浅谈卫星通信课程教学模式

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浅谈卫星通信课程教学模式:微波与卫星通信课程内容教学模式

【摘要】针对《微波与卫星通信》课程内容多、学时少、理论性强和应用领域广等特点，以加强基础、强化实践、注重创新为出发点，探索如何有效合理地开展课程的理论教学，并结合学生的特点探索如何合理的安排课程内配套实验，以及如何以学生为主体利用通信技术与多维立体互动模式提高教学效果，达到提高学生的学习兴趣，衔接通信与信息类专业的基础知识，培养学生的工程实践能力和创新意识的目的。

【关键词】微波与卫星通信；多维立体互动；教学模式

《微波与卫星通信》是电子信息工程无线通信方向必须的一门核心专业基础课程。该课程介绍微波与卫星通信的基本原理、微波与卫星通信技术以及电波传播原理等三大部分的知识，具有极强的理论性和抽象性。通过本课程的系统学习将有助于移动通信、射频通信电路、无线通信电波传播与天线技术等后续专业课程的开展。为此，本文就该课程的理论与实践的联合培养模式、专业知识衔接、多维立体互动教学和对分易教学平台的应用开展探讨。

一、理论与实践联合培养模式探究

本课程的教学目标在于：通过对《微波与卫星通信》基本原理的剖析式分析，要求学生掌握微波与卫星的基本概念、特征和系统结构，了解微波与卫星通信区别于其他无线通信技术的最基本的特点；通过学习微波与卫星通信的基本技术，要求学生掌握《微波与卫星通信》常用的调制与解调原理、信道编码技术、多址技术；通过学习《微波与卫星通信》无线电波传播原理，要求学生掌握电磁波的传播特性、电波传播链路的计算与设计。可以看出，《微波与卫星通信》也是一门实践性较强的实训课程，若学生仅限于学习书本上的基本原理、常用通信技术以及电波传播等理论知识，并不能解决与《微波与卫星通信》相关的复杂工程问题。鉴于此，该课程需要开设一定课时量的实验，学生可以熟悉微波与卫星通信的基本技术，掌握常用微波电路系统的测试方法和设计思想，实地测量并分析实用的微波电路部件，包括放大器、各种滤波器、混频器和功放器等输出的时域和频域信号。通过使用卫星通信收发平台、测试软件及分析仪器，对微波电路系统进行测量和设计可以培养学生的操作能力、分析能力、知识的应用能力、协作能力等综合素质，使学生对工程性实践操作有更明确、更深刻、更直观的认识，从而为学生的工程实践应用奠定基础。

二、专业知识衔接，提高教学效果

该课程需要扎实的数理基础和抽象思维，因此在前期导向课程的教学活动中，比如大学物理、通信原理、移动通信等，应对相关的基本知识点做介绍。例如大学物理中的麦克斯韦方程组知识点在电波传播中的衔接；地面移动通信中常用的调制解调技术与卫星通信背景下调制解调方案的指标差异。除了与前导向课程的衔接，还需要结合空天地海一体化技术的发展，增加该技术领域的发展前言，激发学生对课程的兴趣，比如增加卫星定位、导航、深空通信、临近空间、水声通信等相关背景和关键技术的介绍。

三、以学生为主体，激发能动性

近年来，高等院校在教育教学改革方面进行了积极探索，取得了一定的成绩，但仍是在以往教育机制上做的延续，因而教育模式还存在弊端，这种弊端主要体现在忽视了学生的主体地位，未能激发学生学习的主动性和能动性。为此，我们应该结合日常的教学活动，将创新性的多维立体互动式教学模式应用到理论与实践课程教学活动中[1][2]。《微波与卫星通信》课程中的重点知识点的理论性比较强，仅在有限的学时中，让学生对微波与卫星通信的基本原理有深入的理解尤为困难。若将学生作为课堂教学的主体，结合多样化、多维度和互动式的教学模式，将会改变原有的一些固定教育方法。举例来说，在讲授卫星通信中的信道分配和多址接入时，可以等效为各楼层教室的使用时间、使用群体和群体语言等。

四、使用现代多媒体技术改革教学模式

随着通信技术的快速发展，各种先进的现代化多媒体技术应运而生。这些技术改变了传统的灌输式教学方法，不再只强调教师对课堂的主导。对分易是一种新型的教学平台，适合多种教学模式，是一款服务于高校教师的技术平台。在《微波与卫星通信》课程管理中，利用此平台能够将课堂教学中的框架、重点、难点和讲解内容展示给学生，同时，学生课后也能自主性、个性化的独立学习或者开展小组讨论和交流。此外，在课程中，还可以利用平台的灵活性、快捷性、实时性和可控性等特色进行作业批阅、课后师生互动、课堂反馈和课堂分组等管理。结论：通过以上对《微波与卫星通信》课程内容设计与教学模式的探索研究，我们以学生为主体，结合电子与信息专业应用型学生的特点调整理论与实践教学环节，重点开展理论与实践的联合培养。同时，采用多维立体互动的教学模式，以线上慕课微课、线下对分易平台提高学生对课程的热情和学习的积极性，管理课程教学，获得较好的教学效果。同时，通过前向与后续课程的衔接，使学生掌握电子技术基础知识体系和信息通信领域的基本理论与方法，从而具有运用理论知识解决复杂工程问题的能力。

作者：廖希 邵羽 叶志红 单位：重庆邮电大学通信与信息工程学院

浅谈卫星通信课程教学模式:卫星通信课程实验教学探索

摘要：针对实验设备成本制约卫星通信实验课程发展的问题，该文分析了本科生和研究生两种教学对象的特点，对卫星通信实验课程的开设内容以及实验条件建设进行了探讨与摸索。本科生实验教学设计采用低成本实验设备，突出感性认识；研究生实验课程突出学习的自主性，引导学生发现问题，激发学生学习兴趣，并在实际教学中取得了较好效果。

关键词：卫星通信；实验教学；卫星广播电视

截至2015年底，中国在轨运行的卫星数量已超过140颗，仅次于美国，位居世界第二。然而，伴随着卫星数量的突破，我国的卫星产业发展却相对滞后，尤其是地面应用系统的发展还不够。除投入不足外，人才缺乏也是一个重要原因。卫星通信课程作为高校电子通信类专业的主干课程在激发学生对卫星通信领域的学习兴趣、培养卫星通信领域的人才等方面有着不可替代的作用。

1实验课程开设背景

由于卫星通信设备昂贵、通信卫星资源紧缺，传统的本科《卫星通信》课程主要以理论教学为主，以实验演示和参观观摩为辅，实践教学的比例非常少。卫星通信的频率很高，常规的仿真平台很难实现全系统仿真，因此,有条件的院校开设的仿真实验仅限于卫星通信的中频部分[1]，让学生观察信号在中频部分的处理与传输过程，深化学生对通信基本理论的认识，但这些改善无法让学生体会到真正的卫星通信过程，也很难激发学生对卫星通信领域的学习热情和兴趣。另外，随着卫星通信技术的迅速发展，《卫星通信》课程的教学内容需要不断更新，与工程实际结合也更加密切，实验教学的重要性越来越突显。与理论教学相比，由于学时有限、实践环节组织困难，实验教学已成为卫星通信教学改革与发展的瓶颈。

2实验教学内容设计

为提高卫星通信课程的教学质量，激发学生的学习热情，对卫星通信课程实验教学的内容和方法进行了探索，在教学实践中取得了一定效果。具体而言，该校在通信工程专业的本科生教学中开设了《卫星通信》课程，在研究生教学中开设了《现代通信新技术》（其中包含了卫星通信的相关内容），针对不同的培养对象，教学的内容、方式方法有很大差异。

2.1本科实验教学

本科教学中学生数量众多，传统的《卫星通信》实验课程受限于实验设备的成本，只能让学生进行卫星通信的演示和观摩，无法让学生切身体会卫星通信的过程。随着技术的发展，作为一种最廉价的卫星通信方式之一——卫星广播电视已进入千家万户，它主要由天线（及其支架）、卫星电视接收机、电视机以及电源等设备组成。该系统属于卫星通信中的单向接收地球站，而卫星通信中的反向发射链路与接收链路相似，因此，该系统完全可以作为学生体验卫星通信过程的实验设备。然而，虽然电视机在该系统中仅作为通信的终端设备，与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；上述两个原因导致卫星电视接收系统在《卫星通信》实验课程的开设过程中无法得到推广。为解决该问题，通过市场调研，将卫星电视接收机和电视机的功能改由寻星仪来实现。寻星仪是融合了卫星电视接收机、电视机以及频谱仪简易功能的一体化设备，采用锂电池供电，不需要市电，便于室外实验的开设。整套系统成本低于1000元，其简易的频谱仪功能还可以开设卫星信标的接收实验。寻星仪的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）；若目标卫星上有公开的电视节目，还可以直接使用该终端收看卫星广播电视。在该系统上开设的实验课程可以让学生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、整体认知，锻炼和培养学生的实践动手能力。本科生的实验教学重点在于突出学生的感性认识，通过卫星实验，使学生能够掌握卫星通信的基本原理，明白卫星通信中对星的标准是什么，并掌握对星的常见技巧。对于学有余力的学生，启发他们更深入了解卫星通信发展的新技术、新方向。

2.2研究生实验教学

与本科生相比，研究生具有更大的学习自主性，理论讲授不仅要细而专，还要广而泛。在本科现有卫星通信内容的基础上，重点讲授与卫星通信相关的天线技术、阵列信号处理技术以及通信技术等的发展现状，为研究生下一步的课题选择提供参考。作为小班教学，研究生的卫星通信实验课可以采用完全自主的形式——将固定卫星地球站、便携式地球站、卫星动中通地球站以及宽带无线通信系统、无人机视频采集等设备交给学生进行自主组合，按照系统搭建由简单到复杂，地球站由固定到移动，通信业务由话音到视频的渐进过程，让学生体会卫星通信在实际生活中的各种应用场景以及还存在亟需解决的问题，激发学生投身卫星通信领域技术研究的兴趣。

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，激发学生对卫星通信领域的学习兴趣。该文针对本科生和研究生两种教学对象，对卫星通信实验课程的开设内容以及实验条件建设进行了探讨与摸索，在实际的教学过程中取得了良好效果。然而，适合于不同对象、不同接受能力的实验内容和教学方法的改革是永无止境的，如何取得更好教学效果还需要与广大高校的卫星通信课程教师共同探讨。

作者：张峰干 井亚鹊 金伟 戴精科 单位：火箭军工程大学信息工程系

浅谈卫星通信课程教学模式:移动卫星通信论文

借助电子束自动转向功能，该系统实现了自动操作，其电子束可以在100Hz频率上指向并跟踪卫星。也就是说，该系统每秒要计算该卫星的相对位置100次。分布式相阵天线还解决了“钥匙孔”（keynole）以及“常平架自锁”（gimballock）问题。前者是稳定电子机械天线系统的难题。由于俯仰角不到90°，这样在顶点处就会有一片空域无法被天线光束覆盖。后者的问题在于其天线系统俯仰角>90°、<180°，所以当常平架达到其仰角极限时，方位转台必须旋转180°才能继续跟踪，因而不能平滑跟踪经过其顶点的卫星。宽波束可以缓解这个问题，但是高增益天线都是窄波束，必须要有所取舍。在相控阵天线覆盖重复区域，可以通过电子方式轻松解决。由于设计之初就是为了解决移动中的语音、数据以及流视频问题，这种全双向系统可以用于很多卫星通信系统，比如美国的全球宽带卫星通信系统（WGS）和XTAR系统、西班牙卫星系统（SpainSat）以及英国的天网卫星系统（Skynet）。该系统采用115V交流电或28V直流电，功耗700W，重68kg。埃尔比特公司2013年9月，以色列艾尔比特公司（Elbit）在伦敦国际防务展上展示了基于MSR-2000系列的下一代天线Elsat2000E。该天线采用新型被动波导平面面板技术，能够全面覆盖Ku波段。该公司称Elsat2000E技术性能有了巨大提升，大大超越了采用印刷电路多成分平板技术的Elsat2000。Elsat2000E新型天线直径50cm，重15kg，性能和效率是Elsat2000的两倍。埃尔比特公司称其具有30Mb/s的下行速率和5Mb/s的上行速率。该公司强调该系统有个关键特性，即它有先进的三重跟踪机制，具备100°仰角能力，因而可以提升移动中的跟踪和重新锁定性能。该公司声称该系统的G/T比为7dB/K，而这是信号噪声比方式，是天线能够接收的信号。该比值越大，从背景噪音中提取微弱信号的效果就越好。和Elsat2100相似，2000E也集成了该公司的InterSky4M军用战术卫星通信系统平台，能够在视线内、视线外以及超越地平线模式下，提供“无缝”宽带连接。该系统在机械扫描中结合平板相阵技术，最大限度提升了覆盖角度。它能够达成360°全覆盖，俯仰角度从0°～100°，这是其他系统做不到的。通常情况下，天线系统会采用碟状天线，这是因为其增益很好，但是由于高度原因极易被探测到。

一、Ibetor公司X波段终端

2014年2月28日，西班牙Ibetor公司在华盛顿哥伦比亚特区2014卫星展上推出了新型的X波段Ib-Stom100X终端，其特点就是低矮不易探测。由于该终端高度只有20cm，该天线系统实现空气动力的高效能和自由调整(discretion)，同时还能在极端地形情况下高效可靠连通。Ib-Stom100X专为舰船、飞机和地面车辆设计，加入了Ibetor公司设计的天线控制单元（ACU），包括惯性单元（IMU）、同千赫兹双GPS接收器、三轴陀螺仪、加速计和磁力计。通过这种组合，该系统号称指向精度提高0.3!，能在移动车辆上获取卫星信号并能“瞬时”再次找回。能做到这一点，部分原因是由于该系统使用的软件程序始终让机械扫描天线指向卫星位置，即使信号受到遮挡仍旧如此。其关键参数为瞬间频率500MHz、G/T比7.5dB/K以及波束中心上行速率高达8Mb/s。依据不同配置，其重量从75～85kg不等。根据Ibetor公司的信息，该系统已在西班牙军队服役。Indra公司西班牙的Indra公司提供了备选方案，它的Sotm解决方案运行在X和Ku波段上，使用低矮天线，并集成惯性导航。通过IP电台和骨干能力，该系统的卫星通信可为旅、营一级的巡逻部队提供服务。该系统经过专门设计，可用于任何车辆，甚至可用于小型船只。另外，其可选方案还包括Ku波段扩展频率（13.75～14.5GHz）、加密、运行时间20min的不间断电源，还可载有发电机，能够提供10h电力供应。吉拉特卫星网络公司就在Ibetor公司推出低矮天线终端之后，以色列吉拉特卫星网络公司（Gilat）也紧随其后，于2014年3月11日推出了“低矮光线卫星隐形光线（RaySatStealthRay）300X-M”。该系统经过专门设计，可与任何X波段卫星配套使用，可用于全球宽带卫星通信系统（WGS）以及崎岖道路行驶的车辆。它集成了多种动作传感器，可以进行准确跟踪、在最短时间获取信号以及能够“瞬间”再次找回信号。该系统经过设计，可以轻易装到未经改装的车辆上。它包含一个外置天线，长55.6cm、宽49cm、高25cm、重15kg。另外，它还有内置天线控制单元（ACU），重4.5kg。但是，由于它可以和集成MLT-1000调制解调器一起使用，故不必安装天线控制单元。吉拉特公司新产品的G/T比为2dB/K，传输和接收增益分别是23和25dBi，其接收频率为7.25～7.75GHz，传输频率为7.9!8.4GHz。SR300系列还包括用于Ku波段和Ka波段的低矮天线。

二、DRS技术公司X46-V认证

2013年5月，随着DRS技术公司的X46-V终端获得认证，允许用于美国国防部高性能卫星网络，该公司已能提供X-波段，为更多的偏远、分散的军事单位提供接入全球信息网络（GIG）。该认证由美国国防部联合卫星通信工程中心和美国陆军战略司令部颁发，从而允许X46-V用户接入全球宽带卫星通信系统（WGS），其语音、数据和视频传输速率高达6Mb/s。除了美国部队，澳大利亚、加大那、丹麦、卢森堡、荷兰以及新西兰军队都可以使用该系统卫星。另外，由于可以运行K-y以及Ka波段，该系统能为其它商业和军事卫星提供更大灵活性和冗余能力。该公司还于2013年8月27日宣布，其L-3Linkabit可以提供系列移动卫星通信终端，刚刚升级了Alsat永久移动地球站许可证，可以在美国境内以及其它商业航空器上使用其Ku波段终端。该证书允许的终端包括L-3DatronFSS-4180-LP（0.33×0.46m）、FSS-4180-LC小型孔径天线（圆周长0.46m），还包括LinkabitMPM-1000网络中心IP卫星通信调制解调器。美国陆军的“战术级作战人员信息网”（WIN-T）以及美国海军陆战队的“移动网络”中都采用了L-3终端。

三、全球移动网络主动布局系统

Elexis公司宣布，在成功将全球移动网络主动布局系统（Gnomad）集成到“斯特赖克”装甲车辆之后，公司又将这一经受战斗考验的系统扩展到另一美军的重要平台，并在美国乔治亚州本宁堡的美国陆军第7远征作战试验部队完成安装。全球移动网络主动布局系统易于安装，并且不需要对现有车辆进行改造。该系统包括卫星天线、RF组件以及几代模块底盘，使其可以安装在美国军用产品目录内以及商业用等车辆上，比如“悍马”等。该低矮型天线尺寸为45×35×7in（合114.3×88.9×17.78cm），重量不到25kg，可用于商业和军事卫星。由于采用开放式架构，该系统可以和许多视线内电台以及卫星调制解调器共用，并通过解调器实现全双向语音、数据和视频通信。通过和超高频或甚高频电台配合，比如和“单信道地面及机载无线电系统”(Sincgars)以及嵌入式GPS共用，该系统能够在运行图像中直接嵌入跟踪蓝军数据。该系统传送频率为14.0～14.5GHz、接收频率为17.7GHz或11.7～12.75GHz，速率分别高达512kb/s和2Mb/s。在30°仰角、23℃情况下，G/T值最低为8dB/k。罗克韦尔•柯林斯公司罗克韦尔•柯林斯瑞典通信技术公司的终端和萨博公司的四轴稳定平台结合，从而产生了一种新型的移动卫星通信终端，既可适用崎岖路面也可用于海上。它可以安装到轻型越野车辆和小型船只上，也可以安装在指挥所车辆和中型滨海船只上。这些应用由于速度快、颠簸剧烈、移动幅度大，建立和保持卫星连接非常困难。但是，该系统可以轻易解决这些问题，在高海况下时速高达50节以及崎岖地形下速度超过40km/h，它都能在1s内自动恢复丢失的连接，同时宽带通信速率可达10Mb/s。该系统全重约140kg，在20°仰角、11.0GHz情况下，G/T值为19dB/K。

四、泰利斯公司

2010年法国陆军首次在阿富汗战场部署移动卫星通信系统，而在马里，法国陆军也采用了泰利斯公司开发的设备，将其集成到VAB轮式装甲车上。由于配备了X、Ku和Ka波段，该系统能够为部署在偏远、敌对地区的部队提供连续不间断的语音、数据和视频服务。这些卫星通信系统为战斗网络无线电系统提供远距离通信连通，主要用于法国“维纳斯”计划的甚高频PR4G网络，尽管它也可方便地集成到甚高频/超高频的系统中。泰利斯公司是最早应用相控阵技术公司之一，而作为主动雷达天线，它具备优越的越野跟踪能力，集成了现代波形、抗干扰、抗简易爆炸装置的发射机，甚至还有防弹天线罩。长期以来移动卫星通信系统不断革新，毫无疑问，将来还会有更多的新技术应用到该系统中。

作者：姜天元 刘华