淺談衛星通信課程教學模式

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淺談衛星通信課程教學模式:微波與衛星通信課程內容教學模式

【摘要】針對《微波與衛星通信》課程內容多、學時少、理論性強和應用領域廣等特點，以加強基礎、強化實踐、注重創新為出發點，探索如何有效合理地開展課程的理論教學，并結合學生的特點探索如何合理的安排課程內配套實驗，以及如何以學生為主體利用通信技術與多維立體互動模式提高教學效果，達到提高學生的學習興趣，銜接通信與信息類專業的基礎知識，培養學生的工程實踐能力和創新意識的目的。

【關鍵詞】微波與衛星通信；多維立體互動；教學模式

《微波與衛星通信》是電子信息工程無線通信方向必須的一門核心專業基礎課程。該課程介紹微波與衛星通信的基本原理、微波與衛星通信技術以及電波傳播原理等三大部分的知識，具有極強的理論性和抽象性。通過本課程的系統學習將有助于移動通信、射頻通信電路、無線通信電波傳播與天線技術等后續專業課程的開展。為此，本文就該課程的理論與實踐的聯合培養模式、專業知識銜接、多維立體互動教學和對分易教學平臺的應用開展探討。

一、理論與實踐聯合培養模式探究

本課程的教學目標在于：通過對《微波與衛星通信》基本原理的剖析式分析，要求學生掌握微波與衛星的基本概念、特征和系統結構，了解微波與衛星通信區別于其他無線通信技術的最基本的特點；通過學習微波與衛星通信的基本技術，要求學生掌握《微波與衛星通信》常用的調制與解調原理、信道編碼技術、多址技術；通過學習《微波與衛星通信》無線電波傳播原理，要求學生掌握電磁波的傳播特性、電波傳播鏈路的計算與設計。可以看出，《微波與衛星通信》也是一門實踐性較強的實訓課程，若學生僅限于學習書本上的基本原理、常用通信技術以及電波傳播等理論知識，并不能解決與《微波與衛星通信》相關的復雜工程問題。鑒于此，該課程需要開設一定課時量的實驗，學生可以熟悉微波與衛星通信的基本技術，掌握常用微波電路系統的測試方法和設計思想，實地測量并分析實用的微波電路部件，包括放大器、各種濾波器、混頻器和功放器等輸出的時域和頻域信號。通過使用衛星通信收發平臺、測試軟件及分析儀器，對微波電路系統進行測量和設計可以培養學生的操作能力、分析能力、知識的應用能力、協作能力等綜合素質，使學生對工程性實踐操作有更明確、更深刻、更直觀的認識，從而為學生的工程實踐應用奠定基礎。

二、專業知識銜接，提高教學效果

該課程需要扎實的數理基礎和抽象思維，因此在前期導向課程的教學活動中，比如大學物理、通信原理、移動通信等，應對相關的基本知識點做介紹。例如大學物理中的麥克斯韋方程組知識點在電波傳播中的銜接；地面移動通信中常用的調制解調技術與衛星通信背景下調制解調方案的指標差異。除了與前導向課程的銜接，還需要結合空天地海一體化技術的發展，增加該技術領域的發展前言，激發學生對課程的興趣，比如增加衛星定位、導航、深空通信、臨近空間、水聲通信等相關背景和關鍵技術的介紹。

三、以學生為主體，激發能動性

近年來，高等院校在教育教學改革方面進行了積極探索，取得了一定的成績，但仍是在以往教育機制上做的延續，因而教育模式還存在弊端，這種弊端主要體現在忽視了學生的主體地位，未能激發學生學習的主動性和能動性。為此，我們應該結合日常的教學活動，將創新性的多維立體互動式教學模式應用到理論與實踐課程教學活動中[1][2]?！段⒉ㄅc衛星通信》課程中的重點知識點的理論性比較強，僅在有限的學時中，讓學生對微波與衛星通信的基本原理有深入的理解尤為困難。若將學生作為課堂教學的主體，結合多樣化、多維度和互動式的教學模式，將會改變原有的一些固定教育方法。舉例來說，在講授衛星通信中的信道分配和多址接入時，可以等效為各樓層教室的使用時間、使用群體和群體語言等。

四、使用現代多媒體技術改革教學模式

隨著通信技術的快速發展，各種先進的現代化多媒體技術應運而生。這些技術改變了傳統的灌輸式教學方法，不再只強調教師對課堂的主導。對分易是一種新型的教學平臺，適合多種教學模式，是一款服務于高校教師的技術平臺。在《微波與衛星通信》課程管理中，利用此平臺能夠將課堂教學中的框架、重點、難點和講解內容展示給學生，同時，學生課后也能自主性、個性化的獨立學習或者開展小組討論和交流。此外，在課程中，還可以利用平臺的靈活性、快捷性、實時性和可控性等特色進行作業批閱、課后師生互動、課堂反饋和課堂分組等管理。結論：通過以上對《微波與衛星通信》課程內容設計與教學模式的探索研究，我們以學生為主體，結合電子與信息專業應用型學生的特點調整理論與實踐教學環節，重點開展理論與實踐的聯合培養。同時，采用多維立體互動的教學模式，以線上慕課微課、線下對分易平臺提高學生對課程的熱情和學習的積極性，管理課程教學，獲得較好的教學效果。同時，通過前向與后續課程的銜接，使學生掌握電子技術基礎知識體系和信息通信領域的基本理論與方法，從而具有運用理論知識解決復雜工程問題的能力。

作者：廖希 邵羽 葉志紅 單位：重慶郵電大學通信與信息工程學院

淺談衛星通信課程教學模式:衛星通信課程實驗教學探索

摘要：針對實驗設備成本制約衛星通信實驗課程發展的問題，該文分析了本科生和研究生兩種教學對象的特點，對衛星通信實驗課程的開設內容以及實驗條件建設進行了探討與摸索。本科生實驗教學設計采用低成本實驗設備，突出感性認識；研究生實驗課程突出學習的自主性，引導學生發現問題，激發學生學習興趣，并在實際教學中取得了較好效果。

關鍵詞：衛星通信；實驗教學；衛星廣播電視

截至2015年底，中國在軌運行的衛星數量已超過140顆，僅次于美國，位居世界第二。然而，伴隨著衛星數量的突破，我國的衛星產業發展卻相對滯后，尤其是地面應用系統的發展還不夠。除投入不足外，人才缺乏也是一個重要原因。衛星通信課程作為高校電子通信類專業的主干課程在激發學生對衛星通信領域的學習興趣、培養衛星通信領域的人才等方面有著不可替代的作用。

1實驗課程開設背景

由于衛星通信設備昂貴、通信衛星資源緊缺，傳統的本科《衛星通信》課程主要以理論教學為主，以實驗演示和參觀觀摩為輔，實踐教學的比例非常少。衛星通信的頻率很高，常規的仿真平臺很難實現全系統仿真，因此,有條件的院校開設的仿真實驗僅限于衛星通信的中頻部分[1]，讓學生觀察信號在中頻部分的處理與傳輸過程，深化學生對通信基本理論的認識，但這些改善無法讓學生體會到真正的衛星通信過程，也很難激發學生對衛星通信領域的學習熱情和興趣。另外，隨著衛星通信技術的迅速發展，《衛星通信》課程的教學內容需要不斷更新，與工程實際結合也更加密切，實驗教學的重要性越來越突顯。與理論教學相比，由于學時有限、實踐環節組織困難，實驗教學已成為衛星通信教學改革與發展的瓶頸。

2實驗教學內容設計

為提高衛星通信課程的教學質量，激發學生的學習熱情，對衛星通信課程實驗教學的內容和方法進行了探索，在教學實踐中取得了一定效果。具體而言，該校在通信工程專業的本科生教學中開設了《衛星通信》課程，在研究生教學中開設了《現代通信新技術》（其中包含了衛星通信的相關內容），針對不同的培養對象，教學的內容、方式方法有很大差異。

2.1本科實驗教學

本科教學中學生數量眾多，傳統的《衛星通信》實驗課程受限于實驗設備的成本，只能讓學生進行衛星通信的演示和觀摩，無法讓學生切身體會衛星通信的過程。隨著技術的發展，作為一種最廉價的衛星通信方式之一——衛星廣播電視已進入千家萬戶，它主要由天線（及其支架）、衛星電視接收機、電視機以及電源等設備組成。該系統屬于衛星通信中的單向接收地球站，而衛星通信中的反向發射鏈路與接收鏈路相似，因此，該系統完全可以作為學生體驗衛星通信過程的實驗設備。然而，雖然電視機在該系統中僅作為通信的終端設備，與衛星通信實驗課程的教學目的關聯性不強，但電視機的成本卻占據該套實驗系統的70%以上；另外，衛星廣播電視實驗的開設通常需要在室外開闊地域進行，此時系統的室外供電也將成為課程開設必須考慮的因素；上述兩個原因導致衛星電視接收系統在《衛星通信》實驗課程的開設過程中無法得到推廣。為解決該問題，通過市場調研，將衛星電視接收機和電視機的功能改由尋星儀來實現。尋星儀是融合了衛星電視接收機、電視機以及頻譜儀簡易功能的一體化設備，采用鋰電池供電，不需要市電，便于室外實驗的開設。整套系統成本低于1000元，其簡易的頻譜儀功能還可以開設衛星信標的接收實驗。尋星儀的操作界面與常規的衛星電視接收機完全相同，可以設置衛星名稱、高頻頭本振、接收頻率、符號率、極化方式等參數；連接衛星電視接收天線后，當天線對準目標衛星時即可接收到該衛星上的信號（即接收的信號強度和信號質量高于衛星接收機門限）；若目標衛星上有公開的電視節目，還可以直接使用該終端收看衛星廣播電視。在該系統上開設的實驗課程可以讓學生熟練掌握衛星通信中天線對星的基本流程與操作技巧，明確天線三維指向的參考基準與天線精確對準衛星的判斷標準，使學生對衛星通信的整個過程進行全面、整體認知，鍛煉和培養學生的實踐動手能力。本科生的實驗教學重點在于突出學生的感性認識，通過衛星實驗，使學生能夠掌握衛星通信的基本原理，明白衛星通信中對星的標準是什么，并掌握對星的常見技巧。對于學有余力的學生，啟發他們更深入了解衛星通信發展的新技術、新方向。

2.2研究生實驗教學

與本科生相比，研究生具有更大的學習自主性，理論講授不僅要細而專，還要廣而泛。在本科現有衛星通信內容的基礎上，重點講授與衛星通信相關的天線技術、陣列信號處理技術以及通信技術等的發展現狀，為研究生下一步的課題選擇提供參考。作為小班教學，研究生的衛星通信實驗課可以采用完全自主的形式——將固定衛星地球站、便攜式地球站、衛星動中通地球站以及寬帶無線通信系統、無人機視頻采集等設備交給學生進行自主組合，按照系統搭建由簡單到復雜，地球站由固定到移動，通信業務由話音到視頻的漸進過程，讓學生體會衛星通信在實際生活中的各種應用場景以及還存在亟需解決的問題，激發學生投身衛星通信領域技術研究的興趣。

3結語

衛星通信實驗課程的開設可以強化學生對衛星通信基本原理的理解和掌握，激發學生對衛星通信領域的學習興趣。該文針對本科生和研究生兩種教學對象，對衛星通信實驗課程的開設內容以及實驗條件建設進行了探討與摸索，在實際的教學過程中取得了良好效果。然而，適合于不同對象、不同接受能力的實驗內容和教學方法的改革是永無止境的，如何取得更好教學效果還需要與廣大高校的衛星通信課程教師共同探討。

作者：張峰干 井亞鵲 金偉 戴精科 單位：火箭軍工程大學信息工程系

淺談衛星通信課程教學模式:移動衛星通信論文

借助電子束自動轉向功能，該系統實現了自動操作，其電子束可以在100Hz頻率上指向并跟蹤衛星。也就是說，該系統每秒要計算該衛星的相對位置100次。分布式相陣天線還解決了“鑰匙孔”（keynole）以及“常平架自鎖”（gimballock）問題。前者是穩定電子機械天線系統的難題。由于俯仰角不到90°，這樣在頂點處就會有一片空域無法被天線光束覆蓋。后者的問題在于其天線系統俯仰角>90°、<180°，所以當常平架達到其仰角極限時，方位轉臺必須旋轉180°才能繼續跟蹤，因而不能平滑跟蹤經過其頂點的衛星。寬波束可以緩解這個問題，但是高增益天線都是窄波束，必須要有所取舍。在相控陣天線覆蓋重復區域，可以通過電子方式輕松解決。由于設計之初就是為了解決移動中的語音、數據以及流視頻問題，這種全雙向系統可以用于很多衛星通信系統，比如美國的全球寬帶衛星通信系統（WGS）和XTAR系統、西班牙衛星系統（SpainSat）以及英國的天網衛星系統（Skynet）。該系統采用115V交流電或28V直流電，功耗700W，重68kg。埃爾比特公司2013年9月，以色列艾爾比特公司（Elbit）在倫敦國際防務展上展示了基于MSR-2000系列的下一代天線Elsat2000E。該天線采用新型被動波導平面面板技術，能夠全面覆蓋Ku波段。該公司稱Elsat2000E技術性能有了巨大提升，大大超越了采用印刷電路多成分平板技術的Elsat2000。Elsat2000E新型天線直徑50cm，重15kg，性能和效率是Elsat2000的兩倍。埃爾比特公司稱其具有30Mb/s的下行速率和5Mb/s的上行速率。該公司強調該系統有個關鍵特性，即它有先進的三重跟蹤機制，具備100°仰角能力，因而可以提升移動中的跟蹤和重新鎖定性能。該公司聲稱該系統的G/T比為7dB/K，而這是信號噪聲比方式，是天線能夠接收的信號。該比值越大，從背景噪音中提取微弱信號的效果就越好。和Elsat2100相似，2000E也集成了該公司的InterSky4M軍用戰術衛星通信系統平臺，能夠在視線內、視線外以及超越地平線模式下，提供“無縫”寬帶連接。該系統在機械掃描中結合平板相陣技術，最大限度提升了覆蓋角度。它能夠達成360°全覆蓋，俯仰角度從0°～100°，這是其他系統做不到的。通常情況下，天線系統會采用碟狀天線，這是因為其增益很好，但是由于高度原因極易被探測到。

一、Ibetor公司X波段終端

2014年2月28日，西班牙Ibetor公司在華盛頓哥倫比亞特區2014衛星展上推出了新型的X波段Ib-Stom100X終端，其特點就是低矮不易探測。由于該終端高度只有20cm，該天線系統實現空氣動力的高效能和自由調整(discretion)，同時還能在極端地形情況下高效可靠連通。Ib-Stom100X專為艦船、飛機和地面車輛設計，加入了Ibetor公司設計的天線控制單元（ACU），包括慣性單元（IMU）、同千赫茲雙GPS接收器、三軸陀螺儀、加速計和磁力計。通過這種組合，該系統號稱指向精度提高0.3!，能在移動車輛上獲取衛星信號并能“瞬時”再次找回。能做到這一點，部分原因是由于該系統使用的軟件程序始終讓機械掃描天線指向衛星位置，即使信號受到遮擋仍舊如此。其關鍵參數為瞬間頻率500MHz、G/T比7.5dB/K以及波束中心上行速率高達8Mb/s。依據不同配置，其重量從75～85kg不等。根據Ibetor公司的信息，該系統已在西班牙軍隊服役。Indra公司西班牙的Indra公司提供了備選方案，它的Sotm解決方案運行在X和Ku波段上，使用低矮天線，并集成慣性導航。通過IP電臺和骨干能力，該系統的衛星通信可為旅、營一級的巡邏部隊提供服務。該系統經過專門設計，可用于任何車輛，甚至可用于小型船只。另外，其可選方案還包括Ku波段擴展頻率（13.75～14.5GHz）、加密、運行時間20min的不間斷電源，還可載有發電機，能夠提供10h電力供應。吉拉特衛星網絡公司就在Ibetor公司推出低矮天線終端之后，以色列吉拉特衛星網絡公司（Gilat）也緊隨其后，于2014年3月11日推出了“低矮光線衛星隱形光線（RaySatStealthRay）300X-M”。該系統經過專門設計，可與任何X波段衛星配套使用，可用于全球寬帶衛星通信系統（WGS）以及崎嶇道路行駛的車輛。它集成了多種動作傳感器，可以進行準確跟蹤、在最短時間獲取信號以及能夠“瞬間”再次找回信號。該系統經過設計，可以輕易裝到未經改裝的車輛上。它包含一個外置天線，長55.6cm、寬49cm、高25cm、重15kg。另外，它還有內置天線控制單元（ACU），重4.5kg。但是，由于它可以和集成MLT-1000調制解調器一起使用，故不必安裝天線控制單元。吉拉特公司新產品的G/T比為2dB/K，傳輸和接收增益分別是23和25dBi，其接收頻率為7.25～7.75GHz，傳輸頻率為7.9!8.4GHz。SR300系列還包括用于Ku波段和Ka波段的低矮天線。

二、DRS技術公司X46-V認證

2013年5月，隨著DRS技術公司的X46-V終端獲得認證，允許用于美國國防部高性能衛星網絡，該公司已能提供X-波段，為更多的偏遠、分散的軍事單位提供接入全球信息網絡（GIG）。該認證由美國國防部聯合衛星通信工程中心和美國陸軍戰略司令部頒發，從而允許X46-V用戶接入全球寬帶衛星通信系統（WGS），其語音、數據和視頻傳輸速率高達6Mb/s。除了美國部隊，澳大利亞、加大那、丹麥、盧森堡、荷蘭以及新西蘭軍隊都可以使用該系統衛星。另外，由于可以運行K-y以及Ka波段，該系統能為其它商業和軍事衛星提供更大靈活性和冗余能力。該公司還于2013年8月27日宣布，其L-3Linkabit可以提供系列移動衛星通信終端，剛剛升級了Alsat永久移動地球站許可證，可以在美國境內以及其它商業航空器上使用其Ku波段終端。該證書允許的終端包括L-3DatronFSS-4180-LP（0.33×0.46m）、FSS-4180-LC小型孔徑天線（圓周長0.46m），還包括LinkabitMPM-1000網絡中心IP衛星通信調制解調器。美國陸軍的“戰術級作戰人員信息網”（WIN-T）以及美國海軍陸戰隊的“移動網絡”中都采用了L-3終端。

三、全球移動網絡主動布局系統

Elexis公司宣布，在成功將全球移動網絡主動布局系統（Gnomad）集成到“斯特賴克”裝甲車輛之后，公司又將這一經受戰斗考驗的系統擴展到另一美軍的重要平臺，并在美國喬治亞州本寧堡的美國陸軍第7遠征作戰試驗部隊完成安裝。全球移動網絡主動布局系統易于安裝，并且不需要對現有車輛進行改造。該系統包括衛星天線、RF組件以及幾代模塊底盤，使其可以安裝在美國軍用產品目錄內以及商業用等車輛上，比如“悍馬”等。該低矮型天線尺寸為45×35×7in（合114.3×88.9×17.78cm），重量不到25kg，可用于商業和軍事衛星。由于采用開放式架構，該系統可以和許多視線內電臺以及衛星調制解調器共用，并通過解調器實現全雙向語音、數據和視頻通信。通過和超高頻或甚高頻電臺配合，比如和“單信道地面及機載無線電系統”(Sincgars)以及嵌入式GPS共用，該系統能夠在運行圖像中直接嵌入跟蹤藍軍數據。該系統傳送頻率為14.0～14.5GHz、接收頻率為17.7GHz或11.7～12.75GHz，速率分別高達512kb/s和2Mb/s。在30°仰角、23℃情況下，G/T值最低為8dB/k。羅克韋爾?柯林斯公司羅克韋爾?柯林斯瑞典通信技術公司的終端和薩博公司的四軸穩定平臺結合，從而產生了一種新型的移動衛星通信終端，既可適用崎嶇路面也可用于海上。它可以安裝到輕型越野車輛和小型船只上，也可以安裝在指揮所車輛和中型濱海船只上。這些應用由于速度快、顛簸劇烈、移動幅度大，建立和保持衛星連接非常困難。但是，該系統可以輕易解決這些問題，在高海況下時速高達50節以及崎嶇地形下速度超過40km/h，它都能在1s內自動恢復丟失的連接，同時寬帶通信速率可達10Mb/s。該系統全重約140kg，在20°仰角、11.0GHz情況下，G/T值為19dB/K。

四、泰利斯公司

2010年法國陸軍首次在阿富汗戰場部署移動衛星通信系統，而在馬里，法國陸軍也采用了泰利斯公司開發的設備，將其集成到VAB輪式裝甲車上。由于配備了X、Ku和Ka波段，該系統能夠為部署在偏遠、敵對地區的部隊提供連續不間斷的語音、數據和視頻服務。這些衛星通信系統為戰斗網絡無線電系統提供遠距離通信連通，主要用于法國“維納斯”計劃的甚高頻PR4G網絡，盡管它也可方便地集成到甚高頻/超高頻的系統中。泰利斯公司是最早應用相控陣技術公司之一，而作為主動雷達天線，它具備優越的越野跟蹤能力，集成了現代波形、抗干擾、抗簡易爆炸裝置的發射機，甚至還有防彈天線罩。長期以來移動衛星通信系統不斷革新，毫無疑問，將來還會有更多的新技術應用到該系統中。

作者：姜天元 劉華