發(fā)布時間：2023-02-27 11:13:28
序言：寫作是分享個人見解和探索未知領域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的衛(wèi)星通信論文樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發(fā)，請盡情閱讀。
衛(wèi)星信號復用模塊的功能是：將船載北斗收發(fā)設備與其原配的控制終端設備進行分離；將信號根據(jù)不同策略復用為兩路數(shù)據(jù)信號；提供與數(shù)據(jù)采集終端的接口。圖1給出了衛(wèi)星信號復用模塊與系統(tǒng)的其他部分的連接的方式。其中的北斗衛(wèi)星通信天線完成北斗信號的收發(fā)、導航信號的接收以及雙向數(shù)字接口的信號交互；北斗控制終端是國內(nèi)北斗星通公司開發(fā)的多用途控制設備，其功能涵蓋了導航、軌跡錄、報文收發(fā)和緊急情況下的報警呼救等；數(shù)據(jù)采集終端是本系統(tǒng)中的采集數(shù)據(jù)的收發(fā)系統(tǒng)，利用人工輸入海洋資源數(shù)據(jù)，并通過衛(wèi)星信道將數(shù)據(jù)發(fā)回北斗整列控制中心。衛(wèi)星信號復用模塊是各個模塊的通信中樞，完成設備對信道的申請和釋放，并且為各個工作子系統(tǒng)供電，系統(tǒng)對其工作穩(wěn)定性和可靠性提出了較高的要求。圖2給出了衛(wèi)星信號復用模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。其中RXD_T和TXD_T分別表示RS232電平的北斗衛(wèi)星天線的數(shù)據(jù)收發(fā)信號；RXD_K和TXD_K表示北斗控制終端的RS232數(shù)據(jù)收發(fā)信號；RXD_C和TXD_C表示數(shù)據(jù)采集終端的數(shù)據(jù)收發(fā)信號。其結(jié)構(gòu)比較簡單，但是在前期的設計和測試中發(fā)現(xiàn)了一系列可靠性問題。長時間地將數(shù)據(jù)采集終端以在線方式工作會造成衛(wèi)星天線或者控制終端無法收發(fā)數(shù)據(jù)，因此在設計上采用了回饋電源模式，即當采集器不工作時，切換電路工作于信號直接切換模式，信道不受數(shù)據(jù)采集器控制。同時還發(fā)現(xiàn)當數(shù)據(jù)采集器不工作時，地線連接會造成數(shù)據(jù)串擾，所以在設計中采用了地線切換模式，當采集器不工作時將地線斷開。為了進一步提高可靠性，降低干擾，信號切換沒有采用有源的電子器件，而采用了電磁式繼電器，當采集器不工作時系統(tǒng)的信號處于機械切換模式。采取上述措施后，系統(tǒng)無響應和數(shù)據(jù)通信失敗的現(xiàn)象基本沒有出現(xiàn)。
2控制終端設計
控制終端是數(shù)據(jù)采集人員的操作設備，其功能是輸入采集的數(shù)據(jù)并且將數(shù)據(jù)發(fā)送?？刂平K端采用了ARM9架構(gòu)的S3C2440作為核心處理器，利用自主開發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)進行開發(fā)。其設計的模塊結(jié)構(gòu)圖見圖3。S3C2440核心板上有SDRAM與NANFLASH，分別用于應用程序的執(zhí)行和程序的存儲；北斗控制終端接口包含了北斗天線的串行控制口和電源；智能液晶顯示接口通過串口2將核心板的顯示控制數(shù)據(jù)傳遞給智能液晶模塊；陣列式掃描接口讀取操作人員的輸入鍵值用于數(shù)據(jù)控制?？刂平K端的軟件結(jié)構(gòu)圖見圖4。掃描鍵盤處理模塊驅(qū)動陣列式鍵盤，讀取用戶的輸入鍵值，并提交系統(tǒng)處理；智能終端GUI模塊負責用戶的圖形界面處理，主要功能包括控件界面繪制，事件響應以及消息傳遞；GPIO電路驅(qū)動模塊用于控制衛(wèi)星信號復用模塊的北斗信號切換，以及北斗系統(tǒng)電源的管理；偽漢字空間的轉(zhuǎn)換模塊負責將采集到的數(shù)字信號映射到GB2312的漢字空間，以適應北斗衛(wèi)星通道的數(shù)據(jù)傳輸；稀疏數(shù)組壓縮模塊解決了北斗數(shù)據(jù)包短，而采集數(shù)據(jù)量較大的問題，通過自定義的無損壓縮算法，將采集的數(shù)據(jù)高效率壓縮以適應北斗數(shù)據(jù)通道的特點；北斗數(shù)據(jù)編碼解碼模塊負責將處理好的數(shù)據(jù)以北斗規(guī)定的格式編碼和解碼；系統(tǒng)參數(shù)管理模塊負責管理存儲在智能終端中的系統(tǒng)參數(shù)，以配置不同的應用方案。
3偽漢字編碼方案
北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)對用戶的級別做了嚴格限制，民用的北斗運營商普遍采用了內(nèi)容過濾程序，即當發(fā)現(xiàn)傳輸內(nèi)容為GB2312國標碼時，允許數(shù)據(jù)通過，當發(fā)現(xiàn)傳輸內(nèi)容為非GB2312國際碼時不允許數(shù)據(jù)通過。數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)格式不符合GB2312編碼標準，因此在系統(tǒng)設計上遇到了數(shù)據(jù)無法傳遞的困難。為了解決上述問題，設計了偽漢字編解碼方案。其基本思路是：編碼時將原始的數(shù)據(jù)流進行分解，分配到多個漢字空間，解碼時從漢字空間提取出數(shù)據(jù)流，并且將拆分的數(shù)據(jù)進行合并。GB2312是北斗采用的漢字通信系統(tǒng)，用于民用終端的數(shù)據(jù)發(fā)送。GB2312中每個漢字由2個字節(jié)組成，第一個字節(jié)的范圍為176~247，而第二個字節(jié)的范圍為160~254。因此第一個字節(jié)的有效編碼空間為0~71，而第二個字節(jié)的編碼空間為0~94。為了簡化算法，將兩個字節(jié)的編碼空間都設置在0~63即2的6次方范圍內(nèi)。實際上將數(shù)據(jù)看成一個Bit流，將8Bit為單位分解為6Bit為單位，其示例圖見圖5。圖中上方的8Bit的3個字節(jié)被看成24Bit的數(shù)據(jù)，在圖中部分解到4個字節(jié)，每個字節(jié)為6位，高2位補零。實際上上方的數(shù)據(jù)與中部的數(shù)據(jù)從Bit流看來都是24Bit。得到4個字節(jié)的6Bit數(shù)據(jù)后，在每個字節(jié)上加上176得到圖5中下部的數(shù)據(jù)，即偽漢字編碼。該編碼的范圍位于GB2312的范圍內(nèi)，可用于北斗信號的數(shù)據(jù)傳送。解碼的過程與編碼的過程相反，不再敘述。在編碼的過程中還會遇到實際問題：圖5中演示的情況屬于比較特殊的情況，輸入的數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)量是3的倍數(shù)，輸出的字節(jié)數(shù)量為4的倍數(shù)?，F(xiàn)實的數(shù)據(jù)流不一定滿足上述要求，例如如果輸入的數(shù)據(jù)是4個字節(jié)，輸出需要的字節(jié)數(shù)是6個字節(jié)；如果輸入的是5個字節(jié)輸出的需要6個字節(jié)。這樣會給編解碼帶來巨大的困難。為了簡化編解碼，可以將數(shù)據(jù)進行特殊的處理，辦法是在傳遞的數(shù)據(jù)中增加一個數(shù)據(jù)的長度指示，并且將數(shù)據(jù)進行整數(shù)倍拼湊。其過程見圖6。在數(shù)據(jù)的頭部附加了一個長度指示器，其作用是當收到的數(shù)據(jù)后部附加的有PAD時可以將原始的數(shù)據(jù)提取出。PAD是附加在有效數(shù)據(jù)后面的無效數(shù)據(jù)，PAD的數(shù)量根據(jù)原始數(shù)據(jù)長度變化，其數(shù)量為0~2個。數(shù)據(jù)擴展的原則是將數(shù)據(jù)的整體長度擴展為3的倍數(shù)。這樣得到的偽漢字編碼的數(shù)據(jù)長度就是4的倍數(shù)，如此擴展的目的是有利于編碼和解碼。
4北斗數(shù)據(jù)通訊陣列與系統(tǒng)整體架構(gòu)
由于北斗系統(tǒng)是軍民兩用系統(tǒng)，并且隨著用戶數(shù)量的增加，通信帶寬日益緊張，為了保障系統(tǒng)中的高級用戶權(quán)限，對用戶的收發(fā)信息的頻度做了限制，平均一分鐘才能發(fā)送一條信息。而對于接收信息的頻度卻沒有限制，所以信息的接收相對較快。由于北斗的信息通道采用了無驗證的協(xié)議，發(fā)送方無法得知接收方是否成功接收數(shù)據(jù)。為了保證通信的可靠性，本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對北斗通信協(xié)議進行了改進。具體方法為：發(fā)送方發(fā)送消息后，從系統(tǒng)中獲取一個隨機變量用于產(chǎn)生延時，如果在規(guī)定的時間長度內(nèi)沒有收到對方發(fā)來的驗證數(shù)據(jù)就繼續(xù)發(fā)送，直到成功收到接收方的驗證數(shù)據(jù)報。采用上述協(xié)議后，系統(tǒng)通信的可靠性得到了提高，但卻給北斗的通信系統(tǒng)帶來的嚴重負擔。特別是隨著采集系統(tǒng)數(shù)量的增加，控制中心的通信負擔日益加大，采集終端數(shù)據(jù)發(fā)送的成功率也大幅下降，嚴重影響了系統(tǒng)的正常工作。為了提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐率，利用北斗系統(tǒng)收發(fā)速率不平衡的特點設計了北斗衛(wèi)星陣列，采用了單點接收設備以及多點發(fā)送的通信模式。當接受北斗設備收到采集系統(tǒng)來自海上的信息后，根據(jù)負載平衡的算法，從發(fā)送陣列中選擇一個空閑設備完成數(shù)據(jù)發(fā)送。如果沒有空閑設備就根據(jù)負載最少原則獲取北斗發(fā)送設備并將數(shù)據(jù)壓入發(fā)送消息隊列。采用北斗陣列和負載平衡算法后，數(shù)據(jù)的吞吐率提高，系統(tǒng)的反應速度加快，也提高了采集設備的用戶體驗。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)見圖7。多個北斗設備通過統(tǒng)一的網(wǎng)關接入北斗應用服務器，相關的控制軟件運行在其上，負載解析和實現(xiàn)北斗設備的控制協(xié)議，系統(tǒng)的負載平衡以及將采集的數(shù)據(jù)回寫到數(shù)據(jù)庫服務器。系統(tǒng)決策服務器上運行的軟件負責解析數(shù)據(jù)，分析相關的資源信息，以及GIS的控制信息。Web服務器對通過VPN網(wǎng)關的遠程用戶提供了數(shù)據(jù)訪問服務，由于數(shù)據(jù)，對不同的用戶采用了硬件加密的認證模式，數(shù)據(jù)的傳輸也經(jīng)過了加密通道的處理。
5實際應用
該研究項目經(jīng)過多年的研發(fā)已經(jīng)在海洋漁業(yè)資源、海洋生態(tài)和海洋安全方面得到廣泛應用。為了分析海洋漁業(yè)資源，在本終端上設計了漁業(yè)捕獲實時報告系統(tǒng)。具體方法是針對漁業(yè)捕撈的的各種船型，每種船型選擇常見的50種魚類，將魚類的名稱和圖片寫入終端。船員在捕撈結(jié)束后利用本終端將各種魚類的產(chǎn)量通過北斗發(fā)送給控制中心。其中的數(shù)據(jù)不僅有漁獲產(chǎn)量，而且還有捕撈的時間和地點，控制中心將數(shù)據(jù)記錄入數(shù)據(jù)庫后，結(jié)合相關的港口漁獲數(shù)據(jù)，以及海洋衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，可以分析海洋魚類的巡游規(guī)律，并且指導漁業(yè)生產(chǎn)。漁業(yè)管理部門也可以了解海洋整體上的生產(chǎn)情況，以便合理地進行生產(chǎn)管理。目前已經(jīng)在南海生產(chǎn)漁船上安裝了近300套設備，大部分設備工作正常。圖8給出了第二代漁獲采集終端實物，圖9給出了GIS軟件上的安裝了設備的漁船的作業(yè)分布圖。該系統(tǒng)還用于漁場預測，結(jié)合衛(wèi)星遙感信號得到的溫度、洋流和葉綠素等相關因素，根據(jù)終端傳回的數(shù)據(jù)，分析漁場并將得到的預報信息通過控制中心發(fā)送到終端上，從而指導漁業(yè)生產(chǎn)，減少資源消耗，提高經(jīng)濟效益。圖10給出了漁場預報的樣圖。該設備還用于增值放流工作的檢測：為了保證漁業(yè)資源的穩(wěn)定，需要人工放流魚種。為了跟蹤放流魚種的生長和巡游情況，放流前在部分魚種上留有標志，并且在放流前將標志與魚種信息記錄在數(shù)據(jù)庫中，當魚被裝有終端的漁船捕獲后，船員將魚的參數(shù)和標志編號輸入終端，通過北斗發(fā)回控制中心，相關的放流數(shù)據(jù)就可以進入軟件分析，從而得到放流的效果評估。目前本終端還具有了天氣預報信息的發(fā)送以及他國漁船越界捕魚事件報告的功能，可以在漁業(yè)安全和保護國家漁業(yè)資源等方面發(fā)揮作用。
6結(jié)束語
1.性能分析
CFDAMA基本接入方式能夠?qū)崿F(xiàn)較好的時延/吞吐量性能。CFDAMA－PA成功的將按需分配和自由分配結(jié)合在一起，采用固定預約時隙分配的形式來保證用戶接入的公平性和實際業(yè)務需求量，在信道負荷較低的時候，其平均時延和固定分配方式保持一致，在信道負荷逐漸增大和接入用戶數(shù)變化較大時，存在資源利用率下降的問題。CFDAMA－RA在低信道負荷時由于采用的競爭方式進行接入，對信道利用率更高，但對于用戶接入的公平性卻不能保證，并且存在接入過程中的碰撞，在高信道負荷時碰撞概率逐漸增大，平均時延性能也急劇下降。CFDAMA－PB通過對上行數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的改進，減小了用戶發(fā)送預約時隙請求的間隔時間，但隨著信道負荷的增大，某些用戶會因為其他用戶預約請求的資源占用導致無法發(fā)出預約時隙請求，同樣不能保證接入的公平性。因此，如何保證用戶的接入時延和接入過程中的公平性，成為本文的一個研究重點。
2.CFDAMA－PRI
由于當前數(shù)據(jù)業(yè)務大多突發(fā)性較強并且業(yè)務類型呈現(xiàn)多樣性，抽象出來這類數(shù)據(jù)業(yè)務流通常用ON－OFF信源模型來表示［5］。而在此信源模型的情況下，數(shù)據(jù)業(yè)務具有很強的突發(fā)特性，用戶的預約時隙請求也帶有很強的隨機性和不確定性?；镜腃FDAMA接入方式此時由于多次請求造成的再分配策略和預約請求的沖突概率增大，在信道負荷較高和接入用戶數(shù)逐漸增大時，其性能受到明顯的影響。CFDAMA－PR協(xié)議在用戶時隙申請階段對發(fā)送隊列的堆積狀況進行判斷，比較當前時刻和上一時刻發(fā)送隊列中數(shù)據(jù)分組的差值Δ，如果Δ＞0表示當前發(fā)送隊列有數(shù)據(jù)包的堆積，則通過加權(quán)的方式向星上調(diào)度器發(fā)送更多的預約時隙請求［6］。該協(xié)議的好處在于實際應用中可以根據(jù)用戶發(fā)送隊列的堆積情況獲得更多的分配時隙，能在突發(fā)數(shù)據(jù)分組到來情況下實時的將新的數(shù)據(jù)分組發(fā)送出去。因此，本文在CFDAMA－PR的基礎上提出了基于用戶優(yōu)先級排序的改進協(xié)議CFDAMA－PRI，優(yōu)化星上調(diào)度算法，進一步保證接入的時延性能和接入的公平性。
3.仿真分析
本文采用OPNET仿真平臺［7］，將基本的CF-DAMA－PA、CFDAMA－PR和改進的CFDAMA－PRI進行對比仿真。具體的仿真參數(shù)設置如表2所示。對信道負荷固定但用戶數(shù)目變化條件下的仿真結(jié)果進行分析，目的是為了得出CFDAMA－PRI的時延性能和在用戶接入公平性方面的優(yōu)越性。選取信道負荷為0．8，用戶數(shù)目依次為5、10、20、40、80，CFDAMA－PA的預約時隙數(shù)為20，得到的仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。由仿真結(jié)果可以看出，當系統(tǒng)中用戶數(shù)不斷增大時，由于CFDAMA－PA在一個鏈路幀中僅使用了一部分時隙用作預約請求時隙點，那么更多有請求的用戶就無法通過預約時隙點接入鏈路幀，加之信道負荷較大，突發(fā)數(shù)據(jù)強，用戶申請時隙的不確定性也大。如果增大預約請求時隙數(shù)的比例也會以犧牲數(shù)據(jù)時隙為代價，平均時延和隊列的分組累積同樣會增加。CFDAMA－PRI則采用CFDAMA－PR對信源突發(fā)數(shù)據(jù)分組的計算方法，并使用優(yōu)先級排序的方法對時隙需求量大的用戶給予更高的時隙分配權(quán)，確保了用戶的可接入次數(shù)，降低了時延，提高了接入公平性。
4.結(jié)語
根據(jù)預失真器所處的位置，可將預失真分為基帶預失真、中頻預失真和射頻預失真。隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展，預失真技術(shù)可在數(shù)字域內(nèi)實現(xiàn)，具有電路靈活、成本低等優(yōu)點；而且可利用自適應算法來跟蹤補償功放因環(huán)境因素改變而產(chǎn)生的特性變化。圖1是數(shù)字基帶預失真技術(shù)結(jié)構(gòu)框圖。數(shù)字預失真分為查找表法和非線性函數(shù)法2大類。其中，非線性函數(shù)法包括Volterra級數(shù)法和神經(jīng)網(wǎng)絡法?？紤]到Volterra級數(shù)的計算復雜度較高，一般采用其簡化形式（如記憶多項式法）來實現(xiàn)預失真。
1．1查找表法
查找表法是通過建立查找表來離散地描述功放的反向特性，傳統(tǒng)的基于查找表法的預失真實現(xiàn)過程如下：1）測試功放的輸入／輸出信號，獲取功放的即時非線性特性；2）找出功放的理想增益，即功放在線性區(qū)工作時的最大增益；3）將功放的輸入特性／輸出特性反轉(zhuǎn)，由此生成查找表，為每一個輸入信號提供一個相應的預失真信號。建立查找表之后，須考慮查找表的量化誤差問題。由于查找表的表項是有限的，查找表輸入端信號量化時，必然會引起誤差，此時，采用不同的索引技術(shù)會對預失真性能產(chǎn)生不同的影響。作為查找表法的核心，查找表地址索引技術(shù)闡釋了如何有效地從查找表中找到有用的補償數(shù)據(jù)。查找表預失真的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，表示輸入信號的幅度，Q模塊為量化器。查找表的地址索引方法包括均勻量化法和非均勻量化法。均勻量化是以輸入信號的幅度為指針，均勻分配其整個變化域以生成查找表。功率法是最常見的均勻量化手段，其把輸入信號功率作為指針，在變化域內(nèi)均勻量化。但對小信號而言，功率法表項分布稀疏，量化間隔較大，引起的誤差和失真也很大，因此，該方法不適用于小信號較多的功放預失真系統(tǒng)。傳統(tǒng)的查找表法僅根據(jù)輸入信號幅度，找出表中最接近該幅度值的一項，該項對應的輸出值即為相應預失真信號的輸出值，不過此方法存在量化誤差。采用插值技術(shù)可在一定程度上改善系統(tǒng)的量化誤差，線性插值法是最簡單常用的插值方法。均勻索引的實現(xiàn)過程比較簡單，但存在2個重要問題：輸入信號的統(tǒng)計特性和各區(qū)間信號的非線性程度。常見的非均勻索引有功率索引、最優(yōu)法索引及μ率法索引等。這些方法雖考慮了信號各區(qū)間非線性程度的不同，但卻忽視了輸入信號的統(tǒng)計特性。由此可知，查找表建立簡單，實現(xiàn)容易，但是也存在缺點：1）存在量化效應；2）精度要求越高，對查找表的尺寸要求越高，即表項越多，意味著速度性能會下降；3）不能補償功放的記憶效應；4）自適應能力較差。為了盡可能減小這些問題對預失真器性能的影響，文獻［2－3］對無記憶預失真器進行了改進，分別構(gòu)造二維查找表和分段預均衡器。但當功放記憶效應較強時，二維查找表的線性化效果不太理想。另外，可根據(jù)信號的特性，制定相應的改進查找表法，文獻［4］提出了一種改進查找表法，該算法根據(jù)OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiple－xing，正交頻分復用）信號的分布特性，對出現(xiàn)概率較小的大幅值信號增加迭代次數(shù)，提高了查找表法的收斂速度。
1．2多項式法
由于查找表法結(jié)構(gòu)簡單、易實現(xiàn)，早期多采用該方法對功放進行預失真處理，但其預失真性能的優(yōu)劣取決于表項的多少，性能改善越好，所需表項越多，相應地，所需的存儲空間也就越大，查找表項的數(shù)據(jù)和更新表項所需時間、計算量也就越大，因此，對情況復雜的系統(tǒng)，該方法不可取。非線性函數(shù)法是常用的預失真方法，其將輸出信號的采樣值與輸入信號一一對應起來，用非線性函數(shù)把輸入和輸出信號進行擬合，得到功放的工作函數(shù)曲線，由于預失真器的特性與功放特性相反，由功放的非線性函數(shù)可得預失真器的非線性工作函數(shù)。非線性函數(shù)預失真方法已成為近年研究的熱點。功放的建模及模型參數(shù)的辨識是功放預失真技術(shù)的2個重要組成部分。對于功放的建模，常用的無記憶模型包括Saleh模型、Rapp模型和冪級數(shù)模型；有記憶模型包括Volterra級數(shù)模型、Winner模型、Hammerstein模型和MP（MemoryPolynomial，記憶多項式）模型。分數(shù)階記憶多項式抑制了高階交調(diào)分量，但對強記憶效應的功放預失真性能沒有改善；廣義記憶多項式明顯提升了對強記憶效應的抑制能力，但計算量大，復雜度高。文獻［8］在廣義記憶多項式的基礎上，去掉其滯后部分，降低模型系數(shù)數(shù)量，去掉偶數(shù)階次，引入分數(shù)階次，提出了一種改進型的廣義分數(shù)階記憶多項式模型。仿真表明這種改進模型在系數(shù)數(shù)量、計算復雜度和線性化能力等方面取得了良好的折中。除上述模型外，增強型Hammerstein模型、EMP（EnvelopeMemoryPolynomial，包絡記憶多項式）模型及DDR（DynamicDeviationReduction，動態(tài)偏差）模型都是Volterra級數(shù)模型的簡化形式，這些簡化模型可在很大程度上降低計算復雜度。模型建立和模型辨識是記憶多項式預失真的2個重要內(nèi)容，模型是否合適直接決定預失真方法性能的優(yōu)劣，如果沒有合適的模型，再好的算法也不會取得精確的預失真結(jié)果。模型確定之后，選擇的模型辨識算法是否得當決定著預失真技術(shù)的計算復雜度、收斂速度和性能。系統(tǒng)學習結(jié)構(gòu)很大程度上決定了預失真系統(tǒng)的復雜度，須根據(jù)具體情況折中選擇學習結(jié)構(gòu)。根據(jù)學習器訓練方式的不同，可將學習結(jié)構(gòu)分為直接學習結(jié)構(gòu)和間接學習結(jié)構(gòu)，如圖3所示。從圖3可以看出：直接學習結(jié)構(gòu)簡單，是一個完整的閉環(huán)，實時性好，且參數(shù)不受系統(tǒng)引入噪聲的影響［7］。自適應算法得到的權(quán)值是否是全局最優(yōu)值會受到初值的影響，可能不唯一［8］。不同于直接學習結(jié)構(gòu)的逆，間接學習結(jié)構(gòu)采用的是后逆，學習器在訓練時，對信號參數(shù)的敏感度降低，對實時閉環(huán)系統(tǒng)和自適應算法要求不再苛刻，較易于工程實現(xiàn)［9］。預失真訓練器的訓練過程即預失真模型參數(shù)的提取過程，核心是自適應算法不斷更新得到的權(quán)值最終達到收斂目標值。自適應算法的復雜度和參數(shù)提取準確度決定了預失真器的性能及系統(tǒng)實現(xiàn)難易程度。目前參數(shù)提取算法大致可分為3類：LS（Least－Squares，最小二乘）算法、LMS（LeastMeanSquare，最小均方）算法和RLS（RecursiveLeastSquares，遞歸最小二乘）算法。在LMS和RLS的基礎上，相繼出現(xiàn)了較多的改進算法，比如變步長LMS算法和QR－RLS算法［10－12］。相比查找表預失真，多項式預失真準確度更高、自適應性能更好，但是其計算復雜度卻比查找表法高得多，線性化性能優(yōu)劣也嚴重受功放模型描述功放特性精確程度的影響。
1．3神經(jīng)網(wǎng)絡法
隨著生物仿真學的發(fā)展，神經(jīng)網(wǎng)絡算法日益得到人們的廣泛關注，引起研究者的探索熱情。由于該方法能對功放的非線性特性函數(shù)進行擬合，可將其引入預失真器的設計中［13］。神經(jīng)網(wǎng)絡是根據(jù)生物學神經(jīng)元網(wǎng)絡的原理建立的，它的自適應系統(tǒng)由許多神經(jīng)元的簡單處理單元組成，所有神經(jīng)元通過回饋或前向方式相互作用、相互關聯(lián)。文獻［14］首先提出了采用神經(jīng)網(wǎng)絡的方法對功放進行預失真處理。目前最為常用的神經(jīng)網(wǎng)絡是Minsky和Papert所提出的前向神經(jīng)元網(wǎng)絡。神經(jīng)網(wǎng)絡法被廣泛應用在函數(shù)逼近和模式分類中，文獻［15］證明了由任意多個隱層神經(jīng)元組成的多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡可逼近任意連續(xù)函數(shù)。因此，可利用神經(jīng)網(wǎng)絡來擬合預失真器的工作曲線，且可用改進的反向算法自適應地更新工作函數(shù)的系數(shù)。文獻［16］提出一種單入／單出的神經(jīng)網(wǎng)絡方法，仿真結(jié)果表明：該方式能較好地改善三階、五階互調(diào)分量，與一般的多項式擬合技術(shù)相比，其收斂性能和硬件實現(xiàn)都有一定優(yōu)勢。文獻［17］提出了一種基于動態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡的幅相分離的方法，核心是對衛(wèi)星信號的幅度和相位進行分離。由于現(xiàn)有的神經(jīng)網(wǎng)絡預失真方法的延時效應較大，文中對網(wǎng)絡的系數(shù)矩陣進行實時調(diào)整，有效減小了計算復雜度，較好地消除了功放非線性和記憶效應，具有較大的實用價值。文獻［18－20］也對神經(jīng)網(wǎng)絡法做了相關研究，結(jié)果表明：與查找表法和記憶多項式法相比，神經(jīng)網(wǎng)絡有效地提升了功放的預失真精度。目前，在幾種參數(shù)辨識方法中，神經(jīng)網(wǎng)絡法預失真性能最好，最具有研究價值。
1．4聯(lián)合查找表和多項式法
在窄帶通信系統(tǒng)中，不須考慮功放的記憶效應，但在進行寬帶通信時，不可忽略功放的記憶效應，但此時基于查找表法的預失真不能補償功放的記憶效應，基于記憶多項式的預失真方法可以補償功放記憶效應。當功放的非線性程度較高時，記憶多項式的預失真性能會有所下降。為解決這個問題，聯(lián)合使用查找表法和記憶多項式法來補償功放的非線性和記憶效應。QualidHammi在文獻［21］中提出TNTB（TwinNonlinearTwo－Box，雙非線性兩箱）模型。這種模型由1個MP單元和1個查找表單元構(gòu)成，按照2個單元位置的不同可分為前向TNTB、后向TNTB和并聯(lián)TNTB模型。這種方法的核心思想是：將有記憶效應功放引起的信號非線性失真分解為無記憶的非線性部分和記憶部分，根據(jù)查找表法和記憶多項式法各自的特點，采用查找表法補償失真的無記憶非線性部分，采用記憶多項式法來解決失真的記憶效應。文獻［22－28］對結(jié)合查找表法和記憶多項式法的應用方法做了實驗驗證，仿真結(jié)果證明該方法的預失真性能優(yōu)于查找表法和多項式法，且并聯(lián)TNTB模型預失真性能最好。文獻［29］在上述聯(lián)合算法的基礎上，推導出最優(yōu)分段方法，并將這種基于最優(yōu)分段數(shù)的聯(lián)合預失真算法同上述聯(lián)合算法進行對比，結(jié)果證明最優(yōu)分段方法能取得更優(yōu)的效果。為降低TNTB模型的復雜度，MayadaYounes提出一種更精確，同時又能降低復雜度的PLUME（Parallel－LUT－MP－EMP）模型［30］，它由LUT（Look－upTable，查找表法）、MP和EMP并聯(lián)組成，實驗證明PLUME模型精度高于TNTB模型，在保證和GMP同樣精度的條件下，能減少45％的系數(shù)數(shù)量。
2信號處理技術(shù)結(jié)合預失真技術(shù)
為了在有限的頻段內(nèi)實現(xiàn)更多的數(shù)據(jù)傳輸，寬帶、高峰值平均功率比信號〔如MCM（MultipleCar－rierModulation，多載波信號）〕得到越來越廣泛的應用，F(xiàn)DMA（FrequencyDivisionMultipleAccess，頻分復用）信號就是多載波傳輸信號的一種。多載波調(diào)制的原理是把高速傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為N路速率較低的子數(shù)據(jù)流進行傳輸，符號周期為原來的N倍，遠大于信道的最大時延擴展。此時，將1個頻率選擇性信道劃分成N個窄帶平坦衰落信道（均衡要求降低），使其具備很強的抗多徑和抗干擾能力，適用于高速無線數(shù)據(jù)傳輸。但FDMA技術(shù)的缺陷在于它的峰均功率比高，因此放大器的非線性特性給通信傳輸帶來的各種問題會更加突出。在數(shù)字預失真效果改善的基礎上，為進一步提高線性化功放的線性度效率，可根據(jù)信號特性采取相應的信號處理技術(shù)與預失真項組合方案。針對高峰均比信號，文獻［30－32］還提出了以下幾種組合方案：DPD與CFR（CrestFactorReduc－tion，削峰技術(shù)）的結(jié)合，DPD、CFR與Doherty技術(shù)的結(jié)合，以及DPD、CFR與ET（EnvelopeTrack－ing，包絡跟蹤）技術(shù)的結(jié)合等。對CFR的研究已有20多年，隨著最近十年現(xiàn)代移動通信的飛速發(fā)展，CFR的研究成為熱點。相關文獻著作中也給出了許多CFR實現(xiàn)方案，可歸結(jié)如下：限幅濾波法、峰值加窗法及部分序列傳輸法等。相關的實驗仿真已證明，對進入預失真器前的高峰均比信號進行削峰處理，可以提高系統(tǒng)的預失真性能。
3結(jié)論
論文摘要：在通信行業(yè)中，人們通常把電源比喻為通信系統(tǒng)的心臟。近年來，電信網(wǎng)全方位快速發(fā)展，同時也給從事電源維護管理工作的人員提出了許多新的問題。由于電源設備正處在新老并存、逐步更新?lián)Q代的時期?；诖?，本文就通信電源的維護和管理方面談幾點想法。
引言
由于歷史發(fā)展的原因，當前通信電源供電體制基本上是以集中放置、集中供電方式為主，有人值守、故障維修為主。而電源的負載，如傳輸、交換、數(shù)據(jù)、移動等專業(yè)的維護方式正朝著集中監(jiān)控、集中維護、少人或無人值守方向發(fā)展。通信基站是通信網(wǎng)絡系統(tǒng)中的重要組成部分，保證任何情況下的正常供電，是保證通信網(wǎng)絡安全運行的重要環(huán)節(jié)。為此各通信基站內(nèi)均配備了較先進的電力電源供電系統(tǒng)，包括開關整流設備、免維護蓄電池、油機等。這些設備是保障供電穩(wěn)定和連續(xù)性的重要設備，對這些設備維護的好壞，不僅影響電源系統(tǒng)設備的壽命和故障率，而且直接涉及通信網(wǎng)絡的平穩(wěn)運行。
一、通信電源概述
從遠古時代以來，陽光、空氣、食物和水一直是人們賴以生存的必需品，而今在科學技術(shù)飛躍發(fā)展的時代，電也已成為人們的必需品。因為有了電，我們的生活才有了歡樂。正是由于通信系統(tǒng)的安全優(yōu)質(zhì)運轉(zhuǎn)，無處不在的通信電源則是堅實的基礎和根本保障。實施集中監(jiān)控管理是網(wǎng)絡技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，是現(xiàn)代通信網(wǎng)的要求，也是企業(yè)減員增效的有效措施。各種電源設備要智能化、標準化，符合開放式通信協(xié)議。若電源系統(tǒng)不能輸出規(guī)定電流，電壓超出允許波動范圍，雜音電壓高于允許值時間并持續(xù)10s以上者均判定為系統(tǒng)故障。原交流系統(tǒng)中的電壓、頻率或波形畸變超出規(guī)定范圍持續(xù)時間大于60s者均判定為故障。為此，要保證通信電源系統(tǒng)的可靠性，有條件的通信部門應盡量從兩個不同的地方引入2路市電輸入，并設置2路市電電能自動倒換裝置；所用設備要選用可靠性高的高頻開關整流設備，采用模塊化、熱插拔式結(jié)構(gòu)以便于更換，并合理配置備份設備。任何新技術(shù)、新設備未經(jīng)充分驗證、試運行前均不得進入供電系統(tǒng)。供電方式要大力推廣分散供電，使用同一種直流電壓的通信設備采用兩個以上的獨立供電系統(tǒng)，這也是今后通信網(wǎng)絡容量和規(guī)模不斷擴大、各種新業(yè)引入的新要求。為了盡量縮短設備的平均故障修復時間，要經(jīng)常分析運行參數(shù)，預測故障發(fā)生的時間并及時排除。還要提高技術(shù)維護水平，采用集中維護、遠程遙信、遙測維護。在實施過程中，三遙點的設置要合理，絕不是越多越好，要以可靠性、實用性為基本原則，宜簡勿繁。
二、電源系統(tǒng)使用中應重視的問題
電源系統(tǒng)目前廣泛使用高頻開關電源系統(tǒng)設備，其智能化程度高，電池采用了免維護蓄電池，這雖給用戶帶來了許多便利，但在使用過程中還應在多方面引起注意，確保使用安全。
2.1按電源系統(tǒng)的使用要求和功率余量大小來分，在使用中要避免隨意增加大功率的額外設備，也不允許在滿負載狀態(tài)下長期運行。工作性質(zhì)決定了電源系統(tǒng)幾乎是在不間斷狀態(tài)下運行的，增加大功率負載或在基本滿載狀態(tài)下工作，都會造成整流模塊出故障，嚴重時將損壞變換器。自備發(fā)電機的輸出電壓、波形、頻率和幅度應滿足電源系統(tǒng)對輸入電壓的要求，另外發(fā)電機的功率要大于開關電源設備的額定輸入功率，否則，將會造成電源系統(tǒng)設備工作異?；驌p壞。
2.2電池應避免大電流充放電，理論上充電時可以接受大電流，但在實際操作中應盡量避免，否則會造成電池極板膨脹變形，使得極板活性物質(zhì)脫落，電池內(nèi)阻增大且溫度升高，嚴重時將造成容量下降，壽命提前終止。在任何情況下都應防止電池短路或深度放電，因為電池的循環(huán)壽命和放電深度有關。放電深度越深循環(huán)壽命越短。在容量試驗或放電檢修中，通常放電達到容量的30％－50％就可以了。
2.3鉛酸蓄電池的容量和電解液的比重是線性關系，通過測量比重可以了解電池的存儲能量情況。閥控式密封蓄電池是貧液電池，且無法進行電解液比重測量，所以如何判定它的好壞，預測貯備容量已成為當今業(yè)界的一大難題。用電導儀測電池的內(nèi)阻是判定蓄電池好壞的一種有參考價值的方法，但尚不能準確測定電池的好壞程度。目前，最可靠的方法還是放電法。在可靠性、經(jīng)濟性、可使用性、維護性等方面綜合比較，應選用四沖程油機為原動機發(fā)電機組。四沖程油機結(jié)構(gòu)簡單，采用多缸均衡做功、增壓等一系列成熟技術(shù)適合于大容量機組的要求。其噪音小、污染小、性價比高。使用中把機組產(chǎn)生的熱量排到室外，保證機組周圍環(huán)境濕度不超過指標要求。
三、電源系統(tǒng)的維護與檢修
當電源系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，應先查明原因，分清是負載還是電源系統(tǒng)，是主機還是電池組。雖說開關電源系統(tǒng)主機有故障自檢功能，但它對面而不對點，對更換配件很方便，但要維修故障點，仍需做大量的分析、檢測工作。另外如自檢部分發(fā)生故障，顯示的故障內(nèi)容則可能有誤。對主機出現(xiàn)擊穿、斷保險或燒毀器件的故障，一定要查明原因并排除故障后才能重新啟動，否則會接連發(fā)生相同的故障。再好的設備也有壽命期，也會出現(xiàn)各類故障，但維護工作做得好可以延長壽命并減少故障的發(fā)生，不要因為高智能、免維護而忽略了本應進行的維護工作，預防在任何時候都是安全運行的重要保障。高頻開關電源設備在正常使用情況下，主機的維護工作量很少，主要是防塵和定期除塵。特別是氣候干燥的地區(qū)，空氣中的灰粒較多，灰塵將在機內(nèi)沉積，當遇空氣潮濕時會引起主機控制紊亂造成主機工作失常，并發(fā)生不準確告警。另大量灰塵也會造成器件散熱不好。一般每季度應徹底清潔一次。其次就是在除塵時檢查各連接件和插接件有無松動和接觸不牢的情況。由于整流器對瞬時脈沖干擾不能消除，整流后的電壓仍存在干擾脈沖。蓄電池除有存儲直流電能的功能外，其等效電容量的大小與蓄能電池容量大小成正比。因此，維護檢修蓄電池的工作是非常重要的，雖說蓄電池組目前都采用了免維護電池，但這只是免除了以往的測比、配比、定時添加蒸餾水的工作。但因工作狀態(tài)對電池的影響并沒有改變，不正常工作狀態(tài)對電池造成的影響沒有變，所以蓄電池的工作全部是在浮充狀態(tài)，在這種情況下至少應每年進行一次放電。放電前應先對電池組進行均衡充電，以達全組電池的均衡。放電過程中如有一只達到放電終止電壓時，應停止放電，繼續(xù)放電須先排除落后電池后再放。核對性放電不是追求放出容量的百分比，而是關注并發(fā)現(xiàn)和處理落后電池，經(jīng)對落后電池處理后再作核對性放電實驗。這樣可防止事故，以免放電中落后電池惡化為反極電池。平時每組電池至少應有8只電池作標示電池，作為了解全電池組工作情況的參考，對標示電池應定期測量并做好記錄。在日常維護中需經(jīng)常檢查的項目有：清潔并檢測電池兩端電壓、溫度；連接處有無松動腐蝕現(xiàn)象，檢測連接條壓降；電池外觀是否完好，有無殼變形和滲漏；極柱、安全閥周圍是否有酸霧逸出；主機設備是否正常等。免維護電池要做到運行、日常管理周到、細致和規(guī)范，保證設備保持良好的運行狀況，從而延長使用年限；保證直流母線經(jīng)常保持合格的電壓和電池的放電容量；保證電池運行和人員的安全可靠。這是電池維護的目的，也是電池運行規(guī)程中包括的內(nèi)容和運行規(guī)則。當電池組中發(fā)現(xiàn)電壓反極、壓降大、壓差大和酸霧泄漏的電池時，應及時采用相應的方法恢復和修復，對不能恢復和修復的電池要換掉。但不能把不同容量、不同性能、不同廠家的電池聯(lián)在一起，否則可能會對整組電池帶來不利影響。對壽命已過期的電池組要及時更換，以免影響到電源系統(tǒng)和設備主機。
參考文獻：
[關鍵詞]相干解調(diào)；載波恢復；相位誤差檢測；QPSK解調(diào)
中圖分類號：TN81.6 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）04-0306-02
1 引言
衛(wèi)星和以衛(wèi)星為基礎的通信系統(tǒng)自1965年開始實用以來已經(jīng)有了顯著的發(fā)展。因其具有覆蓋地域廣、通信距離遠、通信容量大、傳輸質(zhì)量好等特點，已成為現(xiàn)代信息社會的一種重要通信手段[1]。解調(diào)器是衛(wèi)星通信地球站不可缺少的一個重要組成部分，解調(diào)器性能的好壞對整個接受系統(tǒng)的性能有著決定性的影響。載波恢復是相干解調(diào)的關鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。相干解調(diào)中，首先要在接受端恢復相干載波，這個相干載波應與發(fā)送載波在頻率上同頻，在相位上保持同步的關系。載波恢復就是要實現(xiàn)這一過程，它是相干解調(diào)的先決條件[2]。
2 載波相位誤差檢測算法
載波恢復主要包括載波相位誤差檢測、載波恢復環(huán)路濾波器以及VCO[3]。載波相位誤差檢測能夠檢測出發(fā)端所發(fā)送的QPSK調(diào)制信號載波相位與本地VCO產(chǎn)生的相干載波相位之間的誤差，載波恢復環(huán)路濾波器則對此誤差信號進行濾波，VCO在濾波后的誤差信號控制下輸出與發(fā)端載波同頻同相的相干載波。本論文采用的載波恢復環(huán)路是基于最大后驗概率估計的判決反饋環(huán)[4]。算法的原理如圖1所示。
輸入信號是中頻信號，頻率為140MHz，符號速率為2-45Mbaud可變[5]。I-Q解調(diào)包括一對匹配的混頻器及π/2移相電路，輸入中頻經(jīng)I-Q解調(diào)、匹配濾波得到I、Q兩路基帶信號。、分別為其對應的硬判決。判決的過程為：首先根據(jù)匹配濾波器輸出的、信號得到一個值為的相角。然后將這個相角與MPSK信號的每一個調(diào)制角度（）相比較，從中選出一個與其最接近的角度作為所發(fā)送符號對應的調(diào)制相位的估值。則和即為其對應的同相和正交分量、。這樣得到的發(fā)端所發(fā)送符號對應的調(diào)制相位估值是其最大后驗概率估計。
圖3和圖4所示分別為QPSK及8PSK信號在不同信噪比情況下，利用MATLAB編程語言實現(xiàn)對環(huán)路模型仿真得到的鑒相特性與理論計算得到的鑒相特性對比圖。
由這圖3和圖4可以看出，信噪比越高，鑒相特性曲線的線性范圍越大，仿真結(jié)果與理論計算結(jié)果吻合得越好。這主要是因為信噪比的降低會造成判決誤差的增大，從而環(huán)路的鑒相特性也就受到影響。此外，從圖中還可看出，鑒相特性具有的周期性，這表明仿真結(jié)果與理論分析是一致的。
5 結(jié)束語
衛(wèi)星通信的諸多特點使其在現(xiàn)代通信中已占有舉足輕重的地位，且隨著人類對信息資源需求的不斷增加，衛(wèi)星通信的業(yè)務量將會成倍增長。解調(diào)是衛(wèi)星通信地球站進行信號接收與處理的前提，解調(diào)器性能的好壞對整個接收系統(tǒng)有著決定性的影響。
本文對衛(wèi)星通信用高速解調(diào)器中載波恢復環(huán)路進行分析，首先給出了載波恢復環(huán)的結(jié)構(gòu)形式及所采用的算法；然后對其原理、環(huán)路的鑒相增益特性等環(huán)路的主要性能指標進行了認真分析與研究。最后結(jié)合MATLAB仿真，得到的鑒相特性與利用理論公式計算得到的鑒相特性對比圖。
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[9] 王華.衛(wèi)星通信編碼調(diào)制技術(shù)研究[D].北京：北京理工大學博士學位論文，1999，8-44.
電磁場與電磁波主要研究電磁場運動規(guī)律,包括時變電磁場和電磁波,是后續(xù)微波技術(shù)與天線等課程的先修課程.微波技術(shù)與天線講授傳輸線理論、規(guī)則金屬波導、微波集成傳輸線、微波網(wǎng)絡基礎、微波諧振器等方面的理論知識,為微波通信及相關領域的學習和研究打下堅實的基礎;移動通信原理研究現(xiàn)代移動通信的基本理論、關鍵技術(shù)及體系結(jié)構(gòu),涉及到電波傳播及模型、話務量及模型、高階調(diào)制解調(diào)、先進的信道編解碼、擴頻等移動通信系統(tǒng)中的多項關鍵技術(shù)及其性能分析;衛(wèi)星通信原理主要內(nèi)容包括衛(wèi)星通信鏈路設計、衛(wèi)星通信網(wǎng)和移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)等;微波技術(shù)與天線、移動通信原理、衛(wèi)星通信原理這三門課程在課程群中起著承上啟下的作用.
CDMA與3G技術(shù)、移動通信系統(tǒng)與工程這二門課是目前廣泛使用的通信網(wǎng)、通信系統(tǒng)及相應的技術(shù),理論教學與實際應用的結(jié)合.在課程群內(nèi)部,各課程之間即有縱向知識的聯(lián)系,又有橫向內(nèi)容的關聯(lián).利用現(xiàn)代教學手段提高教學效果充分利用信息資源,利用豐富的多媒體課件形象地展現(xiàn)課程內(nèi)容和移動通信系統(tǒng)流程,提供豐富的網(wǎng)絡資源進行課程內(nèi)容的跟蹤和復習,對一些比較復雜的通信過程,用nash的形式輔助進行講解,從而極大地激發(fā)學生的學習興趣,使學生能夠主動學習,了解更多的知識.
采用類比方式優(yōu)化學習效果移動通信課程內(nèi)容更新快,基本理論和關鍵技術(shù)理解難度大,但是該課程和前期的通信原理等課程內(nèi)容銜接緊密,很多內(nèi)容有相似性.在教學過程中,以前期課程的知識點為例進行類比,加強課程內(nèi)容的融合.在講解TD一SCDMA同步過程等具體系統(tǒng)知識點時,以教師為基站,以學生為終端進行上下行同步過程的講解.在進行移動通信呼叫流程和物理層過程講解中,以學生日常撥打手機和被叫等過程為例進行現(xiàn)場講解,同時結(jié)合手機終端和系統(tǒng)基站的具體結(jié)構(gòu)進行類比和實例分析.
以完成項目的方式引導學生獨立思考在整個課程中規(guī)定兩次“Proect’’作為課下作業(yè),該部分內(nèi)容由學生主動完成,上交時間不作硬性要求.教師確定“Project”的方向和實現(xiàn)的大致目標,題目和具體內(nèi)容由學生確定.學生大部分以科研論文的形式上交,通過“Project’’方式培養(yǎng)學生對具體工程和對象的整體把握能力.為達到目標,學生需要查閱大量的文獻,并且進行整理和分析,給出自己的方案和實現(xiàn)步驟,提高了學生獨立思考能力和綜合分析能力.
我校具有優(yōu)勢的第三代移動通信系統(tǒng)實驗環(huán)節(jié)更能提升學生的動手能力,進一步拓展學生的學習興趣.同時還開設包括“大學生科技文化節(jié)”等在內(nèi)的實踐、外訓、參觀等活動,大都是與移動通信相關的實踐活動.這些活動一方面對學生在移動通信學習提出新的要求,同時進一步提升學生的動手能力和學習興趣,促進學生對抽象理論的決速理解,有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力.綜上所述,通過課程群建設,充分發(fā)揮課程群結(jié)構(gòu)整體功能效益,減少課程內(nèi)容的重復,加深了學生對課程間聯(lián)系和主要知識點的理解掌握,提高了教學質(zhì)量,并使學生具備一定的實踐和研究能力,有利于培養(yǎng)適應社會發(fā)展和需求的畢業(yè)生.
［論文摘要］隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的飛速發(fā)展，構(gòu)建完善堅強可靠的通信網(wǎng)，顯得越來越重要。文章結(jié)合電力通信的特點和需求及無線新技術(shù)的特性，分析無線通信技術(shù)在電網(wǎng)通信中的應用前景。
一、概述
電力通信網(wǎng)是為了保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行應運而生的。它同電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)、調(diào)度自動化系統(tǒng)被人們合稱為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的三大支柱。我國的電力通信網(wǎng)經(jīng)過幾十年風風雨雨的建設，已經(jīng)初具規(guī)模，通過衛(wèi)星、微波、載波、光纜等多種通信手段構(gòu)建而成為立體交叉通信網(wǎng)。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線通信系統(tǒng)的特性發(fā)生巨大的變化。鑒于采用無線通信網(wǎng)不依賴于電網(wǎng)網(wǎng)架，且抗自然災害能力較強，同時具有帶寬大、傳輸距離遠、非視距傳輸?shù)葍?yōu)點，非常適合彌補目前通信方式的單一化、覆蓋面不全的缺陷。本文簡單介紹一下無線通信傳輸體制的應用特點和優(yōu)缺點，并分析其在電力系統(tǒng)的應用前景。
二、無線技術(shù)介紹
（一）無線通信技術(shù)的概念
目前，無線通信及其應用已成為當今信息科學技術(shù)最活躍的研究領域之一。其一般由無線基站、無線終端及應用服務器等組成。
（二）無線通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
無線通信技術(shù)按照傳輸距離大致可以分為以下四種技術(shù)，即基于IEEE802.15的無線個域網(wǎng)（WPAN）、基于IEEE802.11的無線局域網(wǎng)（WLAN）、基于IEEE802.16的無線城域網(wǎng)（WMAN）及基于IEEE802.20的無線廣域網(wǎng)（WWAN）。
總的來說，長距離無線接入技術(shù)的代表為：GSM、GPRS、3G；短距離無線接入技術(shù)的代表則包括：WLAN、UWB等。按照移動性又可以分為移動接入和固定接入。其中固定無線接入技術(shù)主要有：3.5GHz無線接入（MMDS）、本地多點分配業(yè)務（LMDS）、802.16d；移動無線接入技術(shù)主要包括：基于802.15的WPAN、基于802.11的WLAN、基于802.16e的WiMAX、基于802.20的WWAN。按照帶寬則又可分為窄帶無線接入和寬帶無線接入。其中寬帶無線接入技術(shù)的代表有3G、LMDS、WiMAX；窄帶無線接入技術(shù)的代表有第一代和第二代蜂窩移動通信系統(tǒng)。
1.主流無線通信技術(shù)
從技術(shù)發(fā)展的趨勢可以看出，以OFDM+MIMO為核心的無線通信技術(shù)將成為未來無線通信發(fā)展的主流方向。而目前基于該技術(shù)的無線通信技術(shù)主要有：B3G、WiMAX、WiFi、WMN等4種技術(shù)。
2.其他無線通信技術(shù)
除了上述主流的無線通信技術(shù)外，目前已存在的無線通信技術(shù)還包括：IrDA、Bluetooth、RFID、UWB、集群通信等短距離通信技術(shù)及LMDS、MMDS、點對點微波、衛(wèi)星通信等長距離通信技術(shù)。
（1）IrDA：Infrared Data Association，是點對點的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，通信距離一般在0～1m之間，傳輸速率最快可達16Mbps，通信介質(zhì)為波長900納米左右的近紅外線。
（2）Bluetooth：Bluetooth工作在全球開放的2.4GHzISM頻段，使用跳頻頻譜擴展技術(shù)，通信介質(zhì)為2.402GHz到2.480GHz的電磁波。
（3）RFID：Radio Frequency Identification，即射頻識別，俗稱標簽。它是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據(jù)。RFID由標簽、解讀器和天線三個基本要素組成。
（4）UWB：Ultra Wideband，即超寬帶技術(shù)。UWB通信又被稱為是無載波的基帶通信，幾乎是全數(shù)字通信系統(tǒng)，所需要的射頻和微波器件很少，因此可以減小系統(tǒng)的復雜性，降低。
三、無線技術(shù)優(yōu)劣分析
（一）WLAN技術(shù)分析
Wi-Fi的技術(shù)和產(chǎn)品已經(jīng)相當成熟，而且大批量生產(chǎn)。該技術(shù)適用于無線局域網(wǎng)，作為有線網(wǎng)絡的延伸，對于特殊地點寬帶應用，盡管Wi-Fi技術(shù)應用非常廣泛，但是它依然在安全性上存在一定的安全隱患，Wi-Fi采用的是射頻（RF）技術(shù)，通過空氣發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。由于無線網(wǎng)絡使用無線電波傳輸數(shù)據(jù)信號，所以非常容易受到來自外界的攻擊，黑客可以比較輕易地在電波的覆蓋范圍內(nèi)盜取數(shù)據(jù)甚至進入未受保護的公司內(nèi)部局域網(wǎng)。
（二）WiMax技術(shù)分析
WiMax是一個先進的技術(shù)，推出相對較晚，存在頻率復用性小、利用率低的問題，但由于最近才完成標準化，該技術(shù)的大規(guī)模推廣還需要實踐考驗。從應用前景看，該技術(shù)可以在較大范圍內(nèi)滿足上網(wǎng)要求，覆蓋可以包括室外和室內(nèi)，可以進行大面積的信號覆蓋，甚至只要少數(shù)基站就可以實現(xiàn)全城覆蓋。WiMax由于其技術(shù)的先進性和超遠的傳輸距離，一直被業(yè)界看好，是未來移動技術(shù)的發(fā)展方向，并提供優(yōu)良的最后一公里網(wǎng)絡接入服務。
（三）WMN技術(shù)分析
WMN是正在研究中的技術(shù)，在研究中不斷地在不同方面結(jié)合各種技術(shù)的特點進行融合，而且暫時沒有一個成熟的產(chǎn)品系列來支持該技術(shù)的大規(guī)模應用。從應用前景看，WMN 這一新興網(wǎng)絡不僅在無線寬帶接入中有著廣闊的應用空間，在其他方面如結(jié)合數(shù)據(jù)、圖像采集模塊可以對目標對象進行監(jiān)控或數(shù)據(jù)采集，并廣泛應用到檢測、、等領域。隨著其他技術(shù)的不斷更新完善，WMN 更好地與之相融合、互補，從而能夠揚長避短，發(fā)揮出各自的優(yōu)勢。
（四）3G技術(shù)分析
3G于1996年提出標準，2000年完成包括上層協(xié)議在內(nèi)的完整標準的制訂工作。3G網(wǎng)絡部署已具備相當?shù)膶嵺`經(jīng)驗，有一成套建網(wǎng)的理論，包括對網(wǎng)絡的鏈路預算、模型預算以及仿真等。從商用前景看，目前，3G在部分地區(qū)已得到大規(guī)模的商業(yè)應用，比如歐洲很多國家、日本、韓國等都已經(jīng)建設了3G的網(wǎng)絡。3G技術(shù)已經(jīng)進入可以實用的階段，還有很多國家和地區(qū)正在建設或?qū)⒁ㄔO3G網(wǎng)絡。
（五）LMDS技術(shù)分析
本地多點分布業(yè)務系統(tǒng)LMDS是一種提供點對多點的固定寬帶無線接入技術(shù)，其工作頻率在20GHZ以上，利用毫米波傳輸，可在一定的范圍內(nèi)提供數(shù)字雙工語音、數(shù)據(jù)、因特網(wǎng)和視頻業(yè)務，是一種非常好的寬帶固定無線接入解決方案。在最優(yōu)情況下，距離可達8公里；但是由于受降雨的原因，距離通常限于1.5公里。
其主要工作原理是通過扇區(qū)或基站設備將ATM骨干網(wǎng)基帶信息調(diào)制為射頻信號發(fā)射出去，在其覆蓋區(qū)域內(nèi)的許多用戶端設備接收并將射頻信號還原為ATM基帶信號，在無需為每個用戶專門鋪設光纖或銅纜情況下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向?qū)ΨQ高帶寬無線傳輸。
（六）MMDS技術(shù)分析
MMDS的主要缺點是有阻塞問題且信號質(zhì)量易受天氣變化的影響，可用頻帶亦不夠?qū)?，最多不超過200MHz。其次，MMDS對傳輸路徑要求非常嚴格。由于MMDS采用的調(diào)制技術(shù)主要是相移鍵控PSK（包括BPSK、DQPSK、QPSK等）和正交幅度調(diào)制QAM調(diào)制技術(shù)，無法做到非視距傳輸，在目前復雜的城市環(huán)境下難以推廣應用。另外，MMDS沒有統(tǒng)一的國際標準，各廠家的設備存在兼容性問題。
（七）集群通信技術(shù)分析
數(shù)字集群系統(tǒng)具有很多優(yōu)點，它的頻譜利用率有很大提高，可進一步提高集群系統(tǒng)的用戶容量；它提高了信號抗信道衰落的能力，使無線傳輸質(zhì)量變好；由于使用了發(fā)展成熟的數(shù)字加密理論和實用技術(shù)，所以對數(shù)字系統(tǒng)來說，保密性也有很大改善。
數(shù)字集群移動通信系統(tǒng)可提供多業(yè)務服務，也就是說除數(shù)字語音信號外，還可以傳輸用戶數(shù)字、圖像信息等。由于網(wǎng)內(nèi)傳輸?shù)氖墙y(tǒng)一的數(shù)字信號，因此極大地提高了集群網(wǎng)的服務功能。
（八）點對點微波技術(shù)分析
微波傳輸?shù)膬?yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：第一，可以降低運營商的運營。與租用線路相比，微波系統(tǒng)的只要一年左右即可收回。第二，微波傳輸系統(tǒng)部署簡潔快速。與傳統(tǒng)的傳輸手段相比，其快速部署的優(yōu)勢可以更快地滿足新業(yè)務發(fā)展的需要。第三，目前的微波產(chǎn)品對未來的發(fā)展是有保障的，對于運營商的新業(yè)務和新需求都可以給予很好的支撐。未來，微波傳輸系統(tǒng)將升級到全IP的平臺之上，可以全面支持運營商未來的發(fā)展。
（九）衛(wèi)星通信技術(shù)分析
利用衛(wèi)星在有些不很密集的地區(qū)來配合陸地通信。在這些地區(qū)散布著范圍較廣但不密集的用戶，可以利用衛(wèi)星作為用戶連至固定有線網(wǎng)的接入設施。在陸地通信網(wǎng)已經(jīng)構(gòu)成寬帶多媒體通信網(wǎng)的下，利用衛(wèi)星建成寬帶衛(wèi)星接入系統(tǒng)是比較好而切合實際的方案，又可靠。
但是衛(wèi)星通信畢竟是采用衛(wèi)星作為通信平臺，其地面站的建設、通信信道租用費用都需要花費大量資金，而且通信資源為衛(wèi)星通信公司所有，受其帶寬的限制，使得大量數(shù)據(jù)的傳輸需要付出非常大的代價。因此，作為日常生產(chǎn)、生活使用是極為不經(jīng)濟的；而將衛(wèi)星通信作為應急通信、作戰(zhàn)通信、海外通信等則比較適合。
四、無線技術(shù)綜合比較
目前無線通信領域各種技術(shù)的互補性日趨鮮明。這主要表現(xiàn)在不同的接入技術(shù)具有不同的覆蓋范圍、不同的適用區(qū)域、不同的技術(shù)特點、不同的接入速率。3G可解決廣域無縫覆蓋和強漫游的移動性需求，WLAN可解決中距離的較高速數(shù)據(jù)接入，而UWB可實現(xiàn)近距離的超高速無線接入。
首先，從標準化程度上看，本報告所涉及的技術(shù)中，僅僅WMN技術(shù)沒有成熟的標準體系，LMDS、MMDS、集群通信均有多種標準，只是沒有統(tǒng)一的國際標準，其余的技術(shù)均已經(jīng)完成標準化工作，并且都進行了試驗網(wǎng)建設和商業(yè)網(wǎng)建設。
從頻率上看，Wi-Fi技術(shù)、WMN均使用的是開放頻段，WiMax技術(shù)、3G技術(shù)等其他技術(shù)使用的是授權(quán)頻段。
從覆蓋范圍上看，Wi-Fi技術(shù)、WMN技術(shù)屬于局域網(wǎng)無線接入技術(shù)，僅覆蓋35m～100m；WiMax技術(shù)、3G技術(shù)、LMDS技術(shù)、MMDS技術(shù)、集群通信屬于城域網(wǎng)接入技術(shù)，覆蓋范圍在1km～54km不等，而衛(wèi)星通信、點對點微波則屬于廣域網(wǎng)技術(shù)，通常用于通信主干組網(wǎng)建設。
從傳輸速率上看，點對點微波和衛(wèi)星通信屬于干線傳輸技術(shù)，不同的情況速率變化較大，而其余的技術(shù)均為接入技術(shù)，僅僅是3G技術(shù)接入速率最小，僅為384k，而其余技術(shù)均為幾十M甚至上百M的速率。
從調(diào)制技術(shù)上看，其中WiFi技術(shù)、WiMax技術(shù)、WMN、3G技術(shù)均采用最新的調(diào)制技術(shù)OFDM，其余的技術(shù)均未采用OFDM調(diào)制技術(shù)。
從天線技術(shù)上看，僅僅3G和WiMax技術(shù)采用了MIMO技術(shù)，而其他技術(shù)均未采用MIMO技術(shù)；從傳輸環(huán)境上看，僅僅WiMax技術(shù)和3G技術(shù)支持非視距傳輸，其余技術(shù)均要求視距傳輸環(huán)境；從網(wǎng)絡安全和QoS機制上看，WiMax技術(shù)和3G技術(shù)在這方面做得比較優(yōu)秀、完善，其余的均存在較大的問題。
關鍵詞：靜止衛(wèi)星；水利；應用；水文水資源監(jiān)測；災害監(jiān)測；水利通信
中圖分類號：TP79；TV21文獻標識碼：A文章編號：1672-1683（2013）04-0134-06
地球靜止軌道衛(wèi)星（以下簡稱靜止衛(wèi)星）位于地球赤道上空距地面約36 000 km，軌道平面與赤道平面夾角為零，并且繞地球運行的角速度與地球自轉(zhuǎn)的角速度相同，故相對于地面靜止。由于靜止衛(wèi)星與地球自轉(zhuǎn)的同步性，衛(wèi)星可以實現(xiàn)連續(xù)對地觀測，在氣象、通信、軍事、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等行業(yè)都有較廣泛的應用，特別是在氣象和通信領域，已成為不可或缺的監(jiān)測和數(shù)據(jù)獲取工具和平臺。
水利行業(yè)中許多領域都存在對靜止衛(wèi)星的應用需求，如水資源日常監(jiān)測、突發(fā)事件應急監(jiān)測、災害監(jiān)測預警等，但總體上對靜止衛(wèi)星的應用仍處于起步階段，多局限于氣象預報產(chǎn)品應用等方面，應用范圍有待進一步拓寬，應用程度有待進一步深入[1]。
本文通過對現(xiàn)有靜止衛(wèi)星主要參數(shù)和特點的歸納，以及對國內(nèi)外靜止衛(wèi)星水利應用的調(diào)研和分析，基于靜止衛(wèi)星在我國水利行業(yè)的應用現(xiàn)狀，提出未來我國靜止衛(wèi)星水利應用前景的設想和展望。
1國內(nèi)外水利相關靜止衛(wèi)星發(fā)展狀況
國外水利相關靜止衛(wèi)星發(fā)展較早。1975年，美國率先實現(xiàn)了人類首顆靜止氣象衛(wèi)星GEOS-1業(yè)務運行；1977年，日本第一顆靜止氣象衛(wèi)星GMS-1發(fā)射；1978年，歐空局的Meteosat靜止氣象衛(wèi)星首次實現(xiàn)了水汽通道圖像傳輸；1982年，印度第一代INSAT衛(wèi)星發(fā)射，集通信、廣播和氣象探測于一身。
目前，美國的GEOS系列已經(jīng)發(fā)展到了第四代，擁有更穩(wěn)定的平臺，支持更新的成像儀、空間環(huán)境探測器（SEM）、垂直探測器和太陽X射線成像儀（SXI）。新一代的GOES-R系列也已提上日程，預計于2014年實現(xiàn)業(yè)務運行，將搭載先進的基線成像儀（ABI）和超光譜環(huán)境監(jiān)測儀（HES），性能將大幅提升，在同步衛(wèi)星監(jiān)測領域繼續(xù)保持領先優(yōu)勢。
日本的MTSAT-2和MTSAT-1R雙星在軌運行，互為備份，較上一代GMS-5的自旋穩(wěn)定姿態(tài)控制不同，MTSAT采用三軸穩(wěn)定方式，成像時間短、圖像信噪比、靈敏度高。
歐盟第二代靜止氣象衛(wèi)星MSG-2替代了上一代Meteosat，雖然仍采用自旋穩(wěn)定方式，但在傳感器通道數(shù)、空間分辨率、圓盤成像時間和量化級數(shù)上有了很大提高。MSG-3已于2012年7月發(fā)射，第三代靜止氣象衛(wèi)星（MTG）將會在成像精度上和數(shù)據(jù)傳輸速率上有大輻改進，首顆衛(wèi)星將于2018年開始服役。
俄羅斯在軌靜止衛(wèi)星二代GOMS-N2和印度在軌靜止衛(wèi)星INSAT-3D都采用先進的多通道掃描成像儀，擁有各自的特點。
我國水利相關靜止衛(wèi)星發(fā)展起步較晚。1997年6月10日，我國第一顆靜止氣象衛(wèi)星FY-2A正式投入使用，2004年10月FY-2C發(fā)射成功，實現(xiàn)業(yè)務化運行，比美國晚了整整29年，總體水平也只相當于美國20世紀90年代初的水平，據(jù)估計這樣的差距可能在風云四號才能趕上。不過風云二號也有很多自己的特色，尤其在圖像定位配準方面已經(jīng)達到了世界先進水平。2006年12月，F(xiàn)Y-2D靜止氣象衛(wèi)星發(fā)射成功，與FY-2C星實現(xiàn)了雙星備份，主汛期每天每15分鐘可提供一張圖像。2008年12月，F(xiàn)Y-2E星接替已經(jīng)超期服役的FY-2C星繼續(xù)運行。這三顆星均采用自旋穩(wěn)定的姿態(tài)控制方式，搭載5通道掃描成像儀和空間環(huán)境探測儀，但是和發(fā)達國家相比，還是有一定的差距。表1是各國靜止氣象衛(wèi)星搭載主要荷載對比。
2.1靜止衛(wèi)星在水利行業(yè)的可用性分析
2.1.1水利相關應用參數(shù)分析
隨著水利現(xiàn)代化的不斷深入，傳統(tǒng)水利監(jiān)測手段已經(jīng)無法滿足需求。在水資源監(jiān)測方面，傳統(tǒng)水文監(jiān)測只采集站點數(shù)據(jù)，且水文站網(wǎng)密度有限，展布到面后精度有一定不確定性。水旱災害監(jiān)測也距實時、持續(xù)監(jiān)測與預警的業(yè)務需求有一定差距。傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測能力也落后于管理需求，指標不夠全面，站點密度不夠，快速機動監(jiān)測能力差，突發(fā)性水污染預警系統(tǒng)不夠完善。
極軌等高空間分辨率遙感衛(wèi)星重訪周期長，幅寬窄，可能在區(qū)域性單次監(jiān)測上精度較高，但在大尺度動態(tài)監(jiān)測方面較為薄弱。靜止衛(wèi)星可每30 min獲取一次影像，尺度可覆蓋全球，并且新一代靜止衛(wèi)星多配置高分辨率多通道傳感器，將為水利業(yè)務監(jiān)測提供多指標、真實可靠的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，大幅提高日常管理和應急能力。
從GEOS-1只搭載單臺掃描成像儀，提供單一氣象資料，到如今搭載多種高分辨率空間探測器，并依托各國靜止氣象衛(wèi)星建立起的全球靜止氣象衛(wèi)星觀測系統(tǒng)，靜止衛(wèi)星已實現(xiàn)為水文監(jiān)測、重大水旱災害監(jiān)測和實時水情數(shù)據(jù)傳輸提供動態(tài)數(shù)據(jù)和多種定量產(chǎn)品支持，表2是全球主要靜止氣象衛(wèi)星的水利相關應用領域。除提供初級遙感信息外，靜止衛(wèi)星還可提供多種定量產(chǎn)品，為水利行業(yè)提供更深入、針對性強的業(yè)務應用產(chǎn)品，表3是我國FY-2C衛(wèi)星提供的水利相關定量產(chǎn)品。此外，靜止衛(wèi)星還為水利部門提供相關數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)網(wǎng)絡支持，20世紀90年代，我國水利部就購買了亞洲二號半個轉(zhuǎn)發(fā)器，并以此為依托建立了水利衛(wèi)星通信系統(tǒng)。另外，靜止衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)和全球?qū)Ш较到y(tǒng)也可應用于水利行業(yè)。靜止衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)主要有全球覆蓋的國際海事衛(wèi)星（Inmarsat）通信系統(tǒng)和區(qū)域覆蓋北美的移動衛(wèi)星（MSAT）通信系統(tǒng)、亞洲蜂窩衛(wèi)星（ACeS）通信系統(tǒng)、瑟拉亞（Thuraya）衛(wèi)星通信系統(tǒng)等。比較成熟的衛(wèi)星導航系統(tǒng)有美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的GLONASS和我國自行研制開發(fā)的區(qū)域性有源三維衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)（CNSS），即北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)。目前，為我國水利通信建設提供服務的靜止衛(wèi)星系統(tǒng)主要是Inmarsat-C海事衛(wèi)星系統(tǒng)和北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)。
相對于傳統(tǒng)地面觀測和其它衛(wèi)星在水利中的應用，靜止軌道衛(wèi)星的主要優(yōu)勢在于可以高時間分辨率探測信息，有效的動態(tài)跟蹤和監(jiān)測大尺度系統(tǒng)的形成、發(fā)展及演變規(guī)律。一顆靜止軌道氣象衛(wèi)星每30 min就能獲得近地球的氣象圖片資料，對水資源運行調(diào)度管理實時監(jiān)測、水旱災害監(jiān)測，洪水、暴雨和突發(fā)水污染事故應急監(jiān)測以及水情數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)具有突出的能力。因此，靜止衛(wèi)星在水利方面的應用有著廣闊的前景。
在水資源監(jiān)測方面，傳統(tǒng)水文監(jiān)測只采集站點的數(shù)據(jù)，擴展到面后精度不高，且許多地區(qū)水文站網(wǎng)密度不夠，甚至還存在無監(jiān)測地區(qū)，降水、徑流監(jiān)測和預報等技術(shù)手段尚不能完全不能滿足水資源評價、規(guī)劃與管理等方面的需求，而極軌等高空間分辨率遙感衛(wèi)星由于重訪周期過長，幅寬較窄，可能在區(qū)域性水資源監(jiān)測精度較高，但對于大尺度動態(tài)水資源監(jiān)測方面較為薄弱。在水資源管理方面，由于人工側(cè)支循環(huán)，使得流域水資源的分配和轉(zhuǎn)換關系異常復雜，分配層次多，流域降水和徑流變化趨勢不同步，降雨徑流預報和水資源趨勢預測依然是世界級難題，滿足不了流域水資源配置和調(diào)度管理的需要。靜止軌道衛(wèi)星每30 min就能獲得水文監(jiān)測資料，尺度可覆蓋全球，相信配備高空間分辨率傳感器的靜止軌道衛(wèi)星會在全球水資源領域有更深入的應用。
在水旱災害遙感監(jiān)測方面的，我國雖已開展多年，但距實時、持續(xù)監(jiān)測與預警的行業(yè)需求還有一定的差距。高分辨率的靜止軌道衛(wèi)星數(shù)據(jù)，進一步提高業(yè)務化程度，以形成一套完整的水旱災害遙感監(jiān)測產(chǎn)品。
2.2在水文水資源監(jiān)測中的應用進展
2.2.1降水監(jiān)測
降水是水文循環(huán)中的基本環(huán)節(jié)，在水資源評價、管理、水循環(huán)模擬等方面都有著大量的數(shù)據(jù)需求。從1978年美國人L.E.Spayd Jr.和R.A.Scofield[12]第一次基于GOES數(shù)據(jù)提出估算熱帶氣旋降雨量方法并業(yè)務化應用以來，不論是在理論還是手段上，基于靜止衛(wèi)星的降水監(jiān)測技術(shù)都已相當成熟，方法呈現(xiàn)多樣化。美國NOAA的NESDIS 發(fā)展了利用GEOS紅外資料估算降水量的系統(tǒng)并于1997年投入業(yè)務運用[13]，我國水利部信息中心也使用云分類方法對GMS衛(wèi)星數(shù)字云圖估算面雨量[14]，張云惠、史可傳[15]基于GMS衛(wèi)星云圖對哈密地區(qū)降雨進行估算，徐亮等[16] 基于靜止衛(wèi)星氣象數(shù)字化產(chǎn)品采用多元決策加權(quán)法估算降雨，熊秋芬[17]提出了基于GMS衛(wèi)星4通道資料的人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)估算降雨的方法，并進行了實例驗證。
為了彌補靜止衛(wèi)星空間分辨率的不足和發(fā)揮其高時間采樣頻率的優(yōu)勢，靜止衛(wèi)星降水監(jiān)測主要采用多種傳感器聯(lián)合監(jiān)測的方法?，F(xiàn)在水利行業(yè)應用較廣的全球降水監(jiān)測數(shù)據(jù)集——全球衛(wèi)星降水制圖（GSMaP） 和 GPCP就是多種傳感器聯(lián)合監(jiān)測的成果。GSMaP 數(shù)據(jù)集采用的GEOS衛(wèi)星的可見光/紅外數(shù)據(jù)，空間分辨率為0.03635°（在赤道上相當于 4 km） ，時間分辨率約為30分鐘，覆蓋區(qū)域為60°N ～ 60°S，在海洋上的監(jiān)測效果最好，在高山上的表現(xiàn)最差。在陸地和海岸帶地區(qū)，GSMaP 數(shù)據(jù)難于識別強降水，同時低估強度大于10 mm/h 的降水。GPCP數(shù)據(jù)集主要數(shù)據(jù)源是GOES、GMS、Meteosat衛(wèi)星，逐月、逐日和每5日降水分析資料空間分辨率分別為2.5°、1°和2.5°。
2.2.2土壤含水量與蒸散發(fā)監(jiān)測
土壤含水量與蒸散發(fā)監(jiān)測是水資源評價、管理中的重要一環(huán)，獲取實時連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)是做好實時調(diào)度和管理工作的必要保障。靜止氣象衛(wèi)星的紅外掃描輻射計在土壤墑情、溫度、溫度和植被監(jiān)測方面均有所應用。趙長森等[18]提出了基于靜止衛(wèi)星的陸面區(qū)域蒸散模型，并采用FY-2C數(shù)據(jù)對淮河流域蚌埠以上農(nóng)業(yè)區(qū)進行了多時間尺度的區(qū)域耗水模擬，開創(chuàng)了利用靜止衛(wèi)星模型模擬區(qū)域耗水的先河。裴浩等[19]借鑒極軌氣象衛(wèi)星監(jiān)測植被和土壤墑情的研究成果，采用GMS的多通道數(shù)據(jù)監(jiān)測土壤墑情和植被指數(shù)。楊曉春[20]利用FY-2數(shù)據(jù)對土壤濕度進行模擬，并在多年干旱監(jiān)測中得到了應用。
為了彌補靜止衛(wèi)星在空間分辨率上的不足，舒云巧等[21]提出利用FY-2C結(jié)合MODIS產(chǎn)品估算河北灌溉農(nóng)田實際蒸散量的方法，利用靜止衛(wèi)星時間分辨率強的優(yōu)勢，提高了遙感監(jiān)測的質(zhì)量。由于靜止衛(wèi)星的紅外傳感器空間分辨率往往都是千米級的，因此，比較適于大、中區(qū)域尺度高時間分辨率的地表參數(shù)反演。張霄羽和王嬌[29]利用風云二號靜止氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)，提出了多時相熱紅外/可見光反演地表水分的算法，在中尺度區(qū)域上定量化土壤表面含水量，并在中國西北地區(qū)進行應用，獲得了5 km×5 km空間尺度的日均土壤含水量，并且與先進的AMSR土壤水分產(chǎn)品相比，均方根誤差為0.025 g/cm3，最大估算誤差在0.07 g/cm3以內(nèi)。這一研究為中尺度高時間分辨率土壤含水量產(chǎn)品的獲取提出了一種思路。
2.2.3冰雪監(jiān)測
冰雪融量的計算是水文學上的一個重要問題，靜止衛(wèi)星也在大尺度連續(xù)動態(tài)觀測冰雪上很有優(yōu)勢，但由于空間分辨率較低，目前還處于初探階段。裴浩等[19]嘗試利用GMS可見光通道探測冰雪分布并取得了較好的精度。中國科學院冰川所利用氣象衛(wèi)星云圖來計算雪被覆蓋的范圍、厚度、冰雪融量，并追索其連續(xù)演變，進行了祁連山冰川水文學的研究。
2.3在水旱災害監(jiān)測中的應用進展
2.3.1洪災監(jiān)測
靜止氣象衛(wèi)星在全天候洪水監(jiān)測和汛期降雨預報方面均有應用，是防洪減災輔助決策的重要信息來源。中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心從20世紀80年代中期開展提供氣象衛(wèi)星監(jiān)測洪澇災害的科研服務，曾成功對1991年江淮大水、1996年華北水災以及1998年長江洪水等重大洪澇災害進行了監(jiān)測[19]。王慶齋等[23]也根據(jù)GMS-5靜止氣象衛(wèi)星數(shù)字化衛(wèi)星云圖曲灰度分布，建立云頂溫度與地面實測降水關系曲線，實現(xiàn)對黃河流域汛期降水的預報。
2.3.2旱災監(jiān)測
靜止氣象衛(wèi)星監(jiān)測旱情問題，已引起國內(nèi)外學者的關注，并進行了一些研究嘗試。張元元[24]利用FY-2/VISSR數(shù)據(jù)生成PRETA干旱指數(shù)產(chǎn)品，應用于全國范圍的旱情連續(xù)監(jiān)測，與極軌衛(wèi)星同類產(chǎn)品相比，在監(jiān)測范圍和頻次上都具有明顯的優(yōu)勢，很好地反映了2009年秋季至2010年春季西南大旱的旱情時空變化。姬菊枝等[25]利用風云二號衛(wèi)星并結(jié)合NOAA的數(shù)據(jù)用熱慣量法估計了2003年哈爾濱春季干旱受災情況，提出了防治措施。
2.3.3冰雪災害監(jiān)測
靜止氣象衛(wèi)星在重大冰雪災害也有一些應用。朱小祥等[26]利用FY-2C、D星結(jié)合modis數(shù)據(jù)在2008年南方雪災中向有關部門提供降雪天氣預報、受災區(qū)積雪覆蓋范圍等方面的遙感監(jiān)測信息。
2.4在國內(nèi)水利通信中的應用進展
靜止衛(wèi)星在水利行業(yè)中的應用除包含靜止氣象衛(wèi)星提供水利相關應用的直接產(chǎn)品外，還承擔著轉(zhuǎn)發(fā)水情數(shù)據(jù)、進行水利通信的任務。1991年，北京海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)（Inmarsat-C）地面站正式運行，開始承擔起用戶、衛(wèi)星與移動終端之間水情數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的任務，使得水情測報系統(tǒng)不受距離和下墊面條件的限制。我國自主研發(fā)的北斗導航系統(tǒng)也為水情部分流域的水情測報系統(tǒng)提供服務，承擔著部分水利衛(wèi)星通信任務，具有覆蓋范圍廣、傳輸數(shù)據(jù)量大和成本低的優(yōu)勢。此外，我國從1976年開始投資水利通信網(wǎng)。1994年，水利部一次性購買了亞洲二號的半個Ku波段轉(zhuǎn)發(fā)器，建設水利通信系統(tǒng)，經(jīng)過十多年的努力，建立了以語音、數(shù)據(jù)、圖像為媒介的水利通信網(wǎng)。2008年，亞洲二號退役，水利部又租用亞洲五號Ku波段轉(zhuǎn)發(fā)器和亞太六號C波段轉(zhuǎn)發(fā)器，實現(xiàn)混網(wǎng)組合，組建了新一代的水利通信系統(tǒng)，并于2010年投入使用，提高了抗雨衰能力，EIRP和G/T指數(shù)值在邊遠地區(qū)比前代提高了16倍，增強了發(fā)射和接收能力。新系統(tǒng)集圖像、數(shù)據(jù)、語音和應急通信業(yè)務為一體，采用新型的DVB-S2通信體制，加大傳輸帶寬，充分提高衛(wèi)星信號傳輸能力，滿足了防汛、抗旱衛(wèi)星通信需求，有效保證了水利通信系統(tǒng)的業(yè)務應用。
3存在問題與展望
靜止衛(wèi)星自身雖然有覆蓋范圍廣、成像周期短、資料來源均勻、連續(xù)、實時性強、成本低等先天性優(yōu)勢，但犧牲了傳感器精度、荷載和傳輸速率等條件，造成業(yè)務應用面窄和深化程度不夠的問題。因此，靜止衛(wèi)星在水利行業(yè)得到廣泛應用還需要解決以下幾個問題。
（1）提高衛(wèi)星穩(wěn)定性，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的持續(xù)穩(wěn)定獲取。我國的FY-2號還采用自旋穩(wěn)定姿態(tài)控制方式，衛(wèi)星運行穩(wěn)定性差，數(shù)據(jù)噪點多，難以實時穩(wěn)定更新，改進靜止衛(wèi)星姿態(tài)控制方式，提高傳感器靈敏度和穩(wěn)定性，是保證監(jiān)測數(shù)據(jù)高質(zhì)量持續(xù)穩(wěn)定傳輸?shù)挠行侄巍?/p>
（2）提高傳感器性能，滿足行業(yè)應用精度要求，深化業(yè)務應用。目前水利行業(yè)采用的靜止衛(wèi)星數(shù)據(jù)源大多空間分辨率和光譜分辨率較低，離行業(yè)應用的精度要求尚有一定距離，另外，有效荷載種類過少，監(jiān)測范圍不足，相關應用領域較窄，需加大高軌、高分辨率傳感器的研發(fā)投入，深化業(yè)務應用，在保證靜止衛(wèi)星同步、大尺度觀測特性的同時，開展新型傳感器的研究，擴展監(jiān)測領域，進行精細化研究，提高傳感器觀測精度，保證行業(yè)應用的可靠性。
（3）做好與傳統(tǒng)地面監(jiān)測數(shù)據(jù)的協(xié)同應用。不管是單一靜止衛(wèi)星遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，還是傳統(tǒng)地面監(jiān)測數(shù)據(jù)，都在反應真實水利應用狀況時存在優(yōu)缺點，做好和地面觀測數(shù)據(jù)同化處理，實現(xiàn)與傳統(tǒng)地面觀測技術(shù)的結(jié)合應用，才能提供更加全面、真實、精確地監(jiān)測數(shù)據(jù)。
（4）做好與高空間分辨率數(shù)據(jù)源的同化應用。靜止衛(wèi)星可提供全天候、大尺度的遙感監(jiān)測資料，但不足之處是空間分辨率較低，數(shù)據(jù)精度有限，做好靜止衛(wèi)星數(shù)據(jù)與高空間分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的協(xié)同應用，是保證數(shù)據(jù)精度的發(fā)展方向之一。
目前，靜止衛(wèi)星在水利方面的應用還僅限于一些氣象水文信息、水旱災害的初級監(jiān)測和水情的轉(zhuǎn)發(fā)，像水土流失、水環(huán)境狀況、灌溉面積監(jiān)測、水利工程監(jiān)測等更多水利信息的獲取應用還不深入，并且由于應用理論水平的限制，也不能完全滿足業(yè)務需求。但是，在高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率為代表的新型傳感器的研發(fā)和高穩(wěn)定姿態(tài)控制技術(shù)的發(fā)展下，隨著數(shù)據(jù)傳輸能力的提高、地面數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，靜止衛(wèi)星數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)和高空間分辨率數(shù)據(jù)的同化技術(shù)的深入研究，靜止衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應用水平將不斷提高。近期，依托高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項，我國將發(fā)射一顆高空間分辨率的光學靜止衛(wèi)星，將在衛(wèi)星姿態(tài)控制和傳感器物理指標上有重大突破，會大幅提升靜止衛(wèi)星的空間監(jiān)測能力，為地表水體變化、水利工程運行狀態(tài)監(jiān)測、農(nóng)作物長勢監(jiān)測以及水旱災害監(jiān)測與預警、突發(fā)水污染事件和其他突發(fā)災害應急監(jiān)測提供更加全面的監(jiān)測數(shù)據(jù)，相信會更加深化靜止衛(wèi)星數(shù)據(jù)在水利行業(yè)的應用水平。
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