信号监测和干扰定位的时候, 干扰定位主要指的就是对地面的干扰源进行准确的定位。对地面干扰源的准确定位, 可以迅速对干扰信号予以屏蔽, 并找出干扰源, 对干扰源进行调查。如果干扰源是合法的无线电信号发射机构, 则与其沟通协商, 制定具体措施, 避免对卫星信号的长期干扰。如果经调查干扰源是非法的无线电发射机构, 则直接予以取缔。在我国, 对于无线电发射和接收是有明确规定的, 不允许非法的无线电发射和接收机构存在, 所有的无线电发射和接收结构必须在国家无线电委员会备案。因此, 要想排除卫星信号的干扰, 就必须对干扰源进行定位。从干扰源上来讲, 除了地面干扰源之外, 还存在卫星和卫星之间的互相干扰。但是卫星与卫星之间的干扰通常不经常发生, 除非是别国有目的的发射了干扰卫星, 否则出现的几率不大。所以, 对地面干扰源的准确定位尤其重要。所以, 要想做好卫星信号监测和干扰定位工作, 就要对地面的干扰源进行准确定位, 彻底清查地面干扰源, 保证卫星信号不受干扰的顺利传输。
3.4 建立完善的卫星信号监测和干扰定位工作机制
进行卫星信号监测和干扰定位工作, 只依靠上面的技术手段是不够的, 还要建立完善的卫星信号监测和干扰定位工作机制, 建立完善的操作制度, 保证卫星信号监测和干扰定位正常开展, 有序进行。目前我国的卫星信号监测和干扰定位工作还存在许多不足之处, 要想提高卫星信号监测和干扰定位工作的质量, 必须要对现有的工作制度进行完善, 建立健全的卫星信号监测和干扰定位工作机制。具体完善措施包括: (1) 建立具体测量人员与频率协调人员的沟通机制, 保证具体测量人员与频率协调人员相互交换有价值信息, 减少重复工作, 提高测量信息的使用率。 (2) 建立完整的卫星信号监测和干扰定位测量数据库, 方便对测量的信息进行检索和查找, 实现对测量数据的分析和整理。 (3) 对卫星信号监测和干扰定位中测量到的外国的卫星信号的监测数据, 要加强与国外机构的资源共享, 换取国外机构对我国卫星信号的监测数据, 使测量数据发挥共享价值。此外, 加强与国外机构的合作, 还有利于提高我国的卫星信号监测和干扰定位的水平, 有利于开展卫星信号监测和干扰定位工作。
4 结论
我国的卫星信号监测和干扰定位工作是保证卫星数据通信的一项基础性工作, 所测量的数据对卫星信号传输具有重要的参考价值, 能够促进我国卫星数据通信工作的健康有序发展。二十一世纪的今天, 国与国之间的较量已经从地面、领海、领空向外太空发展, 谁抓住了太空发展的先机, 谁就将在竞争中处于优势地位。而太空的竞争就是卫星级数的竞争, 就是航天技术的竞争。随着我国综合国力的提升, 我国需要在太空竞争中的话语权, 而我国卫星事业的进步, 为我国的太空竞争增加了筹码。由于卫星轨道资源是有限的, 想要争取更多的轨道资源, 就要发展好卫星事业, 而卫星事业中, 进行卫星信号监测和干扰定位是重要环节。所以, 卫星信号监测和干扰定位对于我国发展卫星事业, 争取更多的卫星轨道资源具有十分重要的现实意义。因此, 我们必须要搞好卫星信号监测和干扰定位工作, 明确其工作目的和工作意义, 发挥好卫星信号监测和干扰定位站的作用, 为我国的卫星事业做出更大的贡献。
摘要：随着我国的综合国力的整体提升, 我国的航天技术取得了长足的发展, 卫星技术得到了极大的关注。我国作为航天技术强国, 近些年一直致力于卫星技术的研究, 目前对卫星信号的监测和干扰技术, 都处于世界先进水平。在目前的世界多极化发展趋势中, 太空领域和电磁空间已经纳入到了国家安全的领域之中。国家也提出了加强太空和电磁空间建设的战略, 指出了对太空和电磁空间这部分国家安全领域要有足够的重视。目前我国的卫星信号监测和干扰定位, 主要依靠卫星信号监测和干扰定位站来实施。本文讨论了卫星信号监测和干扰定位站的建设, 重点介绍了如何进行卫星信号监测和干扰定位。
关键词：卫星信号,监测,干扰定位
参考文献
[1]周鸿顺.卫星干扰源的定位技术和手段[J].中国无线电管理, 2001, (7) :32-33.
[2]岳炳良, 王坤.卫星通信对抗初探[J].现代军事通信, 2001, (4) :28-30.
卫星信号模拟器技术研究动态分析 篇7
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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