通信卫星数据采集与控制技术及其应用
日期：2008-1-25摘要通信卫星数据采集与控制技术是通信技术与遥测、遥控、遥 监技术相结合的应用技术，在国民经济的许多部门有广泛的应用前景。本文简要综述了通信 卫星数据采集与控制技术的特点、发展状况、应用系统组成及工作原理、主要关键技术和应 用前景。
关键词通信卫星数据采集与控制平台
The Communication Satellite Supervisory
Control and Data Acquisition Network and Its Application
Abstract：In this paper are discussed the communication satellite supervisory control and data acquisition network with its character,current situation,system constitutio n，key technique and application prospects.
Key Words：Communication satelliteData acquisitionSu pervisory control
1通信卫星数据采集与控制技术的主要特点
通信卫星数据采集与控制技术是适应经济社会对遥远距离、分散的大范围的数据采集与控制 技术的需求而发展起来的。例如电力网运行状态的监测监控；石油天然气管道状态的监测监 控；水利水电部门对大江大河、大水电站上游流域水文数据的监测和对水库闸门的监控等。 过去由于经济的、技术的原因，许多部门很难实现自动的、实时的数据采集与控制。随着航 天遥测、遥控、遥监和卫星通信等高新技术的发展和应用，完全能对各种远距离的、分散的 、大范围的各种监测量根据要求进行自动采集，经通信卫星传输到数据中心接收站，处理后 送给用户应用系统进行分析、判断，发出指令对远方的控制机构进行控制。
通信卫星数据采集与控制技术有如下主要特点：
(1)系统中传送的信息不是人们活动产生的话音、图像，而是由各种传感仪器对被检测电量 或非电量进行自动提取测量的数据。
(2)由于应用的特点，数据传输速率属于低速率，一般小于9.6kbps，用得最多的是2.4kbp s,1.2kbps。
(3)网络拓朴结构主要是星形网，便于用户管理中心对大量分散的测量控制点进行管理、监 控。
(4)由于用户部门的业务要求，远端站应是全自动的、无人值守的、可野外工作。
(5)为适应野外工作的环境条件，远端站应具有防水、防尘、防盐雾等性能，适应严寒与酷 暑的环境能力和太阳能供电能力。
(6)远端站应是高可靠、低功耗、重量轻、体积小。
(7)远端站数据报告模式以询问式为主，兼有定时式，随机报告式。
(8)数据中心站可对远端站进行遥控以及对应用目标进行控制。
2通信卫星数据采集与控制技术发展情况
通信卫星数据采集与控制技术的发展是基于社会的需求和卫星通信技术的进步。
首先通信卫星采用了大功率转发器，大尺寸多波束天线以及Ku、Ka频段的使用，大大简化了 地面设备，降低了地面站成本，使得卫星通信技术能够应用于数据采集与控制系统。
其次微电子技术、微处理器技术的进步，使卫星地面远端站可以实现智能化、小型化、高可 靠，使大范围分散的远端站能实现全自动化管理，无人值守。
再则，过去卫星通信设备价格昂贵令人望而生畏。近年来微电子技术及其产品规模化、商品 化，价格急剧下降，用于数据采集与控制系统的远端站设备已降到人们可以接受的价格，如 4～5万人民币。
最后在空间资源方面，近年来亚太地区兴起通信卫星发射热，根据有关公司预测，亚太 地区卫星转发器的总数将由现在的1500台猛增到2001年的2500台，而且这些卫星转发器寿命 都在10～15年。现在卫星转发器市场已经形成一个买方市场，预计转发器租用价将呈降低之 势，这也为通信卫星数据采集与控制技术的应用提供了有利条件。
由于上述这些条件--社会需求和卫星通信技术的进步，国内厂商已经或正在开发通信卫星 数据采集与控制系统，有的已应用于实际工程。
3通信卫星数据采集与控制系统组成及工作原理
3.1组成
通信卫星数据采集与控制系统由通信卫星转发器，数据采集与控制平台(DCP) ，用户数据中心站和网络管理站组成。如图1所示。
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图1系统组成 在网络结构上是星形数据采集与控制网络。在一个大系统中由若干个用户子网与网络管理协 调系统组成，每个子网由相对独立的DCP和数据接收站组成，网络管理协调系统包括网络管 理站、卫星转发器及用户子网中的管理通道。 各用户子网根据自己的业务特点和系统规范设计自己的工作方式--如采集数据报文格式、 监控方式、数据采集时间及间隔等等。 网络管理协调系统对卫星信道资源进行统一调度，对系统工作状态进行监控，发射系统导频 ，实现各子网间的数据交换，资源共享。 3.2数据采集与控制平台(DCP) 它通过各种传感器将被测物理量变换成串行或并行数据流送到单片机控制及数据信号处理器 中进行报文编码和信道编码。经调制变频、放大，由天线发射到卫星，经转发由数据中心站 接收。数据中心站需要对多个DCP进行控制时，它发射控制指令或下载程序经卫星转发后由D CP指令接收机解调，指令译码，输出控制指令，控制外部被控机构执行某种动作或控制DCP 平台改变工作方式和工作参数。DCP组成如图2所示。 |
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图2数据采集与控制平台 3.3用户数据中心站 用户数据中心站接收系统数据采集平台发来的数据和网络管理站发来的指令，向网络管理站 发送信道需求申请及对数据采集与控制平台的控制指令。 用户数据中心站的组成包括：天馈系统，数据及网管指令接收机，信道申请及DCP控制指令 发射机，计算机系统及数据终端等部分，如图3所示。 |
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图3用户数据中心站 3.4网络管理站 网络管理站是通信卫星数据采集与控制系统运行监测、控制及管理中心。它负责卫星资源的 管理协调，网络工作状态监测，全网数据资源共享，系统运行管理等。它由天馈系统、导频 及网管指令发射机、数据及信道申请接收机相关的调制器、解调器及网管计算机系统、数据 终端计算机系统。组成如图4所示。 |
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图4网络管理站 4通信卫星数据采集与控制系统中的几个技术问题 通信卫星数据采集与控制技术的实际应用系统的设计中需要解决好以下几个技术问题。 4.1工作频段的选择 目前亚太地区通信卫星转发器工作在C频段的较多，但最近发射的也有Ku频段。卫星数据采 集与控制系统选用什么频率和系统工作体制是首先必须解决的问题。 工作频率的选择主要比较以下一些性能：技术难度，设备体积、价格，与地面微波干扰协调 ，邻星干扰的协调。 DCP常设置在边远地区，交通不便，用户要求设备体积小、重量轻，因而要求DCP天线很小， 如1米左右。若工作在C频段，波束宽度约3.5°，对于单路单载波多址方式就很难满足对邻 星干扰限制的要求。若工作在Ku频段，波束宽度约为1.5°，就能较易解决邻星干扰问题。 在与地面微波系统干扰协调方面，Ku频段比C频段更容易，因为地面微波工作频段也是C频段 。在设备价格上，Ku频段射频部件较高一点，但随着Ku频段应时普及、设备批量的增加，会 逐渐下降的。 总之，从发展的眼光看，选用Ku频段较合适，但如果采用扩频码分多址方式，用C频段也是 可以的。 4.2通信体制的选择 (1)多址方式 通信卫星数据采集与控制系统的多址方式选择和工作频段的选择密切相关。如前所述，若选 用C频段则必须采用扩频码分多址的方式，如果系统规模很大，可以采用频分-扩频-时分 相结合，即系统频段(连续的或间隔的)按一定带宽划分若干子频段，在一个子频段的多个子 系统采用码分多址方式实现频率复用，而在每个子系统内则通过时分方式进行数据采集和控 制。对于Ku频段，多址方式就比较灵活，可选用SCPC，TDMA，SDMA或它们的组合。 (2)调制方式 在通信卫星数据采集与控制系统中，因是低速率卫星通信，从技术成熟性方面或通信质量方 面来说一般选用BPSK较好。 4.3克服DCP本振频率漂移的技术 由于DCP工作环境恶劣并采用太阳能电池供电，有限的能源限制了耗电大的恒温晶振的应用 ，一般DCP都采用温补晶振。目前温补晶振的技术是稳定度低(0.5～1)×10-6，对6G Hz，14GHz频段，其频率漂移为±6kHz，±14kHz。对2.4kbps传输速率，其信息带宽为4.8 kHz。对于SCPC方式，若不采取特别技术，信道带宽将分别为16.8kHz和32.8kHz，远远大 于信息带宽，是对频率资源的浪费。 在扩频体制中，如此大的频率漂移给数字式解扩解调器的工作带来极大的困难。为解决这一 问题，可采用系统网管站发射高稳定度的导频，各DCP及用户中心站接收此导频，使其本振 稳定在导频上，实现全网频率相干。这样既可完全有效利用频带资源，又可简化用户数据中 心站的数据解调设备。 4.4DCP的智能化 为实现DCP的标准化、小型化、模块化，必须充分利用微处理器技术和微电子技术的进步。 采用单片微机，数字信号处理器及可编程逻辑阵列等器件组成共用硬件模块，通过软件和程 序下载，实现数据报告方式、数据速率、定时程序、接口参数、报文格式、工作频率和发射 功率等参数和功能的改变和调整。这样，各个不同业务的用户可选用通用的DCP，从而简化D CP硬件开发和增强系统的灵活性。 5结束语 利用通信卫星进行数据采集与控制是属于低速率数据传输范围，在迅速兴起的卫星通信技术应用中，这尚处于起步阶段；从应用范围来讲，它和气象卫星数据采集平台基本属于同一类型，但又有它的本身特点，应用范围更广。希望能把握机会，开发出适用的、可靠的、先进的通信卫星数据采集与控制系统和设备，为尽快打入国内外市场，为发展民族卫星通信事业做出应有的贡献。 参考文献 1张照炎.世界文献通信的现状及发展趋势.国际太空，1997(10，11). 2彭成等.国外民用通信文献概述.国际太空，1997(10). 3徐恩启等.Qusat在SCADT系统中的应用.电讯技术，1997(4). |
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