移动平台VSAT宽带卫星通信仿真系统的制作方法

本发明属于宽带卫星通信领域，特别是涉及一种应用于民航、高铁列车中的移动平台VSAT宽带卫星通信仿真系统。

背景技术：

VSAT(Very Small Aperture Terminal)是小口径天线卫星通信系统的简称，主要采用时分多址(TDMA)联结的方式，实现了对卫星带宽的高复用性，并且与IP网络技术高度兼容，是当今世界卫星通信的主流技术。

近年来，VSAT已经广泛应用于移动卫星通信，例如电视转播、应急通信、防灾救灾等领域。但是，当VSAT应用于速度超过120公里/小时的运输工具，特别是从2维空间运动(汽车、列车等)发展到3维空间运动(飞机)时，会遇到一系列特殊的问题：

一、多普勒效应，是指高速运动的飞机或高铁列车发出和接收的无线电信号频率发生畸变的现象，这是导致高速运动的飞机或高铁列车的通信发生中断的主要原因。多普勒效应随着运输工具运动速度(X、Y、Z三个方向的运动速度)、运动方向(X、Y、Z三个方向)、卫星位置以及信号频率的变化而发生变化，因此必须及时正确地对多普勒效应进行动态补偿，才能保证通信正常。

二、跨波束，新一代卫星大多采用多波束技术，每个波束大约覆盖100公里半径的范围。飞机和高铁列车在运行中会穿越同一卫星的多个波束，或者不同卫星的多个覆盖区域，由于不同卫星波束的频率、设置及天线指向不同，因此要求机载、车载卫星通信系统要能够自主探测每个波束的边界，并自动切换到新的卫星波束。

三、时间同步，在VSAT采用时分多址(TDMA)通信方式时，对于时间同步有着极高的要求。由于飞机和高铁列车在运动中对卫星的距离变化会导致卫星通信时延不断变化，因此需要不断通过计算卫星轨道进行修正。

对于设计机载、车载VSAT卫星宽带通信系统，由于在高速运动环境下实验的复杂性和费用大大增加，因此出于安全性和费用的考虑，我们可以先通过地面仿真系统来完成机载、车载VSAT卫星宽带通信系统的研发、测试和优化，然后再到飞机或高铁列车上进行实际测试。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种移动平台VSAT宽带卫星通信仿真系统，使其可以用于飞机、高铁列车VSAT卫星宽带通信的研发、测试和优化，非常适于实用。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种移动平台VSAT宽带卫星通信仿真系统，其包括仿真服务器和GPS综合接收机，所述GPS综合接收机与所述仿真服务器连接，所述仿真服务器接收所述GPS综合接收机采集的GPS数据，建立飞机或高铁列车运动的动力学模型，并构造飞机飞行或高铁列车运行的虚拟环境，记录并输出仿真数据，或者计算出在所述虚拟环境中VSAT卫星通信所需的各种补偿数据和控制信息输送至VSAT卫星终端，对所述VSAT卫星终端通信的状态进行控制，同时实时监测所述VSAT卫星终端通信的各种参数，对VSAT卫星通信的质量进行评估。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的移动平台VSAT宽带卫星通信仿真系统，其中所述GPS综合接收机是通过串行通信端口与所述仿真服务器连接，所述仿真服务器是通过LAN端口和/或串行通信端口与所述VSAT卫星终端连接。

前述的移动平台VSAT宽带卫星通信仿真系统，其中所述仿真服务器是利用GPS数据和所述仿真服务器内置的数学模型建立飞机或高铁列车运动的动力学模型，并构造出飞机飞行或高铁列车运行的虚拟环境，其包括多普勒效应、跨卫星波束和卫星通信时延的计算。

前述的移动平台VSAT宽带卫星通信仿真系统，其中所述仿真服务器包括显示器和存储器，计算得到的仿真数据以图表和图形的形式显示于所述显示器上，并被记录于所述存储器中，供分析研究，其中数据的记录采用无损方式，并且同时记录时间戳。

前述的移动平台VSAT宽带卫星通信仿真系统，其中所述仿真服务器是利用输入的参数和所述仿真服务器内置的数学模型建立飞机或高铁列车运动的动力学模型，并构造出飞机飞行或高铁列车运行的虚拟环境，其包括多普勒效应、跨卫星波束和卫星通信时延的计算。

前述的移动平台VSAT宽带卫星通信仿真系统，其中所述仿真服务器计算出在所述虚拟环境中VSAT卫星通信所需的各种补偿数据和控制信息输送至VSAT卫星终端，对所述VSAT卫星终端通信的状态进行控制，同时实时监测所述VSAT卫星终端通信的各种参数，对VSAT卫星通信的质量进行评估，其包括多普勒频率补偿、卫星通信时延补偿和跨卫星波束控制的计算。

前述的移动平台VSAT宽带卫星通信仿真系统，其中所述仿真服务器实时监测所述VSAT卫星终端通信的各种参数包括所述VSAT卫星终端接收或发射信号的质量、信噪比、误码率、频率、同步时间修正量、跨卫星波束切换状态、卫星上下行链路分别的通断状态及通信流量。

前述的移动平台VSAT宽带卫星通信仿真系统，其中所述仿真服务器还与VSAT卫星中枢站连接，所述VSAT卫星中枢站监测所述VSAT卫星终端发出的信号，记录其实际的频率，并计算出频率差作为多普勒频率补偿的反馈数据，以UDP方式向所述仿真服务器单播或组播，所述仿真服务器根据接收到的所述VSAT卫星中枢站的频率差对多普勒频率补偿做进一步修正。

前述的移动平台VSAT宽带卫星通信仿真系统，其中所述仿真服务器包括显示器和存储器，计算得到的仿真数据、补偿数据和控制信息与监测数据以图表和图形的形式显示于所述显示器上，并被记录于所述存储器中，供分析研究，其中数据的记录采用无损方式，并且同时记录时间戳。

前述的移动平台VSAT宽带卫星通信仿真系统，其中所述GPS综合接收机还与所述VSAT卫星终端连接，输出10MHz频率参考信号至所述VSAT卫星终端，用于高铁列车在隧道内运行情况的测试。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明移动平台VSAT宽带卫星通信仿真系统至少具有下列优点及有益效果：本发明的移动平台VSAT宽带卫星通信仿真系统通过仿真出虚拟的2维或3维高速运动环境，用于飞机、高铁列车VSAT卫星宽带通信的研发、测试和优化，可大大降低实验成本，简化实验环境，降低实验的风险，提高测试效率，是飞机、高铁列车VSAT卫星宽带通信研发的核心部件。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明移动平台VSAT宽带卫星通信仿真系统的方框示意图。

图2是本发明移动平台VSAT宽带卫星通信仿真系统工作的流程示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的移动平台VSAT宽带卫星通信仿真系统其具体实施方式、结构、方法、步骤、特征及其功效，详细说明如后。

请参阅图1及图2所示，图1是本发明移动平台VSAT宽带卫星通信仿真系统的方框示意图。图2是本发明移动平台VSAT宽带卫星通信仿真系统工作的流程示意图。

本发明移动平台VSAT宽带卫星通信仿真系统100主要由仿真服务器110和GPS综合接收机120组成，GPS综合接收机120与仿真服务器110连接，仿真服务器110接收GPS综合接收机120采集的GPS数据，建立飞机或高铁列车运动的动力学模型，并构造飞机飞行或高铁列车运行的虚拟环境，记录并输出仿真数据，或者计算出在虚拟环境中VSAT卫星通信所需的各种补偿数据和控制信息输送至VSAT卫星终端200，对VSAT卫星终端200通信的状态进行控制，同时实时监测VSAT卫星终端200通信的各种参数，对VSAT卫星通信的质量进行评估。其中，GPS综合接收机120可以通过串行通信端口与仿真服务器110连接，仿真服务器110可以通过LAN端口和/或串行通信端口与VSAT卫星终端200连接。本发明可用于飞机、高铁列车VSAT卫星宽带通信的研发、测试和优化。

以下通过具体实施例对本发明移动平台VSAT宽带卫星通信仿真系统100的应用进行说明。

实施例一

将仿真服务器110和GPS综合接收机120放置于高铁列车或者飞机内，仿真服务器110接收GPS综合接收机120采集的GPS数据，并利用GPS数据和仿真服务器110内置的数学模型建立飞机或高铁列车运动的动力学模型，构造出飞机飞行或高铁列车运行的虚拟环境，其包括利用实际导航数据计算出多普勒效应、跨卫星波束和卫星通信时延等，同时将仿真数据记录于仿真服务器内，供分析研究。仿真服务器110可具有显示器和存储器，可以使用笔记本电脑作为仿真服务器110，将计算得到的仿真数据以图表和图形的形式显示于显示器上，并记录于存储器中，其中数据的记录采用无损方式，并且同时记录时间戳。

本发明的仿真系统具有重要应用价值，利用本发明的仿真系统进行实验，可以在不对飞机或高铁列车进行任何改装(无须在运输工具上安装卫星天线)的前提下，最大限度地跟踪飞机或高铁列车实际运动的轨迹，获得实验数据，所获得的实验数据与运输工具改装后的实验数据并无实质差异，从而大大节约实验的经费，因此本发明可用于VSAT卫星通信系统设计阶段，为飞机或高铁列车的卫星宽带通信网的设计提供必要的设计依据，也可用于飞机或高铁列车卫星宽带通信系统的设备选型。

实施例二

将仿真服务器110、GPS综合接收机120和VSAT卫星终端200放置于动中通汽车内，将VSAT卫星终端200连接到动中通天线，仿真服务器110接收GPS综合接收机120采集的GPS数据，并利用GPS数据和仿真服务器110内置的数学模型建立飞机或高铁列车运动的动力学模型，构造出飞机飞行或高铁列车运行的虚拟环境，其包括利用实际导航数据计算出多普勒效应、跨卫星波束和卫星通信时延等，同时仿真服务器110计算出在虚拟环境中VSAT卫星通信所需的各种补偿数据和控制信息，其包括计算出多普勒频率补偿、卫星通信时延补偿和跨卫星波束控制等的各种补偿数据和控制信息，将这些补偿数据和控制信息输送至VSAT卫星终端200，对VSAT卫星终端200通信的状态进行控制，并实时监测VSAT卫星终端200通信的各种参数，对卫星通信的质量进行评估。其中，仿真服务器110实时监测的VSAT卫星终端200通信的各种参数包括VSAT卫星终端200接收或发射信号的质量、信噪比、误码率、频率、同步时间修正量、跨卫星波束切换状态、卫星上下行链路分别的通断状态及通信流量，这些数据对于评估实验结果、优化系统设计至关重要。

仿真服务器110可具有显示器和存储器，可以使用笔记本电脑作为仿真服务器110，将计算得到的仿真数据、补偿数据和控制信息与监测数据以图表和图形的形式显示于显示器上，并记录于存储器中，供分析研究，其中数据的记录采用无损方式，并且同时记录时间戳。

仿真服务器110还可通过卫星信道、3G网络或者互联网与VSAT卫星中枢站连接，VSAT卫星中枢站监测VSAT卫星终端200发出的信号，记录其实际的频率，并计算出频率差作为多普勒频率补偿的反馈数据，以UDP方式通过卫星环路、3G网络或者互联网向仿真服务器110单播或组擂，仿真服务器110根据接收到的多普勒频率补偿的反馈数据评估多普勒频率补偿的效果，对多普勒频率补偿做进一步修正。

GPS综合接收机120还与VSAT卫星终端200连接，输出10MHz频率参考信号至VSAT卫星终端200，用于高铁列车在隧道内运行情况的测试。

此时，本发明的仿真系统可以借助现有的动中通汽车装备进行一些特殊情景的测试，例如，沿卫星矢径在地面投影的方向笔直前进(此时多普勒效应最为严重)，或者测试遮挡后的通信恢复时间，也可以在二维运动空间仿真三维运动空间的部分特性。

实施例三

将仿真服务器110和VSAT卫星终端200放置于实验室中，在静止情况下不连接GPS综合接收机120，仿真服务器110利用输入的参数和仿真服务器110内置的数学模型建立飞机或高铁列车运动的动力学模型，并构造出飞机飞行或高铁列车运行的虚拟环境，其包括根据设定的条件计算出多普勒效应、跨卫星波束和卫星通信时延等，同时仿真服务器110计算出在虚拟环境中VSAT卫星通信所需的各种补偿数据和控制信息，其包括计算出多普勒频率补偿、卫星通信时延补偿和跨卫星波束控制等的各种补偿数据和控制信息，将这些补偿数据和控制信息输送至VSAT卫星终端200，对VSAT卫星终端200通信的状态进行控制，并实时监测VSAT卫星终端200通信的各种参数，对卫星通信的质量进行评估。

其中，仿真服务器110可以利用输入的参数和内置的数学模型和卫星覆盖图，在静止状态下仿真飞机或高铁列车穿越同一卫星不同波束、或者不同卫星覆盖区的情景，控制VSAT卫星终端切换频率、主站ID、回传载波ID等参数，实现跨波束切换，同时计算新波束的卫星方位角、俯仰角和极化角，模拟向天线控制器发出卫星指向切换命令(由于本系统不包含天线控制器，所以天线控制器命令只记录，不发出)。仿真服务器110可以利用输入的参数和内置的数学模型，在静止状态下模拟计算出运动产生的卫星通信时延，作为补偿数据提供给VSAT卫星终端200。这种时延可以用纳秒或毫秒的形式给出，也可以用地理位置变化的形式给出。

其中，仿真服务器110实时监测的VSAT卫星终端200通信的各种参数包括VSAT卫星终端200接收或发射信号的质量、信噪比、误码率、频率、同步时间修正量、跨卫星波束切换状态、卫星上下行链路分别的通断状态及通信流量，这些数据对于评估实验结果、优化系统设计至关重要。

仿真服务器110可具有显示器和存储器，将计算得到的仿真数据、补偿数据和控制信息与监测数据以图表和图形的形式显示于显示器上，并记录于存储器中，供分析研究，其中数据的记录采用无损方式，并且同时记录时间戳。

仿真服务器110还可通过卫星信道、3G网络或者互联网与VSAT卫星中枢站连接，VSAT卫星中枢站监测VSAT卫星终端200发出的信号，记录其实际的频率，并计算出频率差作为多普勒频率补偿的反馈数据，以UDP方式通过卫星环路、3G网络或者互联网向仿真服务器110单播或组擂，仿真服务器110根据接收到的多普勒频率补偿的反馈数据评估多普勒频率补偿的效果，对多普勒频率补偿做进一步修正。

此时，本发明的仿真系统可以通过输入参数仿真出各种复杂的虚拟运动环境，例如超高速运动、剧烈颠簸、特殊航向、环球飞行等，可用于压力或极端条件的测试，由于无需任何外接设备，成本低。例如，我们可以利用仿真服务器110轻松仿真出高铁列车在450公里时速的虚拟环境，也可以仿真出飞机剧烈颠簸的虚拟情景，从而测试在这种极端环境中卫星通信的表现。

从上述实施例可知：本发明移动平台VSAT宽带卫星通信仿真系统100的使用方式可以灵活多变，在某些情况下，GPS综合接收机120并不是必需的，而在另一些情况下，也不必须要与VSAT卫星终端200连接，缺少GPS综合接收机120和VSAT卫星终端200不影响系统的主要功能。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。