（通信与信息系统专业论文）inmarsat无线数字通信系统构建.pdf

中文摘要摘要我国是一个拥有3 2 万公里海岸线的海洋大国，并且拥有“世界屋脊”和大面积的沙漠地区。随着，i n m a r s a t 海事卫星现在已经进入到第四代卫星时代。陆上数字通信手段的发展，知识产权的所属，安全和利益的关系等种种因素，导致我们不得不寻求有自主知识产权和安全的海事卫星数字通信软件。本文即是存第三代海事卫星的基础上提出了海事卫星数字通信软件系统的框架。通过对m i r am 海事卫星终端，串口通信的研究，e f a x 通信服务的考察，公用电话网数字通佶和经过海事卫星地面站的数字通信的研究，形成了海事卫星数字通信系统的硬件组成。本系统的软件设计在用户，数据管理方式中采用了a d o 数据库技术，它是数据库技术发展的趋势。存数据文件中采用了自主设计的文件结构。并且在此基础上采用逆序c r c 校验，l z s s c 压缩算法，设计实现了无线通信协议。该协议可以实现单工，双工和断点续传功能。通过对本软件设讣的性能测试，与s k y f i l e 50 的对l l i , 9 试，以及程序和性能分析，找到了影响通信质量的因素和部分解决力式，达到了令人满意的结果。通过基于t c p i p 协议的局域网通信编程，实现了小型局域网互联。解决了团队使用一个卫星终端的问题，并且实现了一些方便用户存储数据的历史记录等功能。本设计在确保了通信速率的基础上，在中，英文环境下实现了e m a a l ，e f a x 的功能。通过改变拨叫账户实现对任意地面站的连接保证信息安全。同时，解决厂以咎海事卫星通信软件对处理中文时所存在的问题。关键词：o e m a ii f a x ；i n m a r s a t ；海事卫星数字通信；船站英文摘要i n m a r s a tw i r e l e s sd i g i t a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e me s t 4 l b l i s h i n ga b s t r a c tc h i n a1 sa l lo c e a ng r e a tp o n e rw h oo n i i s3 2 ，0 0 0k l l o m e t r e so fc o a s t h n e , a n do w n”t h er o o fo ft h ew o r l d ”a n dt h el a r g ed e s e r t n o b ；t h ei n m a r s a th a sb e e ni n t ot h en o4g e n e r a t i o ns a t e l l i t et i m e st h ed e 、e l o p m e n to fl a n dd i g i t a lc o m m u n i c a t i o nm e a n s ，t h ei n t e l l e c t u a lp r o p e r l y n g h t s ，s a f e r ) 7a n dt h eb e n e f i tr e l a t i o ne t c ，l e a dt ou sh a v et oe x p l o r et h es a f el n m a r s a ts a t e l l i t ed i g i t a lc o m m u n i c a t i o ns o f t w a r eo w i n gm d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yf i g h t t h eb a s i sb e i n gt ob et h i r dl n m a r s a ts a t e l l i t es y s t e mi sl i s t e di nt h em a i nb od 、- o fap a p e rh a xl n gb r o u g h tf o r w a r dt h es y s t e m a t i cf r a m eo fl n m a r s a td i g i t a lc o r n n l u n l c a t l o ns o f t w a r et h r o u g ht h es t u d 3i nt h em i n i mi n m a r s a ts a t e l h t et e r m i n a l ，s e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o n e 觚c o m m u n i c a t i o nb u s i n e s s t h ed i g i t a lc o m m u m c a t l o nt h r o u g ht h ei s d na n dt h el e s t h el n m a r s a td i g i t a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a r d w a r ei sf o r m e dt h ed e s i g no f s o i l , s a r eu s i n gt h ea d od a t ab a s ei nc o n s u m e ra n dd a t am a n a g e m e n t ，i ti st h et r e n dt h a tt h ed a t a b a s et e c h n o l o g yd e v e l o p sh a sa d o p tt h ed o c u m e n ts t r u c t u r ed e s i g n i n gt h a ta u t o n o m o u s l yi nd a t ad o c u m e n t a d o p tt h eb e c k w a r ds e q u e n c ec r cc h e c k i n g ，t h el z s s cc o m p r e s s i o na l g o n t h ma n dh e r eo nt h eb a s i s ，d e s i g n st h a th a 、_ m gr e a l i z e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb eb yp r o t o c o lt u r nt ob ea b l et or e a h z es i m p l e x ，d u p l e xo p e r a t i o na n dr e s u m i n go fi n t e r r u p t e dt r a n s f e r s b yt h ep e r f o r m a n c et e s to ft h es o f t w a r ed e s i g n s t h et e s tc o n t r a s tw i t hs k y f i l e 50a n dt h ep r o c e d u r ea n df u n c t i o na n a hs i s ，w eh a v ef o u n dt h ef a c t o r sa n dp a r to fr e s o l u t m n sa n dr e a c h e ds a t i s f a c t o r yr e s u l t b yt h ep r o g r a m m i n gb a s e do nt h et c p i pp r o t o c o li nl o c a la r e an e t w o r k h a v er e a l i z e dt h em i n i t y p el o c a la r e an e t w o r ki n t e r c o n n e c t i o n a n dh a 、er e s o l v e dp r o b l e mt h a tat e a mu s i n gaa r t i f i c i a ls a t e l l i t et e r r m n a l ，t h eh i s t o r yr e c o r ds h o wc o n v e n i e n c et oc a s t o m e r st os t o r ed a t a t h ed e s i g n e dh a sr e a l i z e de m a i la n dt h ee f a xf u n c t i o no nt h eb a s i sh a v i n ge n s u e dt h er a t ei nc h i n e s ea n de n g l i s hb yc h a n g i n ga c c o u n ts e t t i n gu pc o n n o c t l o nt ol e st oe n s u r et h a ti n f o r m a t i o ni ss a f ea tt h es a m et i m e ，r e s o l v i n gt h ep r o b l e mi nt h e英文摘要p a s ti n m a r s a ts o f t w a r ei np r o c e s s i n gc h i n e s ek e yw o r d s ：c e m a i l f a x ；l n m a 倦a t ；l n m a r s a td i g i t a lc o m m u n i c a t i o n ；m e s大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：本论文是在导师的指导下。独立进行研究工作所取得的成果，撰写成硕士学位论文= = ! 盥丛珏叁! 玉缝筮主道垡丕红丝建：。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：桶乓2 7 年3 月2 i ：卜日学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩e 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于：保密口不保密斩请在以上方框内打“，)论文作者签名：桶l 导师签日期：2 一口7 年弓月2 牛日第1 章绪论第1 章绪论1 1 课题来源与背景本课题来源于北京埃瑞尔科贸有限公司的项目基于i n m a r s a t 的数字通信软件。i n m a r s a t ( i n t e r n a t i o n a lm a r i t i m es a t e l h t eo r g a m z a t t o n ) 是一个运营全球卫星移动通信的国际合作组织，前身是美国的m a n s a t 。它是按提供固定卫星通信业务的i n t e l s a t ( 国际通信卫星组织) 模式构成的，是一个按商业化运行的政府问合作组织【l 】ol n m a r s a t 传统的通信手段是电话和电传。但是，随着数字化社会的发展这些手段已经越来越不能满足航运界的需求，特别是在i n t e m e t 网络带来的岸上通信手段的革命，尤其是在e m a i l 的更广泛的使用，以及网络传真和短信的普及以后。但是陆上的数字通信，包括有线和无线通信，并不能覆盖所有的地理位置以及淘洋。而海事卫星通信系统的特点就是不受地理位置限制，如果能将两者的长处相结合将会开拓一个海事卫星通信的新领域。目前，随着航运业的发展越来越迅速，航运公司与远洋船舶的通信也越来越频繁，但是航运公司与远洋船冉自之间的通信只能依靠海事卫星，其通信费用与通信时间成正比。现在世界上比较常用的有a m o s 、s k v f i l e 、r v d 等通信软件系统，这些通信软件系统实现的基本功能基本相同，系统也比较完善和稳定，但是它们也部育各自的不足之处。以s k y f i l e 为例该软件系统可以发送邮件、传真和短信，具有双向传输、数据主缩和断点续传功能，是现有的通信系统中优秀软件系统之一。但是，其最大的缺点就是软件系统与地面站绑定在一起，用户不能自由的选择所用的地面蟊掣 j 。商家传输的信息都要通过软件指定的地面站，这使得商务信息安全的实现成为一个问题。其次，现有这些软件中的中文处理能力，如a m o s ，由于这些软张都是在英文系统下开发的。并且使用的编码部是7 位以内的标准a s c i i 编码，但是中文需要用到第8 位，所以很容易出现乱码【“。除此之外，s k y f i l e 的界面环境也成为阻碍其通用化的一个弊端。这样基于i n m a r s a t 的无线数字通信软件就成为一个应i n m a r s a t 无线数字通信系统构建运而生的问题。1 2 海事卫星通信现状国际海事卫星组织( i n - - m a r s a t ) ，在1 9 7 6 年首次使用通信卫星提倒、海匕搜索救援，同时也提供日常通信业务。1 9 7 9 年，中国和其他国家一起参与缍建国际海事卫星组织。到目前为止，1 n m a r s a t 先后开发了四代产品。2 0 0 5 年3 月1 2日，国际海事卫星组织将首颗第四代“国际移动卫星”送入轨道，其功能比第三代移动卫星功能强大1 0 0 倍”，能够满足日益增长的数据和视频通信需求。并且，海事卫星组织现已发展为世界上唯一能为海、陆、空各行业用户提供全球化、全天候、全方位公众通信和遇险安全通信服务的机构。一般来讲，海事卫星通信系统主要由同步通信卫星、移动终端( 包括淘用、陆用和空用终端) 、海岸地球站以及协调控制站等组成。目前海事卫星系统除了正常的收费业务以外，还为海事遇险救助和陆地较大自然灾害，提供免费应急通信服务。随着技术的日新月异及市场需求的增加，“国际海事卫星”的服务对象正从特殊行业和和人群向普通公众转变。为了更好参与市场竞争，国际移动卫星缒织实行了“私有化”，更名为国际移动卫星有限公司，“国际海事卫星”改名为“国际移动卫星”。全球地面蜂窝网络虽然已趋于完善，但在野外勘探、民用航空、远洋舰船、远离城市旅游探险等方面仍有较大局限。尤其在发生重大毁灭性自然灾害的地区，地面网络遭到破坏，卫星移动通信就能发挥独特作用。例如我国1 9 9 8 年抗洪抢险、川i 藏和新藏公路交通部队值勤和南极科考等重大活动中，都有海事卫星电讵的功劳。在“铱星”、“全球星”和i c o ( 中圆轨道系统) 等几大移动通信卫星中，发展最快的是海事卫星。这是由于海事应用的需求最迫切，在技术上也比航空通信和陆地移动通信简单。目前的“国际移动卫星”主要支持便携式终端，系统稳定可靠，传输速率高，业务广泛，可进行全球通信，是移动通信卫星中运营最好的。第1 章绪论海事卫星在我国经历了2 0 多年的发展历程，其独特的性能和覆盖能力已成为国内公众基础电信网的补充和延伸。2 0 0 3 年开通的海事卫星f 系统是新一代全球移动卫星数字多媒体信息系统，能将各种信号快捷地发到任何地方，完全满足海、陆、空各种类型用户对移动卫星加密电话、传真、电传、数据、图像传输、i n t e m e t接入等需求。2 0 0 5 年，中国交通部交通通信中心正式宣布，将开通b g a n 业务。其中陆地业务于2 0 0 6 年底全球覆盖；航空业务于2 0 0 6 年底开通：海上业务将于2 0 0 7 年初开通。该宽带全球局域网已具备了3 0 的全部能力p i ，可以实现用户野外、应急、探险等环境f 的通信需求，如打电话、收发短信息、上网、收发传真、召开视频会议等。1 3 课题研究意义在i n m a r s a t b 站中就有9 6 k b p s 和6 4 k b p s 两种数据通信业务了【6 】，在耔推出的b g a n 中其传输速率更是达到了4 9 2 k b p s 的高速业务，但是6 4 k b p s 的基本资费在7 5 美元每分钟左右。而b g a n 的基本通信费用更是达到了9 3 美元每分钟崖右。而普通的9 6 k b p s 通信业务只有2 3 美元每分钟左右m 。目前海事卫星通信软件主要解决使用普通业务就可以进行数据通信的问题。这样就可以在较低通信资费下实现数据传输，实现海事卫星数据通信的通用伯。这样使得拥有海事卫星终端的用户不论采用何种业务都可以获得和发送数据，图像等信息。1 4 海事卫星通信软件现状目前国际上最流行的几款海事卫星通信软件分为两种类型，一类是独立完成数据构成，数据交换的软件。如荷兰海事卫星地面站的a m o s ，法国海事卫星地面站的s t f i l e 。另一类则是需要嵌入到其他e m a i l 软件( 如o u t l o o k ) 中的卫星通信模块如挪威地面站的e m a i la d v a n c e d ，加拿大地面站的r y d e x 。现在我们就其功能作一下分析。其实对于海事卫星来说，其本身也有提供数据传输的业务，但是直接使用绎i n m a r s a t 无线数字通信系统构建常有人抱怨m l m m 提供的2 4 k 带宽太窄，收发邮件很慢：而m 4 提供的6 4 k 带宽话费a 高。所以传输速度和效率是海事卫星数据通信软件存在和发展的根本理由。首先对比一下几款软件的传输速率，下表中对应的波特率均为9 6 0 0b a u d ：表1 1 海事卫星软件通讯速率分析t a b1la n a l y s i s o f t h er a t e o f i n m a r s a t i o f t w a r e发送，接收s k f i l e 50a m o se m a l la d v a n c e do u t l o o k文件大小( 字节) d o e3 0 0 kl o o k3 0 0 l 【3 0 0 k传输速率( 字节秒)6 5 04 0 06 5 02 0 0用时( 分钟)7 74 27 72 51 ) 注：上表中所标识的文件大小均指没有压缩过时的大小。传输速率= 文件大d , ( 文件风缩以后的传送时间s k y f i l e 截至2 0 0 6 年8 月已经出到6 0 的版本。而r v d n 也已经推出了r m x 2 1 8 it 日是受工j 星信道带宽的限制。他们在速率上的提高也基本上已经达到一定药度。只能另外在压缩，传输协议，双工等技术上作研究。除了速率上的要求以外，再对比一下他们的其他一些特点，见表1 2 。通过几款软件的对比可以看出，除了不支持短信业务以外。嵌入式软佴模块最大的问题就在于他的兼容性问题。由于他需要嵌入到别的软件中，所以很容易出现不兼容的现象。另外嵌入其他的软件需要被嵌入的软件的源代码或者拧制接口。对于软件开发来说，不但增加了开发难度，而且增加了开发成本。通过表1 1的比较得出了速度比较好的软件，s k y f i l e 50 ，e m m l a d , , a n c e d 。另外嵌入式的设i f方案十分复杂，使得独立软件的方案更加可行。本设计需蜚解决的问题，主要有以下几点：1 ) 与国际同类软件相当数据传输速率。2 ) 海事- 卫星地面站的选择权还给用户。第1 章绪论3 ) 中文处理能力。4 ) 友好的界面，例如，s k y f i l e 5 0 的界面是独立设计的，需要一段时间熟悉。表1 2 海事卫星软件性能分析t a b12a n a l y s i s o f t h e e a p a b l h t yo f i n m a r s a ts o f t w a r es k v 6 l e 5 0a m o se m a l ia d v a n c , e dr y d e x安装正常安装正常安装嵌入式嵌入式兼容性w i n 9 5 开始与w i n 9 5 开始与可能存在兼容可能存在兼存问所有w j n d o , a , s所有w i n d o w s问题题操作系统兼容操作系统兼容地丽站选择f r a n c ex a n t i c不限不限收费无无无月租费压缩比( 文本文件)6 0 8 5 8 0 8 嘶无压铺传输速率参考表1 12 5 0 字节j 秒参考表t 12 2 0 字节秒短信，传真支持支持不支持短信不支持短信1 ) 注：无压缩传输速车= 文件压缩以后的大小文件压缩以后的传输时间1 5 论文组织结构论文由以下部分构成：第一章绪论介绍课题来源与背景，海事卫星通信的现状，海事卫星通信软件现状，论文组织结构。第二章从理论上解析了海事卫星通信的特点，以及面临的问题如损耗，噪声，多荇和多普勒效应等等。同时对所采用的网络和海事卫星终端进行说明。第三章介绍通信系统设计方案，其中主要包括系统的硬件构成。串口，a t 指令。用户管理方式，主要包括用户的帐户管理，数据管理。着重说明了客户端的数据管理方式。另外介绍了软件的操作界面，历史记录功能。i n m a r s a t 无线数字通信系统构建第四章无线通信部分设计实现，是本文的重点，是海事卫星通信的核心模块。其关键技术主要包括，无线通信协议构造，无线通信流程设计，压缩方式设计寅现，校验方式实现，断点续传实现，数据包大小选择。简述传真，短信功能，第五章介绍了船站局域网通信部分设计实现。说明了局域网实现的模型，t c p i p 协议，w m s o c k 技术，船站l a n 应用层通信| 办议，局域网中的用户数据管理，数据交换流程，局域网软件界面。第广、事介绍了软件测试，通过测试结果说明方案所实现的内容。第七章论文总结，同时提出有待解决问题。第2 章晦事卫星通信第2 章海事卫星通信2 1 卫星通信频率与轨道2 1 1 卫星轨道现代卫星移动通信中的轨道分类主要分为：l e o ( l o we a r t ho r b a ) 指的是高度在1 5 0 0 公里之内的任何地球轨道。典型的应用是全球星系统g l o b a l s t a r 他的特点适合低功率移动手持和车载用户设备。m e o ( m e d m me a r t ho r b a ) 指的是高度在1 5 0 0 公里以上到3 8 0 0 0 公里之问的地球轨道，典型的应用是g p s 系统，i n n m m 缸海事卫星。同时海事卫星所采用的轨道也称为g e o ( g e o s t a t l o n a r ye a r t ho r b i t ) 静止地球轨道距离地球高度为3 5 7 8 66 公里，适合高速数据传输和广播。h e o ( h i g he l l i p t i c a lo r b i t ) 指的是远地点大于3 8 0 0 0 公里的地球轨逆，一般近地点距离地球表面5 0 0 公里，远地点离地球表面5 0 ，0 0 0 公里。典型应用如前另、联的m o l m r l a ( 闪电) 系统。2 12 海事卫星通信的频率使用无线电通信中，频率资源是最重要的资源，对其使用也需要进行缜密的研究。由于卫星通信必须穿越大气的通信特点，使得对于电磁波在大气中的传播糟性的研究尤为重要。通常在0 3 1 0 g h z 频段，大气吸收衰减最小，称为“无线电窗口”。在3 0 g h z 附近也有一个衰减低谷，称为“半透明无线电窗口”。0 1 g h z 以一f 的频段宇宙噪声会迅速增加，所以最低频率不能低于01 g h z 。目前大多数通信任用的频段如下：u h f 波段4 0 0 2 0 0 g h zl 波段16 1 5 g h zc 波段6 4 g h zx 波段8 7 g h zk u 波段1 4 11 g h z ，1 4 1 2 g h zk a 波段3 0 2 0 g h z1 - 3 ( i - 3 ，i n m a r s a t 第3 代海事卫星) 海事卫星系统中，对于来自船舶上的用户呼叫，通过船站l 波段的16 g h z 射频发射到卫星，卫星转发器将接受到的信 n m a r s a t 无线数字通信系统构建号放大并且变换成c 波段4 g h z 信号进行解调，然后将解调后的信号经国内，目际通信网交换传送至用户终端。来自片站的c 波段6 g h z 调制信号，经过卫星放大并且变换为l 波段1 5 g h z 的射频信号传输到船站。咚彩j 卿屿瓷嚣_，7_ * ”_ ”峄冉用i n m a r s a t 终端穆陆用i n m a r s a t 终端圈2 1 彝事卫星频率分配f i g21i n m a r s a ts a t e l l i t e sf r e q u e n c yd m t n b u t e饵事卫星地面自2 1 3 海事卫星波束使用海事卫星一般采用两种波束全球波束和点波束。其中点波束在第四代卫犀中又分为窄波束和宽波束。全球波束在各代卫星中都有是海事卫星必备的传输1 方式，点波束存第三代海事卫星歼始采用。全球波束指卫星的波束可以覆盖整个地球所在的平面，如图2 2 全球波束具确以下特点：1 ) 卫星天线的波束宽度必须为1 74 。此时天线增益只有2 0 d b ，所以需要卫星高功率发射。2 ) 要求地面移动端天线直径为l m 左右，且发射功率至少2 5 w 。3 ) 覆盖洋区信道数目受限。点波束指卫星的波束可以覆盖整个地球表面的某个区域，点波束具有以下特点：1 ) 卫星天线波束窄，加大j ，卫星下行功率使得移动端可以减小天线面积。2 ) 提高卫星的频段利用率。不同点波束覆盖区域不重叠时可以重复使用t ! 颁率。第2 章海事卫星通信信道容量增大。3 ) 对其它地面系统干扰小，可降低地面站的技术要求在i - 4 卫星投入使用以后才出现了宽波束和窄波束的概念。它们都是点波束，区别在于宽波束与窄波束的覆盖面积不同。窄波束的覆盖面积更小，可以提供史大的卫星发射功率从而减小移动端天线面积。并且更小的区域划分提高的频率使用率大大增加了信道容量图2 2 波束解析图f i g22b e a ma n a l y s i s2 2 卫星通信电磁波传播对卫星移动通信的电磁波传播特性的研究是卫星移动通信系统设计的摹础。卫星移动通信中的电磁波传播包括移动通信的特点和卫星固定通信的特色。不但传输损耗大而且存在多经衰落和多普勒效应。2 2 1 通信链路种类卫星移动通信中，无线电磁波的传输链路种类主要分为以下几种：1 ) 卫星移动通信终端与卫星之间的链路一移动链路( 用户链路)2 ) 地面固定设施( 包括关口站，卫星测控和网络操作中心等) 与j 静止地球轨道卫星之间的链路馈线链路i n m a r s a t 无线数字通信系统构建3 ) 地面固定设施与静止地球轨道卫星之间的链路( 也称为馈线链路)4 ) 卫星之间的链路星际( 间) 链路。它可以是无线电链路，也司以是光( 激光) 链路1 9 i 。这些链路中1 ) ，2 ) 由于相对运动比较大，所以多径现象比较严重，一般认为是随参信道。相对来说3 ) 的无线电传输就比较简单，收发双方相对静止，信号强度起伏较小。4 ) r 9 ，电磁波传播几乎只有唯一的路径，所以仅存在由收发终端桐对运动造成的多普勒频移。所以它更加稳定。3 ) ，4 ) 被认为是恒参信道。2 2 2 信道损耗与噪声传输损耗如22l 中所述，在链路1 ) ，2 ) 3 ) 中电磁波传输都要经过对流层，平流层，外层空间。对于前两种链路还会受到地形，植被，建筑，运动物体的遮挡，反身j ，折射等等。所以卫星移动通信的电磁波传输损耗是自由空间传播损耗和电磁波传播经过的具体环境引起的损耗之和。由f r i , s 公式得到预测发射机和接收机( t - r ) 之间完全无阻挡时的接收机的接收功率删，= 器甓( 2 1 )公式21 中，0 为发射功率：0 为接收功率，为t - r 距离的函数：g ，为发射天线增益：q 为接收天线增益，d 是t - r 之间的距离( m ) ；是与传播无关的系统损耗因子；五是波长( m ) 。由21 式可知接收机功率随t - r 距离的平方衰减，即接收机功率衰减与距离关系为2 0 d b l o 倍程搠。对于发射机，其有效全向发射功率( e i r p ) 如2 2 式。脚2 c g( 2 2 )大气气体吸收损耗当电磁波在大气层中传播时就要收到大气层中的气体分子的吸收，其中主耍第2 章海事卫星通信是氧分子和水蒸气分子的吸收。这样就会产生气体分子的吸收损耗，经理论分析表明当电磁波在大气中传播距离为r c 时，氧分子和水蒸气分子引起的吸收损耗厶可以由下式得到：厶= f ? 瞰，+ y 。( o l d r( 2 3 )i 。；f ，棚0 ，z伪彩岩” 0；m黔“秘密；，图23 氧气和水蒸气的吸收系数f 9 1f i g23s o r p t l o nm o d u l u so f t h eo x y g e na n dt h em e a m，；，；m五簖露棼鲈i n m a r s a t 无线数字通信系统构建“蝣一，000 ，二，二vo 钎，。，“围24 大气吸收损耗与电磁波信号频率，波束仰角之间的关系【9 j 。f i g24t h er e l a t i o no f t h ea t m o s p h c t ca b s o r p t i o nl o c , sw 1 i ht h ee l e c t r o m a g n e t i cw a v es j g n a lf r e q u e n c ya n de l e v a t i o na n g l eo f b e a m其中彪和以分别为氧分子和水蒸气分子的吸收系数( d b k m ) 为了便于计算式子23 写为2 4 式，在2 4 式中肠d 和并。分别为标准大气( 1 个标准大气压，2 0摄氏度，水蒸气密度为75 9 m - ) 对的氧分子和水蒸气分子的吸收系数( d b k m ) ，厶和匕分别是氧气和水蒸气的等效路径长度( k m ) 。即电磁波在密度不变的假想气体中传播，其衰减值与在实际大气中的衰减值相等时的距离。对于穿过大气层的卫星通信，厶约为4 k m ，厶约为2 k i n 。厶= 绝知+ “，w k( 2 4 )式子2 4 给出的是垂直地面的天顶方向的衰减量。在实际工程中依此来司算得种波束仰角时的衰减量如式25 ，魁国是仰角为0 的等效路径长度与仰角是9 0 度的等效路径之比。厶= 厶( 9 0 。) 丘( 回( 2 5 )，i。、oht一4p十第2 章向事卫星通信t，*：。f，t，# ，图25 在天顶方向单程的总大气吸收衰减与频率的关系1 9 lf i g25t h er e l a t i o no ft h ea t m o s p h e r i ca b s o r p t i o nl o s si nm e d i u mc o e hd w e c t i o no n ew a vw r hf r e q u e n c y降水衰减降雨中传播的电磁波受到内滴的吸收和散射而产生的衰减叫做降雨衰减。降雨k 域的等效路径长度，在1 - 5 0 g h z 的频段范围以内，可以由公式2 6 得到：& ：毁竺( k m )( 2 6 )“辟( o )其中r 为降雨强度。r 降雨电磁波传输距离。降雨衰减常数珞如式27 ，其中的r 为降雨强度，l 5 0 g h z 的频段范围以内，b 为l 。绉= a r ：( d b k m )云雾衰减用如下的经验公式来计算：衰减强度= o1 4 8 尸圪“( d b k m )式中，f 为工作频率( g h z ) ：圪为能见度。b 是与频率相关的系数，在( 2 7 )( 2 8 )鸳够搭备彩#孵辑g敦瘫一i n m a r s a t 无线数字通信系统构建降雪引起的电磁波的衰减强度为；衰减强度= 7 4 7 x l o f 以l + 57 7 x 1 0 i ，妒6 ) ( d b k m )( 29 )另外还有树木遮挡造成的损耗。这个在海上通信中基本不会出现这哩就不赘述了。极化误差损耗卫星移动通信中通常采用圃极化波或者线极化波。这两种极化波由于受到传播环境的影响都会产生极化误差损耗。海事卫星通信中一般采用的是圆极化波。鬈譬丑搿彩饼q露髟舒班h#：4，o#口移并毋暂级圪，辑图26 最大极化损耗与轴比的关系【9 1f i g2 6 t h er e l a t i o no f t h e m a p o l a r i z a t i o n l o ；s v , i h t h er a t i o o f a x i s对于圆极化波由于卫星姿态随时变化。降雨以及收，发两端设备不可能作的完全一致。所以无论在上行线路还是下行线路，不但发送和接收设备的极化轴比( 分别为x ，和x ，) 不同，两种椭圆轴的方向也不能保持一致，存在一个夹角口。从而造成接收端极化变换器输出的极化波的极化方向与波导要求输入的极化方向存在一定的偏离造成了损耗，这个极化误差损耗匕的大小如式21 0 。第2 章海事卫星通信l p = - 1 0 l o g 删+ 篆蒿攀c 汜，地球周围空间对电磁波传播影响当电磁波在地球周围的空问进行传播的时候还耍受到的其他因素的影响，主要有大气折射影响，这是由于大气的各个层面上的密度不同造成的。大气折射率的变动对穿过大气的电磁波起到一个凹透镜的作用使得电磁波产生微小的散焦衰减，衰减与频率无关。仰角大于5 度时散焦衰减小于o 2 d b 。此外大气湍流日起的大气指数的变化，使得电磁波向各个力向散射，会引起散射衰减。除此之外还有，大气闪烁，电离层闪烁，法拉第旋转等干扰。大气闪烁，指的是由于大气折射率的变化引起的电磁波强度的变化。它与频率无关。3 0 m 天线5 度仰角时电磁波强度起伏一般在06 d b 系统在低仰角j 作时应考虑大气闪烁影响。电离层闪烁，指的是由于电离层中不均匀体的发生和发展，造成穿越了其中的电磁波的散射使得电磁能量在时空中重新分布。造成电磁波的幅度，相位，到达角，极化状态等发生短期不规则变化。观测表明频率高于1 g h l 时影响很小。由c c i r l 9 8 2 年提供的普通中纬度地区电离层闪烁数据知，在1 g h z 当时间百分数为01 时最大衰减仅为o 3 d b 。法拉第旋转主要影响1 0 g h l 以内线性极化方式。所以对于使用l 波段和c 波段的圆极化波的海事卫星影响很小。传播噪声传播噪声是指卫星，卫星移动通信终端，关口站，卫星网络和测控中心等接收天线收到的电波传播环境产生的噪声，包括宇宙噪声，大气噪声，降雨噪声，太阳噪声，天电噪声，天线噪声，人为噪声，地面噪声等等。它的技术参数为天线等效噪声温度。i n m a r s a t 无线数字通信系统构建2 2 3 多径衰落多径衰落足指由于电磁波到达接收机前由于遇到各种障碍物发生反射，折射，从而造成达到接收机的信号包含直射波，多路反射波以及各种散射波等复杂信号。这样的佶道称为多径衰落信道。多径衰落不仅会引起快衰落还会产生多径时延失真。快衰落信号的振幅大体上服从广义瑞利分布，工程上按照瑞利分布考虑。相位服从均匀分布。多径衰落一般采用分集接收的方法可以进行克服。2 2 4 多普勒频移无线电磁波收发终端之间存在沿着它f 1 - - 者径向相对运动时，就会产生接收端收到的频率相对于发送端发生变化的现象，这种现象就是多普勒频移效应。由于这种现象产生的这个附加频率变化量称为多普勒频移。由于卫星移动通信中卫艰相对于地球总是处于运动中( g e o 卫星存在摄动和漂移) ，因此多普勒频移广泛存在于两个进行无线通信的收发终端之间，只是由于收发终端之问径向相对运动速度和工作频率不同，所产生的多普勒频移的大小也不同。多普勒频移可以按照下式i f 算乳= 石v d c( 2 1 1 )其中工为工作频率，v d # j 收发终端的径向相对速度，c 为光速。从上式中叫以看出工作频率越高或者径向速度越大，多普勒频移就越大。2 25 海事卫星信道模型分析海事卫星通信系统中，船站接收到的信号由海面反射波与直接波构成的多径信号组成。反射波由两部分组成：相干分量( 镜面反射，主要在海面平静少波浪时占乇导地位) 和非相干分量( 漫反射，在粗糙的海面时作用增强) 。海事卫星的接收佶号一般可用下式表示m ) 2 却) + 如) + 嘶) + 砸)r 21 2 )其中砸) 为直接波，鳓) 为镜面反射分量，嘶) 为漫反射分量，哪) 为高斯噪声”。第2 章海事卫星通信大多数情况下海面足够粗糙压制了镜面反射分量。因此，多数海事卫星通信信道模型可以到用r l c l a n 型，即由漫反射和直接波合成。y k a r a s a w a 等人对于l 波段的海面多径衰落作了许多研究提出了海事卫星通信中海面反射简易推测方法例。海面状态用a t 表示u = ，r h s m o a( 2 ，1 3 )其中五是波长，占是卫星仰角，h 是有效波高，1 级以下海况( 平静面) ，有效波高小于01 5 m ，4 级海况( 中等粗糙面) 为2 0 - 4 0 m ，8 级海况( 极粗糙) 大于95 m 。同时y k a r a s a 聃a 等给出了预测衰落的具体步骤，得出的主要结论如下：1 ) 海面反射波的平均强度不取决于海面状态，大致一致( 能量守恒定律) ，此推测方法适合于以非相干分量为主的粗糙海面状态。2 ) 当 【糙凼子o 2 时，镜面反射与漫反射的功率和不取决于波高，大致一定。当2 s l o 时，镜面反射分量可近似等于零。海面反射分量只含有漫反射分量1 9 1 。2 3 海事卫星移动通信系统中的信号传输技术2 3 1 调制技术海事卫星的分配信道通常采用b p s k ( b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g ) 调制力式。b p s k 属丁线性调制力式中的一种基本的调制方式，它的两种信元符号一般由两个相位相丢1 8 0 度的载波来表示。对于放大倍数为4 - 的码兀宽度瓦，信号来说，它每一b l t 的能量为磊= 锅2 。对于矩形窗来说其信号能量9 0 集中在中心频本左右l ，6 足( 咒= l 巧) ，对于升余弦滚降脉冲窗e l ，当口= o 5 时信号能量有9 0 集中在中心频率左右1 5 r 。申请信道采用o q p s k ( 交错q p s k ) 。q p s k 信号的幅度非常恒定。但是，当q p s k 进行波形成形的时候就会失去恒包络的性质，偶尔发生弧度为刀的相移。会导敏信号的包络在瞬时间通过零点。而o q p s k 正是为了解决这种情况而产，的。i n m a r s a t 无线数字通信系统构建它和q p s k 频谱完全相同。区别在于q p s k 的偶比特流和奇比特流时间对齐，而o q p s k 偶比特流和奇比特流在它们相应对齐的地方错开一个比特。在j 线性放大后仍然能保持带限性质，非常适合移动通信系统。m m l m 海事卫星终端采用i m b e ( 改进的多带激励编码) 编码方式是一种高性能的低比特率的音频编码方式。它的输出比特率只有41 5 k n t s ，每2 0 毫秒一帧，每帧有8 3 b i t 。由于i m b e 是基于m b e 音频模型，由于它保持了有声和无声频带上的能量从而避免了单纯的有声或者无声的方式，所以在较低的比特率上宴现了质量较高的音频编码方式。它的基本方式就是用恺撒窗将音频信号分解为重叠的音频帧1 川。2 3 2 多址方式海事卫星的m s g 信道采用的多址方式- - d a m a 。d e m a n da s s i g n m e n tm u l t i p l ea c c e s s ( 需分多址联接方式) 按需分配多址，这是卫星通信的一种多址方式。这种方式的话音信道可以接到任何一个需要通信的地球站。在这里使用一个话音信道“库”，并在需要时从“库”中分配一个信道来建立通信，当通信结束后。此信道又回到“库”中去等待再分配。d a m a 实际上是f d m a 多址方式的一种派生系统，信道还是按频率分割的，卫星转发器的全部或一部份被分割成一定间隔的信道，这些信道可以被地面上所有具有d a m a 功能的终端用户所使用。海事卫星申请信道多址方式- - a l o h a 。a l o h a 无规则时分多址方式，也称随机联接方式。当各地地球站有通信数据传出时，就先对他们分组形成消息包，然后向卫星发出。当数据发生冲突e l l 就重新发送。海事卫星通信中常用的多址力式有如下两种：p a l o h a 方式全刚小需要定时和同步，各站发射时间完全随机。分组数目不多时信道利用率较高，具有一定的抗干扰能力，信道最大利用率1 84 。存在不稳定现象。s a l o h a 方式全网需要同步和定时，信道利用率高于p a l o h a ，为3 6 8 。也存在不第2 章海事卫星通信稳定性。2 3 3 差错控制技术卫星移动通信中，广泛采用差错控制技术，以提高系统抗干扰性和在卫星功率受限情况下提高通信容量。常用的技术为：在低层协议采用循环冗余校验( c r c ) 和前向纠错技术( f e c ) ；在高层，分组接收和拒绝系统对数据传输可提供附加的保护，以防止差错。c r c 校验是数据通信中最简单的一种检测传输错误的力法，由于易于实现，所以应用广泛和久远。f e c 前向纠错技术，由于卫星通信传输时延较大，所以普遍采用前向纠错f e c 。随着大规模集成电路的发展和维特比译码方式的成熟应用，卷积码在卫星通信中大量应用。卷积码的概率译码方式维特比译码方式，能获得比一般编码译码方式更高的编码增益。常用的编码率为1 2 ，3 4 。在海事卫星中就采用( 1 2 ，7 i 卷积码( 3 4 7 ) 卷积码，在佶道误码率为1 04 时可以达到47 d b 和3 。7 d b 编码增益，在信道误码率为1 0 。6 时分别可以达到5 8 d b 和4 5 d b 编码增益。2 4 海事卫星网络及m i n i m 终端2 4 1 海事卫星网络系统海事卫星电话通过国际公用电话网和海事卫星网连通实现。海事卫星的网路主要由海事卫星、海事卫星地球站、船站以及终端设备组成。目前为止，海事卫星其有四代。第一代卫星已经基本淡出视线。目前使用的几代卫星主要如下：一i n m a r s a t 卜4 一通向宽带的门户，b r o a d b a n d ( 3 1 0 b a la r e an e t w o