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硕士论文基于p s k 卫星通信的水文信息终端设计 摘要 水文遥测技术是利用计算机技术和通信技术对水文要素进行自动采集、传输和处理 的专门技术，为水情预报和防洪调度提供准确及时的水文信息。在水文遥测系统的建设 过程中，由于投资、适用范围及管理渠道的不同，不可避免地形成各式各样的系统，其 最大的差异体现在水文遥测数据传输信道的不同。 论文在对现有的水文测报系统深入研究的基础上，讨论了现有的几种水文数据传输 信道的优点和可能存在的不足，采用了基于p s k 卫星通信的水文信息终端设计方案； 设计了由单片机、串口扩展模块、数据接口模块、g p s 模块、实时时钟模块、调制模块 和混频锁相环模块组成的硬件系统；论文还完成了实现各个模块功能的相关软件设计。 系统选取单片机a t 8 9 s 5 2 作为主控器件，用于接收上位数据采集系统的水文数据，然 后通过调制芯片a d 7 0 0 8 进行p s k 调制，最后通过混频锁相环搬高到4 0 0 m h z 载频上 发送。系统采用节电运行模式和实时时钟定时唤醒的设计解决了功耗问题，还采用g p s 技术实现系统的精准校时，在时间上实现了与监测中心的同步。 关键字：水文遥测，卫星通信，p s k 调制，g p s 授时 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t h y d r o l o g i c a lt e l e m e t e r i n gs y s t e m i sa r te x p e r t i s eu s i n gc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u et oa c h i e v ed a t aa c q u i s i t i o n ，t r a n s m i s s i o na n dp r o c e s s i n g i tc a n p r o v i d ep r e c i s ea n dp r o m p th y d r o l o g i c a li n f o r m a t i o nt or e g i m ep r e d i c t i o na n df l o o dc o n t r o l o p e r a t i o n i nt h ep r o c e s so f h y d r o l o g yt e l e m e t r ys y s t e m sc o n s t r u c t i o n ，w i t ht h ed i f f e r e n c eo f i n v e s t sa n dm a n a g e s ，t h e r ea r ea l lk i n d so fs y s t e mi nt h ep r a c t i c eu s ei n e v i t a b l y i t sb i g g e s t d i f f e r e n c el i e si nt h et r a n s m i s s i o nc h a n n e lo fh y d r o l o g i c a li n f o r m a t i o n t h et h e s i sb a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i so ft h ee x i s t i n gt r a n s m i s s i o nc h a n n e l s o fh y d r o l o g i c a ld a t a , w h i c hh a v es o l v e dt h eq u e s t i o na n dp o s s i b l ye x i s t e di n s u f f i c i e n c y , t h e n a d o p t e das o l u t i o no ft e r m i n a ld e s i g no fh y d r o l o g i c a ls y s t e mu s i n gs a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n b a s e do np s km o d u l a t i o n t h et h e s i sd e s i g n e dt h eh a r d w a r es y s t e ma n ds o f t w a r es y s t e mt o r e a l i z ei t t h eh a r d w a r ec o n t a i n sm c u ，t h eg p s m o d u l e ，t h ee x p a n s i o no fs e r i a lp o r t , t h ed a t a i n t e r f a c e ，t h er e a l t i m ec l o c k , t h em o d u l a t i o nm o d u l ea n dt h ep h a s el o c k e dl o o p t h es y s t e m c h o i c e sa t 8 9 s 5 2a st h em a i nc o n t r o ld e v i c e ，i tr e c e i v e st h eh y d r o l o g i c a ld a t af r o mt h ef r o n t d e t e c t o ra n dm o d u l a t e st h ed a t aw i t hp s km o d u l a t i o nb ya d 7 0 0 8 t h e na d d st h em o d u l a t e d s i g n a lt ot h ec a r r i e rf r e q u e n c yo f4 0 0 m h zb yt h ep h a s el o c k e dl o o pa n dt r a n s f e r st h e s y n t h e t i cs i g n a lb ys a t e l l i t e t h es y s t e mw a sd e s i g n e dt h a ti tw o r k e di nl o w - p o w e rm o d e a f t e r t h et a s ka n dw a sw a k e du pb yt h er e a l t i m ec l o c k ，s oi tc a ns a v ep o w e r e f f e c t i v e l y i na d d i t i o n ， i no r d e rt ok e e ps y n c h r o n i z a t i o n 嘶也t h em o n i t o rc e n t e r , t h es y s t e mr e c e i v e st h et i m ed a t a f r o mt h eg p ss a t e l l i t ea n dc o r r e c t st h er e a l 。t i m ec l o c k k e y w o r d ：h y d r o l o g i c a lt e l e m e t e r i n g ，s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n ，p s km o d u l a t i o n ，t i m e d i s s e m i n a t i o no fg p s i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：年月 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年月日 硕士论文 基于p s k 卫星通信的水文信息终端设计 1 绪论 1 1 课题研究的目的与意义 水文测报科学是随着人类经济活动的发展而逐步被认识和发展起来的。随着防洪、 航运、灌溉及水电工程的兴建，水文测报工作的重要性日益被人们认识，经过近百年的 发展，水文测报已成为一门比较完整的学科。 传统的水文测报工作主要是定点观测，即在水文站网规划布设的固定站点上进行水 文测报工作，观测的项目主要有水位、流量、降水、蒸发、泥沙、水温、气温等。传统 的水文测报模式从数据的采集、传输、处理各个环节方式手段还是比较落后的，大部分 项目数据采集都为人工采集，易出现故障。数据的传输方式依然是以电台、电话或电报 为主，传输的准确性、可靠性、时效性难以得到保证。数据处理仍以人工记载、计算、 整理为主，中间环节复杂烦琐，不仅耗时耗力，且易出错。 水文遥测系统是应用遥测、通讯、计算机等先进技术，对江河流域降水量、水位、 流量、闸门开度等数据的实时采集、报送和处理的高技术自动化工程。水文遥测系统工 作过程无人值守，自动运行，其主要作用有：实现了水文信息的实时和自动收集，为水 利工程防洪调度和管理提供准确可靠的科学依据，提高了洪水预报的精度，减少洪水灾 害损失；通过计算机软件对水文资料处理、计算和分析。使水利管理部门能最大限度地 合理利用水资源，充分发挥现有水利工程的综合效益；采集水文信息实现自动化，大幅 度减轻了管理人员的劳动强度，提高了劳动生产率。 1 2 水文自动测报技术发展现状 我国的水文自动测报技术的开发研制始于2 0 世纪7 0 年代中期，当时处于开始的摸 索阶段，所建测报系统，技术上大体参照工业巡回检测系统的模式，采用“查询应 答”工作体制，传输速率较低，一般在5 0 1 0 0 波特以下。鉴于当时水文遥测站点有线 电话质量不佳，可靠性差，雷雨季节损坏多，因此无线通信受到重视。但由于当时超短 波电台的质量不高，调制解调技术落后，对超短波通信电路设计不规范，通信通畅率和 误码率均不太理想。在传感器方面，当时翻斗式雨量计技术较为成熟，浮子式水位编码 器尚在研制阶段，其稳定性还不够理想。因此，尽管功能上基本实现了水文数据自动采 集和远传的要求，但系统运行中维护工作量大，整体可靠性低。但这一阶段工作对以后 水文自动测报技术的发展提供了有指导意义的经验。 后来随着现代电子技术、传感技术、通信技术和计算机技术的发展，我国水文测报 技术的发展取得了巨大的进步，主要体现在水文测报仪器的更新换代和水文数据传输信 1 绪论 硕士论文 道的扩展上。 1 水文仪器的发展 近年来随着科学技术的迅猛发展，水文测报仪器的自动化程度也得到了大幅度的提 高，目前在水文各主要观测项目中，国内外已生产出一批有代表性的水文仪器。 ( 1 ) 水位测量仪器 浮子式水位计在国内外的应用占绝对优势国内占9 0 以上国外稍低些。浮子式水位 计性能很好。但需要配套建造水位测井。有些地区建水位测井很困难甚至根本不能建测 井。因此这些地区应该考虑使用非浮子式水位计。 国外的非浮子式水位计发展很快经历了压力水位计( 包括压阻式水位计、气泡式水 位计) 、超声水位计、雷达水位计、激光水位计等几个阶段。使用证明，可以成功推广 应用的是压阻式水位计、气泡式水位计和雷达水位计。国外已有众多成熟产品。并不断 引入国内水文测验实践中。它们都不需要建造水位测井。雷达水位计测水位时不接触水 体。测值准确稳定，特别明显。 中国很早就进行了非浮子式水位计的研制。目前国产压阻式压力水位计、超声水位 计、气泡式水位计已开始使用，但与进口产品的性能相比仍有一定差距。 电子水尺用于特殊场合的水位测量，测量准确性不受水位量程和一切环境因素影 响。磁致伸缩电子水尺灵敏度很高，已在国内应用。 ( 2 ) 流速流量测量仪器 转子式流速仪是最传统的流速测量仪器，国内外几乎所有水文站都用这种仪器来测 量流速计算流量。转子式流速仪测速准确、稳定、结构简单、易于掌握是优先被用于测 速的仪器。我国的转子式流速仪品种齐全、质量很好与国外产品相当且价格较低。 利用微波多普勒效应测量水面流速的电波流速仪测量流速时仪器不接触水体，非常 适用于高洪时测速，用于桥测和巡测。 声学流速仪分为声学时差法流速仪和声学多普勒流速仪。声学时差法流速仪利用时 差法声学测速原理自动测量断面平均流速和推求流量，国外的时差法流速流量仪器很早 就已普遍应用，产品很成熟。这是一种主要的河流流量自动测量仪器，推广价值很大， 中国近年才开始正式应用，产品基本上依靠进口。 利用声学多普勒原理测量流速的仪器有点流速仪和剖面( 线) 流速仪两类。水文上 应用较多的是声学多普勒剖面流速仪，称为a d c p ，可以测量一根垂线的流速分布。仪 器安装在船上，横跨断面可测得经过处多根垂线的流速分布，得到全断面数据，称为船 用a d c p 。如将仪器固定安装在岸边、水底、水面测量，得到某一水层或垂线的流速数 据。称为固定a d c p 。a d c p 的适用范围很大，自动化程度很高，国外应用较普遍，我 国在一些主要江河的主要测站上也已推广这种仪器，但所有产品都依靠进口。 ( 3 ) 降水观测仪器 2 硕士论文 基于p s k 卫星通信的水文信息终端设计 降水分为液体降水和固体降水。相应的仪器分为雨量计和雪量计。国内水文站上使 用雨量器、虹吸式雨量计、翻斗雨量计观测降雨量，国外基本使用翻斗雨量计观测降雨 量。国内外雨量计产品性能差不多，国外先进的降水观测仪器是光学雨量计。 ( 4 ) 泥沙测验仪器 我国多泥沙河流较多，泥沙测验很重要也很困难。目前使用的方法是采集水样后， 在室内测定悬移质含沙量。采集水样的仪器有瞬时式泥沙采样器( 横式采样器) 、瓶式 采样器和调压式采样器，国内基本使用瞬时式泥沙采样器( 横式采样器) 和瓶式采样器， 其取样代表性比调压式采样器差。 国外使用泥沙采样器不多，大多使用瓶式采样器和调压式采样器，比较合理。国外 应用较多的是同位素测沙仪、光电测沙仪等直接测量含沙量的测沙仪。而国内才开始试 用和试制这种仪器【l 】。 2 水文数据传输信道的发展 随着通信、计算机为代表的现代信息技术的飞速发展，水文数据的传输方式也发生 了根本的变化，以有线网络、短波、超短波、卫星通信为代表的新型数据传输方式正在 逐步取代以电话、电台呼叫为主的传输方式，这些新型传输方式可实现异地远程自动传 输，传输的准确性、可靠性、时效性非常高，为实现水文自动测报提供了强有力的支持。 ( 1 ) p s t n 是公网中最为普遍的信道，用于数据传输其速率可保证9 6 0 0 b p s ，甚至 可达5 6 k b p s 。对于水文自动测报系统而言，通常采用1 2 0 0 2 4 0 0 b p s 即可满足要求【2 j 。 ( 2 ) 随着移动通信的普及和发展，g s m 传输水情在我国得到越来越广泛的应用。 国家防汛指挥系统工程烟台水情示范区，广州肇庆水情分中心均采用g s m 通信方式， 其畅通率均在9 8 以上 3 1 ；此外，浙江省布设了几十个站的g s m 水文数据传输系统【4 j 。 目前许多系统建设都已移动通信作为传输信道。 ( 3 ) 卫星通信的应用。水利部于1 9 9 4 年开始组件卫星通信网，租用亚洲卫星二号 ( a s i a s a t - 2 ) 半个k u 波段转发器( 2 7 m h z 带宽) ，用于水利部与有关流域机构、水情 分中心和大型水库的话务和数据传输。1 9 9 6 年g l a t 公司v a s t 小站引入水利卫星通 信用于测站的信息传输。如广西柳州系统由3 9 个v a s t 站组成，数据传输快，时延小， 在非暴雨情况下畅通率可达9 9 ，有明显优点。但由于天线口径大，方向性敏感，安装 调整较麻烦。此外，k u 波段v a s t ，由于暴雨对电波的吸收，当暴雨强度大于5 0 m m h 时，可能造成误码率急剧上升，甚至中断通信，即出现“雨衰现象”。 1 9 9 7 年底，海事卫星( i n m a r s a t c ) 的“数据报告 业务在中国首次开通，传输速 率为6 0 0 b p s ，传输时延在l m i n 以内。i n m a r s a t c 工作在l s 波段，其终端天线小，可 靠性高。部分测报系统开始用该方式解决数据传输，最多时约由1 0 0 0 台终端在测报系 统中应用。但很快由于通信容量不足，通信拥塞，时延增大等问题使其应用受到非常大 的限制。 1 绪论 硕士论文 北斗双星定位系统近几年也开始用于水文数据传输业务，其服务范围可覆盖全国， 利用码分工体制，上下行工作频段为1 6 g 2 6 g 的l s 波段【5 1 。 ( 4 ) 超短波通信的发展。迄今为止，超短波通信在我国水文自动测报系统中仍占 较大比例。十几年来，超短波传输技术也有了极大的提高。首先是国产收发机灵敏度较 之二、三十年前提到约3 5 d b 。第三是系统频响平坦性有了很大的改进。此外超短波数 传中，改进数据帧的编码格式，合理选择前向纠错和c r c 校验避免同帧干扰，采用载 波侦听、反馈重发、路由选择等技术，大大提高了数据传输的可靠性。 ( 5 ) 中高速数字信道的应用。近几年来，x 2 5 、d d n 、a d s l 、帧中继等链路成为 测报系统联网的主要手段。同时，由于测报系统本身传输图像监测信息的需要，宽带数 字信道的应用也逐步普及。其中，光纤到站的设计已为许多规划设计所选用【6 】。 1 3 论文的主要研究任务 在水文自动测报系统中，如何精确传输各个监测点产生的数据，并传输到监测中心 以及监测终端，是我们将要解决的问题。现在计算机技术、网络技术的发展为我们提供 了很好的解决途径，将卫星通信技术应用到遥测系统中，监控的实时性和可靠性越来越 好。本课题研究的主要内容有： 1 探讨远程监测技术实现的途径和基本原理，选取科学合理的水文数据传输方案并 进行了系统总体方案的设计： 2 根据系统总体设计方案完成由单片机、串口扩展模块、数据接口模块、g p s 模块、 实时时钟模块、调制模块和混频锁相环模块组成的硬件电路设计； 3 根据相应的硬件电路设计完成系统功能的软件设计。 4 硕士论文 基于p s k 卫星通信的水文信息终端设计 2 数字调制与卫星通信原理概述 2 1 数字调制原理 通信的最终目的是在一定的距离内传递信息，虽然基带数字信号可以在传输距离相 对较近的情况下直接传送，但如果要远距离传输时，特别是在无线或光纤信道上传输时， 则必须经过调制将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输。为了使数字信号在有限带 宽的高频信道中传输，必须对数字信号进行载波调制。如同传输模拟信号时一样，传输 数字信号时也有三种基本的调制方式：幅移键控( a s k ) 、频移键控( f s k ) 和相移键控 s k ) 。 1 二进制振幅键控( 2 a s k ) 设信息源发出的是由二进制符号0 、l 组成的序列，表示成一个单极性矩形脉冲序列， 振幅键控信号 e o ( t ) = a , g ( t n r a l e o s o d 。 ( 2 1 ) g ( ，) 是持续时间为始的矩形脉冲，取值服从 f1 ，概率为p 一1 0 ，概率为1 一p ( 2 2 ) 随机单极性矩形脉冲序列 5 ( r ) = a , g ( t - n t , ) e o ( t ) = k t ) c o s c o 。t 载波开关电路 s ( t ) ，厶几一厂 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 图2 1 1 二进制振幅键控信号的产生及波形 2 二进制移频键控( 2 f s k ) o 符号对应于载频l ，而1 符号对应于载频( 0 2 的已调波形，0 ) 1 与2 之间的改变是 瞬间完成的。 2 数字调制与卫星通讯原理概述 硕士论文 载波 , 删, i , _ 1 7 舢l _ _ l s 八- - 厂l 图2 1 2 二进制移频键控信号的产生及波形 g ( t ) 为单个矩形脉冲，脉宽为瓦，2 f s k 信号为 e o ( 0 = a g ( t - n t , ) c o s ( c o l t + q ，, ) + 一a 。g ( t n t , ) e o s ( c a 2 t + 6 , ) ( 2 5 ) 第n 个信号码元 f 0 ，概率为p 一 2 11 ，概率为1 一p 石 a n 的反码 一f 0 ，概率为1 一p 锄2 11 ， 概率为尸 q _ ，分别是第n 个信号码元的出示相位键控法得到的、0 拧是与序列刀无关的，表现 出l 与f 0 2 改变时其相位是不连续的。 3 二进制移相键控( 2 p s k ) 2 p s k 的信号形式一般表示为 e o ( t ) _ 【a g ( t n t , ) c o s o d 。f ( 2 8 ) g ( t ) 是持续时间为t s 的矩形脉冲 铲一苎妻为p ( 2 9 ) 2 1 1 ，概率为1 - p 他9 在其一码元持续时间t s 内观察时 删= 嚣，器 眨 发送二迸制符号0 时( 取+ 1 ) e o ( t ) 取0 相位； 发送二进制符号1 时( 锄取1 ) e o ( t ) 取兀相位。 6 移相 图2 1 3 二进制移相键控信号的产生及波形 硕士论文 基于p s k 卫星通信的水文信息终端设计 2 2 卫星通信概述 卫星通信实际上也是一种微波通信，它以卫星作为中继站转发微波信号，在多个地 面站之间通信，卫星通信的主要目的是实现对地面的“无缝隙 覆盖，由于卫星工作于 几百、几千、甚至上万公里的轨道上，因此覆盖范围远大于一般的移动通信系统。卫星 通信系统由卫星段、地面段、用户段三部分组成。卫星段在空中起中继站的作用，即把 地面站发上来的电磁波放大后再返送回另一地面站，卫星星体又包括两大子系统：星载 设备和卫星母体。地面站则是卫星系统与地面公众网的接口，地面用户也可以通过地面 站出入卫星系统形成链路，地面站还包括地面卫星控制中心，及其跟踪、遥测和指令站。 图2 2 1 卫星通信工作的基本原理不恿图 通信卫星实际上就是一个悬挂在空中的通信中继站。它居高临下，视野开阔，只要 在它的覆盖照射区以内，不论距离远近都可以通信，通过它转发和反射电报、电视、广 播和数据等无线信号。 卫星通信工作的基本原理如图2 2 1 所示。从地面站1 发出无线电信号，这个微弱 的信号被卫星通信天线接收后，首先在通信转发器中进行放大，变频和功率放大，最后 再由卫星的通信天线把放大后的无线电波重新发向地面站2 ，从而实现两个地面站或多 个地面站的远距离通信。 在微波频带，整个通信卫星的工作频带约有5 0 0 m h z 宽度，为了便于放大和发射及 减少变调干扰，一般在星上设置若干个转发器。每个转发器被分配一定的工作频带。目 前的卫星通信多采用频分多址技术，不同的地球站占用不同的频率，即采用不同的载波。 比较适用于点对点大容量的通信。近年来，时分多址技术也在卫星通信中得到了较多的 应用，即多个地球站占用同一频带，但占用不同的时隙。与频分多址方式相比，时分多 7 2 数字调制与卫星通讯原理概述硕士论文 址技术不会产生互调干扰、不需用上下变频把各地球站信号分开、适合数字通信、可根 据业务量的变化按需分配传输带宽，使实际容量大幅度增加。另一种多址技术是码分多 址( c d m a ) ，即不同的地球站占用同一频率和同一时间，但利用不同的随机码对信息 进行编码来区分不同的地址。c d m a 采用了扩展频谱通信技术，具有抗干扰能力强、 有较好的保密通信能力、可灵活调度传输资源等优点。它比较适合于容量小、分布广、 有一定保密要求的系统使用。 2 2 1 卫星通信系统的分类 随着航天技术日新月异的发展，通信卫星的种类也越来越多，按用途可分为通信， 气象，侦察，地球资源和多用途卫星。 1 气象卫星 气象卫星是对地球及其大气层进行气象观测的人造卫星，克服了地面气象台、气球、 飞机乃至火箭等观测天气的局限性，具有范围大、及时迅速、连续完整的特点，并能把 云图等气象信息发给地面用户。 气象卫星的本领来自于它携带的气象遥感器。这种遥感器能够接受和测量地球及其 大气层的可见光、红外线与微波辐射，并将它们转换成电信号传送到地面。地面接收站 再把电信号复原绘出各种云层、地表和海洋面图片，进一步处理后就可以发现天气变化 的趋势。气象卫星的轨道大致有两种，一种是太阳同步轨道，一种是地球静止轨道。按 照前一种轨道运行，卫星每天对地球表面巡视两遍，其优点是可以获得全球气象资料， 缺点是对某一地区每天只能观测两次。若运行于地球静止轨道，则可以对地球近1 5 的 地区连续进行气象观测，实时将资料送回地面，用四颗卫星均匀地布置在赤道上空，就 能对全球中、低纬度地区气象状况进行连续监测：它的缺点是对纬度大于5 5 0 地区的观 测能力差。这两种卫星如果同时在天上工作，就可以优势互补。 到目前为止，美国、前苏联、日本、欧洲空间局、中国、印度等共发射了1 0 0 多颗 气象卫星。 2 资源卫星 资源卫星用于勘察和研究地球自然资源。它能“看透”地层，发现人们肉眼看不到的 地下宝藏、历史古迹、地层结构，能普查农作物、森林、海洋、空气等资源，预报各种 自然灾害。 资源卫星利用卫星上装载的多光谱遥感设备，获取地面物体辐射或反射的多种波段 电磁信息，然后把这些信息发送给地面站。由于每种物体在不同光谱频段下的反射不一 样，地面站接受到卫星信号后，便根据所掌握的各类物质的波谱特性，对这些信息进行 处理、判读，从而得到各类资源的特征、分布和状态等详细资料，人们就可以免去四处 奔波，实地勘测的辛苦， 硕士论文 基于p s k 卫星通信的水文信息终端设计 资源卫星分为两类，陆地资源卫星、海洋资源卫星。陆地资源卫星以陆地勘测为主， 而海洋资源卫星主要是寻找海洋资源。资源卫星一般采用太阳同步轨道运行，这能使卫 星的轨道面每天顺地球自转的方向转动1 0 ，与地球绕太阳公转每天约l o 的距离基本相 等。这样既可以使卫星对地球上的任何地点都能观测，又能使卫星在每天的同一时刻飞 临某个地区，实现定时勘测。 世界上第一颗陆地资源卫星是美国1 9 7 2 年的“陆地卫星”1 号。它采用近圆形太阳 同步轨道，距地面高9 2 0k m ，每天绕地球1 4 圈。卫星上的摄像设备不断地拍下地球表 面的情况，每幅图像可覆盖地面近2 0 x 1 0 4k m ，是航空摄像的1 4 0 倍。 3 通信卫星 通信卫星作为无线电通信中继站一太空驿站”，它像一个国际信使，收集来自地 面的各种“信件”，然后再“投递”到另一个地方的用户手里。由于它是“站”在3 6 0 0 0k m 的高空，所以它的“投递”覆盖面特别大，一颗卫星就可以负责1 3 地球表面的通信。如 果在地球静止轨道上均匀地放置三颗通讯卫星，便可以实现除南北极之外的全球信息。 通信卫星一般采用地球静止轨道，这条轨道位于地球赤道上空3 5 7 8 6k m 处。卫星 在这条轨道上以3 0 7 5m s 的速度自西向东绕地球旋转，绕地球一周的时间为2 3 小时5 6 分4 秒，与地球自转一周的时间相等。因此在地面上看，卫星像挂在天空不动，这就使 地面接受站的工作方便多了。接受站的天线可以固定对准卫星，昼夜不断地进行通信， 不必像跟踪那些移动不定的卫星一样而四处“晃动”，使通信时间时断时续。现在，通信 卫星已承担了全部洲际通信业务和电视传输。 中国的第一颗静止轨道通信卫星是1 9 8 4 年发射的“东方红”二号，至今已发射了五 颗。这些卫星先后承担了广播、电视信号传输、远程通讯等工作。 4 侦察卫星 侦察卫星站得高看得远，既能监视又能窃听，是一个名副其实的超级间谍。侦察卫 星利用光电遥感器或无线电接收机，搜集地面目标的电磁波信息，用胶卷或磁带记录下 来后存贮在卫星返回舱里，待卫星返回时，由地面人员回收。或者通过无线电传输的方 法，随时或在适当的时候传输给地面接受站，经光学、电子计算机处理后，人们就可以 看到有关目标的信息。 侦察卫星根据执行任务和侦察设备的不同，分为照相侦察卫星、电子侦察卫星、海 洋监视卫星和预警卫星。照相侦察卫星装有可见光照相机或电视摄像机，能对目标拍照。 为了发现和识别目标，照相机镜头和图像分辨率要求很高。这种卫星一般运行在近地点 高度1 5 0 - 2 8 0k m 的轨道上，如果装备红外相机和多光谱相机，还具有夜间侦探和识别 伪装的能力。电子侦察卫星用来侦辨雷达或者其他无线电设备的位置和特性，窃听遥测 和通信等机密信息。这种卫星一般运行在高约5 0 0 - 1 0 0 0k m 的近圆形轨道上。电子侦察 卫星是窃听能手，当它经过别国上空时，卫星上磁带迅速录下雷达信号、电台信号等， 9 2 数字调制与卫星通讯原理概述 硕士论文 等飞经本国上空时把这些信号输送到地面站，经地面分析、研究，就能掌握别国地面雷 达的位置、特性，破译电台的信号。美国1 9 8 8 年8 月发射的一颗重型电子侦察卫星， 可以同时监听到中苏两国1 1 0 0 0 条电话和步话机的通话。海洋监视卫星装有雷达、无线 电接收机、红外探测器等侦察设备，监视海上舰艇和潜艇的活动。为了对广阔的海洋连 续监视，卫星组成海洋监视网。预警卫星运行在地球静止轨道，并有几颗卫星组成一个 预警网。卫星上装有红外探测仪，用来探测敌方导弹飞行时发动机尾焰的红外辐射，配 合电视摄像机及时准确地判断导弹飞行方向，迅速报警，使防空部队及时拦击导弹，城 市居民紧急疏散隐蔽。在海湾战争中，美国的爱国者导弹拦截伊拉克的飞毛脚导弹，预 警卫星起了极大的作用。 2 2 2 卫星通信系统的特点 1 下行广播，覆盖范围广：对地面的情况如高山海洋等不敏感，适用于在业务量 比较稀少的地区提供大范围的覆盖，在覆盖区内的任意点均可以进行通信，而且成本与 距离无关： 2 工作频带宽：可用频段从1 5 0 m h z 3 0 g h z 。目前已经开始开发q 、v 波段( 4 0 5 0 g h z ) 。k a 波段甚至可以支持1 5 5 m b i f f s 的数据业务； 3 通信质量好：卫星通信中电磁波主要在大气层以外传播，电波传播非常稳定。 虽然在大气层内的传播会受到天气的影响，但仍然是一种可靠性很高的通信系统； 4 网络建设速度快、成本低：除建地面站外，无需地面施工。运行维护费用低； 5 信号传输时延大：高轨道卫星的双向传输时延达到秒级，用于话音业务时会有 非常明显的中断； 6 控制复杂：由于卫星通信系统中所有链路均是无线链路，而且卫星的位置还可 能处于不断变化中，因此控制系统也较为复杂。控制方式有星间协商和地面集中控制两 种。 1 0 硕士论文 基于p s k 卫星通信的水文信息终端设计 3 系统总体方案设计 3 1 系统功能 系统的基本功能是对水文数据进行p s k 调制，然后通过混频锁相环搬高到4 0 0 m h z 载频上通过卫星发送出去，除此之外，系统还具有以下两个功能： 1 数据采集功能 数据采集口可以针对不同的传感器，进行数据传输，采集所要发送的气象、水文等 信息； 2 g p s 校时功能 系统内含g p s 接收机，接收标准时间信息，使本地时间和标准时间同步。 3 2 通讯方式的选择 一般来说水利水文遥测系统至少由多个子站和中心站两级组成，形成多点之间的数 据通信。有些较复杂的系统，还需建设中继和分中心站。在水利水文遥测系统中，通信 环境条件复杂，通信距离差异很大。距离远的上百公里，近的仅十几米。其遥测参数种 类繁多，但一般一次传送数据量不大( 一般在1 0 0 字节以下) 。通信间隔不均衡，从几 秒钟到几小时都有可能，但因为一般涉及的遥测参数变化较慢，平均通信密度不大。因 此在遥测系统中应当结合当地的条件和系统的设计目标，根据多种通信方式的特点选择 较优的通信方式。 3 2 1 几种远程有线通信方式 1 电话公网语音通道方式 电话语音通道方式是借助调制解调器在电话网中用语音频带传输数据。这种方法在 中国目前被广泛用在i n t e r n e t 网的个人上网中，并且在许多监测网络中也被用来进行数 据通信。 在遥测系统子站和中心站通过一对m o d e n 与电话公网连接。一般需要子站具有自 存储能力，以便集中传送数据。优点是可靠性较高、可以传送大量数据、建设费用较低、 不需考虑通信网络的维护( 由电信部门负责) 。缺点是使用费与电话线占用时间相关、 实时性受到一定的限制( 一般需中心站主叫，子站数据才上传) 、通信质量和速率都不 高。 2 电话公网i s d n 方式 i s d n ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k 综合业务数字网) 是一个全数字化的通信 网络，是在电话综合数字网的基础上发展起来的。在这个网络中，一切信号都以数字形 l l 3 系统总体方案设计 硕士论文 式传输和交换。i s d n 以标准接口将各种类型的终端设备接入到i s d n 网络中，不同的 终端产品只要有相同的、标准的i s d n 接口就可以连入i s d n 网络。用户使用一对用户 线，一个i s d n 号码，一台有i s d n 标准接口的终端就可以获得语音、数据、传真、可 视图文、电子信箱、可视电话、会议电视、语音信箱等多种通信的综合服务。i s d n 适 合大数据量快速传送的场合。缺点是需租用i s d n 专线，运行费用高。一般适用于遥测 系统的多级中心站之间的通信。 3 电话公网a d s l 方式 a d s l ( a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl o o p ) 技术即非对称数字用户环路技术。它 最初主要是针对视频点播业务开发的，随着技术的发展，逐步成为了一种较方便的宽带 接入技术。a d s l 方式采用虚拟i p 地址或真i p 地址的方式进行网络连接，数据接入速 度高，下行8 m b i t s 上行1 m b i t s 。a d s l 数据信号和电话音频信号以频分复用原理调制 与各自频段互不干扰，上网的同时可以使用电话。由于是独享带宽，信息传递快速、可 靠、安全。a d s l 属于专线方式( 一直在线) ，不需要拨号上网，因此上网时不必另付 电话费用。安装快捷方便，在现有电话线上安装a d s l ，只需在用户侧安装一台a d s l m o d e m 和一只电话分离器，用户线路不用改动。缺点是软件支持对于由单片机组成的 遥测终端机而言比较困难。a d s l 适合遥测系统中，各级中心站之间组成局域网或与系 统外互联网的通信。 3 2 2 几种远程无线通信方式 1 超短波组网 通过无线电通道测试和设计，使用无线电管理委员会批准的超短波频段， 建设系 统专用的无线电通信网，将遥测数据从r t u 经电台通过该无线电通讯网发送到遥测中 心。由于超短波网是“私网 ，因而自主性好、使用方便，无需通话费，运行维护费用 较低，是水文遥测最传统的组网方式，因而技术最成熟。 2 卫星通信组网 卫星通信是无线电通信的延伸，是将无线电通信的中继站送上高空， 因而有许多 优点： ( 1 ) 解决了超短波传播受距离和地形限制的问题，设站组网机动灵活； ( 2 ) 通信频带宽，不仅可以高速传输数据，而且能够传输高质量的图像、语音等 信号； ( 3 ) 传输距离远、覆盖范围广，在其覆盖范围内，许多地面站共用一颗卫星，实 现多址通信。 ( 4 ) 设备稳定，通信容量大，传输质量好，可靠性高。 ( 5 ) 适用范围广，只要站点在卫星的仰角范围内，且没有高山阻挡，都可通信。 1 2 硕士论文基于p s k 卫星通信的水文信息终端设计 由于建站速度快，即装即用，特别适用于交通不便、g s m 通信不发达的偏远地区。 3 g s m 移动通信方式 g s m 移动通信( g 1 0 b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 全球移动通信系统是国 家投资建设的公众网络，是目前国内覆盖范围最广、系统可靠性最高、话音清晰度最高 的移动蜂窝通讯系统。与常规v h f 几吼f 无线通讯网比较，它不但通讯范围大、系统运 行可靠，而且经济实用、各地监控中心易于联网，可减少各专用通讯网基站的重复投资 建设。当前中国电信g s m 网是国内第一大移动通信网。依托数字移动蜂窝通讯技术的 g s m 网作为通讯监控系统的无线传输网络将确保传输通道的可靠性。g s m 以统一的格 式向各地用户提供具有所有电信业务的国内和国际漫游。g s m 系统除提供话音业务外， 还提供数据业务、短消息业务等多项功能。利用g s m 网传输数据中常用的2 种方式： ( 1 ) g s m 短信息( s m s ) 方式。g s m 短信息是属于g s m 体系中c m 层的附加功 能。短信息传送的基本过程是：在g s m 系统中设有短信息服务中心( s m s c ) ，移动端 a 将短信息和要发送的目标移动端b 的号码一同发给s m s c ，然后再由s m s c 转发给 移动端b 。遥测系统采用g s m 短信息方式时，数据经过格式转换后，利用g s m 手机 经短信息信道传到遥测监控中心，亦可通过g s m 短信息信道向遥测站发送指挥信令。 优点是可以直接利用峰窝移动通信系统，省却了通信系统的建设和维护费用，覆盖范围 广、传输速度快、价格便宜等。缺点是一条短信息传送数据量小( 1 4 0 字节) 。这种通 信方式在航标遥测、防汛等系统中正在得到越来越多的应用。 ( 2 ) g s m 数据通信方式。利用手机g s m 拨号方式在电路交换数据传送方式( c s d ) 基础上建立数据通信。这种方式由于借用了g s m 网，所以覆盖范围较广，使用方便， 建设成本低。缺点是传输速率较低，在遥测系统中的应用正处于起步阶段。 4 g p r s 通信方式 g p r s 是在g s m 基础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输方式。与原有 的g s m 比较，g p r s 在数据业务的承载和支持上具有非常明显的优势。它能更有效地 利用无线网络信息资源，所以特别适合突发性、频繁的小流量数据传输。支持的数据传 输的速率更高，理论峰值达1 1 5 k b i t s ；计费方式更加灵活，按数据流量来进行计费； g p r s 还能支持在进行数据传输的同时进行语音通话等。g p r s 缺点是其网络覆盖范围 目前还较小、信号弱、易造成断线，尚未在遥测系统中广泛应用。但g p r s 方式具有良 好的前景，是以后的手机无线数据传输的发展方向【丌。 3 2 3 小节 由于水文观测点分布广而且分散，而且大部分都地处偏僻地区，采用有线传输布线 困难成本高，而采用移动通讯方式则有信号不好传输不及时等缺点。而卫星通讯具有传 输距离远、覆盖范围广、组网方便等优点。本系统就采用卫星通信的方式发送水文数据。 1 3 3 系统总体方案设计 硕士论文 3 3 低功耗设计的实现 由于系统要长时间工作于无人值守的状态下，并且每天除了对水文数据的接收，发 送这段时间外的大部分时间都处于空闲状态，这就必须要考虑功耗问题。 本系统选取a t 8 9 s 5 2 作为主控器件，a t 8 9 s 5 2 是一个低功耗，高性能c m o s8 位 单片机，它除具有一般的程序执行方式外，还具有两种低功耗运行方式，即空闲模式 ( i d l em o d e ) 和掉电模式( p o w e r - d o w n m o d e ) 。只要用软件设置电源控制寄存器p c o n 中的i d l 和p d 位就可进入空闲模式和掉电模式。 1 空闲模式 在空闲模式下，c p u 处于休眠状态，振荡器和所有的片内外围电路仍然在正常工作， 片内的r a m 和s f r 中的内容保持不变。设置p c o n 中的i d l 位为l 即可进入空闲模 式：任何允许的中断或硬件复位都可造成从空闲模式退出。如果用硬件复位方式退出空 闲模式，则片内复位逻辑在两个机器周期后才能发生作用，退出空闲模式后，c p u 会 从进入休眠方式前的断点处继续执行两个机器周期时间的指令，在这期间，片内的硬件 禁止访问内部r a m ，但不禁止访问外部r a m 或端口，为了避免采用硬件复位方式退 出空闲模式时，可能对外部数据存储器或端口进行不应有的访问，一般在紧随进入空闲 模式的指令后面，不能是写端口或写外部数据存储器指令。 2 掉电模式 在掉电模式，振荡器、c p u 和片内、外的所有外围部件均停止工作，片内的r a m 和s f r 中的内容保持不变。设置p c o n 中的p d 位为1 即可进入掉电模式；允许的i n t o 或i n t l 和硬件复位都可实现从掉电模式退出。硬件复位退出时，改变s f r 的值，但内 部r a m 的内容不会改变。只有当振荡器恢复并达到稳定的工作后，方可进行硬件复位， 退出掉电模式。 当系统完成一次水文数据的接收发送任务后，用软件设置电源控制寄存器p c o n 中 的p d 位就可进入掉电模式。当实时时钟满足条件后，通过i n t 0 唤醒a t 8 9 s 5 2 ，使其 进入正常的运行状态，从而进行新一次数据的传输。除了单片机空闲了进入掉电模式外， 其它主要器件，如串i z i 扩展模块，调制芯片，g p s 模块都能通过软件设置进入空闲状态， 当单片机正常运行时将它们唤醒，通过这样的设计，可以有效的降低功耗，使系统长期 稳定的工作。 系统采用兼容性设计，由于a t m e g l 6 2 与a t 8 9 s 5 2 总线共用，而a t m e g l 6 2 本身 就有实时时钟及多个串i = 1 ，可以省去外部扩展设计，为进一步降低功耗及小型化提供可 能。 1 4 硕士论文 基于p s k 卫星