（通信与信息系统专业论文）一种新型的容灾卫星通信系统地球站的研究.pdf

? - p 硕士学位论文摘要 学科、专业：王抖通信皇信息丕统 研究方向：整动通值皇玉线挂苤 作者：盟级硕士研究生烂 指导教师：逝丝丕教授 嬲嬲必 fy 17 5 刳4 狲 题目：一种新型的容灾卫星通信地球站系统的研究 英文题目：r e s e a r c ho fan o v e ld i s a s t e rr e c o v e r ys a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m 主题词：卫星通信，容灾，k u c 双工作频段，可靠性评估 k e yw 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 ，d i s a s t e rr e c o v e r y , k u cd u a l b a n d ，s y s t e m r e l i a b i l i t yd e s i g n i i i s p - 南京邮电大学硕士研究生论文 摘要 摘要 在突发灾难时，现有的地面通信网络设备，如移动基站、光纤往往很容易遭到破坏， 救灾人员无法了解灾区内部受灾情况，从而延误抢险救灾进度。从5 1 2 汶川地震的历史 经验可知，事先建立完善的应急通信系统对减少人民生命财产损失至关重要。 本论文研究的是一种新型的容灾卫星通信地球站系统，其具有对工作环境要求低、可 靠性高、响应时间短、组网灵活等特点，可作为一种可靠的灾害备份应急通信系统。 本论文的课题是在对卫星通信系统研究的基础上，根据常见自然灾害的影响特性进行 了系统安全性、防灾性和可靠性设计。系统主要针对大风、暴雨和地震对天线系统进行了 特殊设计，重点提出了k u c 双波段收发装置的方案；在给定的可用性指标条件下，对系 统的可靠性进行了设计并论证，在正常环境下系统的可用性指标达可到9 9 9 7 ；最后对系 统的天线控制系统的软硬件进行了简要描述。 关键词：卫星通信，容灾，k u c 双工作频段，可靠性设计 r 南京邮电人学硕上研究生论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w h e nd i s a s t e r sh a p p e n t h ee x i s t i n gt e r r e s t r i a lc o m m u n i c a t i o n sn e t w o r ke q u i p m e n ts u c h 鹪 m o b i l eb a s es t a t i o n s o p t i c a l 舳e ra r eo f t e nv e r ys u s c e p t i b l et ob ed a m a g e d i ti sd i f f i c u l tf o rt h e d i s a s t e rr e l i e fm e nt ok n o wt h es i t u a t i o n ，w h i c hd i r e c t l yd e l a y st h ep r o g r e s so fd i s a s t e rr e l i e f t h e “5 12 ”w e n c h u a ne a r t h q u a k et e l l st h a ti t sq u i t ee s s s e n t i a lt op r e - e s t a b l i s has o u n dd i s a s t e r e m e r g e n c yc o m m u n i c a t i o n ss y s t e mt or e d u c et h el o s so fl i f ea n dp r o p e r t y t h i st h e s i si sas t u d yo nan o v l ed i s a s t e rr e c o v e r ys a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ne a r t hs t a t i o n s y s t e m ，w h i c hr e q u i r e sal o wq u a l i t yw o r k i n ge n v i r o n m e n ta n dp e r f o r m sh i g hr e l i a b i l i t y ，s h o r t r e s p o n s et i m e ，f l e x i b i l i t yn e t w o r k ，a n dt h i ss y s t e mc a nb et a k e n 嬲ab a c k u pe m e r g e n c y c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m b a s e do nt h ec o m m o nc h a r a c t e r i s t i c so fn a t u r a ld i s a s t e r s ，t h i st h e s i st r i e st oi m p r o v et h e s y s t e ms e c u r i t y , d i s a s t e rp r e p a r e d n e s sa n dr e l i a b i l i t y o 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 m s d i s a s t e r p r o t e c t i o nd e s i g n sa i m e da t t h ei n f l u e n c e so fh i g hw i n d s ，h e a v yr a i n ，s n o wa n d e a r t h q u a k e s ，a n dk u | c d u a l - b a n dt r a n s c e i v e rd e v i c e si sp r o p o s e d ；s y s t e mr e l i a b i l i t yd e s i g ni s t h ea v a i l a b i l i t yo fi n d i c a t o r si nag i v e nc o n d i t i o n ，t h i st h e s i sh a sd e s i g n e da n dd e m o n s t r a t e d r e l i a b i l i t yw h i c hr e a c h e d9 9 9 7 i nn o r m a lc i r c u m s t a n c e s ；a tl a s t ，ab r i e fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s c r i p t i o na b o u tc o n t r o ls y s t e mi se l a b o r a t e d k e yw o r d ：s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n ，d i s a s t e rr e c o v e r y , k u cd u a l - b a n d ，s y s t e mr e l i a b i l i t yd e s i g n i i r 0 ， 南京邮电大学硕士研究生论文 目录 目录 第一章绪论1 1 1 课题的来源和意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 本论文要做的工作2 1 4 应用前景3 第二章系统总体设计方案4 2 1 系统安全性设计4 2 1 1 电保护4 2 1 2 结构保护。4 2 1 3 “五防”设计5 2 2 容灾特性设计5 2 2 1 防震设计5 2 2 2 防风设计7 2 2 3 防雨设计7 2 2 4 电源系统。9 2 3 系统构成9 2 3 1 网络结构9 2 3 2 系统组成1 1 2 3 3v s a t p l u si i 【巧j 。1 2 2 4 本章小结1 2 第三章天线分系统的设计1 3 3 1 地球站天线介绍。1 3 3 2 天线类型1 4 3 2 1 卡塞格伦天线1 4 3 2 2 格里高利天线。1 5 3 2 3 偏置馈源天线1 5 3 2 4 环焦天线1 5 3 3 天线口径1 6 3 3 1 卫星参数确定l7 3 3 2 容灾地球站参数1 7 3 3 3 通信参数的确定1 7 3 3 4 链路分析18 3 4 j 、结2 5 第四章系统可靠性设计2 6 4 1 可靠性基本概念2 6 4 1 1 可靠度2 6 4 1 。2 失效率2 6 4 1 3 平均寿命2 7 4 1 4 可维性2 7 4 1 5 可用性2 7 4 2 系统可靠性模型2 8 4 2 1 串联可靠性模型2 8 4 2 2 并联可靠性模型2 9 4 2 3 非工作储备模型( 旁联模型) 3 0 i 南京邮电大学硕十研冗生论文目录 4 3 可靠性预计一3l 4 3 1 可靠性预计的主要方法3 1 4 3 2 本系统可靠性预计3 2 4 4 可靠性设计3 3 4 4 1 可靠性指标分配3 3 4 4 2 可靠性设计3 5 4 5 本章小结3 7 第五章控制系统硬件设计3 8 5 1 控制系统硬件构成框图3 8 5 2 传感器。3 8 5 2 1 电子罗盘3 8 5 2 2 倾角仪3 9 5 2 3 角度传感器4 0 5 3 电机驱动电路一4 l 5 3 1 电机选择4 1 5 3 2 变频器4 2 5 3 2 驱动电路原理图4 2 5 4 主控电路。4 3 5 4 1 主控制器4 3 5 4 2 a d 采样电路4 5 4 5 3 液晶显示屏4 5 4 5 4 显示驱动电路4 6 5 5 本章小结4 7 第六章控制系统软件设计4 8 6 1 控制系统软件构成4 8 6 2 软件设计要求和平台一4 8 6 2 1 软件设计要求4 8 6 2 2 设计平台一4 9 6 3 分模块设计4 9 6 3 1 软件容错4 9 6 3 2 伺服模块设计5 0 6 3 2p c 监控模块设计。51 6 4 本章小结5 2 第七章总结和展望5 4 致谢5 5 参考文献5 6 作者攻读硕士期间发表论文及科学实践5 8 i i 南京邮电人学硕+ ：研究生论文 1 1 课题的来源和意义 通信距离远、覆盖面积大、通信容量大、机动性灵活是卫星通信的主要优点。随着技 术的研究和发展，世界各国的卫星通信系统同趋完善，特别在抗灾救援的舞台上，卫星通 信扮演着及其关键的角色。但受我国灾害监测预警、预报水平的制约，针对地震、暴雪、泥 石流和突发性洪水等自然灾害及突发性事故，还无法准确预知需要应急通信的时间和地点； 同时，需要应急通信的容量需求灾害应急时，通信容量需求增长了数倍。 2 0 0 8 年春天发生的南方雪灾和5 1 2 汶川大地震，灾区的通信网络基本上伴随着基础设 施( 如光缆、铜缆、无线基站、交换设备、机房) 的损坏以及电力供应的中断而瘫痪【1 6 1 。不 光如此，由于灾害同时带来的交通中断，导致平时准备的应急通信预案也由于器材、车辆 和人员无法进入而难以实施。难以预料的灾害情况，使得对于一种能够抵御灾害的、可用 性高、响应能力快的卫星应急通信系统的需求愈发地紧迫。 目前在国际上，国际海事卫星通信系统是全球海上遇险与安全系统的重要组成部分。 船舶一旦遇险，岸上的有关部门和船舶附近的其它船舶能以最小的时延，组织有效的救助， 这主要得益于国际海事卫星通信系统。国际海事卫星系统是国际上认可度最高的应急通信 系统，但因其费用太高，难以在我国普及及使用。另外，由于“铱星系统和i c o 系统的 相继破产，而“全球性”系统也由于种种原因多年来都未能进入中国大陆市场。 我国可利用同步卫星的覆盖，在全国各个地区建立应急卫星通信终端，建立起公共、 企业或者个人的卫星通信网络，既可解决偏远地区难以进入架设固网的现实困难，同时也 满足了应急、救灾等特殊情况下的通信要求。 考虑到地域偏僻和维护人员和设备欠缺等因素，设计的卫星通信地球站有如下要求：l 、 能够长时间独立运行，可用性高；2 、能在在恶劣的环境下工作；3 、组网灵活。本论文针 对于容灾卫星通信系统关键技术的研究，力图设计一种新型的、能抵御各种灾害、可靠性 较高的卫星通信地球站系统。 南京邮电大学硕土研究生论文 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 随着各国对应急卫星通信技术的研究，对卫星通信设备和系统的规格要求是逐步提高 的。在现有卫星通信中产品中，国际卫星通信组织( i n t e l s a t ) ，美国海洋通信有限公司 ( s e a t e l ) ，美国k v h 公司，美国o r b i t 海事通讯有限公司，韩国的w i w o r l d 公司等对卫 星通信系统的可靠性和生存性研究的处于领先水平。 我国对卫星通信系统可靠性和容灾性的研究才刚刚起步，特别是在卫星通信系统可靠 性的方面缺乏权威研究。国内的公司如中国电子集团3 9 所、5 4 所、中国航天科技集团公 司都在此方面有所涉及，但并没有提出统一性或通用性的标准。 容灾卫星通信地球站系统涉及系统工程技术、可靠性数学、自动化技术、嵌入式系统 技术和卫星通信等多个不同的领域，是一个多学科交叉的复杂系统。一方面，容灾卫星通 信地球站要满足一般卫星地球站的要求；另一方面，容灾卫星通信地球站要具备容灾性和 高可用性。在对卫星通信地球站系统的研究基础上，要对各种环境的因素进行分别考虑， 并抽象出一般的数学模型正是本研究的核心任务。 1 3 本论文要做的工作 本论文是在研究了普通卫星通信地球站系统的基础上，从自然灾害的影响和可靠性因 素出发，改进天线系统的组成、部件选择和组网方式，使得系统能够应对至少三种常见自 然灾害，系统的可用度不小于9 9 9 5 。 论文有以下几个部分组成： 第一章主要介绍容灾卫星通信地球站系统的课题来源、研究重点和应用前景。 第二章讲述了系统的总体设计方案，主要包括系统的安全性设计，容灾特性设计及系 统组成等内容。 第三章分析了天线分系统的比较和选择，包括天线类型、天线口径，重点对卫星的链 路进行分析和计算。 第四章着重分析系统可靠性，进行可靠性分配和设计，在给定的可用性指标下，对可 靠性设计的结果进行分析、论证。 第五章对系统的硬件电路进行描述，简要介绍伺服和监控控制电路。 第六章主要描述了系统的软件设计框架，介绍了天线伺服软件流程图以及监控系统软 件方案。 2 南京邮电大学硕士研究生论文第一章绪论 1 4 应用前景 本课题是针对健全应急容灾通信系统的需要而提出的，主要是针对偏远山区和广大农 村地区，也可以用于大型企业网络的备份。系统具有抗灾性强，可靠性高、响应速度快、 网络易于扩展、支持大容量多速率多媒体业务等优点，可以满足抢险救灾、新闻采访、公 安和军事领域的应急通信需要；与传统产品相比能提供更稳定、高效的通信服务，具有很 强的实用性和重大的社会、经济效益。 3 南京邮电大学硕：卜研究生论文第二章系统总体设计方案 第二章系统总体设计方案 2 1 系统安全性设计 卫星通信设备特别是室外设备，如天线、电机和功率放大器等，与一般通信设备有一 定的特殊性。为确保人员、设备安全，保障设备长时间安全运行，需从从电保护、结构保 护、“五防”保护等多方面加以考虑，采取一系列措施保证系统安全工作。为此，以系统 安全性通用大纲g j b 9 0 0 9 0 1 7 1 的要求为依据，对全套设备进行安全性分析、安全设计，将 不安全因素消除在设计中。 2 1 1 电保护 设备的四套地线分开，避雷地线电阻小于l o q ，设微电阻，j 、于2 q ， 电源峨唰、于4 q 。 大功率直流电源线采用高绝缘强度电缆线，3 8 0 v 交流电源线除了采 用高绝缘强度电缆线以外，并把电缆成套安装在塑料管内，确保耐压强度a c1 5 0 0 v ，绝 缘电阻达到1 0 0 m q 。 2 2 0 v 交流三芯转接板，采取自保护措施；三相3 8 0 v 交流采取过流 保护措施。 整机、各分系统及可更换单元在相应部位均装有熔断器或断路器，以 实施过流保护和过压保护。 系统加电后，机柜外辐射强度控制在l m w c m z 和5 m r h 以内。 2 1 2 结构保护 天线配有位置报警与限位保护开关，限制天线运动范围。 天线维修平台最好配备扶梯和安全护栏，护栏高度1 5 米。 安装紧急保护开关，开关位置便于操作。 简化操作过程，减少拆装次数。 优化设计，使设备安装紧凑，保留充裕的操作与维修空间。 4 南京邮电大学硕十研究生论文第- 二章系统总体设计方案 天线基础宜采用整体式钢筋混凝土结构并建在坚硬的地址构层上，当地基土质较 差时，宜采用打桩或其他特殊技术措施。 2 1 3 “五防 设计 “五防 设计指的是防潮湿、防霉菌、防风、防沙、防雷击。前面的四防按海洋性劣 环境来设计，从材料、结构、工艺等多方面加以考虑，采用不受温度、盐雾、霉菌等侵蚀的 材料和保护层；进行四防结构和防护设计；通过排除潮湿、霉菌等措施，改善设备环境； 采用密封组件、保障元件、涂镀零件，防止腐蚀介质接触材料表面。系统采取三级防雷击 保护措施，提供选址技术条件，并安装天线避雷针。细节如下： 金属材料在满足刚、强度要求的同时，还应具有防腐蚀能力；对于 相互接触的金属要谨慎选用，避免电偶腐蚀。 非金属材料应具有低吸湿性、性能稳定性和较好的抗霉菌能力。 避免积水结构。 在最容易发生腐蚀降最大腐蚀部位加厚构件尺寸。 对于易受腐蚀损坏而必须经常维护和更换的零件，结构时保证维修、 更换方便。 结构组件尽量采用紧固件连接。 重要的滑动间隙处，添加毛毡防尘圈。 关键馈电元器件气密安装。 2 2 容灾特性设计 自然灾害是卫星通信的天敌，恶劣的天气环境往往会严重影响通信质量，甚至中断通 信。抵抗自然灾害的影响是本论文主要研究内容之一，首先，必须在系统部件和结构上做 文章，比如根据国内卫星通信地球站工程设计规范挑选质量好、满足工作环境要求的部 件；其次，必须在控制系统上进行方案改进。下面分别从防风、防震、防雨和电源供应四个 方面来介绍。 2 2 1 防震设计 地震对无线通信的影响主要体现在两方面：第一，地震期间有强烈的震动对机械、机房、 5 南京邮电大学硕十研究生论文 第二章系统总体设计方案 电力供应等因素的损坏；第二，震后电力应急供电得不到保障，灾后难以展开通信。 在坟川地展后的数天内，移动通讯系统在地震的重灾区和一般灾区出现了大面积、长时 间瘫痪现象16 1 。地震烈度1 l 度区，如汶川映秀镇、北川县等地，整个通讯系统被彻底毁坏，9 度区如都江堰市、青川县等地的移动通信系统受到了不同程度的损坏，有的基站受到了毁坏。 通过对汶川地震危害通信现象的总结和研究，可以得出如下几点经验： 1 抗震性不佳房屋是造成通信天线和其他设备损坏的主要原因：机房墙体和屋顶坍塌致使 通讯设备、缆线和天线损坏，部分移动通信基站设在抗震能力较差的房屋内； 2 灾后电力系统停电，备用电源不足使得通信无法持续是通信网崩溃的最直接原因； 3 灾后系统的通话容量无法满足通信需求量，致使信道拥堵和系统瘫痪。 根据通信设备安装抗展设计规范和建筑设计抗震规范中的规定细则，系统硬件 方面应做到以下几点： 1 选择卫星通信系统建筑用房时，应当对建筑物所处场地条件、结构类型、设防烈度、 建筑质量、建造年代、楼层高度等做出正确的选择，从而最大程度地保证通讯设备、缆线 和天线的安全；优先选择i 类和i i 类场地上的建筑物，选择抗震能力强的建筑物作为机房 建筑。 2 天线基础宜采用整体式钢筋混凝土结构并建在坚硬的地址构层上，当地基土质较差 时，宜采用打桩或其他特殊技术措施。 3 缆线在钢架结构、框架结构和砖砌体结构向上延伸时，应当沿柱体向上延伸，而不依 附墙体。 4 机房内保证充裕的应急应急电源。 另外，灾后外力影响可能会使天线的底座方位和结构可能发生改变。底座的方位角和俯 仰角的参考点的改变，会直接影响天线对星的准确度。 为了克服灾后可能发生的方位、俯仰参考点的变化，在本系统的设计中加入了电子罗盘 和倾斜仪两个校准装置： 1 将倾斜仪沿波束方向固定于天线面后侧，因其输出的数值具有绝对性，即使在天线倾 斜或者结构扭曲情况下，并不影响对星的精度； 2 将电子罗盘固定在天线的底座，正常工作时其输出的值可定为方位基准角，当外力作 用下底座移动情况下，一旦检测出偏北角与方为基准角的偏差，系统自动补偿使方位电机正 确寻星。 6 南京邮电大学硕上研究生论文第二章系统总体设计方案 2 2 2 防风设计 地球站天线必须具有很强的抗风能力，一般要求为在风速到达7 0 k m h 时，天线应能保 持正常工作；风速达到1 0 0k m h - 一1 2 0 k m h 时，仍能工作( 性能可能下降) 。为了防止天 线永久性损坏，当风速超过1 2 0 k m h ，天线应自行朝天收藏。为避免大风天气对天线的损 害，加入风速测量装置是很有必要的。 热式风速仪原理是：将一根通电加热的细金属丝置于气流中，热线在气流中的散热量 与流速有关，而散热量导致热线温度变化而引起电阻变化，流速信号即转变为电信号。风 速探头按流速范围可分为三个区段：0 5 m s ，5 - 4 0 m s 和4 0 1 0 0 m s 三种，分别为低速、中 速和高速。 图2 1r y - f s 风速仪 r y - f s y 型塔机风速仪，如图2 1 ，风速传感器材质选用高塑合金铝，法兰安装方式， 仪表显示采用0 8 寸高亮数码管，可实时显示当前风速和风力，能设置两个风速极限值， 对应两种报警蜂鸣，两路继电器输出，任意组态。操作设置简单，显示醒目，性能稳定可 靠。 2 2 3 防雨设计 l - 雨衰对卫星通信的影响 雨衰是因为降雨和积雨而造成信号衰减的现象，当电波穿过降雨的区域时，雨滴会对 电波产生吸收和散射，故而造成衰减。 雨衰的大小与雨滴半径与波长的比值有着密切的关系，而雨滴的半径则与降雨率有关。 另外，雨衰的大小还与雨滴的物理模型、电波的极化方向、工作波长，接收地点的位置及 海拔高度等有关。根据i t u r 推荐的预测雨衰模型2 引， , 4 0 o l = k ( r 川) 口k ( 扭) ( 2 1 ) 7 堕室塑皇奎兰堡主婴塑竺丝奎笙三童墨竺璺堡堡生銮壅 式中，a 川表示降雨衰减量累计分布的0 0 1 ，r 川是设计区域内1 分钟降雨强度累 积分布的0 0 1 ，数据可查；k ( r 州) 口( d b k m ) 为降雨衰减系数，即单位传输线路对应 的降雨衰减量，k 是降雨区域内的等效传输线路长度。 同一地点单位传输线路对应的雨衰量k 可以表示为： k = 睇+ 研+ ( + k v ) c o s 20 c o s 2 r 2 ( 2 2 ) 其中，0 为路径的仰角，f 为水平的极化角( f = 4 5 。为圆极化波，f = 9 0 。为线极化波) ， k 和髟的之可查下表： 表2 1 不同频率的雨衰回归系数 频率( g h z ) k nk v 70 0 0 3 0 1o 0 0 2 6 5 80 0 0 4 5 40 0 0 0 3 9 5 1 00 0 1 0 10 0 0 8 8 7 1 2o 0 1 8 80 0 1 6 8 1 50 0 3 6 70 0 3 3 5 2 00 0 7 5 10 0 6 9 1 2 50 1 2 4o 1 1 3 可见，在仰角和极化角相同情况下，随着频率的增大k h 和巧迅速增大，从而雨衰量 增大。经计算，6 4 g h z 波段下的降雨衰减一般不超过2 d b ，而1 4 1l 波段下的雨衰一般会 超过1 0 d b ，甚至达到2 0 d b 9 1 。 2 克服雨衰的方法 目前应对雨衰的主要方法有站址分集、纠错编码、链路功率控制和频率转换四种。 站址分集是在相隔一定距离的两个地点设置地球站，当某站有降雨时，则利用另一地 球站进行通信，雨衰取其小者。如a 、b 两地球站处于不同的雨区，则a 、b 之间有地 面通信设备，以完成使用不同地球站的切换。这种方法的有效性是基于降雨空间分布的不 均匀性，但经济代价太高。 纠错编码降低系统的门限来减低降雨对通信的影响，这种补偿方法的缺点是在带宽受 限系统会使卫星通信容量下降。因此，为了维持系统的有限容量，必须给编码符号预留带 宽。 链路功率控制通过电路控制，使每个地面站能够实时地补偿功率从而达到理想的通信 质量。功率控制方法的优点是经济成本低，架构简单，缺点是补偿的精度不够、软硬件设 计复杂，并且只能控制上行功率。 壹室堕皇奎堂堡：竺塑茎竺堡壅釜三兰至竺整堡堡生查塞 频率切换指的是两种不同波段的收发装置通过开关切换，使天线能根据情况选择。雨 衰一大特性就是对低频段衰减比较小，对k u 频段和k a 频段衰减比较严重。频率切换是根 据高频段k u 与低频段c 受雨衰的不同影响的特性，克服了雨衰对通信的影响。 雨衰问题是卫星通信的主要缺点之一，对于高频段来说更加难以克服。各种抗雨衰方 法实践中，频率切换方案虽然说结构复杂，但工作较为稳定、软硬件设计简单、通信不确 定性小。考虑本卫星通信系统的特点和要求，在天气晴朗时选用k u 在雨衰较大时切换至 c 波段是较好的设计选择。 2 2 4 电源系统 从本文抗震设计的论述可知，不论是作为网络关口的卫星主站还是其它分站，保证在 灾害情况下不间断的供电至关重要。据有关资料显示，由于灾害原因导致电网故障、备电 系统故障、供电电缆断裂、短路、等原因导致的基站断电，导致基站退服的占5 6 左右【1 6 】。 地球站的通信设备，包括高功率放大器、低噪声放大器、上下变频器、调n 解调设 备、载波复用设备、监测控制及有关的辅助设备等应由交流不间断( u p s ) 电源供电，并且 机房内必须配备便携式的发电机组永久供电。 u p s 1 8 】是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压、恒频的不间断电源。 当市电正常时，u p s 将市电稳压或稳压、稳频后供负载使用，同时向机内电池充电；当市 电中断时( 异常时) ，u p s 立即在4 1 0 毫秒内或“零”中断时间内将蓄电池的电源通过逆变 转换的方式向负载继续供应电力，使负载维持正常的工作，以便保存资料并保护负载的软 硬件不受损坏。 本系统采用n + i 并联冗余的u p s 电源+ 便携式发电机的综合电源方案，n + i 并联冗余 意味着随时都有多一台的u p s 为重要设备提供保障。规划电源系统时，比额定容量增加一 台，这样，当系统中任何一台u p s 发生故障时，都能因为这额外增加的一台u p s ，使得电 源系统能够不问断的重要设备提供高品质的电力，使得系统更加可靠。 2 3 系统构成 2 3 1 网络结构 通信网络结构形式主要有星形网络、网状网络两类： 1 星形网络是由一个主站( 一般是处于中心城市的枢纽站) 和若干个v s a t 小站( 远端 9 堕室堂皇盔兰堡主竺壅竺笙茎茎三雯墨竺璺竺堡生查塞 用户终端站) 组成。主站具有较大口径的天线和较大功率的发讯设备，网络除负责网络管 理外，还要承担各个v s a t 小站之间信息的发送与接收，即为各小站间提供传输信道和交换 功能，因此主站具有控制功能。 2 网状网由一组卫星终端组成，无需主站，只是指定一两个卫星终端来管理全网。它 支持任意点对点的一跳链接，各个站之间通信延时比星形网的减少一半。可用于远程医疗， 企业广域语音、数据通信，局域网扩展和视频会议等。 星形网络的优点是组网简单、易管理，但也有如下缺点： 1 ) 各个终端间通信需要两跳连接，延时大； 2 ) 所有业务必须经过中心站，中心站业务压力大； 3 ) 可靠性低：一旦中心站损坏整个网络将瘫痪，若对中心站进行冗余备份经济代价 过大。 本通信系统要求，每个容灾卫星地球子站不仅要和“中心站”建立通信联络，且要和 其他子站保持通信，不能过重依靠某一个节点。基于实际要求和系统可靠性考虑，将系统 设计成全网状、单跳的端到端网络结构，如图2 2 所示： 图2 2 系统网络结构图 整个网络的设计具有以下特点： 1 全网状网络。每一个节点都可以和其他节点建立同时双向的链路。每个节点内建立 局域网，而不需要增加硬件设备，且网络设备扩展容易。 2 分布式网管理。网络管理主要包括信道分配和带宽动态调整功能，分布式网管指的 是将网管权利分散在各个终端罩面，网内每个终端均具备信道分配和带宽动态调整功能。 这样设计的优点是网络内没有单一故障点，避免因为主站网管设备损坏导致网络瘫痪，可 i o 南京邮电大学硕j 研究生论文第二章系统总体设计方案 靠性高。 2 3 2 系统组成 本容灾卫星通信地球站系统主要由卫星天线、伺服驱动器、天线控制器、电脑监控、 通信终端v s a t p u l s1 1 分组成，系统组成框图如图2 3 。 图2 3 系统组成框图 容灾卫星通信地球站作为一种应急通信产品，一般在环境比较恶劣的条件下开通使 用，因此需要能够承受比较恶劣的外界环境，具体指标要求见表2 - 2 。 表2 - 2 工作环境要求 工作风速 7 0 k m h 跟踪损失o 5 d b ( r m s ) ( 工作风速条件下) 保全风速l o o k m h 工作温度 一4 0 + 5 5 储存温度 一5 5 + 8 5 海拔高度 6 0 0 0 m 工作 13 m m h o u r 降雨 保全 lo o m m h o u r ，不收藏 积雪( 保全)3 0 m m ，不收藏 南京邮电人学硕士研究生论文 第- 二章系统总体设计方案 相对湿度 0 1 0 0 太阳辐射 l0 0 0 k c a l h o u r m 2 裹冰( 保全)全反射面2 5 m m 裹冰，不收藏 腐蚀沿海地区和工业污染地区 沙尘沙漠地区 地震水平0 3 9 ，垂直0 1 5 9 2 3 3v s a t p l u si i1 2 5 1 终端v s a t p l u si i 系统由加拿大p o l a r s a t 公司提供，是工作于全网状网结构，分布智 能式，无单一点故障的卫星通信设备。 v s a t p l u si i 集成了传真、电话、路由器等设备，其话音系统为按需分配( d a m a ) 方式的网状拓扑结构，模拟信号经数字化和压缩编码后，被转变为u d p 分组数据包，传 输速率是8 0 k b p s ，是做一种稳定可靠的卫星通信终端。 v s a t p l u si i 的数据系统为预分配( p a m a ) 方式，数据传输速率是9 6 k b p s ，物理 接口是r s 2 3 2 ，可与站场的p l c 的串行异步接口相连。具有如下特点： 1 网状网，无主站，按需分配，没有昂贵的中央处理主站做控制。同时它分布式的 d a m a 结构提供了一种没有单一故障点的可靠的网络运行模式，而且即使当网管中心出现 故障，网络仍能保持正常运行，系统通信不会中断。 2 t d m a d a m a 采用分布式的d a m a 操作。系统中的每一个节点都有自己的 d a m a 控制器，d a m a 呼叫是呼叫方和被呼叫方之间直接完成的处理过程。 3 t d m a d a m a 支持低速到高速的非平衡数据业务。t d m a d a m a 支持的数据速 率可以达到2 0 4 8 m b p s ，能支持诸如可视会议等高级数据业务，同时它还能灵活的支持两 点问数据的非平衡传输，且随时能调整数据的传输速率。 2 4 本章小结 本章从系统反安全性、容灾性、系统构成等方面对容灾卫星通信地球站系统提出了设 计要求，阐述了系统的工作原理，对整个系统的构成进行了详细描述。 1 2 南京邮电大学硕上研究生论文第三章天线分系统的设计 第三章天线分系统的设计 3 1 地球站天线介绍 天线是一种将电磁波能量转换为相同频率的功率信号的能量转换器件。其功能是有效 地将发射功率转化为电磁波能量，并发射到空间去，同时也将从空间接收到的极为微弱的 电磁波能量有效地转换为同频信号的高频功率馈送给接收机【2 1 1 。卫星通信天线是卫星通信 地球站中最重要的设备之一，它发送和接收卫星信号的能量和效率直接决定了卫星通信地 球站的质量。 天线分系统是本系统的研究的基础，有着极其重要的作用。对于天线分系统，有以下 几个方面的性能要求： 1 天线增益 良好的天线增益即能将信号的能量聚焦成为一个窄波束，以接受来自或发向卫星天线 去的信号，提供足够的上行和下行载波功率。增益是决定卫星地球站的关键参数，天线一 定要具有高的定向增益。此外，天线辐射放图的旁瓣必须很低，以减少来自其他方向信号 源的干扰，而且还要是进入其他卫星和地面系统的干扰达到最小。 计算天线增益的方法【2 1 】： 吲半) 2 玑 ( 3 1 ) l ，气1 、 式中，d 是天线口面的直径( m ) ；五是天线的工作波长( m ) ；玑是天线的效率。 2 噪声温度 天线的噪声温度一定要低，以使地球站等效噪声温度尽量低，从而减小下行载波带宽 内的噪声功率。为了达到低噪声，必须控制天线辐射方向图，以使它只接收卫星信号，使 来自其他信号源的能量最小。此外，低噪声放大器接到天线馈源的波导损耗也应该尽可能 的小，因为他们都会影响天线系统的噪声温度。 馈源输入端的接收系统的总噪声温度可以表示为【2 2 】【2 6 】： 丁= 瓦+ 0 乏+ r e ( 3 2 ) 式中，乃表示天线的噪声温度，乃表示l n b 等效噪声温度，瓦是馈线的噪声温度。 3 频带宽度 南京邮电大学硕j ：研究生论文 第三辛天线分系统的设计 由于卫星通信地球站都是进行多址连接的，因此要求天线有较大的带宽。通常要求标 准地球站具有5 0 0 m h z 以上带宽，在该带宽内，应满足高增益、低噪声和匹配良好等要求。 4 环境特性 环境特性包括抗风性、耐腐蚀性、抗震性。 3 2 天线类型 按天线辐射系统的配置划分，目前常用的天线类型有：卡塞格伦天线、格里高利天线、 偏置馈源天线和环焦天线。 图3 - 1 卡塞格伦天线 3 2 1 卡塞格伦天线 f l 图3 - 2 格里高利天线 卡塞格伦天线【2 l 】是双反射面天线的一种，有一个喇叭( 馈源喇叭) 和主、副两个反射面 组成，如图3 - 1 所示。主反射面是一个旋转抛物面，副反射面唯一旋转双曲面，双曲面为 一段双曲线绕轴旋转1 8 0 。所形成，馈源喇叭置于旋转双曲面的是焦点f l 上，旋转抛物面 的焦点和旋转双曲面的虚焦点f 2 在同一位置。从馈源喇叭辐射出来的自由电磁波在旋转 双曲面上被反射到旋转抛物面上，在抛物面上再次被反射。 由于双曲面的焦点和抛物面的焦点重合，因此经主反射面和副反射面两次反射后便以 平行与抛物面的方向辐射到空中，形成定向发射。卡塞格伦天线经过镜面修正后，效率高、 噪声温度低，馈源和低噪声放大器可以放在主反射面后部的设备室内，组装性能好；天线 辐射方向图较好；适用于大中性地球站天线。 1 4 南京邮电大学硕十研究生论文第三章天线分系统的设计 3 2 2 格里高利天线 格里高利天线也是一种双反射面天线，其基本结构是由一个喇叭天线、一个主抛物 面和一个椭球面的副反射面组成。与双曲面一样，副反射面的椭球面也有两个焦点：一个 在主反射面焦点位置上，另一个放在馈源喇叭的相位中心。如图3 2 所示。格里高利天线 的特点和卡塞格伦天线相似。不同之处在于格罩高利天心的旋转抛物面焦点是一个焦点， 所有波束都集中在这一点。 3 2 3 偏置馈源天线 无论是卡塞格伦天线还是格里高利天线，总有一部分电波能量被阻挡，造成天线增益 下降，旁瓣增益高。为避免这种情况发生，天线偏置技术就显得很重要。 馈源 主 图3 3 偏置馈源天线图3 - 4 环焦天线 所谓偏置馈源天线，就是将馈源或副反射面移出天线主反射面的辐射区，如图3 3 所示，这样就不会阻挡主波束，从而提高了效率，改善了副瓣电平的性能。偏置型天线广 泛应用于天线尺寸较小的地球站。 3 2 4 环焦天线 环焦天线【2 l 】主要由主反射面、副反射面和馈源喇叭三部分组成。主反射面由部分抛物 面组成，副反射面是由一段椭圆弧围绕与椭圆相交的直线旋转而得到的旋转曲面，并且椭 圆面凹对主反射面。图3 - 4 给出的是环焦天线沿机械轴的剖面图，图中弧线a a 是抛物面 的一部分，弧线b b 是椭圆的一部分，两个点f 、f 是副反射面( 即部分椭圆旋转曲面) 的两个焦点，两个点的连线f f 与天线机械轴线有一个轴偏角，故环焦天线又称为偏焦轴 1 5 堕室唑皇叁堂堡婴壅生笙茎蔓三皇丕垡坌墨竺塑堡生 天线。其中天线椭圆副反射面的一个焦点f 。正好与抛物主反射面的焦点重合，另一个焦点 f 也正好是馈源喇叭的相位中心。由于天线是绕机械轴的旋转体，因此焦点f 构成一个垂 直于天线轴平面的圆环，所以称这种天线为环焦天线。天线副反射面有一