（通信与信息系统专业论文）卫星通信地球站监控（mac）系统研究与设计.pdf

南京邮电人学硕上研究生学位论文 摘要 摘要 卫星通信地球站是安装地面收发系统的地方，是卫星通信系统的重要组成部分。地球 站是相当复杂和庞大的，它通常包括天线系统、跟踪系统、发射系统、接收系统、终端接 口设备等等，为了保证各部分设备能正常工作，必须在站内进行集中监视、控制和测试。 完成这一功能的设备就是监控( m a c ) 系统。每一地球站都有一个中央控制室，监控系 统一般就是配置在中央控制室内。这一系统可能比较简单，也可能比较复杂，它按地球站 的用途、规模而定。一般来说，监控系统由监视单元、控制单元和测试单元以及相应的软 件系统组成。本文以车载卫星通信地球站为基础，开发了一套m a c 系统，并拓展此m a c 系统使之可以适用于其它地球站。 对于m a c 系统的开发，在传统上多采用c 或c 抖语言进行开发实现。而近年来，由 s u n 公司成功开发的新一代编程语言j a v a 迅速发展，它的语法结构类似于c ，却舍弃了其 中一些容易引起问题，且不是绝对必要的部分功能，吸收了c 和c + + 的优秀特征：它具 有平台独立性，真正实现了“一次编写，到处运行 的跨平台性目标；它是面向对象的开 发语言，为软件将来的功能扩展带来了方便。因此，本系统采用j a v a 语言在j b u i l d e r 平 台上进行开发。在本文中对m a c 系统的监视、告警、控制、测试、管理功能都进行了详 细的介绍和分析，并对系统的测试过程进行具体的推导，得出了可行的测试方法，而对 m a c 系统的设计实现过程也将作为本文介绍的重点。 本论文通过理论研究和工程实践，对地球站m a c 系统的实现方法和一些关键技术进 行了研究、分析，并与传统的开发技术及硬件配置进行对比，指出了本系统在跨平台、扩 展性、硬件归一化以及远程监控方面的优越性。 最后，本文展望了地球站m a c 系统的发展前景。 主题词：卫星通信，地球站，m a c ，j a v a 南京邮电人学硕l ：研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t s a t e l l i t ee a r t hs t a t i o ni sa l li m p o r t a n tp a r to fs a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi nw h e r et h e g r o u n dt r a n s c e i v e rs y s t e mi si n s t a l l e d e a r t hs t a t i o ni sq u i t ec o m p l e x i t ya n dh u g e i tu s u a l l y i n c l u d e sa n t e n n as y s t e m ，t r a c k i n gs y s t e m ，t r a m m i ts y s t e m ，r e c e i v es y s t e ma n dt e r m i n a l i n t e r f a c ee q u i p m e n t ，e t c w em u s tm o n i t o r , c o n t r o la n dt e s ta l lp a r t so fe a r t hs t a t i o nc e n t r a l l ys o t h a te v e r yp a r tc a nw o r kn o r m a l l y a n dt h em a cs y s t e mi st h ee q u i p m e n tt h a tc a r d e do u tt h i s f u n c t i o n g e n e r a l l y , m a cs y s t e mi sc o n f i g u r e di nt h ec e n t r a lc o n t r o lr o o mw h i c hi sc o n f i g u r e d i ne v e r ye a r t hs t a t i o n c o m p l e x i t yd e g r e eo ft h i ss y s t e mi sd e c i d e db yp u r p o s ea n ds c a l eo ft h e e a r t hs t a t i o n p o p u l a r l y ，m a cs y s t e mi n c l u d e sm o n i t o ru n i t ，c o n t r o lu n i t ，t e s tu n i ta n dr e l e v a n t s o f t w a r es y s t e m t h i sp a p e rw i l li n t r o d u c eam a c s y s t e mb a s e do nv e h i c l e b o r n es a t e l l i t ee a r t h s t a t i o nw h i c hd e v e l o p e db yt h ea u t h o r , a n dd e e pd e v e l o pt h i sm a c s y s t e mf o rt h eo t h e re a r t h s t a t i o n t h et r a d i t i o n a ld e v e l o pl a n g u a g eo fm a c s y s t e mi sc o rc + + l a n g u a g e b u ti nr e c e n t y e a r s ，a n e wg e n e r a t i o no f p r o g r a m m i n gl a n g u a g e j a v a w h i c hd e v e l o p e db ys u n m i c r o s y s t e m sg r o w t hr a p i d l y i t ss y n t a xs t r u c t u r ei ss i m i l a rt ocl a n g u a g e b u ti td e l e t e s f u n c t i o n sw h i c hw e r e n tn e c e s s a r ya n do f t e nb r o u g h tp r o b l e m so fc l a n g u a g ea n da b s o r b st h e e x c e l l e n t c h a r a c t e ro fcl a n g u a g e t h ea c r o s s p l a t f o r mi sa na d v a n t a g eo ft h i sl a n g u a g e i tr e a l a c h i e v e s “w r i t eo n c e r u na n y w h e r e ”i t sa no b j e c t - o r i e n t e dl a n g u a g et h a tc o n v e n i e n tt o f u r t h e rf u n c t i o n se x t e n do fs o f t w a r e a c c o r d i n g l y , t h es y s t e md e v e l o p e db yj a v al a n g u a g ea n d e x e c u t e do nj b u i l d e rp l a t f o r m t h i s p a p e rp a r t i c u l a ri n t r o d u c e sa n da n a l y s e sf u n c t i o n so f m o n i t o r , a l a r m ，c o n t r o l ，t e s ta n dm a n a g e t h e n ，a c c o r d i n gt oe x a c ti l l a t i o n ，w ec o n c l u d et h e f e a s i b l et e s t i n gm e t h o d m o r e o v e r ，t h ed e s i g na n da c h i e v i n gc o u r s ea r ei m p o r t a n tp a r to ft h e p a p e r ，t o o t h ep a p e rs t u d i e sa n da n a l y s e st h ed e v e l o p i n gm e t h o do fe a r t hs t a t i o n sm a c s y s t e ma n d s o m ek e yt e c h n i q u e s ，a n dc o m p a r i n gt h e mw i t ht r a d i t i o n a ld e v e l o p i n gm e t h o da n dh a r d w a r e c o n f i g u r a t i o n ，c o n c l u d i n gt h a t t h e s y s t e m 。a d v a n t a g ei na c r o s s - p l a t f o r m ，e x p a n s i b i l i t y , n o r m a l i z e dh a r d w a r ea n dr e m o t em o n i t o ra n dc o n t r 0 1 f i n a l l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ef u t u r ev i e wo fe a r t hs t a t i o n sm a cs y s t e m k e y w o r d s ：s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n ，e a r t hs t a t i o n ，m a c ，j a v a i i 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期： 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：导师签名： 日期： 南京邮l 乜大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 卫星通信地球站简介 第一章绪论 根据国际惯例卫星通信系统分为两段，即空间段( 电波传输通道及卫星) 和地面段。 地面段又包括地面收发系统及地面延伸电路。地球站就是安装地面收发系统的地方，是卫 星通信系统的重要组成部分。地球站的基本作用是向卫星发射信号；同时接收由其它站经 卫星转发来的信号。 为了统一规格和便于衡量地球站的性能指标并根据卫星所承担的业务范围，可以按照 业务标准和技术标准对地球站进行分类。以业务标准分类时，又可按业务目的分成军用 地球站、民用地球站、通信用地球站、广播用地球站、情报( 信息) 搜集地球站等。按业 务系统的不同又分为国际通信卫星地球站、国际海事卫星地球站、航空导航地球站、国内 ( 或区域性) 卫星地球站和商务专用地球站及气象卫星地球站等等。按业务种类又可分为 固定业务地球站、移动业务地球站、广播业务( 包括单收) 地球站、综合业务地球站等。 按技术标准有两种分类法：按工作频段可分为c 频段( 4 6 g h z ) 站、k u 频段( 1 4 1 2 ， 1 1 g h z ) 站和k a 频段( 3 0 2 0 g h z ) 站。按地球站品质因数( g t ) 分类由于各国 自有不同分类法( 如我国通信卫星体制有甲、乙、丙型站之分) ，但通常均沿用国际通信 卫星组织( i n t e l s a t ) 的分类标准( 即a ，b ，c ，d ，e ，f ，g ，z 型标准站) 。 除上述分类法外，按地球站安装方式可分为固定式和可移动式两类。固定式地球站的 天线口径比较大，它与设备一起均固定于地面设施中。可移动式地球站又可分为可搬迁式 ( 包括车载式) 和移动中可进行通信的真正移动式( 船站、车站、飞机载站) 两类。可搬 迁式站的天线口径为6 米以下，并制成便于运输的可拆卸( 折叠) 式，设备也装成便于集装 箱式，便于迅速迁移和安装。移动式站则装在可移动载体上( 车、船、飞机) ，天线口径 更小( 3 m 以下) ，设备也更紧凑，并可在移动状态下进行通信，但通信能力有限。 另外，还有一类是可直接安装于终端用户所在地的新型甚小口径及微小口径地球站 ( v s a t 及u s a t ) ，前者天线口径为2 8 m 1 2 m 后者只有1 2 m - 0 3 m ，所有设备也很紧凑 坚固，使用方便，不需r 常维修。用户可以省去地面电路，直接通过它与主站及计算中心， 数据库进行数据( 话音) 通信。这类站已广泛用于专用数据网，是办公室自动化的理想设 备。本文所设计的监控系统已用于车载卫星通信地球站，经过适当扩展及修正也能适用于 其它地球站。 南京邮电人学硕+ 研究生学位论文 第一章绪论 在一般情况下，卫星地球站都由天线系统、发射系统和接收系统组成。当然为保证地 球站天线对准卫星，以便正常地接收卫星转发的信号和向卫星发射信号，还应该有天线的 跟踪系统等【1 1 。 下面分别介绍各个系统的情况。 一、天线系统 在标准地球站中，天线系统最为庞大，是地面站的重要设备之一。它的作用是将发射 系统输出的功率向卫星方向辐射，同时接收来自卫星的信号。整个天线系统由天线、馈线 组成。 二、 跟踪系统 由于静止卫星也不是绝对静止不动的，总有一定的漂移，因此，对于地球站天线来说， 就不能是固定不动的了，否则就会使天线波束偏离卫星方向。为了保证天线波束始终对准 卫星，要求天线有一定的跟踪能力。这一任务就是由跟踪系统来完成。 使地球站天线对准卫星的跟踪方法有三种：手动跟踪、程序跟踪、自动跟踪。目前在 大型的标准地球站中基本上都采取以自动跟踪为主，以手动跟踪和程序跟踪为辅的方式。 跟踪系统主要包括跟踪接收机、伺服控制放大设备和驱动装置三部分。 三、发射系统 在标准地球站中，需要发射的功率是很大的，它要能产生几百瓦以至十几千瓦的大功 率微波信号，向卫星发射。为了实现多址通信，还常常向其它地球站同时发射数个载波。 因此，地球站应能在高电压、大功率、宽频带和多载波的情况下工作。 发射系统得设备包括频率调制器、中频放大、上变频器、发射波合成电路，激励器和 大功率放大器。根据对地球站发射功率的要求，为使大功率放大器输出电平保持稳定，还 必须采用电平自动控制电路。 四、接收系统 在卫星通信中，由于卫星的发射功率受到限制，而通信距离又很远，地球站收到的信 号极其微弱，甚至可能低到0 1 微微瓦以下。因此，接收系统各部分设备所产生的内部噪 声以及其它外部噪声的影响必须很小，才能使系统正常工作。为此，接收系统的前级，特 别是第一、二级，必须采用低噪声放大器。 典型的地球站接收系统包括低噪声放大器，接收波分离装置，下变频器，中频放大器 和解调器。 五、终端接口设备 终端接口设备的作用是把市内通信线路送来的各种不同的信号分别加以整理、放大以 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第一章绪论 及变换等之后，根据地面站的要求按一定规律组成基带信号，送往基带处理单元，以便在 卫星线路上有效地传输。它包括电话终端设备、电视终端设备，数据终端设备以及传真终 端设备等。 六、监控系统 从上述可以看出，地球站是相当复杂和庞大的。为了保证各部分设备能正常工作，必 须在站内进行集中监视、控制和测试。完成这一功能的设备就是监控系统【2 】【2 8 1 。 每一地球站都有一个中央控制室，监控系统一般就是配置在中央控制室内。这一系统 可能比较简单，也可能比较复杂，它按地球站的用途、规模而定。一般来说，监控系统由 监视单元、控制单元和测试单元以及相应的软件系统组成。此系统即为本文的研究内容。 1 2 本文的研究背景、角度和意义 1 2 1 研究背景 根据上述卫星通信地球站的介绍看出，监控系统是地球站的重要组成部分，是保证地 球站正常运行的关键设备。随着卫星通信技术的发展，各种通信设备的功能越来越强，种 类也越来越多，卫星通信地球站系统更加复杂。在这种情况下，要想有效地管理维护系统 中的各种设备，最大限度地发挥通信系统的作用，提高地球站的可用度，一套功能强大的 监视、告警、控制、管理系统是不可或缺的。因此，本文以车载卫星通信地球站为基础， 开发了一套监控( m a c ) 系统，并拓展此m a c 系统使之可以适用于其它地球站。 1 2 2 研究角度和意义 本系统的开发语言不同于传统的m a c 系统，它采用j a v a 语言开发，而传统的m a c 系统一般采用c 或c + + 语言进行开发。 j a v a 与c 有类似的语法结构，与c + + 几乎完全相同，它在吸收了c 和c + + 中优秀特 征的同时，舍弃了其中一些容易引起问题，且不是绝对必要的部分功能。如指针，j a v a 语言取消了指针，而仅仅保留了引用( r e f e r e n c e ) ，这不仅保留了指针的灵活性，又避免 了许多由于指针的存在而潜在的隐患。 除了语法上的优势，j a v a 的平台独立性也是采用它开发m a c 系统的重要原因。长期 以来，软件平台独立性一直是软件业发展的需求，而j a v a 就是一种具有平台独立性的编 程语言。真正实现了“一次编写，到处运行”的跨平台性目标。用它开发出来的m a c 系 3 南京邮电大学硕1 二研究生学位论文 第一苹绪论 统不仅仅像传统的m a c 系统那样可以在u n i x 、l i n u x 操作系统上运行，还可以在w i n d o w s 操作系统下运行，而且无需对程序进行任何修改。这就降低了对监控计算机操作系统的要 求。 另外，j a v a 语言面向对象的特征也成为采用它作为开发语言的原因之一。面向对象 的开发语言集中了对象和接口的设计，提供了简单的类机制以及动态的接口模型。对象中 封装了他的状态变量以及相应的方法，实现了模块化和信息隐藏。这为m a c 系统将来的 功能扩展带来了方便【3 1 1 4 1 。 在硬件连接上，本系统采用外置的串口服务器来连接监控计算机和受控设备，只需选 择不同型号的串口服务器，即可同时监控具有不同串口的受控设备。 基于上述几点，本文从这种新的角度对地球站的m a c 系统进行了研究。 1 3 本文的内容安排 本文对地球站m a c 系统的设计与开发所进行的主要研究工作是： 研究地球站m a c 系统的功能，确定m a c 系统需要监控的设备及监控方式，设计并 实现一个采用j a v a 语言开发的地球站m a c 系统。 本文内容安排如下： 第一章：绪论，介绍本文研究的背景，从开发语言到硬件连接上的创新点，说明本课 题的必要性； 第二章：介绍地球站的m a c 系统的构成及其具体功能，并根据不同地球站的作用及 设备等情况进行分析，得出可行性监控方案； 第三章：对m a c 系统的进行了总体的设计，分为硬件设计和软件设计两部分。其中， 软件设计包括对其通信协议、操作系统、开发工具、数据库的选择以及具体功能模块的框 图设计；硬件设计包括了硬件设备的构成和各受控设备的功能； 第四章：详细阐述了该m a c 系统的实现过程，其中包括具体功能模块的主要程序框 架，数据库的连接方式以及系统在实际中的运行情况： 第五章：研究并讨论该m a c 系统的关键技术，包括可扩展性、硬件归化和远程监 控： 第六章：总结与展望。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章地球站的监控( m a c ) 系统 第二章地球站的监控( m c ) 系统 2 1 地球站的监控( m a c ) 系统概述 地球站的监控( m a c ) 系统是保证地球站正常运行的关键设备。因为m a c 系统能 够及时将地球站的运行情况，例如设备故障告警、主备用设备切换、传输通道的转换等等， 均以可辨认的物理量，集中地告诉地球站的操作人员，以便得到及时处理，从而缩短了故 障时间，保证了地球站设备的正常运行，也是对多机房地球站实行无人值守的前提。因此 任一个地球站，大到如i n t e l s a t 的a 标准站，小到如电视单收站( t v r 0 ) ，都必须具 有相应的m a c 系统，否则就不能保证地球站设备的正常运行。当然大地球站的m a c 系 统要比小地球站的更复杂，功能也更完善【l j 。 2 1 1m a c 系统的主要功能 m a c 系统的主要功能是通过对地球站各类设备的监视、告警和控制，以确保地球站 设备的正常运行。所谓监视，就是监视地球站各类设备的运行条件和工作状态。它可分设 备的工作状态的监视；线路呈接续状态的监视；地球站的主要参数监视；电话线路主要参 数监视；电视线路主要参数监视；天线跟踪工作状态和主要参数的监视及气象和标准时间 监视等。所谓告警，就是当地球站设备发生不正常状态或故障时，能向地球站操作人员发 出信号，它可以分为可视( 灯光) 信号和可闻( 声响) 信号。所谓控制，就是对地球站设 备的运行参数进行调整或当其发生故障或需要检修时，为地球站操作人员提供人工或自动 倒换的能力，使主用设备倒向备用设备，同时把传输通道做相应转换。它可以分为设备控 制和线路转换控制两类。 m a c 系统是把分布在地球站各种设备上的控制点和监测点的情况以及各种告警信号 等都集中反映在地球站的控制台上，并利用c r f 或可见的闪光信号或可闻的声响信号通 过存储器或打印机向操作人员报告并打印记录。操作人员可以通过控制台上的控制钮，以 人工或自动方式及时发现，并迅速处理发生的故障，使通信中断时间压缩为最短。 m a c 系统的功能对于卫星通信系统的网络管理中心( t o c c ) 尤为重要，这是因为 m a c 系统能实时地向网络管理中心报告本站设备的运行情况，网络管理中心通过对各地 地球站设备运行情况的综合分析发现或预测将要发生的某些重大故障，从而可以采取预防 5 南京邮l 也人学硕il o i c 生学化论文 第_ 二章地球站的腕挖( m a c ) 系统 措施，避免通信电路的阻断，保证整个通信网的安全。 2 1 2m a c 系统及m a c 设备的分类 地球站的m a c 系统一般可以分为三类：模拟的、计算机化的和无人值守的。 2 1 2 1 模拟m a c 系统 模拟m a c 系统是地球站最早使用的m a c 系统它只能给出模拟显示，如闪耀的灯 光信号或可闻的声响。在模拟m a c 系统中，设备运行的各种参数不仅显示在本身设备上， 也可以同时显示在地球站的控制台上，使操作人员可以了解设备运行情况和故障发生的部 位，针对存在问题，采取适当方法加以排除。例如可以用人工方法启动备用设备和备用通 道，以取代有故障的主用设备和通道。当然，有的模拟m a c 系统，也可以在告警信号发 生之后，自动切换设备，同时转换传输通道，并向操作人员发出告警和转换信号。 2 1 2 2 计算机化的m a c 系统 由于地球站不断更新技术，卫星数字通信设备同益增多，因而对m a c 系统的功能要 求也愈来愈高，既希望能离效地应用，又希望更完善地监视各种状念、记录各种参数，甚 至能自动进行测试。面对这些要求，近年来随着计算机、微处理器及大规模集成电路技术 的迅速发展，计算机化的m a c 系统也就应运而生了。 计算机化的m a c 系统与模拟m a c 系统相比，具有以下的优点： 1 ) 可以自动监视各种参数，同时在软件设计中根据设备故障状况，可对某些特殊故 障，例如载频漂移、导频电平不稳等进行程序校j 下。如有必要，操作人员可以及时修正， 操作极为方便。 2 ) 能将监视的参数存储和打印复制，以便操作人员作出迸一步的处理。例如故障报 告、设备中断情况、地球站通信的利用率等等。 3 ) 利用软件命令，任意时刻在c r t 上或其它显示屏上可实时地显示各个信道单元的 全部或部分参数。 4 ) 能根据系统的j l 业务量增长而对监视项目作相应的扩展，多数情况下，可通过软件 实现操作，十分方便。 ， 5 ) 可对所有监视的参数进行诊断，确定其失效条件，判断故障发生的部位。 6 ) 可与操作控制中心( t o c c ) 进行计算机通信。直接受t o c c 的控制，进行远程 6 南京邮电人学硕l ：研究生学位论文 第二章地球站的监控( m a c ) 系统 - - _ - _ _ - _ _ - _ _ i _ - - _ - _ _ _ - - - - _ _ - - _ _ _ - - - i _ _ _ _ - 一_ - _ - _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - - _ _ - _ _ - _ - _ - _ - _ - _ _ _ _ _ 一 诊断和操作，便于得到技术支援和缩短故障处理时间。 由此可见，计算机化的m a c 系统远比模拟系统优越，并已被越来越多的地球站所采 用。例如加拿大的国内卫星系统的中央控制站( 在阿伦公园) 就使用了v a x 3 6 0 0 主机对 全网进行有效的实时控制，取得了很好效果。 2 1 2 3 无人值守地球站的m a c 系统 地球站设备可靠性的提高为无人值守地球站( 以下简称无人站) 创造了条件，它可以 大大节省地球站的投资，故无人站所占的数量也就越来越大。例如，加拿大的国内卫星通 信系统，其地球站总数已达7 0 0 多个，但有人值守站只有1 5 个。换句话说，无人站所占 的比例竟达到9 8 。同时，由于m a c 系统具有完善的功能和设备可靠性高，所以每年只 需巡回检查一次。 ： 不难看出，要保证每个无人值守地球站的正常运行，无人站的m a c 系统将是一个关 键。它和有人站的m a c 系统相比，主要有以下两点不同： 1 ) 必须具有很高的可靠性，同时所能监控的性能应更加完善。例如它不仅能监控设 备，还能监控环境( 如室温、门窗、和火灾等情况) 。 2 ) 其所获得的各项参数值必须通过专用的传输信道及时地向网络管理中心报告。 无人站的m a c 系统组成如图2 1 所示。由图可以看出，一个无人站的m a c 系统主 要由终端控制单元和地球站与系统的各监控单元所组成，其中单位监控单元包括：天线控 制及状态、通信处理设备状态、接收设备状态、发送设备控制和状态、电源状态及机房环 境等。 控制单元把系统的监控参数转变为数据格式并通过专用链路送往控制中心，同时又将 控制中心送来的控制命令送往相应的监控单元中去执行，因此，m a c 系统中的终端控制 单元是整个系统的关键部件。 7 南京邮电大学硕t ：研究生学位论文 第二章地球站的监控( m a c ) 系统 罟一一 l i 卜 二二；二|lj厂磁；赢卜j 传 输 电 路 ； 一 f ；i - 苎 监控单元 ，- 。+ _ 装于控制中心站中装于无人值守站中 图2 1 无人值守站m a c 系统方框图 2 1 2 4m a c 设备的分类 m a c 设备尽管有各式各样，但基本上可归属为下述三类，即本地的、远端的以及监 控的。现简述如下： ( 1 ) 本地的m a c 系统 本地的m a c 设备设置在被监控的设备附近，甚至就在同一设备的机箱上，需要操作 人员到设备处才能观察情况、处理问题。这样的m a c 设备通常多用于小型地球站，例如 t v r o 地球站等。 ( 2 ) 远端的m a c 系统 远端的m a c 设备与被监控的设备可以相隔一定的距离。为便于集中监控管理，可把 地球站每一个分系统的远程终端集中到地球站的控制中心，以便集中监控和显示。这种 m a c 系统主要用于大、中型地球站，例如i n t e l s a t a 标准站等。应当指出的是，每一 分系统的远端设备所提供的监视信息至少要与本地m a c 设备所提供的一样，或更多。 ( 3 ) 监控的m a c 系统 在具有远程监控的m a c 基础上，利用计算机进行自动化管理，定期、自动地对设备 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章地球站的监控( m a c ) 系统 的各种参数进行巡测和对某些参数进行自动校正或调整，这就可以大大减轻值班人员的劳 动和提高处理问题的及时性，还可以将所有发生的时间存储并打印，保留了完整的原始记 录。这些都靠人工是难以做到的。总之，使用计算机化的m a c 系统，可通过软件的修改 和补充，不断丰富和完善其内容。计算机已成为监控式m a c 必备的设备。监控式m a c 系统是完成无人站所必需的【2 9 】【3 0 】。 2 1 3 选择m a g 系统的原则 由上述各节可知，m a c 系统由不同功能，监测的项目也繁简各异，下述条件是选择 m a c 系统时应予以考虑的： ( 1 ) 地球站的规模和型式大型( a ，b ，c ) 站还是小型( d i d 2 ，e i e 2 ，f l f 2 ) 站； 有人值守还是无人值守；设备是集中安装一处还是分散在几个机房；有几副天线；同时工 作与几颗卫星等等。 ( 2 ) 业务容量和类型是单一业务的站还是多种业务的综合站；电路数量的多寡；业 务质量( 可用率) 的要求等等。这些事决定设备的数量和备用条件。 ( 3 ) 业务发展的前景在未来( 至少l o 1 5 年) 内业务增长的可能性，是只有有限增 长还是成倍地大量增长。这对确定站的规模和m a c 的容量极有关系。 ( 4 ) 投资及经费的限制和经济效益的考虑。 ( 5 ) 有无向监控中心传送数据的要求。 ( 6 ) m a c 系统的可操作性即值守人员使用和维护这个系统的难易程度。例如模拟显示 板很直观、便于操作和维修，也不易产生误操作事故，但占面积很大，不适合于有多副天 线系统的大型站，也不适于变成数据信息向远端传送，而且全由硬件组成，故改变困难。 对有人值守且不集中监控的中、小型站来说，可能是又便宜又易于操作的方式。另一方面， 如果是无人值守机房( 或站) ，那术就应考虑计算机化的m a c 系统，由于设计优劣不同、 其可操作性也有很大差异，所以需要慎重选型。 如何f 确选择m a c 系统，有以下几点应该遵循： ( 1 ) 易于观察和操作，对误操作应有防止措施； ( 2 ) 对严重事件，应同时有声、光显示和告警，对次要事件，则只要有光亮显示以示 区别就可以了。 ( 3 ) 应是积木式模块化结构，以便在更新其中某一部分( 分系统) 时或扩容时，其余 部分仍能继续j ：f 常工作； 9 堕室些! 垒奎兰堡：生婴壅竺兰垡笙苎 兰三童些堡苎塑鉴塑! 竺竺! 至丝 ( 4 ) 硬、软件都要有很高的可靠性，重要部分应有备用； ( 5 ) 计算机化m a c 要留有足够接口和扩容的能力，以适应未来需要和兼容分系统控 制器的能力。此外，还应留有通信接口，以备与控制中心进行数据通信联系。 ( 6 ) 要考虑性能价格比。根据实际需要，删除不需要的监控项目( 如有人值守站的环 境项目就可大量建设) 和选用m a c 的制式，以节约投资。 根据这些原则就可以选用符合实用而又经济方便的m a c 系统了f l 】【3 1 】【3 2 】。 2 2m a c 系统的监视功能 2 2 1 设备工作状态监视 在各种类型地球站中，a 标准站是最具代表性的一种。但是，即使同样是a 标准站， 因其承担的业务量、业务重要性或业务方式不同，所配置的设备也不一样。尤其是近几年 来，i n t e l s a t 系统中新技术、新业务不断发展，地球站中一些用于新业务的新设备也在 不断增加。卫星数字通信的发展使地球站中的数字设备逐步增加。下面只从地球站的基本 设备考虑，所设计的m a c 系统所需监控的设备包括天线、伺服系统；高频系统( 高功率 放大器、低噪声接收机) ：地面通信设备( g c e ) 系统( 包括上下变频器，m o d e m ) ； 载波终端设备( g t e ) 系统( 包括基带和终端设备) ；电视系统，电源系统、公务联络设 备、监控设备及地面接口设备等，各设备的状态分为手动自动通信中断三种。 2 2 2 天线跟踪工作状态的主要参数监视 天线是地球站的主要设备，其工作状态的正常与否直接决定卫星通信的质量，因此必 须对其主要参数进行实时监视并记录，发现异常及时修正。 2 2 3 视音频、气象和标准时间监视 系统可以对远端及本地的视音频信号进行监视，可用于可视电话会议等；在m a c 系统加入气象监视设备，可以预测气候变化。 2 3m a c 系统的告警功能 当设备出现故障，系统在发出声音告警的同时，弹出告警界面，提示操作员故障设备 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章地球站的监控( m a c ) 系统 的位置，并引导操作员进行修正或切换。 2 4m a c 系统的控制功能 与监视功能相对应，m a c 系统对所有设备的工作状态进行控制，更改参数，切换主 备设备等，并且控制视音频信号的收发。 2 5m a c 系统的测试功能 系统可进行b e r 测试、g t 测试、伺服分系统测试、发射测试，下面分别介绍它们 的测试方法。 2 5 1b e r 测试 误码率是衡量数字通信系统传输质量优劣的非常重要的指标，它反映了在数字传输过 程中信息受到损害的程度。b e r 是在一个较长时间内的传输码流中出现误码的概率，它 对信号传输的影响程度取决于编码调制方式。卫星通信中经常使用的数字调制方式是 q p s k 和b p s k 。对于相干b p s k ，假设判决门限值为0 电平，有系统误码率公式 p c = 三e r f c 石 ( 2 5 1 ) 式中，r 为输出信噪比，即r = c n 。在同一条件下，对于差分相干2 d p s k 有 p e = ( 2 5 2 ) 对同步检测2 d p s k 有 p o = e r f c f r ( 1 1 2 e 疵正)( 2 5 3 ) 对绝对q p s k 有 p 。= l - 疵、历 2 亿5 q 在大信噪比条件下，对相对q p s k 有 p e e 2 r s i l 2 m( 2 5 5 )r 。 ( 2 5 5 ) 式( 2 5 2 ) 、( 2 5 3 ) 、( 2 5 4 ) 、( 2 5 5 ) 中，r 都为输出信噪比。 由上述误码率公式可知，只要测出系统的输出信噪比，代入计算公式即可算出误码率， 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章地球站的监控( m a c ) 系统 b e r 测试流程如图2 2 所示。 2 5 2g t 测试 开始 上 获取 相应参数 上 根据c n 计 算公式计算 1 l 根据c n 算出b e r ： 图2 - 2b e r 测试流程图 2 5 2 1g r 值表达式 地球站接收系统的品质因素g t 值是接收天线增益g 与接收系统噪声温度t 的比值， 其单位一般用d b k 表示，如用d b 表示时则为 g v 拈_ g 】拈 扭 ( 2 5 6 ) g t 值的测量一般都采用射电星功率源与冷空噪声功率源之比的y 因子法。当天线 指向某一射电源时，天线接收到的噪声功率增量值p 。为 只= 半= 笋( 肜) ( 2 5 7 ) 式中，p 。为天线指向射电星时噪声功率的增量值( w ) ；s 为测量频率上射电源的功率谱 通量密度( w ：m 。2 h z 。1 ) ；a 。为接收天线的有效面积( m 2 ) ：b 为接收机噪声带宽( h z ) ； g 为工作频率上天线的接收增益；入为工作波长( m ) 。 上式中出现的系数去是因为接收系统的极化方式给定的，而射电星的极化是随机的， 所以任何时间从射电星上接收到的只能是一种极化辐射功率，因此接受功率要比辐射功率 低3 d b 。当射电星是点源时，其辐射波通过无衰减大气层时，该公式才是j 下确的，但实际 1 2 南京i l l l l l 乜人学硕f ：研究生学位论文 第二章地球站的监控( m a c ) 系统 上，一般射电星不能认为是点源，大气层也有衰减，所以这两项条件都不成立。因此式 ( 2 5 7 ) 必须加以修正成为下面形式： c ：z s 3 万, 2 , g , b ( 2 5 8 ) 5 8 刀尼心 、 式中，k 。为考虑大气衰减后的修正系统；k 2 为考虑到射电星不是点源，它是与射电源角 径有关的一个修j 下系数。 由c c i r 3 9 0 4 文件规定，当天线指向射电星、仰角 5 。、测试频率f = - 4 g h z 时， k l = 0 0 3 6 s i na ( d b )( 2 5 9 ) 由c c i r 3 9 0 4 文件附录i i i 规定了仙后座a 、金牛座a 、天鹅座a 的角扩展的修正系 数k 2 ，并且不同的射电星修正因子k 2 也不同。当使用太阳或月亮作射电源时，k 2 修正因 子可用下式计算 n2 ( 甜 e 2 = e 葫d al 一 7 ( 2 5 1 0 ) 式中，0 。为太阳( 或月亮) 的视半径( 所谓视半径即从地球上观察太阳或观察月亮半径 的夹角) ，太阳的视半径o 。1 67 0 8 ”；0a 为被测天线半功率点波束宽度，单位与0 。相同。 严格地说，上式只有在堡1 时才是正确的，但实际经验证明，此式可用至堡1 2 ，此时 乩包 测量精度为坐：旦1 。 k 2 当天线的e 面和h 面方向图半功率点波束宽度不等时，可分别把e 面和h 面的0a 代入上式进行计算，然后取算术平均值作为k 2 值。 假设p 幻。为天线指向射电源时所接收到的总噪声功率，而p 。为天线以相同仰角指向背 景冷空时接收到的噪声功率，则天线接收到的噪声功率增量值p s 为 只= p r o ! 一= 招( k + 乃) 一船疋= 后乙，b ( 2 5 1 1 ) 式中，k 为波尔兹曼常数：t 。为天线指向背景天空( 即冷空) 时接收到的噪声温度；t s 。， 为天线指向射电星时接收到的噪声温度；b 为接收系统的带宽。 由式( 2 5 。8 ) 和( 2 5 1 1 ) ，可得 s 2 2 g b ：七zb ( 2 5 1 2 ) 8 n k 2 肛l 拶 l。j1zjt-k2 s a t 所以 南京邮电大学硕：卜研究生学位论文 g = 等隅 第二章地球站的监控( m a c ) 系统 ( 2 5 1 3 ) 由y 因子的定义可得 。， 天线指向射电星时接收到的噪声功率 1 天线在同仰角指向冷空时接收到的噪声功率 ( 2 5 1 4 ) 一k b ( 1 0 + t a + t l n ) k b ( 1 。+ j l n a ) 可得 t m = ( y 一1 ) ( t a + t l n a ) = ( y 一1 ) l 。 ( 2 5 1 5 ) 式中t 。为天线噪声温度( 含馈源与馈线损耗) ；t l n a 为低噪声放大器的噪声温度；用t 。y s 表示系统噪声温度( 即t s ”= t a + t l n a ) 。 把式( 2 5 1 5 ) 代入式( 2 5 1 3 ) ，即得 g t m = 避k l - k ： ( 2 5 1 6 ) 式中，k = 1 3 8x1 0 。2 3 j k 为波尔兹曼常数：y 、k i 、k 2 定义同前，入为工作波长( 单位为 米) ；s 为功率谱通量密度( 单位为w m 。2 h z j ) 。 2 5 2 2g t 值的射电星测量方法 由式( 2 5 1 6 ) 可知，k 、k 1 、入均为已知；k 2 可由式( 2 5 1 0 ) 算得，则唯一待求 的是y 因子值，所以射电星法测量g t 值，实际上只需测得y 因子值后代入式( 2 5 1 6 ) 即可计算出相应的g t 值了。 测量前，算出射电星的空白j 坐标，即射电星相对于被测地球站的方位角和俯仰角。使 用手动方法跟踪射电星时，务使接收功率保持最大，在这种情况下测出输出功率为p l ， 写成下式： p l 。g 瓦p t o t ( 2 5 1 7 ) 式中，g 为接收机和l n a 的总增益( 真数) ；p 雠为天线指向射电星时接收机输入端的总 噪声功率( w ) ；l a ，= 1 0 而是以真数表示的衰减量，其中a l 为中频可变衰减器的衰减量 ( d b ) 。 1 4 南京邮电大学硕：仁研究生学位论文第二章地球站的监控( m a c ) 系统 图2 - 3g t 值测试流程图 然后把天线在方位角方向上任意偏离射电星一角距，保持指向背景天空的仰角不变。 所谓背景天空就是只有背景噪声的冷空。实际测试中，是找一个接收电平最小但又是基本 不变的读数。在这种情况下，改变中频可变衰减器的衰减量，使记录仪( 或电表指示) 仍 保持原来的输出功率p l 不变，则有 p i = g ( 2 5 1 8 ) 式中g 是假设接收机和l n a 为线性，则与前相同；p n 为