卫星通信课程实验教学研究

张峰干， 井亚鹊， 金 伟， 戴精科

(火箭军工程大学 信息工程系，西安 710025)

·实验教学与创新·

卫星通信课程实验教学研究

张峰干， 井亚鹊， 金 伟， 戴精科

(火箭军工程大学 信息工程系，西安 710025)

针对高昂的实验条件建设成本长期制约卫星通信实验课程开设的问题，依托卫星通信科研实验室，研究设计了低成本的卫星通信实验条件建设方法。该实验建设充分利用计算机仿真平台，组织实验科目；依托科研设备，组织参观学习；调研卫星通信市场，建设低成本实验环境，对辅助卫星通信的本科理论教学、培养通信工程专业学生的实践动手能力和系统的通信保障能力具有重要意义。

卫星通信； 实验教学平台； 通信仿真； 天线； 低成本

0 引 言

自人造卫星出现后在不到50年的时间里，卫星通信已经从一种常规的备选技术发展为主流传输技术，并渗透到全球电信基础设施的方方面面[1]。目前，通信卫星可广泛用于数据、话音和视频传输等应用，并向固定、广播、移动、个人通信和专用网络用户提供服务。近年来，自然灾害频繁发生，特别是在地震、海啸等灾害发生后，地面通信、电力等基础设施通常都会遭到毁灭性的破坏，而卫星通信已经成为抗震救灾期间的唯一通信手段。

卫星通信课程是高校电子通信类专业本科生的一门必修课程，也是让学生系统地了解卫星通信领域的一门启蒙课程[2-5]。其教学目标是使学生掌握现代卫星通信的基本原理和主要技术，熟悉卫星地球站的基本组成与工作过程，培养学生分析和解决卫星通信实际问题的能力[6]。通常分为理论和实验教学，且实验教学是该课程的重要组成部分[7]。然而，卫星通信领域涉及的专业多、技术复杂、相关仪器设备昂贵，使得卫星通信实验课程的开设举步维艰。

1 实验课程开设背景

当前，国内部分院校的卫星通信试验课程通常只能进行实验演示和观摩，精密、昂贵的卫星通信设备无法让本科学生亲自动手实践[8]。若在卫星通信教学中仅进行理论教学和实验观摩，将无法培养学生的实践动手能力，也无法调动学生学习的自主能动性，甚至伤害部分学生对卫星通信领域的学习兴趣。伴随着卫星通信在日常生活中的应用普及，掌握卫星通信设备的操作也必将成为电子通信类专业学生的基本技能。因此，如何设计和改进卫星通信实验课程的教学方式、方法，对提升学生的相关能力素质具有重要意义[9]。

2 实验课程教学方法设计

依托卫星通信实验室现有设备，研究开发卫星通信课程的实验教学方法，使学员从通信的基本原理到卫星通信的具体过程，从单一的卫星通信到多种通信手段的综合运用，从学习理论到动手实践，将通信专业本科阶段学习的专业基础课程基本原理融会贯通到卫星通信综合实验中，培养学生系统的概念，提高学生的全局谋划能力。具体的实验教学方法主要有三方面。

2.1 基于计算机的卫星通信仿真

卫星通信技术涉及许多高科技领域，许多人感觉卫星通信距离自己的生活很远。卫星通信理论课程中讲述的内容无疑是“高大上”的，天上的卫星、大型的地面测控站等设备基本上都是在电视上才能见到，而卫星通信实验课程首要的任务就是要打消学生的疑虑，让他们真实地感受到高技术的东西并不复杂，其基本原理都是我们之前学习过的内容，而计算机仿真技术就是一种最好的系统模拟平台。

坎巴拉太空计划(Kerbal Space Program)是一款拥有极高自由度的沙盘风格航空航天模拟游戏。通过该游戏，玩家可以扮演Kerbals航空航天工作者，设计、建造并发射自己的火箭、航天飞机以及亚轨道飞行器，将航天器(卫星)送入轨道，像现实的航空航天那样计划并进行飞行，如图1所示。

通过该游戏软件可以让学生自己动手设计火箭的捆绑方式、推力大小以及飞行器在太空中的变轨、运行等操作，该游戏融学习和娱乐于一体，可以让学生直观地了解卫星发射和日常运行的全过程，明白低轨道、中轨道、高轨道卫星以及同步轨道、地球静止轨道卫星的本质差异，解开卫星通信高科技的神秘面纱。

卫星通信的核心是通信过程，其基本原理与常规的通信完全相同，利用常规的通信仿真软件完全可以实现卫星通信系统从信源采集、信号发射、卫星转发到信号接收、信息还原整个过程的仿真。SystemView软件是一款用于现代工程与科学系统设计及仿真的动态系统分析平台，具有完整的通信系统设计与仿真分析工具，且通信系统的各种功能模块应有尽有，用户还可以在标准通信库的基础上开发自己的特有库模块[10]，如图2所示。

图2 SystemView软件仿真界面

基于SystemView的卫星通信系统仿真平台可以将卫星通信的整个过程分解为信号发射系统、卫星转发系统以及地面接收系统三部分，在三部分之间加入卫星通信特有的链路损耗就可完整地再现卫星通信的实时过程。

另外，还可以通过SystemView提供的示波器、频谱分析仪等虚拟设备观察卫星通信过程中的信息采集、编解码、调制与解调、叠加噪声干扰等各阶段的信号波形和频谱，分析通信网络的误码率、抗噪声性能，对比不同编码方案、调制方式对通信过程的影响，使学生真实地理解卫星通信的基本过程。类似的仿真软件还有Matlab等[11]。

2.2 卫通设备参观观摩

任何仿真都无法完美地替代现实，在学生掌握卫星通信基本原理的基础上，还必须让学生对卫星通信的设备有直观的印象。实验室现有各种类型的卫星通信地面设备6套，从最小的卫星广播电视地球站到4.5 m口径的大型固定通信地球站，从反射面天线地球站到相控阵天线、波导馈电喇叭天线地球站，从便携式地球站到卫星动中通地球站应有尽有，如图3所示。

不管地球站的样子如何变化，其最核心的结构——三维指向和收发通信是其本质。天线的形状可以是前馈、后馈、偏馈方式，可以是圆形的反射面、矩形的相控阵、平板等，但天线的方位、俯仰和极化三维指向的基本功能是不会改变的，只有实现形式的变化，没有功能的差异；通信系统中的调制解调器、低噪声放大和下变频器、功率放大和上变频器等是所有卫星通信中必不可少的关键设备，通信频段可以变化、通信终端可以多种多样，但这些信道设备是所有卫星通信的核心[12-13]。解析不同类型的卫星通信地球站结构，可让学生能从变化多样的卫星地球站外在形式，抓住卫星通信的核心和本质，进一步加深对基本原理的理解。

依托现有设备，实验室还开发了一套无线移动通信+卫星动中通的远距离视频采集与传输系统。该系统信源采集可使用摄像机、无人机等方式，并通过一套“图传无线移动通信系统”将采集的视频信息实时地传回到在附近静止或低速行进中的载体上，依托载体上的卫星动中通系统可以将视频、图像、语音等内容通过静止轨道卫星传回4.5 m的大型地球站终端。组织学生重点观摩远距离视频采集与传输系统的3个核心节点——视频采集、车载中继以及控制终端，使学生真实感受卫星通信与其他通信方式的差异，明确卫星通信在抗震救灾等大型任务中的应用，学会各种通信方式、通信手段的合理搭配与使用，培养学生逐步形成系统的概念[14-15]。

2.3 卫星通信设备操作与实验开发

昂贵的卫星通信设备是制约卫星通信实验课程开设的主要因素。现有的卫星通信实验课程开设内容主要有卫星广播电视接收、信标接收等内容。第一个实验内容“卫星广播电视接收”系统通常由卫星广播电视天线(及其支架)、卫星广播电视接收机、电视机、电源等设备组成，虽然电视机在该系统中仅作为通信的终端设备，与我们开设卫星通信实验课程的教学目的关联性不强，但电视机的成本却占据该套实验系统的70%以上；另外，卫星广播电视实验的开设通常需要在室外开阔地域进行，此时系统的室外供电也将成为课程开设必须考虑的因素；第二个实验内容“卫星信标接收实验”的开设需要昂贵的频谱分析仪，高昂的实验建设成本导致卫星通信实验只能作为本科生教学演示和观摩，无法让学生真实地体会调整天线、对准目标卫星、建立卫星通信链路的过程。

为解决该问题，实验室采购了10套卫星广播电视接收系统。每套系统由一面卫星电视接收天线和一台寻星仪组成。前者采用市面上普通的卫星电视接收天线，而后者是融合了广播电视接收机、电视终端以及频谱仪简易功能的一体化设备，系统成本低于1 000元，如图4所示。虚线框内为常规的卫星电视接收系统所需的室内设备，成本高，且需要市电；而采用寻星仪后，设备少，且不需要市电，便于室外实验的开设。

图4 常规系统室内设备与寻星仪的对比

该寻星仪主要应用于专业的卫星广播电视安装中，操作界面与常规的卫星电视接收机完全相同，可以设置卫星名称、高频头本振、接收频率、符号率、极化方式等参数；连接卫星电视接收天线后，当天线对准目标卫星时即可接收到该卫星上的信号(即接收的信号强度和信号质量高于卫星接收机门限)；该终端支持DVB-S标准的卫星广播电视，若目标卫星上有公开的电视节目，则可以直接使用该终端收看卫星广播电视；携带有简单的频谱扫描功能，可以满足信标接收的实验要求；采用锂电池供电，持续工作时间超过8 h，不需要额外的电源。在该系统上开设的实验课程可以让学员熟练掌握卫星通信中天线对星的基本流程与操作技巧，明确天线三维指向的参考基准与天线精确对准卫星的判断标准，使学生对卫星通信的整个过程进行全面、整体的认知，锻炼和培养学生达到实践动手能力。

针对实验场地所处位置，激发学员自主寻找电视节目最多的卫星，鼓励有能力的学员在接收卫星电视信号的基础上，研究开发卫星通信系统的状态监测。

3 结 语

卫星通信实验课程的开设可以强化学生对卫星通信基本原理的理解和掌握，提高对卫星通信设备的操作技能。本文设计的卫星通信实验课程内容不需要精密、昂贵的实验设备，完全满足本科生通信工程专业的卫星通信教学需求。依托卫星通信科研促进卫星通信教学的不断深入发展是保持卫星通信教学活力的重要途径。

当前我国在轨的卫星数量已赶超俄罗斯，仅次于美国，但对卫星资源的利用方面，尤其是卫星地面通信设施的应用方面欠缺较大。为此，在制定“十三五”规划时将卫星通信的推广应用列入了国家的重点发展战略中。促进卫星通信地面设施的大范围推广和应用，将我国从卫星大国发展成为卫星强国的任务已迫在眉睫，通过简易的卫星通信实验让更多的人了解卫星通信的原理、熟悉卫星通信的过程、掌握卫星通信的基本技能，对于做大做强我国的卫星通信产业也必将产生重要的推动作用。

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[7] 刘 庆, 戴青云, 韩国军．移动通信技术实验教学示范中心实验教学平台建设[J]．实验室探索与研究，2016，35(7)：158-161．

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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

国家自然科学基金(61501469);陕西省高等教育教学研究改革项目

张峰干(1985-),男,河南宜阳人,博士,讲师,现主要从事卫星通信方面的教学与卫星动中通技术的研究工作。

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

TN 927； G 642.4

A

1006-7167(2017)08-0173-03