CN102769490A - 一种极低速率的卫星移动语音通信*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种极低速率的卫星移动语音通信***，涉及卫星技术，利用现有转发式卫星导航***中的GEO通信卫星资源(也可以利用其他卫星资源)，采用极低速率的语音压缩编码和地面移动语音通信组网技术，通过卫星信道的优化设计、微小型卫星终端和地面网络控制技术的优化设计，确定卫星移动语音通信的通信体制、信号特征和***组成，建立基于转发式卫星导航***的极低速率的卫星移动语音通信***。本发明具有***资源共享、组网灵活高效和导航通信相结合的优点，可提供低成本的语音通信应用服务，可应用到天地一体化应急通信***和数据量需求较小的测量***建设中去。

Description

一种极低速率的卫星移动语音通信***

技术领域

本发明涉及卫星技术领域，是基于转发式卫星导航***的极低速率的卫星移动语音通信***。

背景技术

现有的卫星导航***包括我国的北斗一代、美国的GPS和俄罗斯的GLONASS导航***，这些***除北斗导航***有短报文通信功能外，其它***均没有提供通信功能。需要结合卫星通信网(如：海事卫星通信***，铱星通信***)等卫星资源或地面通信网资源实现通信功能。

各***的主要技术特点是：

1)北斗一代导航***

北斗一代卫星导航***是我国自行研制开发的卫星定位***，北斗一代卫星导航***由空间段、地面段和用户段三部分组成，空间段包括3颗GEO静止轨道卫星。地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站。用户段指北斗用户终端。北斗采用应答方式定位，码分多址体制，工作频段采用S+L+C波段，***可以为用户提供定位、简短数字报文通信和授时服务等。

2)GPS全球导航***

GPS是投入运行的最成功的卫星导航***。空间部分由24颗中轨轨道卫星和3颗备用卫星组成，轨道高度20200km，均匀分布在6个轨道面上(每个轨道面4颗)，轨道倾角为55°。地面控制***由监测站、主控制站和地面天线所组成。采用无源定位，码分多址体制，扩频码采用民用C/A粗码和军用P精码，频段选用L波段，能够提供高精度全球导航定位、测速和授时服务，但没有通信功能。

3)俄罗斯的GLONASS导航***

GLONASS是由俄罗斯独立研制的卫星导航***，星座共由30颗卫星组成。轨道高度1.91万公里。地面支持***由***控制中心、中央同步器、遥测遥控站(含激光跟踪站)和外场导航控制设备组成。***采用频分体制，频段选用L波段，频道间隔0.5625MHz。能够提供高精度全球导航定位、测速和授时服务，但没有通信功能。

在许多应用领域里，用户的导航定位信息的有效利用需要其它的通信手段来辅助完成，因此，导航***通常需要结合其它卫星通信网(如海事卫星通信***和铱星通信***)或地面通信网来实现通信功能。转发式卫星导航***是中科院自主研发的卫星导航定位***，它是利用现有的GEO通信卫星作为卫星导航星座实现导航定位功能的，由于这些通信卫星上有大量的转发器资源可以利用，所以开发出了极低速率(300～2400bps)的卫星移动语音通信***。

发明内容

本发明的目的公开一种极低速率的卫星移动语音通信***，是利用转发式卫星导航***中在轨的GEO通信卫星资源，以及语音通信和地面语音通信网络技术实现极低速率(300～2400bps)的卫星移动语音通信。它具有投资少、研制周期短、***组成灵活方便、使用成本低等特点，且通信覆盖面积广，不受地理环境条件和气候条件限制，特别适用于应急通信中的应急指挥、通信联络和信息传递等服务。

一种极低速率的卫星移动语音通信***，包括空间段、地面段和用户段；其空间段利用转发式卫星导航***的GEO通信卫星的转发器，通信体制采用扩频通信方式；

地面段，为地面通信中心站，采用大口径抛物面天线解决入局信号弱和通信卫星的EIRP较低问题，以满足卫星链路的要求；通信中心站作为网络协调站(NCS)负责把所有卫星信道资源分配给移动终端使用，并通过分组交换设备与地面公共通信网用户进行各类数据交换，实现***网内移动用户与公网用户的互联互通；

用户段，包括便携式、车载或船载语音通信移动终端，为小型化、低功耗，发射功率小的终端设备，对于车载或船载终端，采用简易的伺服跟踪***对卫星进行跟踪，天线采用抛物面天线或平板天线阵。

所述的极低速率的卫星移动语音通信***，其所述地面通信中心站，包括天馈线及伺服、发射和接收、时钟同步和电源子***，以完成卫星信号的基带调制解调和射频变频放大和发射接收，其抛物面天线口径为9～16米；

地面通信中心站的设备控制管理分***，完成地面站设备监控运行维护，设备配置和地面站安全管理；

地面通信中心站的地面网络控制管理分***，完成网络配置、用户管理、***控制、计费账务管理、鉴权管理和语音数据交换管理工作。

所述的极低速率的卫星移动语音通信***，其所述用户段的语音通信移动终端，包括天线、收发射频组件、收发基带、声码器和终端控制单元，其发射功率为1～10W，功耗为5～10W；车载或船载终端所用抛物面天线口径为0.45米，天线的发射/接收增益为25/22dB。

所述的极低速率的卫星移动语音通信***，其采用三种通信工作方式：

1)移动终端用户与地面站之间双向语音通信；

2)移动终端用户-经地面站-移动终端用户之间通信，在***内，移动通信终端用户之间进行语音通信，经地面站转发经卫星两跳完成；

3)移动终端用户与地面公用通信网用户通信，经地面站的交换设备，与地面公共通信网络互联互通通信。

所述的极低速率的卫星移动语音通信***，其信道分配方式为按需分配，按需分配的呼叫过程如下：

1)呼叫建立：主叫方通过控制信道向地面通信中心站发出呼叫申请信息，中心站在确认卫星信道和被叫方设备空闲的条件下，向主叫方和被叫方分配卫星信道，主叫方和被叫方进行导通测试，通过中心站建立线路；

2)通话：线路建立后，通信双方即可进行通话或数据传输；

3)拆线：通话结束后，由通话的主叫方或被叫方向地面通信中心站发出通话结束信息，地面站发回确认并回收卫星信道和用户信道。

所述的极低速率的卫星移动语音通信***，其语音编码采用语音压缩技术，信息速率为300～2400bps，使传输链路获得较大的编码扩频增益。

所述的极低速率的卫星移动语音通信***，其出站广播信道采用FDM/CDMA/S-ALOHA方式，入站回传采用CDMA/S-ALOHA体制，调制方式采用QPSK或BPSK，I支路传送信令数据，Q支路传送语音数据。

本发明的技术特点：

1)本发明可利用转发式卫星导航***中现有的通信卫星资源，不用单独发射专用通信卫星，实现不受地理环境和时间的限制，有大区域范围的通信覆盖，能提供应急语音通信服务，具有投资少，建设周期短，使用成本低，组网简单等特点；

2)本发明的移动终端采用低功耗设计，发射功率小，天线采用高增益赋型天线并带有简易的伺服控制***，满足车、船载对天线的伺服跟踪的技术要求，终端制造成本低。

3)本发明的地面站中心站可作为网络协调站，对网内的卫星移动语音终端用户进行动态管理，***内专门设计网络管理方式。同时也可作为关口站，网络接口和协议采用标准的公网的通信协议和接口，可以与公网的数据网、电话网和广域网互联互通。

4)本发明具有***易于扩展，除语音通信外功能外，还可以提供数据报文、图像传输等服务，它具有导航通信一体化功能，可提供用户时间和位置的服务和各行业用户管理的增值业务应用服务。***使用经济合理，***集成组网灵活。

附图说明

图1为本发明的一种极低速率卫星移动语音通信***示意图；

图2为本发明地面通信中心站组成示意图；

图3为本发明极低速率卫星移动语音通信终端示意图；

图4为本发明语音通信工作方式示意图；其中：

图4a为移动终端用户与地面站之间双向语音通信；

图4b为移动终端用户与地面站、公用通信网用户通信；

图4c为移动终端用户-经地面站-移动终端用户之间通信；

图5为本发明话音呼叫管理示意图。

具体实施方式

本发明的一种极低速率的卫星移动语音通信***组成包括空间段、地面段和用户段，是以极低的语音压缩编码速率技术为基础设计的卫星移动语音通信***，通过***卫星信道的优化设计，传输链路的优化设计、微小型终端和地面网络控制技术的优化设计，确定卫星通信的通信体制、信号特征和***组成。

本发明***的空间段是为转发式卫星导航***中现有通用的GEO通信卫星上的转发器，用来对***载波调制信号进行转发。GEO通信卫星包括地球同步轨道上的通信卫星以及小倾角地球同步轨道通信卫星。

本发明***的地面段是指地面通信中心站，是本***的重要组成部分，具有对***内移动终端用户管理，空间通信和控制信道接口管理，用户语音数据与地面公用通信网语音数据交换等综合功能。

本发明***的用户段是移动语音终端，根据用户需求可分为便携式、车载式、船载式等类型，可以为用户提供极低速率的语音通信和数据传输等功能服务，移动终端采用可折叠小口径抛物面天线和简易的伺服控制***对天线进行方位伺服控制。

本发明***是利用转发式卫星导航***中已有的通信卫星资源进行***集成创新，对这些卫星通信和地面网络资源进行优化设计，实现了极低速率的卫星移动语音通信功能。为此做到了在一个卫星导航***里实现导航定位和语音通信双重功能，扩展了卫星导航的技术应用领域和应用模式。

本发明与现有导航***实现通信功能的主要技术区别：

1)上述***中美国的GPS和俄罗斯的GLONASS等导航***没有用于通信的转发器资源，因此***内不能提供通信服务功能。我国的北斗一代导航***，用于通信的卫星资源只有8MHz带宽，现只能提供基于位置服务的短报文通信，通信功能和能力受限。本发明***采用转发式卫星导航***中现有的GEO通信卫星资源(C波段)，开发出极低速率的卫星移动语音通信功能。

2)用户对导航定位信息进行有效利用需要有通信手段辅助，GPS和GLONASS导航***要将定位信息进行交流，需要借助于全球的卫星通信网(如海事卫星通信***，铱星卫星通信***等)或地面通信网来完成。本发明***可以在一个导航***内实现语音通信功能，实现导航和通信的一体化结合。

3)上述***要提供全球或地区性卫星导航通信一体化服务，***组成配置、信号体制协同、星地网络的协调管理、使业务服务变得很复杂。本发明***可以在区域内，充分利用转发式卫星导航***现有的卫星资源和地面网络资源，快速、低成本的提供语音通信的应用服务。

4)GPS和GLONASS均采用中轨道(MEO)卫星，而转发式卫星导航***采用高轨道的GEO卫星，因此本发明***对卫星语音移动终端低功耗和小型化的设计有更高的要求。

本发明的语音压缩编码的速率选择是根据***链路的优化设计参数确定的。卫星的EIRP(等效全向辐射功率)较低，经链路核算，采用国际标准的常用的语音编码速率是无法满足***链路余量的要求。本发明***用的是极低速率语音压缩编码技术，它是基于预测矢量量化与比特资源动态分配的能量参数量化算法，使能量参数达到高效量化，语音压缩编解码达到300～2400bps，可以满足合成语音的质量和***链路余量的设计要求。

本发明***是以地面通信中心站为控制中心的星状网控制模式，对远端的移动终端进行通信网络管理和控制。信道分配方式采用按需分配方法(DAMA)，对频率和扩频码资源进行动态分配。由于语音通信中移动终端要同时占用出入站链路，因此数据传输量是对称的，出站(地面站-移动站)的通信体制采用FDM/CDMA/S-ALOHA控制方式，入站采用CDMA/S-ALOHA控制方式。多址连接方式为码分多址(CDMA)方式。

本发明***语音通信信道分业务信道(语音)和控制信道(信令)，公用的信令信道，便于各用户终端进行信道占用申请。为满足应急呼叫需要还可以规定一条特殊的控制信道作为紧急呼叫信道。

1)组网方式

本发明***主要有GEO通信卫星、地面通信中心站和远端的卫星移动语音通信终端三部分组成，***采用星形网络结构，其示意图如图1所示。

空间段：

本发明的空间部分采用转发式卫星导航***的GEO通信卫星，由于可利用的GEO通信卫星在轨数量很多，卫星资源非常丰富，因此开发语音通信***是可行的，***的投资和运行使用费用比较低。我们把亚太1号通信卫星(142°E)的转发器资源用于***设计，这颗卫星现已变成小倾角的同步轨道通信卫星，它的EIRP较低，在覆盖范围内仅有36dBw，要实现卫星移动语音通信终端小型化、低功耗的要求难度较大。为此，在***设计上，充分利用了通信卫星通信转发器资源丰富的特点，采用以频率资源换取功率资源的做法，因此***通信体制采用扩频通信方式。

地面段：

地面通信中心站采用大口径抛物面天线(口径为9～16米)解决入局信号弱和通信卫星的EIRP较低问题，以满足卫星链路的要求。通信中心站作为网络协调站(NCS)负责把所有卫星信道资源分配给移动终端使用，并通过分组交换设备与地面公共通信网用户进行各类数据交换。实现***网内移动用户与公网用户的互联互通。

本发明地面通信中心站组成框图如图2所示。地面站由卫星通信设备、地面设备控制管理和地面网络控制分***组成。

地面站设备分***包括天馈线及伺服、发射和接收、时钟同步和电源子***等，主要完成卫星信号的基带调制解调和射频变频放大和发射接收。

地面站设备控制管理分***主要完成地面站设备监控运行维护，设备配置和地面站安全管理。

地面网络控制管理分***主要完成网络配置、用户管理、***控制、计费账务管理、鉴权管理和语音数据交换管理等。

用户段：

本发明语音通信终端包括天线、收发射频组件、收发基带、声码器和终端控制单元组成。终端组成如图3所示。

语音数据终端分为便携式、车载和船载移动终端，终端要求小型化、低功耗，发射功率小(1～10W)，对于车载和船载终端，采用简易的伺服跟踪***对卫星进行跟踪，天线可以采用抛物面天线或平板天线阵。试验时用了口径为0.45米的抛物面天线，天线增益为25/22dB(发射/接收)。

2)通信工作方式

本发明的语音通信是全双工语音通信方式，为了使***具有更多的用途，增强应用灵活性和地面公用通信网的兼容性，可以采用三种通信工作方式。

1)移动终端用户与地面站之间双向语音通信；

2)移动终端用户-经地面站-移动终端用户之间通信，在本发明***内，移动通信终端用户之间进行语音通信，经地面站转发经卫星两跳完成，通信工作方式如图4所示；

3)移动终端用户与地面公用通信网用户通信。可以经地面站的交换设备，与地面公共通信网络互联互通通信。

4)话音呼叫过程管理

本发明的信道分配方式采用按需分配，按需分配的呼叫过程有如下三个基本阶段：

4)呼叫建立：主叫方通过控制信道向地面通信中心站发出呼叫申请信息，中心站在确认卫星信道和被叫方设备空闲的条件下，向主叫方和被叫方分配卫星信道，主叫方和被叫方进行导通测试，通过中心站建立线路。

5)通话：线路建立后，通信双方即可进行通话或数据传输。

6)拆线：通话结束后，由通话的主叫方或被叫方向地面通信中心站发出通话结束信息，地面站发回确认并回收信道(包括卫星信道和用户信道)。话音呼叫过程管理如图5所示。

本发明关键技术和可行性

1)极低速率语音通信体制设计

本发明***的移动语音终端的设计关键是要解决低功耗问题，设计要求功率要小(1～10W)，功耗5～10W，在GEO卫星EIRP较低的条件下，就需要利用频率带宽换取功率，因此可以采用扩频的调制方式，获取足够的扩频增益。对于语音通信，是面向用户的实时需要而分配信道的，每个用户可以随机申请信道，因此，***采用FDM/CDMA/S-ALOHA的多址方式，即出站广播信道采用FDM/CDMA/S-ALOHA方式，入站回传采用CDMA/S-ALOHA体制。对于双向实时语音通信，为了实现用户语音链路分配、呼叫申请、建立等信令，需要具有业务信道(语音信道)，信令信道(控制信道)工作模式，因此调制方式采用QPSK或BPSK，I支路传送信令数据，Q支路传送语音数据。语音通信可以“一跳”连通，语音移动终端与经地面站交换的地面公用通信网的用户通话，也可以“二跳”完成，语音移动终端之间经中心站转发的通信，这在应急通信过程中非常有价值。

可行性：本发明的通信体制是在现有的卫星移动语音通信网的通信体制的基础上，进行了优化设计，高效利用通信信道的频率资源进行动态分配，以满足应急通信为主要需求的。设计时尽量简化***的复杂性，增强本发明使用的灵活性和应用的多样性，因此，本发明在通信体制上是可行的。

2)极低速率语音通信和信道纠错编码关键技术

采用极低的语音数据编码技术-基于预测矢量量化与比特资源动态分配的能量参数量化算法，使能量参数高效量化，使语音压缩编码可低到300bps，满足合成语音的质量要求。由于小倾角倾斜同步轨道卫星的机动性、空间传输过程中的信号衰减和随机突发干扰等引起的信道恶化，以及由于信息传输速率的限制，所以要设计出有效的信道校验和纠错方法，采用卫星语音通信链路差错控制技术来保证数据传输的可靠性和质量。利用多码道多载波CDMA复用技术，实现更进一步提高信息传输效率。

可行性：现已研制和开发出极低速率(300～2400bps)的语音压缩编码技术，语音质量可以满足通话要求，相应的技术标准正在制定中，因此，本发明语音***信源编码和信道编码技术是可行的。

3)简易伺服跟踪***的设计

在移动卫星通信***设计的过程中，要考虑通信终端对邻星的干扰，要满足国际电联发射功率谱密度限制。现有的动中通***天线通常采用窄波束和复杂的伺服控制跟踪***，使得***对相邻卫星在保持相互之间距离的情况下有可能进行频率的复用和极化方式的复用，在需要有较高速率的语音和图像传输时，通常是通过提高天线本身的特性如增加波束增益及旁瓣特性的方法或增加发射功率来解决链路余量不足问题的。增加功率和天线的增益，势必要增加终端设备的复杂性和功耗，不满足语音终端设备的小型化的设计要求。本发明采用高增益、高效率便携式的赋形天线，天线方向图在俯仰方向波束较宽，方位方向较窄，伺服控制在俯仰方向可调，方位方向伺服控制，因此简化了天线的伺服控制跟踪***。

可行性：卫星移动终端的伺服跟踪技术，已应用到动中通***，本发明结合本***对卫星跟踪精度的要求，采用卫星轨道数据闭环跟踪工作方式，简化了跟踪伺服的结构复杂性，降低了成本，开发出了简易的天线伺服跟踪***，因此，在技术上是可行的。

Claims (7)

1.一种极低速率的卫星移动语音通信***，包括空间段、地面段和用户段；其特征在于，空间段利用转发式卫星导航***的GEO通信卫星的转发器，通信体制采用扩频通信方式；

地面段，为地面通信中心站，采用大口径抛物面天线解决入局信号弱和通信卫星的EIRP较低问题，以满足卫星链路的要求；通信中心站作为网络协调站负责把所有卫星信道资源分配给移动终端使用，并通过分组交换设备与地面公共通信网用户进行各类数据交换，实现***网内移动用户与公网用户的互联互通；

用户段，包括便携式、车载或船载语音通信移动终端，为小型化、低功耗，发射功率小的终端设备，对于车载或船载终端，采用简易的伺服跟踪***对卫星进行跟踪，天线采用抛物面天线或平板天线阵。

2.如权利要求1所述的极低速率的卫星移动语音通信***，其特征在于，所述地面通信中心站，包括天馈线及伺服、发射和接收、时钟同步和电源子***，以完成卫星信号的基带调制解调和射频变频放大和发射接收，其抛物面天线口径为9～16米；

地面通信中心站的设备控制管理分***，完成地面站设备监控运行维护，设备配置和地面站安全管理；

地面通信中心站的地面网络控制管理分***，完成网络配置、用户管理、***控制、计费账务管理、鉴权管理和语音数据交换管理工作。

3.如权利要求1所述的极低速率的卫星移动语音通信***，其特征在于，所述用户段的语音通信移动终端，包括天线、收发射频组件、收发基带、声码器和终端控制单元，其发射功率为1～10W，功耗为5～20W；车载或船载终端所用抛物面天线口径为0.45米，天线的发射/接收增益为25/22dB。

4.如权利要求1所述的极低速率的卫星移动语音通信***，其 特征在于，采用三种通信工作方式：

1)移动终端用户与地面站之间双向语音通信；

2)移动终端用户-经地面站-移动终端用户之间通信，在***内，移动通信终端用户之间进行语音通信，经地面站转发经卫星两跳完成；

3)移动终端用户与地面公用通信网用户通信，经地面站的交换设备，与地面公共通信网络互联互通通信。

5.如权利要求1所述的极低速率的卫星移动语音通信***，其特征在于，信道分配方式为按需分配，按需分配的呼叫过程如下：

1)呼叫建立：主叫方通过控制信道向地面通信中心站发出呼叫申请信息，中心站在确认卫星信道和被叫方设备空闲的条件下，向主叫方和被叫方分配卫星信道，主叫方和被叫方进行导通测试，通过中心站建立线路；

2)通话：线路建立后，通信双方即可进行通话或数据传输；

3)拆线：通话结束后，由通话的主叫方或被叫方向地面通信中心站发出通话结束信息，地面站发回确认并回收卫星信道和用户信道。

6.如权利要求1所述的极低速率的卫星移动语音通信***，其特征在于，所述极低速率，是语音编码采用语音压缩技术，信息速率为300～2400bps，使传输链路获得较大的编码扩频增益。

7.如权利要求1所述的极低速率的卫星移动语音通信***，其特征在于，出站广播信道采用FDM/CDMA/S-ALOHA方式，入站回传采用CDMA/S-ALOHA体制，调制方式采用QPSK或BPSK，I支路传送信令数据，Q支路传送语音数据。 

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