卫星通信系统状态监控软件架构设计论文

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　　摘要：卫星作为一种超大跨度的通信单元,其能够解决传统通信的空间局限问题,从而保证了通信的持续性和可靠性。本文以卫星通信系统状态监控为切入点,结合计算机软件、通信、人工智能等技术,提出一种新的卫星通信系统状态监控软件架构,从而实现对卫星通信系统状态的动态监视和控制,以便工程技术人员及时对卫星通信系统故障做出响应。

　　关键词：卫星；通信；状态监控；软件架构

　　Design of Satellite Communication System Status Monitoring Software Architecture

　　【Abstract】：As a super large span communication unit,satellites can solve the spatial limitations of traditional communication,thereby ensuring the continuity and reliability of communication.This article takes the monitoring of satellite communication system status as the starting point,and combines computer software,communication,artificial intelligence and other technologies to propose a new software architecture for satellite communication system status monitoring,in order to achieve dynamic monitoring and control of satellite communication system status,so that engineering technicians can respond to satellite communication system faults in a timely manner.

　　【Key words】：satellite;communication;status monitoring;software architecture

　　卫星通信系统在轨工作期间的状态将直接影响天地通信质量,当其出现故障时,由于无法及时进行故障修复,将导致较为严重的后果。因此,通过对卫星通信状态监控软件,能够实时获取卫星通信系统各模块数据,并利用故障模型对其发生故障可能性进行预测,从而制定维修方案[1]。卫星通信系统状态监控软件将提高系统自检能力,并能够基于故障模型预测不同故障的发展几率,这也是未来在轨卫星智能化的重要发展方向。

　　1卫星通信系统状态监控软件架构

　　卫星通信系统主要由通信卫星、地面站、移动站组成,而地面站、移动站在与通信卫星进行信息交互的过程中,卫星通信系统状态的变化将直接体现在信息交互质量上,并且,卫星通信系统还会动态采集软硬件状态信息,以提高卫星通信系统状态监控质量。基于这一设计要求,卫星通信系统状态监控软件整体架构设计将包括应用层、业务层、功能模块层、数据链路层和物理层（如图1所示）。

　　2卫星通信系统状态监控软件架构设计功能解析

　　卫星通信系统状态监控软件功能的实现需要与之相适应的软件架构设计,该软件不仅需要辅助完成通信功能,还能够通过系统所传输的大量信息对其状态进行监控。为提高卫星通信系统监控效果,则需要在其架构设计的基础上进行功能优化[2]。其中,该软件核心架构与功能构成主要包括以下几个方面。

　　2.1应用层与系统状态管理功能

　　卫星通信系统需要根据实际情况选择最佳的工作状态,随着人工智能技术与大数据技术的日益成熟,远程遥控已经不再是卫星通信系统状态管理的唯一方法,其可以根据系统实际情况选择最佳的工作模式。例如,应用层可以在外界干扰现象较为严重的情况下选择多种抗干扰工作模式,并根据通信质量选择最佳信道和频率。

　　应用层可实现系统状态管理、功率管理、兼容管理和频率管理。所谓状态管理,是基于卫星所属方的实际需求所采取的工作状态,如加密通信状态、定向通信状态等；功率管理功能则可以通过调整卫星发射功率满足更远距离的传输需求,亦或者应对白噪声；兼容管理功能可以在多个卫星联网的情况下提高系统之间的兼容性,同时也能够接入更多基站；频率管理是一种普遍的系统状态管理功能,尤其是在空间电磁干扰较为明显的情况下,频率管理的抗干扰优势将得以发挥。

　　2.2业务层与系统状态监控功能

　　卫星通信系统状态监控功能的实现得益于业务层的逻辑设计,将心跳、通信、数据处理、警告处理作为监控功能的主要业务逻辑模块能够实现基本的监控需求。在通信系统中,心跳是数据传输的关键,卫星通信系统状态监控软件将读取系统心跳报文（如图2所示）,当心跳报文出现异常时,则可以判定系统存在故障[3]。当卫星、基站之间能够维持正常心跳报文时,则意味着系统内各单元之间具备通信的基本条件。

　　卫星通信系统状态监控软件的核心功能是获取信息,当无法获取信息时,则意味着系统通信中断。在对通信状态进行分析后,能够定位上传、下载通道的具体故障点位,这为系统检修提供了依据。数据处理功能是以卫星通信系统为目标,通过动态获取系统中各单元、模块的工作状态,并与软件中相应阈值进行对比,提醒工程技术人员提前做好更换单元、模块的准备；利用大数据技术,该卫星通信系统状态监控软件将建立一个相对完善的状态预警模型,当相关报文、数据存在异常时,该系统将通过多种方式发出警告,以降低突发故障造成的损失。

　　2.3功能模块层与系统数据管理

　　为实现系统状态监管功能,该软件架构设计中的功能模块单元增加了API接口,以便于工程技术人员访问,通过API接口设计,同样能够规范相关访问人员的权限。功能模块层的设计较为复杂,其核心功能是对卫星通信系统工作过程中的数据进行收集、存储和处理,为业务层提供可靠的数据参考,即通过数据库模块实现。数据管理功能的设计主要包括数据协议池、数据库,并与业务层、物理层进行直接关联（如图3所示）。

　　该数据库的设计增加了具有可扩展性的数据协议池,这与API接口设计的基本原则保持一致,并能够通过对数据库协议的编辑,从而在实现卫星通信系统状态监管的同时,还可以对系统进行升级[4]。由于业务层、硬件层与数据库直连,从而保证了数据传输的可靠性,并且,通过构建分布式数据库,则进一步提升了功能模块层的容灾能力,当系统状态异常时,可通过切换备用数据库重启系统,大大缩短了系统平均修复时间（Mean Time to Repair,MTTR）。

　　2.4数据链路层与通信状态管理功能

　　卫星通信系统的通信链路主要包括有线通信和无线通信两种模式,其在通信链路的搭建方面具有一定的复杂性,任意链路出现故障时,卫星通信质量都将受到不同程度的影响。因此,卫星通信系统状态监控软件设计中增加了多个协议（如表1所示）,借助完善的通信协议体系,则可以优化系统状态判定依据。

　　2.5物理层与系统硬件控制功能

　　卫星通信系统化妆台监控软件架构设计不仅要动态获取系统状态信息,还需要根据系统实际状态对其硬件进行控制,从而保证通信系统的可靠性[5]。物理层是由卫星通信系统中所有具有控制端口的硬件组成,如数据接口、天线伺服控制器、数据采集器等,系统状态监控软件在预测故障风险的情况下,则需要通过与物理层建立通信链路,从而实现对硬件状态的控制。

　　以卫星通信系统信号质量下降为例,当系统状态监控软件判定丢包率超出阈值后,系统控制措施的具体执行流程为改变信道、增加功率、调整天线方位。在以上措施都无法起到明显效果的情况下,则卫星通信系统状态监控软件将启用抗干扰功能,从而能够应对因空间电磁干扰导致的信号质量下降等问题。

　　3总结

　　卫星通信系统为航海、航天等提供了高质量的实时信息传输服务,基于卫星通信系统的重要性,以及参考既往卫星通信系统所发生的各种故障,该卫星通信系统状态监控软件架构设计将进一步提升系统可靠性与稳定性。同时,该软件还可以实现对系统软、硬件的动态控制,以及通过API接口进行人为介入,并与多个卫星通信系统之间具有较强兼容性,这将推动大规模卫星通信网络的建设。

　　参考文献

　　[1]张峻.自台监控系统在广电高山台站的应用[J].电视技术,2023,47(1):211-214.

　　[2]张连翀.我国商业遥感卫星建设及典型数据服务[J].卫星应用,2022(7):8-11.

　　[3]常志惠.网络通信协议在电气监控系统中的应用[J].建材与装饰,2020(15):164+166.

　　[4]王星星,徐斌,唐梦辉,等.我国遥感卫星系统X频段数传频率兼容性评估方法[J].航天器工程,2022,31(4):16-23.

　　[5]胡应非.通信设备的带外网络管理系统设计与实现[J].现代信息科技,2020,4(24):70-72.

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