衛(wèi)星通信課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

張峰干， 井亞鵲， 金 偉， 戴精科

(火箭軍工程大學(xué) 信息工程系，西安 710025)

·實(shí)驗(yàn)教學(xué)與創(chuàng)新·

衛(wèi)星通信課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

張峰干， 井亞鵲， 金 偉， 戴精科

(火箭軍工程大學(xué) 信息工程系，西安 710025)

針對(duì)高昂的實(shí)驗(yàn)條件建設(shè)成本長(zhǎng)期制約衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)設(shè)的問(wèn)題，依托衛(wèi)星通信科研實(shí)驗(yàn)室，研究設(shè)計(jì)了低成本的衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)條件建設(shè)方法。該實(shí)驗(yàn)建設(shè)充分利用計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)，組織實(shí)驗(yàn)科目；依托科研設(shè)備，組織參觀(guān)學(xué)習(xí)；調(diào)研衛(wèi)星通信市場(chǎng)，建設(shè)低成本實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對(duì)輔助衛(wèi)星通信的本科理論教學(xué)、培養(yǎng)通信工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和系統(tǒng)的通信保障能力具有重要意義。

衛(wèi)星通信； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)； 通信仿真； 天線(xiàn)； 低成本

0 引 言

自人造衛(wèi)星出現(xiàn)后在不到50年的時(shí)間里，衛(wèi)星通信已經(jīng)從一種常規(guī)的備選技術(shù)發(fā)展為主流傳輸技術(shù)，并滲透到全球電信基礎(chǔ)設(shè)施的方方面面[1]。目前，通信衛(wèi)星可廣泛用于數(shù)據(jù)、話(huà)音和視頻傳輸?shù)葢?yīng)用，并向固定、廣播、移動(dòng)、個(gè)人通信和專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)提供服務(wù)。近年來(lái)，自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，特別是在地震、海嘯等災(zāi)害發(fā)生后，地面通信、電力等基礎(chǔ)設(shè)施通常都會(huì)遭到毀滅性的破壞，而衛(wèi)星通信已經(jīng)成為抗震救災(zāi)期間的唯一通信手段。

衛(wèi)星通信課程是高校電子通信類(lèi)專(zhuān)業(yè)本科生的一門(mén)必修課程，也是讓學(xué)生系統(tǒng)地了解衛(wèi)星通信領(lǐng)域的一門(mén)啟蒙課程[2-5]。其教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生掌握現(xiàn)代衛(wèi)星通信的基本原理和主要技術(shù)，熟悉衛(wèi)星地球站的基本組成與工作過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決衛(wèi)星通信實(shí)際問(wèn)題的能力[6]。通常分為理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，且實(shí)驗(yàn)教學(xué)是該課程的重要組成部分[7]。然而，衛(wèi)星通信領(lǐng)域涉及的專(zhuān)業(yè)多、技術(shù)復(fù)雜、相關(guān)儀器設(shè)備昂貴，使得衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)課程的開(kāi)設(shè)舉步維艱。

1 實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)設(shè)背景

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)部分院校的衛(wèi)星通信試驗(yàn)課程通常只能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示和觀(guān)摩，精密、昂貴的衛(wèi)星通信設(shè)備無(wú)法讓本科學(xué)生親自動(dòng)手實(shí)踐[8]。若在衛(wèi)星通信教學(xué)中僅進(jìn)行理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)觀(guān)摩，將無(wú)法培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，也無(wú)法調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主能動(dòng)性，甚至傷害部分學(xué)生對(duì)衛(wèi)星通信領(lǐng)域的學(xué)習(xí)興趣。伴隨著衛(wèi)星通信在日常生活中的應(yīng)用普及，掌握衛(wèi)星通信設(shè)備的操作也必將成為電子通信類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的基本技能。因此，如何設(shè)計(jì)和改進(jìn)衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)方式、方法，對(duì)提升學(xué)生的相關(guān)能力素質(zhì)具有重要意義[9]。

2 實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)方法設(shè)計(jì)

依托衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備，研究開(kāi)發(fā)衛(wèi)星通信課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，使學(xué)員從通信的基本原理到衛(wèi)星通信的具體過(guò)程，從單一的衛(wèi)星通信到多種通信手段的綜合運(yùn)用，從學(xué)習(xí)理論到動(dòng)手實(shí)踐，將通信專(zhuān)業(yè)本科階段學(xué)習(xí)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程基本原理融會(huì)貫通到衛(wèi)星通信綜合實(shí)驗(yàn)中，培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)的概念，提高學(xué)生的全局謀劃能力。具體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法主要有三方面。

2.1 基于計(jì)算機(jī)的衛(wèi)星通信仿真

衛(wèi)星通信技術(shù)涉及許多高科技領(lǐng)域，許多人感覺(jué)衛(wèi)星通信距離自己的生活很遠(yuǎn)。衛(wèi)星通信理論課程中講述的內(nèi)容無(wú)疑是“高大上”的，天上的衛(wèi)星、大型的地面測(cè)控站等設(shè)備基本上都是在電視上才能見(jiàn)到，而衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)課程首要的任務(wù)就是要打消學(xué)生的疑慮，讓他們真實(shí)地感受到高技術(shù)的東西并不復(fù)雜，其基本原理都是我們之前學(xué)習(xí)過(guò)的內(nèi)容，而計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)就是一種最好的系統(tǒng)模擬平臺(tái)。

坎巴拉太空計(jì)劃(Kerbal Space Program)是一款擁有極高自由度的沙盤(pán)風(fēng)格航空航天模擬游戲。通過(guò)該游戲，玩家可以扮演Kerbals航空航天工作者，設(shè)計(jì)、建造并發(fā)射自己的火箭、航天飛機(jī)以及亞軌道飛行器，將航天器(衛(wèi)星)送入軌道，像現(xiàn)實(shí)的航空航天那樣計(jì)劃并進(jìn)行飛行，如圖1所示。

通過(guò)該游戲軟件可以讓學(xué)生自己動(dòng)手設(shè)計(jì)火箭的捆綁方式、推力大小以及飛行器在太空中的變軌、運(yùn)行等操作，該游戲融學(xué)習(xí)和娛樂(lè)于一體，可以讓學(xué)生直觀(guān)地了解衛(wèi)星發(fā)射和日常運(yùn)行的全過(guò)程，明白低軌道、中軌道、高軌道衛(wèi)星以及同步軌道、地球靜止軌道衛(wèi)星的本質(zhì)差異，解開(kāi)衛(wèi)星通信高科技的神秘面紗。

衛(wèi)星通信的核心是通信過(guò)程，其基本原理與常規(guī)的通信完全相同，利用常規(guī)的通信仿真軟件完全可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信系統(tǒng)從信源采集、信號(hào)發(fā)射、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到信號(hào)接收、信息還原整個(gè)過(guò)程的仿真。SystemView軟件是一款用于現(xiàn)代工程與科學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)分析平臺(tái)，具有完整的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析工具，且通信系統(tǒng)的各種功能模塊應(yīng)有盡有，用戶(hù)還可以在標(biāo)準(zhǔn)通信庫(kù)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)自己的特有庫(kù)模塊[10]，如圖2所示。

圖2 SystemView軟件仿真界面

基于SystemView的衛(wèi)星通信系統(tǒng)仿真平臺(tái)可以將衛(wèi)星通信的整個(gè)過(guò)程分解為信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)以及地面接收系統(tǒng)三部分，在三部分之間加入衛(wèi)星通信特有的鏈路損耗就可完整地再現(xiàn)衛(wèi)星通信的實(shí)時(shí)過(guò)程。

另外，還可以通過(guò)SystemView提供的示波器、頻譜分析儀等虛擬設(shè)備觀(guān)察衛(wèi)星通信過(guò)程中的信息采集、編解碼、調(diào)制與解調(diào)、疊加噪聲干擾等各階段的信號(hào)波形和頻譜，分析通信網(wǎng)絡(luò)的誤碼率、抗噪聲性能，對(duì)比不同編碼方案、調(diào)制方式對(duì)通信過(guò)程的影響，使學(xué)生真實(shí)地理解衛(wèi)星通信的基本過(guò)程。類(lèi)似的仿真軟件還有Matlab等[11]。

2.2 衛(wèi)通設(shè)備參觀(guān)觀(guān)摩

任何仿真都無(wú)法完美地替代現(xiàn)實(shí)，在學(xué)生掌握衛(wèi)星通信基本原理的基礎(chǔ)上，還必須讓學(xué)生對(duì)衛(wèi)星通信的設(shè)備有直觀(guān)的印象。實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有各種類(lèi)型的衛(wèi)星通信地面設(shè)備6套，從最小的衛(wèi)星廣播電視地球站到4.5 m口徑的大型固定通信地球站，從反射面天線(xiàn)地球站到相控陣天線(xiàn)、波導(dǎo)饋電喇叭天線(xiàn)地球站，從便攜式地球站到衛(wèi)星動(dòng)中通地球站應(yīng)有盡有，如圖3所示。

不管地球站的樣子如何變化，其最核心的結(jié)構(gòu)——三維指向和收發(fā)通信是其本質(zhì)。天線(xiàn)的形狀可以是前饋、后饋、偏饋方式，可以是圓形的反射面、矩形的相控陣、平板等，但天線(xiàn)的方位、俯仰和極化三維指向的基本功能是不會(huì)改變的，只有實(shí)現(xiàn)形式的變化，沒(méi)有功能的差異；通信系統(tǒng)中的調(diào)制解調(diào)器、低噪聲放大和下變頻器、功率放大和上變頻器等是所有衛(wèi)星通信中必不可少的關(guān)鍵設(shè)備，通信頻段可以變化、通信終端可以多種多樣，但這些信道設(shè)備是所有衛(wèi)星通信的核心[12-13]。解析不同類(lèi)型的衛(wèi)星通信地球站結(jié)構(gòu)，可讓學(xué)生能從變化多樣的衛(wèi)星地球站外在形式，抓住衛(wèi)星通信的核心和本質(zhì)，進(jìn)一步加深對(duì)基本原理的理解。

依托現(xiàn)有設(shè)備，實(shí)驗(yàn)室還開(kāi)發(fā)了一套無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信+衛(wèi)星動(dòng)中通的遠(yuǎn)距離視頻采集與傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)信源采集可使用攝像機(jī)、無(wú)人機(jī)等方式，并通過(guò)一套“圖傳無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信系統(tǒng)”將采集的視頻信息實(shí)時(shí)地傳回到在附近靜止或低速行進(jìn)中的載體上，依托載體上的衛(wèi)星動(dòng)中通系統(tǒng)可以將視頻、圖像、語(yǔ)音等內(nèi)容通過(guò)靜止軌道衛(wèi)星傳回4.5 m的大型地球站終端。組織學(xué)生重點(diǎn)觀(guān)摩遠(yuǎn)距離視頻采集與傳輸系統(tǒng)的3個(gè)核心節(jié)點(diǎn)——視頻采集、車(chē)載中繼以及控制終端，使學(xué)生真實(shí)感受衛(wèi)星通信與其他通信方式的差異，明確衛(wèi)星通信在抗震救災(zāi)等大型任務(wù)中的應(yīng)用，學(xué)會(huì)各種通信方式、通信手段的合理搭配與使用，培養(yǎng)學(xué)生逐步形成系統(tǒng)的概念[14-15]。

2.3 衛(wèi)星通信設(shè)備操作與實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)

昂貴的衛(wèi)星通信設(shè)備是制約衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)設(shè)的主要因素。現(xiàn)有的衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)設(shè)內(nèi)容主要有衛(wèi)星廣播電視接收、信標(biāo)接收等內(nèi)容。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容“衛(wèi)星廣播電視接收”系統(tǒng)通常由衛(wèi)星廣播電視天線(xiàn)(及其支架)、衛(wèi)星廣播電視接收機(jī)、電視機(jī)、電源等設(shè)備組成，雖然電視機(jī)在該系統(tǒng)中僅作為通信的終端設(shè)備，與我們開(kāi)設(shè)衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)目的關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，但電視機(jī)的成本卻占據(jù)該套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的70%以上；另外，衛(wèi)星廣播電視實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)通常需要在室外開(kāi)闊地域進(jìn)行，此時(shí)系統(tǒng)的室外供電也將成為課程開(kāi)設(shè)必須考慮的因素；第二個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容“衛(wèi)星信標(biāo)接收實(shí)驗(yàn)”的開(kāi)設(shè)需要昂貴的頻譜分析儀，高昂的實(shí)驗(yàn)建設(shè)成本導(dǎo)致衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)只能作為本科生教學(xué)演示和觀(guān)摩，無(wú)法讓學(xué)生真實(shí)地體會(huì)調(diào)整天線(xiàn)、對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星、建立衛(wèi)星通信鏈路的過(guò)程。

為解決該問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)室采購(gòu)了10套衛(wèi)星廣播電視接收系統(tǒng)。每套系統(tǒng)由一面衛(wèi)星電視接收天線(xiàn)和一臺(tái)尋星儀組成。前者采用市面上普通的衛(wèi)星電視接收天線(xiàn)，而后者是融合了廣播電視接收機(jī)、電視終端以及頻譜儀簡(jiǎn)易功能的一體化設(shè)備，系統(tǒng)成本低于1 000元，如圖4所示。虛線(xiàn)框內(nèi)為常規(guī)的衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)所需的室內(nèi)設(shè)備，成本高，且需要市電；而采用尋星儀后，設(shè)備少，且不需要市電，便于室外實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)。

圖4 常規(guī)系統(tǒng)室內(nèi)設(shè)備與尋星儀的對(duì)比

該尋星儀主要應(yīng)用于專(zhuān)業(yè)的衛(wèi)星廣播電視安裝中，操作界面與常規(guī)的衛(wèi)星電視接收機(jī)完全相同，可以設(shè)置衛(wèi)星名稱(chēng)、高頻頭本振、接收頻率、符號(hào)率、極化方式等參數(shù)；連接衛(wèi)星電視接收天線(xiàn)后，當(dāng)天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星時(shí)即可接收到該衛(wèi)星上的信號(hào)(即接收的信號(hào)強(qiáng)度和信號(hào)質(zhì)量高于衛(wèi)星接收機(jī)門(mén)限)；該終端支持DVB-S標(biāo)準(zhǔn)的衛(wèi)星廣播電視，若目標(biāo)衛(wèi)星上有公開(kāi)的電視節(jié)目，則可以直接使用該終端收看衛(wèi)星廣播電視；攜帶有簡(jiǎn)單的頻譜掃描功能，可以滿(mǎn)足信標(biāo)接收的實(shí)驗(yàn)要求；采用鋰電池供電，持續(xù)工作時(shí)間超過(guò)8 h，不需要額外的電源。在該系統(tǒng)上開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程可以讓學(xué)員熟練掌握衛(wèi)星通信中天線(xiàn)對(duì)星的基本流程與操作技巧，明確天線(xiàn)三維指向的參考基準(zhǔn)與天線(xiàn)精確對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的判斷標(biāo)準(zhǔn)，使學(xué)生對(duì)衛(wèi)星通信的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行全面、整體的認(rèn)知，鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生達(dá)到實(shí)踐動(dòng)手能力。

針對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地所處位置，激發(fā)學(xué)員自主尋找電視節(jié)目最多的衛(wèi)星，鼓勵(lì)有能力的學(xué)員在接收衛(wèi)星電視信號(hào)的基礎(chǔ)上，研究開(kāi)發(fā)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

3 結(jié) 語(yǔ)

衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)課程的開(kāi)設(shè)可以強(qiáng)化學(xué)生對(duì)衛(wèi)星通信基本原理的理解和掌握，提高對(duì)衛(wèi)星通信設(shè)備的操作技能。本文設(shè)計(jì)的衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容不需要精密、昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，完全滿(mǎn)足本科生通信工程專(zhuān)業(yè)的衛(wèi)星通信教學(xué)需求。依托衛(wèi)星通信科研促進(jìn)衛(wèi)星通信教學(xué)的不斷深入發(fā)展是保持衛(wèi)星通信教學(xué)活力的重要途徑。

當(dāng)前我國(guó)在軌的衛(wèi)星數(shù)量已趕超俄羅斯，僅次于美國(guó)，但對(duì)衛(wèi)星資源的利用方面，尤其是衛(wèi)星地面通信設(shè)施的應(yīng)用方面欠缺較大。為此，在制定“十三五”規(guī)劃時(shí)將衛(wèi)星通信的推廣應(yīng)用列入了國(guó)家的重點(diǎn)發(fā)展戰(zhàn)略中。促進(jìn)衛(wèi)星通信地面設(shè)施的大范圍推廣和應(yīng)用，將我國(guó)從衛(wèi)星大國(guó)發(fā)展成為衛(wèi)星強(qiáng)國(guó)的任務(wù)已迫在眉睫，通過(guò)簡(jiǎn)易的衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)讓更多的人了解衛(wèi)星通信的原理、熟悉衛(wèi)星通信的過(guò)程、掌握衛(wèi)星通信的基本技能，對(duì)于做大做強(qiáng)我國(guó)的衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)也必將產(chǎn)生重要的推動(dòng)作用。

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Research on Experimental Teaching of Satellite Communication Course

ZHANG Fenggan, JING Yaque, JIN Wei, DAI Jingke

(Information Engineering Department, Rocket Force University of Engineering, Xi’an 710025, China)

The development of the satellite communications experimental course has been hindered for a long term by its high cost. Some experimental methods have been designed, relying on the satellite communications research laboratory. One is to implement the experimental subjects by making full use of the computer simulation platform, and another is to visit the satellite communication equipment. The last is to construct the low cost experiment environment by investigating the satellite communication markets. All these methods have important significance for assisting the theoretic teaching, and culturing the practical ability and the communication support capability of the students majoring in communication engineering.

satellite communication; teaching experiment platform; communication simulation; antenna; low cost

2016-09-08

國(guó)家自然科學(xué)基金(61501469);陜西省高等教育教學(xué)研究改革項(xiàng)目

張峰干(1985-),男,河南宜陽(yáng)人,博士,講師,現(xiàn)主要從事衛(wèi)星通信方面的教學(xué)與衛(wèi)星動(dòng)中通技術(shù)的研究工作。

Tel.:13772171198;E-mail:zfg417@163.com

TN 927； G 642.4

A

1006-7167(2017)08-0173-03