熱備件平時與工作裝置(主用裝置)一起存放於地球站收發裝置線上機櫃中，與主用裝置一同構成二備一工作模式，當主用裝置出現故障時，只需通過裝置面板本地控制或監控臺遠端控制進行主備切換，即可完成熱備件的取用；對於離線的冷備件，系統採用以下取用策略：(1)系統某主用裝置單元故障報警，通過本地控制/遠端控制方式進行主備切換，恢復系統正常工作狀態；(2)利用備件管理系統查詢倉庫中相應故障裝置單元的完好備件餘量，並列印顯示完好備件存放位置和相關資訊；(3)若有餘量且備件效能檢測系統中也有相應備件，則率先從備件效能檢測系統中取出相應備件進行更換，恢復系統雙機熱備工作模式，同時從倉庫中取出一個相應備件單元放入備件效能檢測系統中，恢復備件效能檢測系統的完整性，並記錄更換資訊；(4)若有餘量但備件效能檢測系統中無相應備件，則根據具體資訊從相應庫位中選擇一個備件進行更換，恢復系統雙機熱備工作模式，並記錄更換資訊；(5)替換下的故障單元放入備件效能檢測系統進一步確認故障狀態和進行故障定位分析，然後做好標記，再存入專門的故障裝置倉庫中，同時進行故障單元的入庫登記；(6)若無可用備件，則修改系統對應故障裝置單元的熱備件狀態以及系統對應的該裝置單元的雙機熱備工作狀態，上報備件缺少情況，以便及時採購進行備件補充。
2備件效能檢測系統
基於上述備件維護管理策略可知，要實現地球站收發裝置備件的離線效能檢測，擬設計構建備件效能檢測系統，以對備件效能的長期穩定性進行測試與維護，使更換備件的上線成功率達100%，確保更換備件的可用性和可靠性，從而為衛星通訊系統的連續穩定執行提供可靠保障。地球站收發裝置的備件分為系統級備件和部件級備件，其中系統級備件是指具備整合為有線閉環測試系統條件的備件，部件級備件是指不具備整合為有線閉環測試系統條件的備件。依據收發裝置的備件分類情況，可將備件效能檢測系統分為系統級備件效能檢測系統和部件級備件效能檢測平臺，組成框圖如圖1所示。
2．1系統級備件效能檢測系統
備件效能檢測系統是針對具備整合為有線閉環測試系統條件的備件進行測試的平臺，其設計思想是：利用資訊產生器及模擬轉發器將地球站的傳送鏈路和接收鏈路的部分零散備件整合為一個自發自收的有線閉環檢測鏈路，用來完成系統級備件的加電測試，並通過監測環路時延值達到對備件的檢查與維護，確保更換備件的可用性和可靠性。同時，可完成返修裝置及新增裝置的驗收考核測試、新進人員的業務培訓、模擬故障處理演練等任務，具體組成框圖如圖2所示。
2．2部件級備件效能檢測平臺
部件級備件效能檢測平臺是針對不具備整合為有線閉環測試系統條件的備件進行測試的平臺，其設計思想是：利用訊號源、頻譜儀、向量網路分析儀、邏輯分析儀、功率計等測試儀器對零散的部件級備件進行定期檢測維護和指標測試，以確保部件級備件的可用性和可靠性。同時，可作為新購置備件的驗收測試平臺，具體組成框圖如圖3所示。
3備件管理系統
3．1備件管理系統的體系結構
對於地球站收發裝置的備件裝置的管理，傳統的管理方法是直接將備件裝置放入庫房，需要時人工從繁雜的備件裝置中查詢需要更換的備件裝置，費時費力且延誤備件上線時間，降低了系統不間斷執行的可靠性；並且在系統備件狀態發生變化時，表格記錄形式無法得到及時更新，容易造成管理上的混亂。因此，為提高備件的使用效率，解決備件分散和備件存取造成的管理混亂等問題，本文建立備件管理系統，通過構建備件資訊資料庫，設計實現備件出入庫管理和備件檔案管理流程，實現備件裝置資訊的科學管理，併為地球站裝備管理和採購提供資料支援。備件管理系統的體系結構如圖4所示。
3．2備件管理系統的功能模組
本文從系統實用性出發，對訊號收發備件管理系統進行需求分析，將系統功能模組劃分為基本資訊管理、備件庫存管理、備件計劃管理、使用資訊管理、查詢統計管理、系統資訊管理等幾個部分。系統各模組的功能如下：(1)基本資訊管理基本資訊管理用來設定系統的基礎資料資訊，如使用者資訊、備件資訊、備件供應商資訊、倉庫及庫位資訊等，以便為其它的管理模組提供一個統一規範的基礎性資料，並且方便系統的維護。(2)備件庫存管理備件庫存管理是備件管理系統最為重要的管理模組之一，該模組涵蓋了備件從入庫到出庫之間的全部業務流程，主要實現對備件入庫管理、備件出庫管理、備件檔案管理、庫存備件明細、庫存備件彙總以及庫存報警等的管理。(3)備件計劃管理備件計劃管理主要實現備件採購計劃工作中的備件計劃、備件需求統計等功能。(4)庫房管理庫房及存放櫃管理是對備件存放的直接對映，通過庫房資訊以及備件存放位置的資訊，方便快捷地將備件定位到庫房存放櫃中，解決了原始的紙面記錄或無庫存記錄造成的弊端。(5)使用資訊管理使用資訊管理主要記錄備件上機使用情況，為合理採購備件，提供了第一手資料。(6)查詢統計管理查詢統計管理可提供靈活多樣且直觀的查詢統計方式，統計出的資料準確可靠，使用者可以通過統計彙總出各個備件的庫存、維修、使用等資料，為領導決策提供依據。(7)系統資訊管理系統資訊管理主要完成對訊號收發備件管理系統的使用者資訊和使用者密碼修改的管理。
4結論
本文取得的研究結果為地球站收發裝置的備件效能檢測、故障單元備件合理更換以及備件的系統化管理提供了一套科學有效的解決方案。根據系統傳送鏈路和接收鏈路的特點，利用零散備件設計形成閉環檢測鏈路，對備件進行效能維護測試，確保了更換備件的完好性，提高了系統的可靠性；研製設計的備件管理系統對所有備件進行系統化管理，方便備件的查詢和及時補充，大大提高了衛星通訊系統的維護效率，為系統的穩定可靠執行提供了重要保障。同時，本文研究的備件維護管理策略、備件取用策略、備件管理方案等成果，具有廣闊的應用前景和推廣價值，可推廣應用於其它衛星系統中。
論文摘要：低軌道（LEO）衛星移動通訊系統是衛星距離地面500～1500km，執行週期2～4小時的衛星通訊系統。銥系統、全球星系統及系統是地軌道衛星移動通訊系統發展最快的範例。LEO衛星移動通訊系統具有廣闊的發展前景
1LEO衛星移動通訊系統的特點
低軌（LEO）衛星移動通訊系統與中軌（MEO）和靜止軌道（GEO）衛星移動通訊系統比較，具有以下特點：
1.1由於具有更小的訊號衰減和更低的傳播時延，低軌衛星通訊系統更有利於實現個人全球通訊。LEO系統的路徑傳輸損耗通常比GEO低幾十分貝，所需發射功率是GEO的1/200-1/2000，傳播時延僅為GEO的1/7~1/50，這對於實現終端手持化和達到話音通訊所需要的延時要求是十分有利的。
1.2蜂窩通訊、多址、點波束、頻率複用等技術的發展為LEO衛星行動通訊提供了技術保障。
1.3由於地面移動終端對衛星的仰角較大，天線波束不易受到地面反射的影響，可避免多徑衰落。
1.4它在若干個軌道平面上佈置多個衛星，由星間通訊鏈路將多個軌道平面上的衛星聯接起來。整個星座如同結構上連成一體的大型平臺，在地球表面形成蜂窩狀服務小區，服務區使用者至少被一個衛星覆蓋，使用者可隨時接入系統。
1.5由於衛星的高速運動和衛星數目多，也帶來了多普勒頻移嚴重和星間切換控制複雜等問題。但不管怎樣，低軌衛星移動通訊系統的上述特點對於支援實現個人通訊是有巨大吸引力的。
2LEO衛星通訊系統使用者切換的一般過程
低軌衛星移動通訊系統中，由於衛星的高速運動，使得它的波束覆蓋區也跟著移動，而波束覆蓋區的移動速度遠大於使用者的運動速度，因此，在LEO衛星移動通訊系統中，切換主要是由於衛星波束移動引起的。
對於衛星移動通訊系統中的呼叫切換，通常經歷這樣一個過程：
2.1使用者週期測量當前使用波束和鄰近波束的導頻訊號或廣播通道的訊號強度的變化，以便確定它是否正在穿越相鄰波束之間的邊界或者處於相鄰波束的重疊區內。
2.2若使用者進入相鄰波束的重疊區，達到切換觸發的條件，將開始啟動切換過程。使用者中止利用當前波束進行通訊，等待分配通道利用新波束進行通訊。
2.3切換過程開始後，需要在新到達波束中為該使用者按照一定的通道分配演算法進行通道分配，並在原先波束中釋放使用的通道；如果採用了波束內切換或通道重安排，則原先波束還須按照呼叫結束後的通道重安排演算法進行波束內的通道優化分配，進行必要的波束內分配。分配完成後，將資料流從舊鏈路轉移到新鏈路上來，完成切換。
3LEO衛星通訊系統使用者切換的種類
低軌衛星通訊系統使用者切換可分為以下型別：
3.1同一信關站和衛星的不同波束之間的切換
目標波束和現用波束在同一信關站和同一衛星內，該切換涉及兩個波束的通道分配和修改同一信關站(不採用星上交換)或衛星(採用星上交換)的交換路由表。
3.2同一信關站不同衛星之間的切換
目標波束與現用波束不在同一顆衛星內、但在同一個信關站範圍內，它涉及兩顆衛星的通道分配；對於採用星上交換的體制，需要改變兩顆衛星星上交換路由表；對於衛星透明轉發的體制，需要修改信關站交換路由表。
3.3不同信關站同一衛星的波束間的切換
目標波束和現用波束屬於同一顆衛星，但屬於不同的信關站，它涉及兩個信關站之間的切換，包括通道分配、改變地面線路連線、位置更新、記費等，對於採用星上交換的衛星還需要改變其交換路由表。
3.4不同信關站不同衛星之間的切換
目標波束和先用波束屬於不同的衛星且屬於不同的信關站，它涉及兩個信關站和兩顆衛星之間的切換，信關站涉及通道分配、改變地面線路連線、位置更新、記費等問題，對於採用星上交換的衛星需要改變其交換路由表。
4LEO衛星通訊系統中使用者切換目標衛星的選擇準則
在低軌衛星移動通訊系統的切換控制中，切換的目標衛星的選擇策略對切換的最終效能也有著直接的影響。因此，根據系統的需要，設計出適合於本系統的切換目標衛星選擇方案至關重要。目前，低軌衛星移動通訊系統中的切換目標衛星選擇策略主要有以下幾種：最近衛星準則、最強訊號準則、最長可視時間準則、最多可用通道數準則、覆蓋時間與仰角加權準則及最小跳數切換準則。
其中，最近衛星準則認為距離使用者終端最近（仰角最大）的衛星能夠提供很好的服務質量（QoS），可從純幾何上對其效能進行分析，也稱為最大仰角準則。採用該準則時，使用者終端在任何時候都選擇能夠為其提供最大仰角的衛星。該準則實現簡單，但一般不會在實際系統中採用，因為它既沒有考慮無線訊號在空中的傳播條件，也沒有考慮網路的執行狀況。強訊號準則是終端在任何時候選擇能夠接收到最強訊號的衛星。擁有足夠高的訊號強度是無線通訊的一個基本條件，可以認為最強訊號衛星準則能夠提供較好的服務質量。
最長可視時間準則又稱為最大覆蓋時間準則。按照這個策略，使用者將利用星座系統執行的先驗知識，始終選擇具有最大服務時間的衛星作為其切換的目標衛星。該準則基於對最小化系統的切換請求到達率考慮，延長了切換後呼叫一直被某個衛星服務的時間，從而可獲得較低的被迫中斷概率。
最多可用通道數準則為：使用者選擇具有最多可用通道數的衛星為它提供服務。該準則出於對整個系統通道資源利用率考慮，以使衛星系統中每個衛星所承載的業務量趨於均勻分佈，避免因某個衛星節點超負荷而失效，從而影響到整個系統性能。應用這個準則時，不管衛星的具體位置，新呼叫和切換呼叫會經歷相同的阻塞率或被迫中斷概率，從而可以避免出現某個衛星超載的情況。
最小跳數切換準則則應用於具有星上路由的情況，策略要求使用者在任何時候都選擇能夠為其提供最少跳數路徑的衛星。在具體實現過程中，通訊雙方週期性檢測其可見衛星中是否有比當前通訊路徑的跳數更少的路徑，如果存在則進行切換，否則繼續使用當前衛星進行通訊。當然，如果通訊雙方的當前衛星出現低於最小仰角（或信噪比）時，也需要進行切換。假定衛星系統使用準靜態路由演算法，路由表項中帶有衛星到衛星的路由跳數，而且其路由資訊隨著網路拓撲變化由系統自動重新整理。
5低軌衛星通訊系統使用者切換與路由
在切換時，由於服務衛星的改變，對於採用星上交換和星上路由的衛星通訊系統，原有路由也需要被重新建立。重建路由有以下幾種方案：全路由重建，部分路由重建，重路由結合擴充套件路由，動態概率優化路由，最小跳數路由。
其中全路由重建衛星切換方案：原有路由完全被新路由代替，該方案得到的新路由仍然是最優化路徑，但其處理時延比較大。
部分路由重建衛星切換方案：當切換髮生時，原有路由被部分儲存，只有變化部分被更新，該方案處理時延比較小，但新生成的路由可能不是最優化路徑。
重路由與擴充套件路由結合：切換後首先進行路由擴充套件，再進行路由優化。以降低延時，但信令開銷增大。
動態概率優化路由：全路由重建節約頻寬，但是擴大了信令資源，需要選擇合適的優化概率P，在頻寬和信令資源之間折中。即並不對所有擴充套件後的路由進行優化，而是以概率P，對一部分路由進行優化，一部分仍保持原擴充套件路由。
最小跳數路由策略：使用者在任何時候都選擇能夠為其提供最少跳數路徑的衛星。通訊雙方週期性檢測其可見衛星中是否有比當前通訊路徑的跳數更少的路徑，如果存在則進行切換，否則繼續使用當前衛星進行通訊。該策略能夠獲得較低的傳播延時和較小的切換頻率，具有很好的系統性能。
參考文獻
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1．1硬體組成硬體部分主要由微控制器主控、監控和切換矩陣3部分組成。微控制器通過識別本控和遠控開關的工作模式，根據串列埠中斷送來的控制訊號對線上工作的裝置進行操作，同時和資料採集器Nport通訊，傳送引數注入指令，監控機按指令將正確引數注入到優先順序最高的備用裝置，完成倒換開關的控制。硬體系統的組成如圖2所示。微控制器是主控部分［7］的核心，主要完成本控/遠控的判斷及主要程式的執行、射頻裝置的倒換以及與監控機的通訊，實現電路的選通、面板顯示等功能。其主要包括微控制器輔助電路、輸入輸出口驅動電路、射頻切換控制資料口、中頻切換控制資料口、4線RS－485串列埠通訊電路、外部指示燈控制電路及電源電路。監控部分通過網口與資料採集裝置通訊，輪詢裝置的當前工作狀態，依據裝置工作狀態向單片機發送調整資訊，並進行引數的注入，實現智慧切換單元的遠端控制競爭－冒險”現象而導致系統崩潰。切換矩陣通過控制元件完成切換控制。開關矩陣中選擇了可控功率大、損耗小的PIN管作為核心控制器件。由於吸收式PIN開關改善了埠駐波，“開”與“斷”狀態下的駐波較好，兼顧系統的穩定性，在此選擇吸收式PIN開關［9］。
1．2硬體電路功能模組根據功能模組劃分，實際電路分為5個模組：CPU介面電路模組、串列埠通訊模組、鍵盤控制模組、液晶驅動模組及PIN開關切換控制模組。①CPU介面電路模組CPU介面電路主要完成電路的控制。電路主要包括晶振電路、外部復位電路、JTAG介面電路及電源指示電路。設計中採用AVR公司的ATMEL6450微控制器，此類微控制器擁有68個雙向I/O口，同時具有64K位元組的Flash，2K位元組的EEP-ROM，4K位元組的RAM，滿足設計需求。②串列埠通訊模組串列埠通訊模組用來完成微控制器與計算機的通訊，實現計算機在遠控模式下對整個切換網路的控制，選用MAX1482器件完成雙工通訊。③鍵盤控制模組設計中選用74C922鍵盤控制積體電路模組，運用12個鍵組合完成所有的設定功能，採用中斷方式實現與微控制器的資料交換和控制。④液晶驅動顯示模組液晶顯示模組選用LCM128645zk模組，該模組主要特點是內帶8000多GB1/2中文漢字字型檔液晶顯示模組，序列/並行兩用介面。設計中採用並行傳輸模式，由指令位(DLFLAG)來選擇8－BIT或4－BIT介面，微控制器配合(RS，R/W，E，DB0．．DB7)完成傳輸動作。⑤PIN開關切換控制模組PIN開關採取自主研製，選用吸收式PIN開關改善埠駐波。通過微控制器的3個I/O管腳直接控制單刀6擲開關，單刀3擲開關則是先通過74HC139譯碼器譯碼，然後通過74LS04後作為中頻PIN開關的控制訊號。
2軟體設計
2．1軟體結構設計智慧切換單元的軟體部分［10］通過對中/射頻切換單元和射頻裝置定期輪詢［11］，經串列埠或網口從硬體獲取資料資訊，將提取到的狀態資訊進行分析、統計綜合、決策，根據優先順序策略控制切換單元和射頻裝置的引數，完成監控和切換。微控制器作為控制核心，通過中斷完成相關功能。不斷查詢中斷口是否有訊號輸入，從而觸發不同動作。微控制器控制的主流程及中斷子程式流程如圖3所示。監控機通過不斷輪詢射頻裝置的工作狀態，驗證線上裝置是否故障。線上裝置故障時，監控機根據備用裝置的優先順序選擇裝置，同時向單片機發出狀態調整訊號，完成裝置倒換後，監控機會對故障進行記錄和壓縮，以備使用者查詢。線上裝置正常工作時，監控機繼續輪詢裝置工作狀態。
2．2各功能模組設計軟體模組主要分為串列埠資料通訊、資料傳輸與儲存、綜合處理和裝置狀態顯示4個模組。①串列埠資料通訊模組通過串列埠伺服器與被控裝置通訊，以輪詢的方式採集各裝置的上報資料，併發送控制命令。②資料傳輸與儲存模組該模組將接收到的裝置上報資料進行解封裝，提取出裝置狀態引數，將其儲存並傳遞給綜合處理模組進一步處理；將綜合處理模組發出的裝置控制命令封裝後送至串列埠資料通訊模組。③綜合處理模組綜合被控裝置的狀態引數，分析得出系統配置狀態，將所有狀態資訊傳送至裝置狀態顯示模組。手動模式下，處理使用者的各種操作，完成使用者管理、裝置控制命令傳送和日誌記錄查詢等功能；自動模式下，當檢測到線上射頻裝置故障時，按優先順序策略控制切換單元實現切換，並設定備份射頻裝置頻率和衰減等引數，完成自動切換功能。射頻裝置切換優先順序策略如表1所示。④裝置狀態顯示模組將各種資訊(系統配置狀態和裝置狀態引數等)以圖形化的方式顯示在軟體的各功能介面上。
3切換策略和邏輯關係
3．1切換策略①射頻裝置切換策略3站射頻裝置之間切換需建立正確的切換機制［12］，避免“競爭－冒險”而導致系統崩潰。預設情況下，各地球站射頻裝置都將一臺設為備用，此裝置的優先順序最高。平時管理中，A站對應射頻裝置1和射頻裝置2，B站對應射頻裝置3和射頻裝置4，C站對應射頻裝置5和射頻裝置6。當A站主用1出現故障時，倒換優先順序2為最高，另外2站的備用裝置也設定響應的優先順序。每一臺裝置對於3個站都具有不同的優先順序，如表2所示。②本控/遠控切換策略從本控狀態切換至遠控狀態後，鍵盤按鍵(除設定鍵)不起作用；從遠控狀態切換至本控狀態後，串列埠進行有選擇性地執行指令，僅對查詢命令迴應當前狀態。
3．2切換的邏輯關係①聯動切換邏輯關係切換矩陣是實現射頻裝置倒換的關鍵部分，矩陣中3個單刀6擲中頻PIN開關和3個單刀6擲射頻PIN開關依據邏輯關係進行動作，實現射頻裝置的主備切換，如表3所示。M1、M2和M3分別表示3個站中頻單刀6擲PIN開關6個管腳的某一個，N1、N2和N3分別表示3個站射頻單刀6擲PIN開關6個管腳的某一個，要保證射頻裝置正常倒換，中頻和射頻PIN開關要實現聯動。②交叉切換邏輯關係在一般情況下，智慧切換單元進行聯動切換，各站終端裝置始終和各站射頻裝置配合使用。但在特殊情況下，需要各站終端裝置與射頻裝置交叉使用，交叉使用的切換邏輯如表4所示。
4結束語
地球站智慧切換單元的引入，合理調配了地球站系統資源，提高了關鍵裝置的使用效率，解決了關鍵環節故障導致衛星通訊系統癱瘓的難題，消除了主備裝置同時故障導致系統崩潰的隱患。同時，智慧切換單元操作簡單，切換迅速，為提高系統穩定性提供了一種便捷高效的解決方案。採用基於優先順序的切換策略，結合射頻裝置頻率和衰減的自動修正，可迅速可靠地實現地球站主備裝置的自動切換。
1.1衛星通訊CDMA技術衛星通訊CDMA技術是根據使用者需要和衛星的特點，用功率控制的手段實現導頻訊號的幅度變化，降低使用者對星上功率的要求，減少多址干擾。衛星通訊CDMA技術可利用多個衛星分集接收資訊實現網路傳遞，大大降低了系統內耗和干擾的出現，改善了上星通訊資訊傳輸的可靠性。衛星通訊CDMA技術具有優越的抗干擾性能、很好的保密性和隱蔽性、連線靈活方便等特點，使之成為衛星通訊中關鍵的技術核心。
1.2衛星通訊MPLS網路體系MPLS網路體系可以將IP路由的控制和第二層交換無縫地整合起來，是目前最有前途的網路通訊技術之一。衛星通訊MPLS體系結構分為使用者層、接入層、核心層三部分，其中，使用者層包括衛星手持移動終端、小型專用區域網使用者、其他網路使用者等。各結構和網路體系將資訊有效繫結、標註和轉發，實現衛星的通訊功能。
1.3衛星通訊的抗干擾技術衛星執行在外太空，電磁環境複雜，統一受到太陽風、強磁暴等空間環境影響，導致出現資訊干擾和資訊失真，衛星通訊的抗干擾技術主要依靠衛星傳輸鏈路中不同的抗干擾裝置和系統完成其功能，抗干擾裝置和系統主要有DS/FH混合擴頻、自適應頻域濾波、猝發通訊、時域適應干擾消除、基於多使用者檢測的抗干擾、自適應訊號功率管理、自適應調零天線、多波束天線、分集抗干擾、變換域干擾消除、糾錯編碼和交織編碼抗干擾技術等。在軟硬體共同的作用下阻斷電磁干擾、過濾雜波、遮蔽訊號汙染、實現程式監視等功能。
2衛星通訊技術的發展趨勢
2.1通訊衛星體積的發展趨勢通訊衛星體積正在向大型化和微型化兩個方向發展。其一，各國把通訊衛星體積建造得越來越大，以便實現高靈敏和強處理能力。其二，各國推出小型通訊衛星，用多顆小衛星組網構成衛星通訊網路代替單顆大衛星，具有方便發射和成本低廉等優點。
2.2衛星移動通訊技術方興未艾衛星行動通訊是指利用衛星實現移動使用者間或移動使用者與固定使用者間的相互通訊。隨著頻譜擴充套件、數字無線接入、智慧網路技術的不斷髮展，衛星行動通訊在向衛星個人通訊方向演進，用手持機可實現方便接入衛星行動通訊網，進行衛星行動通訊。
2.3衛星網際網路技術興起將衛星通訊網路轉化為網際網路中資料上下交換的鏈路，可將電話撥號、區域網等其他通訊鏈路作為上行資料鏈路，還可以將下載和傳輸作為下行資料鏈路，利用衛星的特點實現地面隨時連線網際網路絡。
2.4衛星通訊向寬頻化發展為了滿足衛星通訊系統使用者對大資料量和高負荷的需求，衛星通訊技術已向拓展直EHF頻段發展，擴大頻段的容量，大大減輕現有頻譜擁擠現象，減少受電磁現象影響引發的訊號閃爍和衰落，提高了衛星的抗干擾能力。使衛星通訊部件尺寸和重量大大縮小和減輕，方便衛星搭載更多的通訊裝置。
2.5衛星通訊光通訊化發展衛星光通訊是利用鐳射進行衛星間通訊，達到降低衛星通訊系統裝置質量和體積，提高衛星通訊保密性等目的。
3結語
綜上所述，衛星是一種在高空執行，在獨特角度進行通訊、測量、遙感等諸多科學的研究和服務社會的工作。衛星通訊技術具有通訊容量大、傳輸質量高、覆蓋面積廣、方便組網和抗地理環境制約能力強等諸多優點，成為新時期通訊行業發展的一個主要方向，衛星通訊技術方便建立與外界的通訊聯絡，通過資料、視訊資訊和語音資訊的傳輸實現資訊的交換，增加通訊的能力、提高通訊的質量，滿足不同使用者的差異性通訊需要。衛星通訊技術主要包括：CDMA、MPLS和抗干擾等主要技術，做好衛星通訊工作必須從上述的技術入手，在把握衛星通訊技術發展的大方向的前提下，才能做好衛星通訊的相關工作。
半物理模擬平臺的建立採用。NET環境下應用C#程式語言設計具有Windows風格的人機互動半物理模擬平臺。通過各個模組的點選模擬操作，可以很好地實現使用者對模擬模型的智慧化運動控制，並且在完成模擬運動後，讀取並記錄顯示衛星通訊機動站運動過程的所有狀態位置資訊以及虛擬感測器的測距資料，最後生成模擬動畫，達到直觀的效果，虛擬場景測得的資料最終和真實環境中的實物所得資料進行比較，從而驗證智慧化控制演算法的合理性、適用性。上位機使用者平臺包括虛擬現實展示、DLL呼叫測試、衛星通訊機動站控制器半物理模擬通訊平臺、狀態資訊的記錄與讀取、感測器測距資訊的記錄與讀取，狀態訊號實現衛星通訊機動站的虛擬現實運動動畫的展示，人機互動半物理模擬平臺，如圖2所示。
2衛星通訊機動站動力學模型的建立
Maplesim是一個多領域物理建模和模擬工具，它提供了一個三維視覺化的環境建模以及動畫顯示模擬結果，在這種環境下，可以通過簡單且直觀的方式搭建各種複雜系統的模型，還可以視覺化分析模擬結果。在Maplesim中能將建立好的模型轉換到C程式碼中，可以在其他應用程式和工具中使用此C程式碼。在3D視覺化建模環境下可以快捷、方便且直觀地建立所需要的動力學模擬模型，之後將模型轉生成C程式碼，在VC++環境下編譯C程式碼生成動力學模型的DLL檔案，這樣可以方便其他應用程式的呼叫模擬。本研究基於。NET開發平臺採用C#語言編寫上位機模擬使用者介面，進而對生成的DLL檔案進行呼叫。半物理模擬系統開始執行，給定一個初始時間t0（初始值），每次經過t時間後，對動力學模型DLL檔案進行呼叫，從衛星通訊機動站的動力學模型DLL中輸出第一個狀態訊號，將這個狀態引數傳遞給衛星通訊機動站控制器實物，控制器中對輸入的狀態引數完成控制演算法後將再次發出控制訊號並傳遞給C#軟體環境，再經過t時間，再次呼叫DLL中的動力學模型。此時衛星通訊機動站動力學模型的DLL輸出第二個狀態訊號。如此迴圈反覆執行此過程，如圖3所示，形成了一個閉環的半物理模擬系統。
3半物理模擬系統設計
衛星通訊機動站半物理模擬系統主要由人機互動操作介面、STM32控制器、訊號轉換器、資料採集系統以及PC機中的衛星通訊機動站動力學模型5部分組成。以STM32控制器為核心的衛星通訊機動站半物理模擬系統本身是一個閉環系統，在模擬通訊過程中，由衛星通訊機動站控制器實物發出控制訊號，控制訊號模擬量經過訊號轉換器轉換成數字訊號，再通過USB虛擬串列埠通訊傳遞給PC機，PC機則呼叫WindowsAPI（Windows系統中可用的核心應用程式程式設計介面）對數字訊號進行接收。PC機將接收到的訊號再呼叫C#軟體環境的動力學模擬模型，最後輸出一個狀態訊號。PC機再將輸出的狀態訊號通過WindowsAPI介面傳送出去，狀態訊號經過USB虛擬串列埠傳遞給訊號轉換器。訊號轉換器將狀態訊號數字量轉換成模擬量後傳給衛星通訊機動站控制器，在控制器中完成控制演算法後，重新輸出新的控制訊號。此控制訊號再經訊號轉換器PC機動力學模型的DLL，最終返回狀態訊號，如此迴圈地執行就形成了一個閉環的半物理模擬系統［4-5］，如圖4所示為半物理模擬系統框圖。
4硬體系統的構建
衛星通訊機動站的智慧化控制是一個複雜的運動控制系統，其具有多自由度、多感測器、多驅動器、多運動形態的特點，對衛星通訊機動站在現實運動過程中的多個感測器的輸出模擬量資料進行採集，同時採用SPI串列埠通訊、藍芽無線通訊的方式將資料傳遞給PC機上位機軟體使用者介面，以資料和虛擬動畫相結合的方式直觀地顯示衛星通訊機動站的實時執行狀態。採用ADAS3022資料採集系統採集感測器資料，經ADAS3022的數字介面SPI與MCU選用的STM32晶片內部自帶的SPI通訊，並且可實現內部自帶的ADC（模/數轉換器）進行訊號轉換，再通過HC-05嵌入式藍芽模組與PC機進行通訊，如圖5所示為系統總體設計方案。硬體系統設計了一個完整的5V單電源、8通道、多路複用的資料採集系統，可以整合用於工業級訊號的可程式設計增益儀表放大器（PGIA）［6］。如圖6所示為資料採集系統電路原理圖。資料採集系統主要是以ADAS3022晶片為核心設計的，ADAS3022晶片上具有完整的DAS，它可以以最高1MSPS轉換速率進行轉換，能夠接受的最大輸入訊號範圍最高可達±24.576V的差分模擬輸入訊號。與傳統的資料採集相比，在標準的資料採集方案中都會涉及到訊號緩衝、電平轉換、放大、噪聲抑制以及其它模擬訊號調理等，但是在ADAS3022中則無需這些輔助調理電路。這樣一種高效能的核心晶片的應用，簡化了具有高精密16位資料採集系統的設計難點，降低了成本。此外，在外觀上，它具有更小的外形尺寸（6mm×6mm），40引腳的LFCSP封裝；在效能方面，它可以提供最佳的時序和噪聲效能，工作溫度跨度-40℃到+85℃的工業溫度範圍［7-8］。此電路系統採用ADAS3022、ADP1613、ADR434和AD8031精密器件的組合，可同時提供高精度和低噪聲效能。
5結語
基於PAC的衛星通訊機動站半物理模擬系統研究是聯合控制物件的動力學模擬模型與控制器實物來進行的模擬過程。這種模擬方式可以真實地體現出實物的各項動力學、運動學特性等。一般大型衛星通訊機動站搭建實物模擬較為困難，只能採用半物理模擬，這樣的模擬系統聯合了動力學模型與控制器實物的研究，既可以縮短週期、節約經費、輔助研發，也可以提高模擬系統的可靠性以及穩定性。此應用半物理模擬技術搭建衛星通訊機動站的半物理模擬平臺，目的在於能夠模擬真實的執行狀態，測試各項效能，虛擬現實模擬動畫，驗證智慧化控制和智慧化演算法，對研究衛星通訊機動站的智慧化控制具有一定的理論和實踐意義。
平臺在設計上主要分為兩大部分，分別為Sever端和Client端。它們以資料庫作為中間連線橋樑，如圖1所示。圖1平臺整體架構Sever端程式主要功能是同步資料，衛星通訊系統的GAC記錄檔案由GAC伺服器執行的定時指令碼傳輸至FTP伺服器，Sever端得到GAC記錄檔案後再結合操作人員編寫的頻寬更改檔案，處理後得到通訊機上下線記錄，並錄入資料庫。其中GAC記錄檔案為txt格式檔案，記錄格式為：yyyy/mm/dd－hh:mm:sst＜以“－”分隔的MAC＞t＜info＞，例如2013/04/21－17:24:4400－40－fd－01－4d－04NOTREGISTEREDcausesynchronizationlost。頻寬更改記錄為csv格式檔案，記錄格式為：yyyy－mm－ddhh:mm:ss，＜MAC＞，＜bandwidth＞，＜real_bandwidth＞，＜worker＞，＜serial_no＞，例如2013－07－0705:45:00，0040FD016e7a，2Mbps專用池1，vbdc－2048，張三，50這些資訊經過伺服器端處理過會形成資訊完整的通訊機上下線記錄。Client端程式根據運營需要，對特定或全部通訊機在指定時段的上線時間進行結算，並生成供參考的計費結果，還可以同時生成用於遞交給客戶的臨時用星確認表。
2運營管理平臺的實現
2．1開發環境的選擇程式程式碼的編譯環境為MicrosoftVisualC++2008，它可以高效開發Windows應用，尤其是Office的應用，資料庫採用MySQLSever5．0，其使用的SQL語言是用於訪問資料最常用的標準語言，它有著速度快、體積小、程式碼開源等特點，特別時候想節約成本的中小型企業［4］。另外還需要具有FTP上傳及下載功能的傳輸工具LibCURL。
2．2資料同步演算法設計2Mbps專用池線上時間的計算是本平臺的核心部分。2Mbps專用池是一種總頻寬為2Mbps的捆綁複用模式，同屬於一個池的通訊機，只要有一臺線上就記為該池線上，只有當所有通訊機都下線才記該池下線，該演算法屬於遞迴呼叫，具體計算過程如圖2所示。
2．3平臺的實現流程及記憶體分配Sever端程式首先備份、更名上一次使用的GAC記錄檔案、頻寬更改記錄檔案，然後登入FTP伺服器下載最新的GAC記錄檔案和頻寬更改記錄檔案，再登入MySQLSever建立各資料庫與母表，同時匯入GAC記錄檔案和頻寬更改表，建立通訊機分立頻寬更改表，選出本輪資料同步需要更新的GAC記錄，根據需要進行掉線情況過濾並進行通訊機分立上下線計算及2Mbps專用池上下線計算，最後編譯時間戳記錄檔案LastUpdate．ini並斷開MySQL連線。該段程式用於描述時間的資料型別time_t實際為_int64的64位整數，time_t變數初始化時必須呼叫time(0)賦值為當前時刻的“歷史秒”，即從1970－01－0100:00:00到當前時刻歷經的秒數。tm是一個結構體，包含若干計時單位的序數(年序數以1900年為0、月序數以1月為0、日序數以1日為1)，用於記述相對於從1900－01－0100:00:00到當前時刻歷經的時間。計算兩筆GAC記錄時間差的方法是：從GAC記錄中讀出的時間字串賦值給tm結構體變數，呼叫mktime()函式將兩個GAC記錄時間的tm結構體變數記述的時刻分別轉化為time_t變數，再呼叫difftime()函式將兩個time_t變數的差值計算出來。VC用於處理時間的資料型別豐富多樣，選擇適當的資料型別和處理函式可以事半功倍。MYSQL_RES和MYSQL_ROW是MYSQLAPI內建的資料型別。MYSQL_RES型別變數擔負了SELECT儲存語句查詢結果的任務。MYSQL_RES類變數在使用完成後需呼叫mysql_free_result()進行記憶體回收，而在實際開發中，根據上下文不一定能判定一個MYSQL_RES型別變數初始化(或經上一次記憶體回收)後是否被使用過，而如對初始化後未經使用的MYSQL_RES型別變數進行記憶體回收，可能會引發錯誤導致程式異常退出。經權衡，決定在開發中放棄對MYSQL_RES型別變量回收記憶體的設計，犧牲一定的空間換取可靠性。MYSQL_ROW型別變數實際是二維指標，使用時要特別注意SE-LECT語句的查詢結果究竟有多少列，如果越界訪問使得該二維指標超出查詢結果的列數，會導致程式異常退出。Client端可以查詢資料庫，選出在指定時段內歸屬欲結算專案的通訊機列表，同時查詢在指定時段內欲結算專案的有效租用合同，接著結合計時計費結果的框架將查詢的上下線結果填入表格，並按頻寬小計時長計入臨時資料庫表便可完成計時計費結果檔案。最後讓VisualC++程式控制Word自動化客戶端生成用星確認表，這裡要通過使用OLE－DB(ObjectLinkingandEmbeddingDatabase)技術，它提供了對包括對關係資料庫和非關係資料庫在內的所有檔案的統一介面。自動化客戶端可以理解為模擬人工進行的編輯操作，對編輯目標文件需要進行的操作序列，可逐條列出，然後分解成每一個鍵入(或點選，拖動)的操作，幾乎每一個分解操作，都對應了自動化客戶端程式的一行指令。自動化客戶端的效能卓越，可以在一兩秒內完成數十頁含表文檔的編輯工作。Office的自動化客戶端程式設計中，最常遇到COleVariant和CComVariant兩種資料型別：COleVariant類是對VARIANT結構的封裝，當物件構造時首先呼叫VariantInit進行初始化，然後根據引數中的標準型別呼叫相應的建構函式，並使用VariantCopy進行轉換賦值操作，當VARIANT物件不在有效範圍時，它的解構函式就會被自動呼叫，由於解構函式呼叫了VariantClear，因而相應的記憶體就會被自動清除。CComVariant提供了很多建構函式來對VARI-ANT能夠包含的多種型別進行處理。CComVariant沒有提供針對VARIANT包含的各種型別的轉換操作符，必須直接訪問VARIANT的成員並且確保這個VARIANT變數儲存著期望的型別。
2．4平臺實現介面介紹根據如上所述對平臺的設計思想和方法，利用MFC分別實現出了人機互動的Sever端和Client端，其介面如圖3－4所示。Sever端除了選擇系統類別、開始結束時間功能，主要還能實現清空資料庫、開始同步資料及暫停、備份、還原等功能。Sever端正常都是在執行狀態的，未遇故障時是不停運的。Client端中首先要輸入使用者資訊、裝置資訊、專案資訊及租用資訊，利用“新建”和“刪除”按鈕可新增或刪除這些資訊。在介面的左邊有搜尋功能，只要輸入裝置資訊、專案資訊或租用資訊的關鍵詞就可在下面的列表框裡顯示出相關的資訊。按鈕“匯入頻寬資訊”實際就是匯入上文所說的頻寬更改記錄檔案，匯入成功後便可實現右下角的計時計費功能，把結果以Excel表格形式生成到指定路徑下，還能同時生成Word版用星確認表。
3結束語
本文介紹了衛星通訊運營管理的基本任務，由此給出了運營管理對資料處理的思路和方法，設計出了運營管理平臺，實現了對運營專案的自動化管理，彌補了對衛星頻寬的使用情況只能由人工來核算的缺陷。本平臺在工程應用中已處於試執行階段，需求已經能全部實現，且結果正確可靠。
MAC層有MAC－Idle、MAC－Shared、MAC－DTM、MAC－Dedicated四個狀態［4］。它們之間的轉換圖如下。
1．1MAC－Idle狀態MAC－Idle狀態中不存在TBF，MES監視CCCH上子通道的相關傳呼。MES可能採用DRX(非連續接收)監視CCCH。在MAC－Idle狀態，上層可請求傳輸一個上層PDU(協議資料單元)，這就會觸發在PDCH上建立一個TBF並由Idle狀態轉入MAC－Shared狀態，或者有可能通過RRC流程或者是RLC/MAC流程在DCH上觸發建立一個TBF，MES會在完成建立DCH後由Idle狀態轉入MAC－Dedicated狀態。
1．2MAC－Shared狀態在MAC－Shared狀態中，MES分配無線資源提供TBF用於在一個或多個PDCH上產生點到點連線。TBF用於在網路和MES之間單向傳輸上層PDU。在MAC－Shared狀態，上層可請求傳輸一個上層PDU，這就會通過RRC流程在DCH上觸發建立一個TBF，這將會使MES由MAC－Shared狀態轉入MAC－DTM狀態。當上行鏈路和下行鏈路中的TBF都被釋放時，MES返回到MAC－Idle狀態。當重新配置PDCH到DCH的所有無線承載，釋放完PDCH上所有的TBF並建立第一個DCH時，MES將會由MAC－Shared狀態轉入MAC－Dedicated狀態。
1．3MAC－DTM狀態在MAC－DTM狀態MES將無線資源分配給一個或多個DCH和一個或多個PDCH。在MAC－DTM狀態當所有在PDCH上上行或下行的TBF都被釋放之後，MES進入MAC－Dedicated狀態。在釋放了所有的DCH之後，MES進入MAC－Shared狀態。在釋放了所有的PDCH和DCH之後，MES進入MAC－Idle狀態。
1．4MAC－Dedicated狀態在MAC－Dedicated狀態MES分配無線資源以提供一個或多個DCH(專有通道)。在釋放掉所有的DCH之後，由MAC－Dedicated狀態轉入MAC－Idle狀態，當從DCH到PDCH(分組資料物理通道)的所有無線承載都被重新配置以後，MES將會在釋放完所有的DCH並在PDCH上建立第一個TBF時由MAC－Dedicated狀態轉入MAC－Shared狀態。
1．5MAC層對組呼的支援由於GMR－1系統的MAC層不支援組呼功能，所以要對MAC層做一些改變。我們設計了組呼模組，它和單呼模組是並列的關係。根據邏輯通道的對映和MAC層的狀態來區分單呼和組呼兩個模組通道。組呼工作在電路域，只跟DCH有關，跟PDCH無關［5］。所以在MAC狀態機中加入兩個狀態，分別是MAC－Ready－Gcc(組呼控制)狀態和MAC－Dedicated－Gcc狀態。工作在MAC－Dedicated－Gcc狀態下的主/被叫移動臺，正常接收MACDATA，狀態不變；在釋放掉所有DCH後，由MAC－Dedicated－Gcc狀態轉入MAC－Idle狀態。主叫移動臺發起組呼時，RRC層利用原語引數配置MAC層狀態；接收下行報文時，MAC層根據MAC－Dedicated－Gcc狀態將訊息遞交給上層組呼模組。圖4是主叫使用者的組呼MAC轉移圖。被叫側成員移動臺根據接收到的NCH邏輯通道通知MAC層轉入MAC－Dedicated－Gcc狀態，工作在組呼模組。流程如圖所示。圖5是被叫成員移動臺組呼MAC狀態轉移圖。叢集組呼中，網路要向多個成員移動臺傳送尋呼通知訊息，因此需要採用廣播的方式傳送。我們增添NCH為組呼通知通道。由於系統資源有限，這裡我們借用未配置的CBCH邏輯通道的位置來配置NCH邏輯通道，NCH邏輯通道的突發結構和調製解調編解碼方式與CBCH邏輯通道保持一致。例如，如果BCCH指派CBCH使用第一幀，則NCH使用2、3、4幀，如果BCCH指派CBCH使用第1、2幀，則NCH使用3、4幀，餘此類推。
2MAC層PTT競爭隨機接入回退策略
當組呼講話方釋放組呼上行通道時，講話方使用者在上行DACCH(專有隨路控制通道)通道上傳送“UPLINK_RELEASE”訊息，表明講話完畢。當一個組呼中有幾個使用者要同時講話時，會產生講話權的競爭。組呼成員也可能有不同的優先順序，這時候需要一種競爭策略來解決［6］。以下舉例為組呼通道採用8時隙結構，編碼的話音為2．4kbits/s。網路收到講話方上行通道的“UPLINK_RE-LEASE”訊息以後，在組呼通道的下行通道的DACCH上向所有組呼移動臺傳送“UPLINK_FREE”訊息，表明上行通道空閒，允許新的講話方使用上行通道。需要講話的組呼使用者，在下行通道上收到“UP-LINK_FREE”訊息以後，採用直接強佔和隨機接入相結合的方式，在組呼上行通道傳送“UPLINK_AC-CESS”訊息，訊息被封裝在NT5上，直接搶佔第一幀，隨後的隨機時間選擇為T，回退的最大幀數為F，則T=40ms*F。考慮到2位元的使用者優先順序，讓優先順序高的使用者有較大的概率競爭成功，設使用者優先順序為m，退的次數為n，回退的最大幀數為F，則F=(m+5)*n，其中m=1，2，3;n≥1。
當n=0的時候，四個級別的使用者都搶佔第一幀，此時F=1。使用者優先順序m和回退次數n與回退最大幀數F關係部分如表1所示。下面以使用者優先順序m=0為例，隨後的隨機時間選擇為200ms(5幀)，400ms(10幀)，600m(15幀)，和800ms(20幀)總計2s秒鐘的時間爭用上行通道，方法如圖6所示。按下PTT移動臺，在最初開始的一幀直接傳送“UPLINKACCESS”請求，若有碰撞，隨機佔用之後的5幀之一發送“UPLINKACCESS”請求，若還有碰撞，隨機佔用後續10幀之一發送“UPLINKAC-CESS”請求，還有碰撞，隨機佔用後續15幀之一發送“UPLINKACCESS”請求，一直到，隨機佔用後續20幀之一發送“UPLINKACCESS”請求，任意幀週期，當下行鏈路由“UPLINKFREE”轉換成“UPLINKGRANT”時競爭結束。任何一個按下PTT的移動臺直接搶佔最初的一幀傳送“UPLINKACCESS”，在後續的2秒鐘的時間內又可以競爭上行通道四次，競爭期間，如果收到網路在下行通道上傳送“UPLINK_GTANT”，則競爭結束。
當網路成功收到一個“UPLINK_ACCESS”訊息以後，在組呼通道的下行DACCH通道上傳送“UP-LINK_GRANT”訊息，用於告知競爭成功使用者可以使用上行通道，其它使用者不再進行競爭，直到再次收到“UPLINK_FREE”訊息為止。這裡我們考慮的是有競爭衝突時，保證優先順序高的使用者有較大的概率競爭成功。通過以上的描述，分析計算可得。從公式可以看出，優先順序高的使用者，產生衝突的概率低，這樣就很好的保證了優先順序高的使用者有較大的概率競爭成功。假設一個優先順序為0、3的使用者，其競爭產生衝突的概率曲線如圖7所示。從圖中可以看出，優先順序高的明顯比優先順序低的衝突概率小，當n的取值逐漸變大，p越小，當n為5時，概率幾乎為零了。事實上，n值不能取很大，應為值越大，雖然衝突概率很小，但是從PTT按下到響應這個時延過大，這不是我們所期望的。所以這個退避演算法兼顧了n值不能太大，衝突概率小。
3結語
本文在GMR－1系統基礎上研究了組呼通訊的MAC層一些相關的功能，由於GMR－1系統不支援組呼通訊，在原本的MAC狀態機中加入兩種狀態以適應組呼通訊，中間各種狀態之間的原語操作還有待解決，並且MAC層PTT競爭策略只能解決有衝突時保證高優先順序的使用者競爭成功，要減小衝突的產生，還需其它優化方法。要實現組呼通訊還需要更多的改進和研究，比如RRC層協議研究，組呼標識號等問題。本文的研究為進一步的研究和實現衛星組呼通訊打下理論基礎。
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