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1.3衛星通信的抗干擾技術衛星運行在外太空，電磁環境復雜，統一受到太陽風、強磁暴等空間環境影響，導致出現信息干擾和信息失真，衛星通信的抗干擾技術主要依靠衛星傳輸鏈路中不同的抗干擾設備和系統完成其功能，抗干擾設備和系統主要有DS/FH混合擴頻、自適應頻域濾波、猝發通信、時域適應干擾消除、基于多用戶檢測的抗干擾、自適應信號功率管理、自適應調零天線、多波束天線、分集抗干擾、變換域干擾消除、糾錯編碼和交織編碼抗干擾技術等。在軟硬件共同的作用下阻斷電磁干擾、過濾雜波、屏蔽信號污染、實現程序監視等功能。

2衛星通信技術的發展趨勢

2.1通信衛星體積的發展趨勢通信衛星體積正在向大型化和微型化兩個方向發展。其一，各國把通信衛星體積建造得越來越大，以便實現高靈敏和強處理能力。其二，各國推出小型通信衛星，用多顆小衛星組網構成衛星通信網絡代替單顆大衛星，具有方便發射和成本低廉等優點。

2.2衛星移動通信技術方興未艾衛星移動通信是指利用衛星實現移動用戶間或移動用戶與固定用戶間的相互通信。隨著頻譜擴展、數字無線接入、智能網絡技術的不斷發展，衛星移動通信在向衛星個人通信方向演進，用手持機可實現方便接入衛星移動通信網，進行衛星移動通信。

2.3衛星互聯網技術興起將衛星通信網絡轉化為互聯網中數據上下交換的鏈路，可將電話撥號、局域網等其他通信鏈路作為上行數據鏈路，還可以將下載和傳輸作為下行數據鏈路，利用衛星的特點實現地面隨時連接互聯網絡。

2.4衛星通信向寬帶化發展為了滿足衛星通信系統用戶對大數據量和高負荷的需求，衛星通信技術已向拓展直EHF頻段發展，擴大頻段的容量，大大減輕現有頻譜擁擠現象，減少受電磁現象影響引發的信號閃爍和衰落，提高了衛星的抗干擾能力。使衛星通信部件尺寸和重量大大縮小和減輕，方便衛星搭載更多的通信設備。

2.5衛星通信光通信化發展衛星光通信是利用激光進行衛星間通信，達到降低衛星通信系統設備質量和體積，提高衛星通信保密性等目的。

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低軌（LEO）衛星移動通信系統與中軌（MEO）和靜止軌道（GEO）衛星移動通信系統比較，具有以下特點：

1.1由于具有更小的信號衰減和更低的傳播時延，低軌衛星通信系統更有利于實現個人全球通信。LEO系統的路徑傳輸損耗通常比GEO低幾十分貝，所需發射功率是GEO的1/200-1/2000，傳播時延僅為GEO的1/7~1/50，這對于實現終端手持化和達到話音通信所需要的延時要求是十分有利的。

1.2蜂窩通信、多址、點波束、頻率復用等技術的發展為LEO衛星移動通信提供了技術保障。

1.3由于地面移動終端對衛星的仰角較大，天線波束不易受到地面反射的影響，可避免多徑衰落。

1.4它在若干個軌道平面上布置多個衛星，由星間通信鏈路將多個軌道平面上的衛星聯接起來。整個星座如同結構上連成一體的大型平臺，在地球表面形成蜂窩狀服務小區，服務區用戶至少被一個衛星覆蓋，用戶可隨時接入系統。

1.5由于衛星的高速運動和衛星數目多，也帶來了多普勒頻移嚴重和星間切換控制復雜等問題。但不管怎樣，低軌衛星移動通信系統的上述特點對于支持實現個人通信是有巨大吸引力的。

2LEO衛星通信系統用戶切換的一般過程

低軌衛星移動通信系統中，由于衛星的高速運動，使得它的波束覆蓋區也跟著移動，而波束覆蓋區的移動速度遠大于用戶的運動速度，因此，在LEO衛星移動通信系統中，切換主要是由于衛星波束移動引起的。

對于衛星移動通信系統中的呼叫切換，通常經歷這樣一個過程：

2.1用戶周期測量當前使用波束和鄰近波束的導頻信號或廣播信道的信號強度的變化，以便確定它是否正在穿越相鄰波束之間的邊界或者處于相鄰波束的重疊區內。

2.2若用戶進入相鄰波束的重疊區，達到切換觸發的條件，將開始啟動切換過程。用戶中止利用當前波束進行通信，等待分配信道利用新波束進行通信。

2.3切換過程開始后，需要在新到達波束中為該用戶按照一定的信道分配算法進行信道分配，并在原先波束中釋放使用的信道；如果采用了波束內切換或信道重安排，則原先波束還須按照呼叫結束后的信道重安排算法進行波束內的信道優化分配，進行必要的波束內分配。分配完成后，將數據流從舊鏈路轉移到新鏈路上來，完成切換。

3LEO衛星通信系統用戶切換的種類

低軌衛星通信系統用戶切換可分為以下類型：

3.1同一信關站和衛星的不同波束之間的切換

目標波束和現用波束在同一信關站和同一衛星內，該切換涉及兩個波束的信道分配和修改同一信關站(不采用星上交換)或衛星(采用星上交換)的交換路由表。

3.2同一信關站不同衛星之間的切換

目標波束與現用波束不在同一顆衛星內、但在同一個信關站范圍內，它涉及兩顆衛星的信道分配；對于采用星上交換的體制，需要改變兩顆衛星星上交換路由表；對于衛星透明轉發的體制，需要修改信關站交換路由表。

3.3不同信關站同一衛星的波束間的切換

目標波束和現用波束屬于同一顆衛星，但屬于不同的信關站，它涉及兩個信關站之間的切換，包括信道分配、改變地面線路連接、位置更新、記費等，對于采用星上交換的衛星還需要改變其交換路由表。

3.4不同信關站不同衛星之間的切換

目標波束和先用波束屬于不同的衛星且屬于不同的信關站，它涉及兩個信關站和兩顆衛星之間的切換，信關站涉及信道分配、改變地面線路連接、位置更新、記費等問題，對于采用星上交換的衛星需要改變其交換路由表。

4LEO衛星通信系統中用戶切換目標衛星的選擇準則

在低軌衛星移動通信系統的切換控制中，切換的目標衛星的選擇策略對切換的最終性能也有著直接的影響。因此，根據系統的需要，設計出適合于本系統的切換目標衛星選擇方案至關重要。目前，低軌衛星移動通信系統中的切換目標衛星選擇策略主要有以下幾種：最近衛星準則、最強信號準則、最長可視時間準則、最多可用信道數準則、覆蓋時間與仰角加權準則及最小跳數切換準則。

其中，最近衛星準則認為距離用戶終端最近（仰角最大）的衛星能夠提供很好的服務質量（QoS），可從純幾何上對其性能進行分析，也稱為最大仰角準則。采用該準則時，用戶終端在任何時候都選擇能夠為其提供最大仰角的衛星。該準則實現簡單，但一般不會在實際系統中采用，因為它既沒有考慮無線信號在空中的傳播條件，也沒有考慮網絡的運行狀況。強信號準則是終端在任何時候選擇能夠接收到最強信號的衛星。擁有足夠高的信號強度是無線通信的一個基本條件，可以認為最強信號衛星準則能夠提供較好的服務質量。

最長可視時間準則又稱為最大覆蓋時間準則。按照這個策略，用戶將利用星座系統運行的先驗知識，始終選擇具有最大服務時間的衛星作為其切換的目標衛星。該準則基于對最小化系統的切換請求到達率考慮，延長了切換后呼叫一直被某個衛星服務的時間，從而可獲得較低的被迫中斷概率。

最多可用信道數準則為：用戶選擇具有最多可用信道數的衛星為它提供服務。該準則出于對整個系統信道資源利用率考慮，以使衛星系統中每個衛星所承載的業務量趨于均勻分布，避免因某個衛星節點超負荷而失效，從而影響到整個系統性能。應用這個準則時，不管衛星的具置，新呼叫和切換呼叫會經歷相同的阻塞率或被迫中斷概率，從而可以避免出現某個衛星超載的情況。

最小跳數切換準則則應用于具有星上路由的情況，策略要求用戶在任何時候都選擇能夠為其提供最少跳數路徑的衛星。在具體實現過程中，通信雙方周期性檢測其可見衛星中是否有比當前通信路徑的跳數更少的路徑，如果存在則進行切換，否則繼續使用當前衛星進行通信。當然，如果通信雙方的當前衛星出現低于最小仰角（或信噪比）時，也需要進行切換。假定衛星系統使用準靜態路由算法，路由表項中帶有衛星到衛星的路由跳數，而且其路由信息隨著網絡拓撲變化由系統自動刷新。

5低軌衛星通信系統用戶切換與路由

在切換時，由于服務衛星的改變，對于采用星上交換和星上路由的衛星通信系統，原有路由也需要被重新建立。重建路由有以下幾種方案：全路由重建，部分路由重建，重路由結合擴展路由，動態概率優化路由，最小跳數路由。

其中全路由重建衛星切換方案：原有路由完全被新路由代替，該方案得到的新路由仍然是最優化路徑，但其處理時延比較大。

部分路由重建衛星切換方案：當切換發生時，原有路由被部分保存，只有變化部分被更新，該方案處理時延比較小，但新生成的路由可能不是最優化路徑。

重路由與擴展路由結合：切換后首先進行路由擴展，再進行路由優化。以降低延時，但信令開銷增大。

動態概率優化路由：全路由重建節約帶寬，但是擴大了信令資源，需要選擇合適的優化概率P，在帶寬和信令資源之間折中。即并不對所有擴展后的路由進行優化，而是以概率P，對一部分路由進行優化，一部分仍保持原擴展路由。

最小跳數路由策略：用戶在任何時候都選擇能夠為其提供最少跳數路徑的衛星。通信雙方周期性檢測其可見衛星中是否有比當前通信路徑的跳數更少的路徑，如果存在則進行切換，否則繼續使用當前衛星進行通信。該策略能夠獲得較低的傳播延時和較小的切換頻率，具有很好的系統性能。

參考文獻

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（Ku/Ka/L頻段可應用范圍）依據《中華人民共和國無線電頻率劃分規定》，民用航空無線電頻率使用和業務主要分為：1）制式無線電臺是指為確保航空器的安全，在制造完成時必須安裝在其上的無線電設備。2）非制式無線電臺是指制式無線電臺以外的無線電臺。如:機載客艙衛星通信電臺。3）航空移動業務是指在航空電臺和航空器電臺之間,或航空器電臺之間的一種移動業務。營救器電臺可參與此種業務；應急示位無線電信標電臺使用指定的遇險與應急也可參與此種業務。4）航空電臺是指用于航空移動業務的陸地電臺。在某些情況下，航空電臺也設在船舶或海面工作平臺上。衛星通信在民用航空應用中又主要劃分為駕駛艙（前艙）和客艙（后艙）。駕駛艙（前艙）通信需要高度完整性和快速響應的安全和正常通信，屬于衛星航空移動（R）業務，主要分為空中交通服務部門用于空中交通管制、飛行情報與報警的安全相關通信，以及航空器承運人進行的、會影響到空中運輸的安全、正常和效率的通信[航空運行管理控制通信（AOC）]。民航局《航空公司運行控制衛星通信實施方案》中推薦使用的衛星通信系統有海事衛星通信系統、銥星系統和Ku衛星系統。客艙(后艙)通信是為航空承運人的私人通信[航空行政通信（ACC）]服務，以及公眾通信[航空旅客通信（APC）]。目前在國際上使用的客艙（后艙）通信系統主要有海事衛星通信系統、Ku衛星系統及Ka衛星系統。具體使用頻率規劃如表1所示。

三、民用航空的衛星通信網絡運營系統現狀

1.衛星網絡與資源目前國際民航駕駛艙（前艙）衛星通信多使用的是L和S頻段衛星通信系統，采用衛星移動通信使用的L、S頻段。而衛星移動通信系統的建設是一項復雜的系統工程，國內尚無自建的商用衛星移動通信系統投入運行。國內正在使用或準備使用的商用衛星移動通信系統都是由國外運營商提供的服務。國外商用衛星移動通信系統主要包括：海事衛星系統（Inmarsat）、銥星系統（Iridium）、全球星ICO系統（Globalstar）、亞洲蜂窩衛星系統（ACes）和Thuraya等。具體所用衛星移動通信系統具體所用頻率范圍如表2所示。在客艙（后艙）衛星通信應用方面，中國衛通集團公司目前擁有12顆在軌衛星，可以提供以覆蓋中國及周邊地區的Ku頻段衛星通信服務資源，并計劃在2015年，達到擁有15顆以上在軌衛星。在衛星頻率資源使用上將形成C、Ku與S、L、Ka頻段相結合，固定廣播通信衛星與移動廣播通信衛星結合，覆蓋范圍廣、用途多樣的衛星空間段資源體系。中國衛通現有運營在軌衛星情況如表3所示。考慮到航空運輸飛行國際、國內航線的特點，從衛星資源的服務能力來看，尤其是至今我國沒有自主可管可控，用機駕駛艙（前艙）衛星通信的L和Ka頻段衛星網絡系統；即使是Ku頻段衛星，目前我國自主運營的衛星服務能力，不論是覆蓋范圍，還是軌道頻率資源，也遠遠不能適應滿足我國航空市場發展衛星通信需求。這既是對我國衛星通信運營服務提出的挑戰，更是開拓衛星通信服務業務的機遇和發展應用潛力。

2.用戶終端設備由于我國在這方面應用起步晚，再加上用于航空領域的準入門檻制約，目前用于駕駛艙（前艙）衛星通信的L頻段終端系統設備，以及用于后艙（客艙）衛星通信的Ku和Ka頻段終端系統設備，全部是由國外廠商提供，幾乎全面占領我國終端系統設備市場。民航飛機上衛星通信設備的制造門檻很高，除了要遵循現行技術標準，還要得到國際有關機構認可，為了國家信息安全的需要，國內廠商在這一領域還需要努力追趕，有所作為。駕駛艙（前艙）衛星通信的L頻段終端系統設備主要有：霍尼韋爾,柯林斯，泰雷斯公司等。后艙（客艙）衛星通信的Ku和Ka頻段終端系統設備主要有：Row44，Panasonic，GoGo，Aerosat等。后艙（客艙）衛星通信終端天線系統如圖4所示。的通信系統多數是高頻和甚高頻通信系統，衛星通信的應用多是使用銥星系統，海事衛星，Globalstar,Thuraya,ACeS等衛星系統，以及與這些衛星系統相配的L頻段在軌衛星系統的終端設備。駕駛艙（前艙）衛星通信終端設備如圖5所示。

3.網絡運營和用戶業務管控從國家戰略安全考慮，在航空運輸飛行網絡運營和用戶業務管控方面，更需要建立可管可控的航空衛星通信網絡運營和用戶業務管控系統。系統網絡運行管理主要是負責管理、監控和維護機載通信全系統，實時對全網系統涉及衛星、地面網絡和終端設備等工作狀態進行管理、監控，實時對運營網絡中業務用戶使用情況，進行本地或者遠程、監控、維護和計費結算等管理，對網絡運營和業務運營數據進行存儲、備份管理，對網絡運營中出現的包括衛星系統、終端設備和用戶使用等問題，進行實時分析排查，及時警示和問題預先發現等必要的日常維護，保障全網絡系統運行安全正常。民航衛星通信業務橫跨通信信息傳輸服務和民用航空飛行運輸服務，在相關系統設計規范、業務運營管理、設備準入等方面，必須同時滿足國家對民航飛行安全，信息通信網絡傳輸安全，信息內容安全和數據存儲安全規定要求。民航衛星通信涉及國家信息安全，有必要在網絡運營和用戶業務管控方面在滿足國家相關法規要求前提下，做到完全自主，實現業務運營可管可控。

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2應用舉例

衛星固定通信臺站天線口徑大波束窄，對天線伺服系統的自動跟蹤性能要求較高，為確保通信效果，需定期測量衛星天線系統的自動跟蹤性能，傳統的測試方法需用頻譜儀在射頻方艙內測試，且測試結果保持和記錄都不方便，利用本系統可以方便進行遠程測試，而且可以將測試結果保存在數據存儲單元中，方便后續查詢和參考。衛星天線跟蹤性能測試流程如下：（1）調整衛星天線使其對準通信衛星；（2）在監控主機上按下述過程設置頻譜儀；a)按衛星信標頻率設置頻譜儀中心頻率，設置SPAN為0到100KHzb)根據信標信號的電平變化范圍設置Sacle/DIV，以使測量過程中的載波電平變化始終落在頻譜儀的可顯示電平范圍內c)根據信標頻率穩定度，選擇盡可能窄的RBWd)根據載波的峰值頻率和功率，調整頻譜儀的中心頻率和參考電平e)利用鍵盤調窄SPAN，重復4f)重復5，將SPAN調整到最小g)將SPAN置0，使載波顯示譜線作水平運動h)輸入掃描時間，確定掃描長度（3）用手控方式調偏衛星天線的方位角和俯仰角，頻譜儀顯示譜線的電平將隨天線偏離衛星而下降（4）啟動天線自動跟蹤功能，觀察衛星信標電平隨時間的變化，記錄自動跟蹤天線的對星過程以及跟蹤速度和精度（5）存儲記錄數據，重復3、4步驟，多記錄幾次測試結果，分析衛星天線自動跟蹤性能。

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基于上述備件維護管理策略可知，要實現地球站收發設備備件的離線性能檢測，擬設計構建備件性能檢測系統，以對備件性能的長期穩定性進行測試與維護，使更換備件的上線成功率達100%，確保更換備件的可用性和可靠性，從而為衛星通信系統的連續穩定運行提供可靠保障。地球站收發設備的備件分為系統級備件和部件級備件，其中系統級備件是指具備集成為有線閉環測試系統條件的備件，部件級備件是指不具備集成為有線閉環測試系統條件的備件。依據收發設備的備件分類情況，可將備件性能檢測系統分為系統級備件性能檢測系統和部件級備件性能檢測平臺，組成框圖如圖1所示。

2．1系統級備件性能檢測系統

備件性能檢測系統是針對具備集成為有線閉環測試系統條件的備件進行測試的平臺，其設計思想是:利用信息產生器及模擬轉發器將地球站的發送鏈路和接收鏈路的部分零散備件集成為一個自發自收的有線閉環檢測鏈路，用來完成系統級備件的加電測試，并通過監測環路時延值達到對備件的檢查與維護，確保更換備件的可用性和可靠性。同時，可完成返修設備及新增設備的驗收考核測試、新進人員的業務培訓、模擬故障處理演練等任務，具體組成框圖如圖2所示。

2．2部件級備件性能檢測平臺

部件級備件性能檢測平臺是針對不具備集成為有線閉環測試系統條件的備件進行測試的平臺，其設計思想是:利用信號源、頻譜儀、矢量網絡分析儀、邏輯分析儀、功率計等測試儀器對零散的部件級備件進行定期檢測維護和指標測試，以確保部件級備件的可用性和可靠性。同時，可作為新購置備件的驗收測試平臺，具體組成框圖如圖3所示。

3備件管理系統

3．1備件管理系統的體系結構

對于地球站收發設備的備件設備的管理，傳統的管理方法是直接將備件設備放入庫房，需要時人工從繁雜的備件設備中查找需要更換的備件設備，費時費力且延誤備件上線時間，降低了系統不間斷運行的可靠性;并且在系統備件狀態發生變化時，表格記錄形式無法得到及時更新，容易造成管理上的混亂。因此，為提高備件的使用效率，解決備件分散和備件存取造成的管理混亂等問題，本文建立備件管理系統，通過構建備件信息數據庫，設計實現備件出入庫管理和備件檔案管理流程，實現備件設備信息的科學管理，并為地球站裝備管理和采購提供數據支持。備件管理系統的體系結構如圖4所示。

3．2備件管理系統的功能模塊

本文從系統實用性出發，對信號收發備件管理系統進行需求分析，將系統功能模塊劃分為基本信息管理、備件庫存管理、備件計劃管理、使用信息管理、查詢統計管理、系統信息管理等幾個部分。系統各模塊的功能如下:(1)基本信息管理基本信息管理用來設置系統的基礎數據信息，如用戶信息、備件信息、備件供應商信息、倉庫及庫位信息等，以便為其它的管理模塊提供一個統一規范的基礎性數據，并且方便系統的維護。(2)備件庫存管理備件庫存管理是備件管理系統最為重要的管理模塊之一，該模塊涵蓋了備件從入庫到出庫之間的全部業務流程，主要實現對備件入庫管理、備件出庫管理、備件檔案管理、庫存備件明細、庫存備件匯總以及庫存報警等的管理。(3)備件計劃管理備件計劃管理主要實現備件采購計劃工作中的備件計劃、備件需求統計等功能。(4)庫房管理庫房及存放柜管理是對備件存放的直接映射，通過庫房信息以及備件存放位置的信息，方便快捷地將備件定位到庫房存放柜中，解決了原始的紙面記錄或無庫存記錄造成的弊端。(5)使用信息管理使用信息管理主要記錄備件上機使用情況，為合理采購備件，提供了第一手資料。(6)查詢統計管理查詢統計管理可提供靈活多樣且直觀的查詢統計方式，統計出的數據準確可靠，用戶可以通過統計匯總出各個備件的庫存、維修、使用等數據，為領導決策提供依據。(7)系統信息管理系統信息管理主要完成對信號收發備件管理系統的用戶信息和用戶密碼修改的管理。

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2．1入侵檢測系統的體系結構

入侵檢測是檢測計算機網絡和系統以發現違反安全策略事件的過程。如圖2所示，作為入侵檢測系統至少應該包括三個功能模塊：提供事件記錄的信息源、發現入侵跡象的分析引擎和基于分析引擎的響應部件。CIDF闡述了一個入侵檢測系統的通用模型，即入侵檢測系統可以分為4個組件：事件產生器、事件分析器、響應單元、事件數據庫。

2．2入侵檢測系統的功能

衛星通信網絡采用的是分布式的入侵檢測系統，其主要功能模塊包括：（1）數據采集模塊。收集衛星發送來的各種數據信息以及地面站提供的一些數據，分為日志采集模塊、數據報采集模塊和其他信息源采集模塊。（2）數據分析模塊。對應于數據采集模塊，也有三種類型的數據分析模塊：日志分析模塊、數據報分析模塊和其他信息源分析模塊。（3）告警統計及管理模塊。該模塊負責對數據分析模塊產生的告警進行匯總，這樣能更好地檢測分布式入侵。（4）決策模塊。決策模塊對告警統計上報的告警做出決策，根據入侵的不同情況選擇不同的響應策略，并判斷是否需要向上級節點發出警告。（5）響應模塊。響應模塊根據決策模塊送出的策略，采取相應的響應措施。其主要措施有：忽略、向管理員報警、終止連接等響應。（6）數據存儲模塊。數據存儲模塊用于存儲入侵特征、入侵事件等數據，留待進一步分析。（7）管理平臺。管理平臺是管理員與入侵檢測系統交互的管理界面。管理員通過這個平臺可以手動處理響應，做出最終的決策，完成對系統的配置、權限管理，對入侵特征庫的手動維護工作。

2．3數據挖掘技術

入侵檢測系統中需要用到數據挖掘技術。數據挖掘是從大量的、不完全的、有噪聲的、模糊的、隨機的數據中提取隱含在其中的、人們事先不知道的、但又是潛在有用的信息和知識的過程。將數據挖掘技術應用于入侵檢測系統的主要優點：（1）自適應能力強。專家根據現有的攻擊從而分析、建立出它們的特征模型作為傳統入侵檢測系統規則庫。但是如果一種攻擊跨越較長一段時間，那么原有的入侵檢測系統規則庫很難得到及時更新，并且為了一種新的攻擊去更換整個系統的成本將大大提升。因為應用數據挖掘技術的異常檢測與信號匹配模式是不一樣的，它不是對每一個信號一一檢測，所以新的攻擊可以得到有效的檢測，表現出較強實時性。（2）誤警率低。因為現有系統的檢測原理主要是依靠單純的信號匹配，這種生硬的方式，使得它的報警率與實際情況不一致。數據挖掘技術與入侵檢測技術相結合的系統是從等報發生的序列中發現隱含在其中的規律，可以過濾出正常行為的信號，從而降低了系統的誤警率。（3）智能性強。應用了數據挖掘的入侵檢測系統可以在人很少參與的情況下自動地從大量的網絡數據中提取人們不易發現的行為模式，也提高了系統檢測的準確性。

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Maplesim是一個多領域物理建模和仿真工具，它提供了一個三維可視化的環境建模以及動畫顯示仿真結果，在這種環境下，可以通過簡單且直觀的方式搭建各種復雜系統的模型，還可以可視化分析仿真結果。在Maplesim中能將建立好的模型轉換到C代碼中，可以在其他應用程序和工具中使用此C代碼。在3D可視化建模環境下可以快捷、方便且直觀地創建所需要的動力學仿真模型，之后將模型轉生成C代碼，在VC++環境下編譯C代碼生成動力學模型的DLL文件，這樣可以方便其他應用程序的調用仿真。本研究基于.NET開發平臺采用C#語言編寫上位機仿真用戶界面，進而對生成的DLL文件進行調用。半物理仿真系統開始執行，給定一個初始時間t0（初始值），每次經過t時間后，對動力學模型DLL文件進行調用，從衛星通信機動站的動力學模型DLL中輸出第一個狀態信號，將這個狀態參數傳遞給衛星通信機動站控制器實物，控制器中對輸入的狀態參數完成控制算法后將再次發出控制信號并傳遞給C#軟件環境，再經過t時間，再次調用DLL中的動力學模型。此時衛星通信機動站動力學模型的DLL輸出第二個狀態信號。如此循環反復執行此過程，如圖3所示，形成了一個閉環的半物理仿真系統。

3半物理仿真系統設計

衛星通信機動站半物理仿真系統主要由人機交互操作界面、STM32控制器、信號轉換器、數據采集系統以及PC機中的衛星通信機動站動力學模型5部分組成。以STM32控制器為核心的衛星通信機動站半物理仿真系統本身是一個閉環系統，在仿真通訊過程中，由衛星通信機動站控制器實物發出控制信號，控制信號模擬量經過信號轉換器轉換成數字信號，再通過USB虛擬串口通訊傳遞給PC機，PC機則調用WindowsAPI（Windows系統中可用的核心應用程序編程接口）對數字信號進行接收。PC機將接收到的信號再調用C#軟件環境的動力學仿真模型，最后輸出一個狀態信號。PC機再將輸出的狀態信號通過WindowsAPI接口發送出去，狀態信號經過USB虛擬串口傳遞給信號轉換器。信號轉換器將狀態信號數字量轉換成模擬量后傳給衛星通信機動站控制器，在控制器中完成控制算法后，重新輸出新的控制信號。此控制信號再經信號轉換器PC機動力學模型的DLL，最終返回狀態信號，如此循環地執行就形成了一個閉環的半物理仿真系統［4-5］，如圖4所示為半物理仿真系統框圖。

4硬件系統的構建

衛星通信機動站的智能化控制是一個復雜的運動控制系統，其具有多自由度、多傳感器、多驅動器、多運動形態的特點，對衛星通信機動站在現實運動過程中的多個傳感器的輸出模擬量數據進行采集，同時采用SPI串口通訊、藍牙無線通訊的方式將數據傳遞給PC機上位機軟件用戶界面，以數據和虛擬動畫相結合的方式直觀地顯示衛星通信機動站的實時運行狀態。采用ADAS3022數據采集系統采集傳感器數據，經ADAS3022的數字接口SPI與MCU選用的STM32芯片內部自帶的SPI通訊，并且可實現內部自帶的ADC（模/數轉換器）進行信號轉換，再通過HC-05嵌入式藍牙模塊與PC機進行通訊，如圖5所示為系統總體設計方案。硬件系統設計了一個完整的5V單電源、8通道、多路復用的數據采集系統，可以集成用于工業級信號的可編程增益儀表放大器（PGIA）［6］。如圖6所示為數據采集系統電路原理圖。數據采集系統主要是以ADAS3022芯片為核心設計的，ADAS3022芯片上具有完整的DAS，它可以以最高1MSPS轉換速率進行轉換，能夠接受的最大輸入信號范圍最高可達±24.576V的差分模擬輸入信號。與傳統的數據采集相比，在標準的數據采集方案中都會涉及到信號緩沖、電平轉換、放大、噪聲抑制以及其它模擬信號調理等，但是在ADAS3022中則無需這些輔助調理電路。這樣一種高性能的核心芯片的應用，簡化了具有高精密16位數據采集系統的設計難點，降低了成本。此外，在外觀上，它具有更小的外形尺寸（6mm×6mm），40引腳的LFCSP封裝；在性能方面，它可以提供最佳的時序和噪聲性能，工作溫度跨度-40℃到+85℃的工業溫度范圍［7-8］。此電路系統采用ADAS3022、ADP1613、ADR434和AD8031精密器件的組合，可同時提供高精度和低噪聲性能。

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由于忽略了各模塊內部的處理時延，上節描述的傳統方法的時延，在一次變速的限制下已減至最小。觀察圖2發現，Dt的長度正好是分組編碼附加的全部監督碼元的長度。也就是說，除了首個碼組的信息碼元是無延時地輸出外，其它碼組的信息碼元都是被延時后再輸出的。隨著分組編碼不斷在碼組后插入監督碼元，越靠后的碼組的延時就越大。要想減少該延時，就必須把首個碼組進入編碼模塊的時刻盡量提前。觀察圖3同樣發現，雖然最后1個碼組的解碼結果的最早輸出時刻是固定的，但其它碼組的結果若能盡早輸出，就可以減小時間差Dr的長度。當然全部碼組的輸出仍然要互相連接不能分離，供信息解幀模塊使用。為此本文提出一種二次變速的方法，在信息速率和信道速率之間增加中間速率，用于成解幀和編解碼的部分處理。通過將碼組盡早輸入或輸出分組編解碼模塊，進一步減小調制解調時延，新方法的成解幀時序分別如圖4和圖5所示。圖4中，信息速率為3kbps的連續數據流經緩存后，被提速至中間速率3.625kbps進行信息成幀，并送入分組編碼模塊。同樣不考慮編碼延遲，即監督碼元可在高速時鐘下得到。當分組編碼模塊使用信道速率輸出時，Dt的長度正好是最后1個碼組的監督碼元的長度。其它碼組在中間速率的作用下，與傳統方法相比，因為提前進入了編碼模塊，已經被提前輸出了。在每幀包含多個碼組的情況下，新方法在發端減少時延的效果將更加明顯。圖5中，通過在分組解碼模塊的輸出端使用中間速率，與傳統方法比較，雖然最后1個碼組的開始輸出時刻不變，但其它碼組的開始輸出時刻被提前。繼續使用該中間速率進行信息解幀后，緩存降速至信息速率的開始輸出時刻也就被提前了。簡單計算可知，此時的Dr約為104.8比特(信道速率)。顯然，中間速率越小，Dr的值將越小。若碼組的信息碼元數不變，每幀包含的碼組越多，Dr的值也將越小。

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2軟件設計

2．1軟件結構設計智能切換單元的軟件部分［10］通過對中/射頻切換單元和射頻設備定期輪詢［11］，經串口或網口從硬件獲取數據信息，將提取到的狀態信息進行分析、統計綜合、決策，根據優先級策略控制切換單元和射頻設備的參數，完成監控和切換。單片機作為控制核心，通過中斷完成相關功能。不斷查詢中斷口是否有信號輸入，從而觸發不同動作。單片機控制的主流程及中斷子程序流程如圖3所示。監控機通過不斷輪詢射頻設備的工作狀態，驗證在線設備是否故障。在線設備故障時，監控機根據備用設備的優先級選擇設備，同時向單片機發出狀態調整信號，完成設備倒換后，監控機會對故障進行記錄和壓縮，以備用戶查詢。在線設備正常工作時，監控機繼續輪詢設備工作狀態。

2．2各功能模塊設計軟件模塊主要分為串口數據通信、數據傳輸與存儲、綜合處理和設備狀態顯示4個模塊。①串口數據通信模塊通過串口服務器與被控設備通信，以輪詢的方式采集各設備的上報數據，并發送控制命令。②數據傳輸與存儲模塊該模塊將接收到的設備上報數據進行解封裝，提取出設備狀態參數，將其保存并傳遞給綜合處理模塊進一步處理;將綜合處理模塊發出的設備控制命令封裝后送至串口數據通信模塊。③綜合處理模塊綜合被控設備的狀態參數，分析得出系統配置狀態，將所有狀態信息傳送至設備狀態顯示模塊。手動模式下，處理用戶的各種操作，完成用戶管理、設備控制命令發送和日志記錄查詢等功能;自動模式下，當檢測到在線射頻設備故障時，按優先級策略控制切換單元實現切換，并設置備份射頻設備頻率和衰減等參數，完成自動切換功能。射頻設備切換優先級策略如表1所示。④設備狀態顯示模塊將各種信息(系統配置狀態和設備狀態參數等)以圖形化的方式顯示在軟件的各功能界面上。

3切換策略和邏輯關系

3．1切換策略①射頻設備切換策略3站射頻設備之間切換需建立正確的切換機制［12］，避免“競爭－冒險”而導致系統崩潰。默認情況下，各地球站射頻設備都將一臺設為備用，此設備的優先級最高。平時管理中，A站對應射頻設備1和射頻設備2，B站對應射頻設備3和射頻設備4，C站對應射頻設備5和射頻設備6。當A站主用1出現故障時，倒換優先級2為最高，另外2站的備用設備也設置響應的優先級。每一臺設備對于3個站都具有不同的優先級，如表2所示。②本控/遠控切換策略從本控狀態切換至遠控狀態后，鍵盤按鍵(除設置鍵)不起作用;從遠控狀態切換至本控狀態后，串口進行有選擇性地執行指令，僅對查詢命令回應當前狀態。

3．2切換的邏輯關系①聯動切換邏輯關系切換矩陣是實現射頻設備倒換的關鍵部分，矩陣中3個單刀6擲中頻PIN開關和3個單刀6擲射頻PIN開關依據邏輯關系進行動作，實現射頻設備的主備切換，如表3所示。M1、M2和M3分別表示3個站中頻單刀6擲PIN開關6個管腳的某一個，N1、N2和N3分別表示3個站射頻單刀6擲PIN開關6個管腳的某一個，要保證射頻設備正常倒換，中頻和射頻PIN開關要實現聯動。②交叉切換邏輯關系在一般情況下，智能切換單元進行聯動切換，各站終端設備始終和各站射頻設備配合使用。但在特殊情況下，需要各站終端設備與射頻設備交叉使用，交叉使用的切換邏輯如表4所示。

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1.2SDH微波通信概述

SDH微波通信傳輸線路是由一條主干線與若干分支組成[4]。為了更好地和現有光纖傳輸網絡予以融合，還需要對新型微波設備予以改進。不管是設備功能、體積，還是組網方式、技術性能，均要跟隨通信技術的發展趨勢，進行多層面的融合。其融合主要包括以下內容：一是技術融合：利用一個硬件平臺融合PDH微波通信與SDH微波通信，在軟件控制下實現空中接口，保證在硬件設備沒有更新的情況下，實現空中接口容量的更改，只要通過軟件操作就可以設置成功，極大地節約了硬件設備升級成本[5]。二是設備融合：將原有的室內單元（IDU）、數字配線架（DDF）、分插復用器（ADM）等功能予以融合，全部融入到IDU中。如圖2所示，在此IDU中，不僅具有連接天饋線的中頻接口，還有連接光纖傳輸設備的STM-N光纖接口，同時還可以直接開展FE、E1等業務，各個接口之間可以通過IDU的統一集成進行業務調度。如果重新組合IDU業務板件，還可以形成樹型、星型、鏈型、環型等復雜網絡結構。在微波系統退出網絡之后，IDU依然能夠繼續充當光纖傳輸的MADM設備，展開相應的通信。在某種程度上而言，高度集成的IDU可以用新型交叉連接代替原來的轉接電纜，為系統的調試與維護提供了很大的便利條件。

2新型微波通信的關鍵技術

2.1編碼

自適應調制編碼（AMC）在移動通信中得到了廣泛應用，根據信道質量對編碼速率予以調整，以此來獲取較高的吞吐量。當無線通信速率比較低的時候，信道估計相對準確，AMC的應用效果較好。隨著終端移動速度的不斷加快，信道質量已經無法滿足信道的變化，在信道測量錯誤的情況下，導致AMC調制編碼方式和實際情況不相同，影響了系統容量、吞吐量等性能指標，值得相關人員進行深入研究。

2.2多天線技術

在微波中繼通信系統中，分集接收得到了廣泛應用，是對抗多徑衰落以及增強數字微波傳輸質量的主要途徑。在SDH微波通信系統中，因為多狀態調制方式的運用，使得其對頻率選擇性衰落更加敏感，所以，為分集接收的普遍應用創造了有利條件。分集技術就是為了削弱多徑衰落與降雨衰落的干擾，對不同的特性收信信號予以合成或者切換，從而得到良好信號的技術。在微波中繼通信系統中，分集技術主要包括四種：路由分集、角度分集、空間分集、頻率分集[7]。在移動通信中，MIMO技術得到了普遍應用，其是在發送端與接收端借助天線傳輸無線信號的一種技術，屬于一種智能天線。MIMO技術主要就是將用戶數據分解成若干并行數據流，在指定的寬帶內由多個發射天線同時發射，經過無線信道之后，由多個接收天線予以接收，結合各并行數據流的空間特征，對原有數據流予以解調。MIMO技術的核心內容就是空時信號的處理，也就是借助空間天線對時間域、空間域信號進行處理。MIMO技術可以有效提高頻譜利用率，在無線頻帶有限的條件下，獲取更高的傳輸速率，達到預期的業務效果。

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手動跟蹤是指根據經驗或預知的目標位置數據（如衛星軌道位置）隨時間變化的規律，用人工按時調整天線的指向，或者是根據收到信號的大小用人工方式操縱跟蹤系統，使其接收最強的信號(用頻譜儀或接收機監視)。手動跟蹤可以每隔一段時間進行一次。手動跟蹤系統由天線、頻譜儀（或接收機）、伺服控制器等組成。手動跟蹤設備最為簡單，可應用于地面站小口徑天線對同步衛星的跟蹤等指向精度和實時性要求較低的場合。

2、程序跟蹤

將衛星的星歷數據和天線平臺地理坐標和姿態數據一并輸入計算機，計算機對這些數據進行處理、運算、比較，得出衛星軌道和天線實際角度在標準時間內的角度差值，然后將此值送入伺服控制器，驅動天線，消除誤差角。不斷地比較、驅動，使天線一直指向衛星。程序跟蹤可以應用在地面或車載小口徑天線對衛星的跟蹤。由于地球的密度不均勻和其他干擾的影響，星歷數據會隨著時間有小的變化，一般很難計算出長時間的精確軌道數據。從而進行長時間的跟蹤會有積累的誤差。

3、自動跟蹤

自動跟蹤是指根據地球站天線接收到衛星所發的信標信號，通過變頻、放大輸入跟蹤接收機，檢測出俯仰和方位誤差信號，根據誤差信號大小和方向由伺服控制器驅動天線轉臺系統，使天線自動地對準衛星。這種跟蹤方式沒有誤差積累，可以長時間連續跟蹤。由于衛星位置受影響的因素太多，無法長期預測衛星軌道，故目前大、中型地球站主要采用自動跟蹤為主，手動跟蹤和程序跟蹤為輔的方式。按照自動跟蹤原理和設備組成，自動跟蹤可以具體分為三種體制：步進跟蹤、圓錐掃描跟蹤和單脈沖跟蹤。

3、1步進跟蹤

步進跟蹤是指天線指向以一定的步進向接收電平增大的方向進行不斷調整。步進跟蹤是開環方式，跟蹤精度較低，跟蹤速度較慢。步進跟蹤適用于要求跟蹤速度較低的系統中，如漂移速度較慢的同步衛星的跟蹤。其優點在于實現較為簡單。

3、2圓錐掃描跟蹤

圓錐掃描跟蹤是把饋源繞天線對稱軸作圓周運動，或把副面傾斜旋轉。這樣天線波束呈圓錐狀旋轉，當天線軸對準衛星時，地球站接收到的信標電平是一恒定值；當天線軸偏離衛星時，接收電平將有一個低頻幅度調制。根據調制信號的幅度和相位檢測出天線波束的指向誤差。這種工作方式的優點也是設備較簡單，缺點是饋源永遠偏離拋物面的焦點，使天線增益下降。同時需要饋源持續的圓周機械運動，可靠性較差。跟蹤時要得到一系列回波脈沖后，才能得到角誤差信號，實時性稍差。

3、3單脈沖跟蹤

單脈沖跟蹤方式由天線饋源輸出和信號與差信號，和、差射頻信號經射頻前端變換處理后送至跟蹤接收機，并由跟蹤接收機輸出兩路與天線電軸偏離衛星角度成正比的方位誤差信號與俯仰誤差信號到伺服控制單元，控制天線運動，完成對衛星的實時跟蹤。單脈沖跟蹤能從每個接收脈沖中得到完整的角誤差信息，這種跟蹤方式是一個閉環系統，具有實時性好，跟蹤精度高的優點。根據通道數量的不同有單通道、雙通道、三通道等三種不同的實現方式。三通道方式中天線接收到的信號，經過和、差網絡處理后，產生和信號、方位差信號與俯仰差信號。通過三個通道傳送到跟蹤接收機進行跟蹤處理。雙通道方式是方位差信號與俯仰差信號正交相加后合成一個差信道，或者是采用高次模方式產生差信號，與和信道一起構成雙信道。單通道方式是在雙通道的基礎上對差信號進行調制，調制后的差信號與和信號合路形成一個通道。

二、各種方式的比較與應用

在實際應用中，它構成由航天控制中心、測控站和專用通信網為主要內容的．對在軌航天器進行跟蹤、測量、控制的綜合專用技術網絡，包括跟蹤、遙測、遙控、實時計算、數據處理、監控顯示和通信系統等。其功能是：對航天器進行跟蹤測量，獲取其運動參數和內部的各種物理、工程、宇航員生理以及偵察參數，監視其飛行和內部工作狀態，為指揮、控制提供信息；對導彈和運載火箭實施控制，確保試驗安全：對衛星實施控制，支持其正常運行；通過對實測數據的處理、分析，為評價航天器的技術性能和改進設計提供依據。

1、衛星地球站同步衛星的跟蹤

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（3）現代通信網絡的技術人員素質有待提高。現代網絡通信的工作人員大多為技術人員，因此技術掌握的不到位會影響整個系統的運作。而且，部分操作人員不遵守道德規范，運用自身掌握的權利來獲取非法經濟利益，隨著客戶信息不斷增多，客戶信息流轉工作也在增加，這就為個別的SP偽造客戶信息、篡改、非法獲取客戶信息提供了便利。

二、通信網絡的運行管理與維護策略

（1）研發防御保護技術。在通信網絡高度開放的情況下，由于人為的、自然的原因很容易出現故障，提高通信網絡的生存性能，可以在通信網絡有失效的問題后，動態挖掘可用資源，恢復失效部分。還可以通過建立防火墻來維護整個系統的安全，防止通信信息的泄露，通過標準的網絡維護策略，對通信實施強制性訪問控制，借此保護通信信息安全。手機等智能機用戶需要將賬戶密碼設置的更加高級，全天開啟防火墻，禁用或者刪掉無用的賬號，及時的對可疑的程序進行查殺，攔截外來威脅。

（2）員工正式上崗要進行嚴格的培訓。對于現代通信網絡領域工作的員工要進行嚴格的準入制度，特別是技術性的操作員。首先要考驗其道德水準，看其是否會為個人利益而出賣他人或集體的利益，對于道德程度不高的人，一律不予錄用。其次，要檢驗其技術水平，盡可能的引進創新型的人才。

（3）發揮政府的管理作用。對于各行各業的發展，政府有著監督管理職能，政府相關的監管部門需要根據通信網絡的最新發展情況，建立國內通信網絡運行管理與維護的目標，探討制定出通信網絡運行管理與維護方面的相關政策，并制定出一定的規則標準，監督企業嚴格施行。