VSAT卫星通信在电力系统中应用的讨论 电力系统自动化课程课堂讨论 组长：陈杰5110309245F1103006 小组成员：马军，胡玮琦，贾天成 小组分工：我们小组主要讨论的卫星通信在电力系统中的应用，小组成员之间默契配合，合 作讨论。分工如下：马军同学主要负责搜集卫星通信的优点，胡玮琦同学负责搜 集卫星通讯可行性的数据，贾天成同学负责卫星通信存在的问题。我主要负责卫 星通信的关键技术，难点所在，以及整个讨论的整合，形成书面报告。 一、VSAT卫星通信： VSAT是Very Small Aperture Terminal的简称，即甚小口径的终端，实际表示 意义是指一类具有甚小口径天线的、非常廉价的智能化小型或微型地球站，可以 方便地安装在用户处。 二、卫星通信必要性： 在电力通信发展的前期，卫星通信曾经小范围地应用在电力调度生产上，但 是由于传统卫星通信系统传输时延长、传输速率小、地面站建设周期长等特点影 响卫星通信在电力系统中的推广应用，随着光纤通信、载波通信等通信方式的出 现和日益发展成熟，载波通信及光纤通信被大范围地应用于电力系统，卫星通信 则迅速退出电力系统通信建设领域。然而，在2008年初，中国南方电网区域遭 遇50年来最严重的冰灾，造成多出光缆中断，导致大面积通信中止。为满足局 部自然灾害及突发事件情况下的通信需求，加强广州供电局在自然灾害、重大政 治活动保供电及市、局重大活动现场的移动应急指挥通信保障能力，解决各级指 挥中心与应急现场远程通信联络，建设卫星通信系统显得非常迫切。 三、相比传统通信方式的优点： 卫星通信系统以其独特的优点，特别是对距离的不敏感性，可以灵活方便地 大范围直跳连接卫星覆盖范围内的任意站点，且卫星地面站与所在地域复杂地形 状况无关，特别适合于综合性大城市的复杂地理、地形、电磁环境中使用，具有 其它通信方式无法比拟的优势。利用卫星通信技术建设机动灵活、安全可靠、 布局合理、规模适度的电力应急指挥通信系统，增加自备机动通信手段，整体提 升应对自然灾害、处置突发事件、保障重大活动所需的应急通信能力。 与传统卫星通信网相比，VSAT卫星通信网的特点： ~面向用户而不是面向网络，VSAT与用户设备直接通信而不是如传统卫星通 信网中那样中间经过地面电信网络后再与用户设备进行通信： -小口径天线，天线口径一般小于2.4m,某些环境下可达到0.5m: ·智能化（包括操作智能化、接口智能化、支持业务智能化、信道管理智能 化等)功能强，可无人操作： ·安装方便，只需简单的安装工具和一般的地基（如普通水泥地面、楼顶、 墙壁等)： -低功率的发射机，一般几瓦以下； 集成化程度高，VSAT从外表看只能分为天线、室内单元(IDU)和室外单
VSAT 卫星通信在电力系统中应用的讨论 ——电力系统自动化课程课堂讨论 组长：陈杰 5110309245 F1103006 小组成员：马军，胡玮琦，贾天成 小组分工：我们小组主要讨论的卫星通信在电力系统中的应用，小组成员之间默契配合，合 作讨论。分工如下：马军同学主要负责搜集卫星通信的优点，胡玮琦同学负责搜 集卫星通讯可行性的数据，贾天成同学负责卫星通信存在的问题。我主要负责卫 星通信的关键技术，难点所在，以及整个讨论的整合，形成书面报告。 一、VSAT 卫星通信： VSAT 是 Very Small Aperture Terminal 的简称，即甚小口径的终端，实际表示 意义是指一类具有甚小口径天线的、非常廉价的智能化小型或微型地球站，可以 方便地安装在用户处。 二、卫星通信必要性： 在电力通信发展的前期，卫星通信曾经小范围地应用在电力调度生产上，但 是由于传统卫星通信系统传输时延长、传输速率小、地面站建设周期长等特点影 响卫星通信在电力系统中的推广应用，随着光纤通信、载波通信等通信方式的出 现和日益发展成熟，载波通信及光纤通信被大范围地应用于电力系统，卫星通信 则迅速退出电力系统通信建设领域。然而，在 2008 年初，中国南方电网区域遭 遇 50 年来最严重的冰灾，造成多出光缆中断，导致大面积通信中止。为满足局 部自然灾害及突发事件情况下的通信需求，加强广州供电局在自然灾害、重大政 治活动保供电及市、局重大活动现场的移动应急指挥通信保障能力，解决各级指 挥中心与应急现场远程通信联络，建设卫星通信系统显得非常迫切。 三、相比传统通信方式的优点： 卫星通信系统以其独特的优点，特别是对距离的不敏感性，可以灵活方便地 大范围直跳连接卫星覆盖范围内的任意站点，且卫星地面站与所在地域复杂地形 状况无关，特别适合于综合性大城市的复杂地理、地形、电磁环境中使用，具有 其它通信方式无法比拟的优势。 利用卫星通信技术建设机动灵活、安全可靠、 布局合理、规模适度的电力应急指挥通信系统，增加自备机动通信手段，整体提 升应对自然灾害、处置突发事件、保障重大活动所需的应急通信能力。 与传统卫星通信网相比，VSAT 卫星通信网的特点： - 面向用户而不是面向网络，VSAT 与用户设备直接通信而不是如传统卫星通 信网中那样中间经过地面电信网络后再与用户设备进行通信； - 小口径天线，天线口径一般小于 2.4m，某些环境下可达到 0.5m； - 智能化（包括操作智能化、接口智能化、支持业务智能化、信道管理智能 化等）功能强，可无人操作； - 安装方便，只需简单的安装工具和一般的地基（如普通水泥地面、楼顶、 墙壁等）； - 低功率的发射机，一般几瓦以下； - 集成化程度高，VSAT 从外表看只能分为天线、室内单元（IDU）和室外单
元(ODU)三个部分； 一般用作专用网而不像传统卫星通信网那样主要用作公用通信网。 四、关键技术（难点，复杂之处）： (一)、地球站技术 要使VSAT能得到更广泛的应用必须使VSAT进一步小型化，降低VSAT的 成本，为此须解决以下关键技术： 信号处理技术：通过合适的信号设计和信号处理降低VSAT系统对C/N的要求； 集成电路技术：微波电路集成化技术，采用SLIC技术； 天线技术：通过采用新的设计，使天线的尺寸进一步减小： 接口技术：采用软件可编程的接口技术以使VSAT能适应不同用户的接口要求； 抗干扰技术：包括抗外部干扰和邻站干扰技术： 数字化技术：以DSP、DDS为基础来提高VSAT的灵活性和可靠性； 一体化设计技术：通过统一设计Modem、FEC和ARQ来达到对信道资源的最 佳利用： 标准化技术：VSAT必须要标准化才能解决相互间的互通问题和实现大规模生产： 加密技术：由于任何网外用户都能收到网内用户发送的信息，任何网内用户都能 收到应由其它网内用户接收的信息，因此，VSAT网中必须解决信道加密问题。 要进行加密就涉及到加密算法和加密密钥的分配问题，而对一个网络来说尤其重 要的是密钥的分配问题。当采用密钥集中分配方式时，如果主站为每个VSAT保 留一个工作密钥，则要求主站有非常大的容量；如果为所有VSAT分配同一个工 作密钥，将失去加密的意义。若采用密钥分散分配方式，则涉及到一个密钥的安 全问题及VSAT设备的复杂性问题。 (二)、空间技术 要加强卫星的竞争力，必须降低卫星的成本、在不增加卫星重量的基础上增 加卫星的容量、增加卫星的利用率（如采用低速编码、延长卫星寿命，采用TAS1、 DSl和DCME等)、寻找地面无法实现或很难实现而卫星很容易做到的新应用。 就卫星转发器而言，需逐步解决以下关键技术： 星上处理与交换技术：使卫星成为一个交换结点，使VSAT能直接进行通信，改 善VSAT网的连接能力和吞吐量-时延性能，并把网络的复杂度从VSAT转移到 卫星，降低VSAT成本；采用星际链路后能实现不同卫星覆盖区内VSAT之间单 跳通信。 多波束/跳波束天线技术：在星上采用多波束/跳波束技术以提高卫星的EIRP和 GT,从而降低对VSAT EIRP和G/T的要求。星上信令能力：使卫星具有信令 处理能力，把现在VSAT网中网控中心的一部分功能转移到卫星上，从而缩短 VSAT通信的呼叫建立时间。中低轨道卫星技术：由于同步卫星的轨道高度很高， 传播时延和传播损耗都很大，因此VSAT不能非常小，同时也不能满足一些实时 性业务的要求，为此提出采用中低轨道卫星进行通信。由于信号的传播损耗和时 延较小，因此就不仅能更好地传输实时性业务，而且能大大减小地球站天线的尺 寸和发射机的功率。另外，采用多个低轨道卫星组成的通信系统比同步卫星通信 系统能更好地进行频率复用；同时也缓解了同步轨道上卫星过分拥挤的情况。除 了以上一些需解决的关键技术外，另外还包括增大卫星功率技术、宽带传输技术、 干扰抑制技术、多信道Modem技术等
元（ODU）三个部分； - 一般用作专用网而不像传统卫星通信网那样主要用作公用通信网。 四、关键技术(难点，复杂之处)： (一)、地球站技术 要使 VSAT 能得到更广泛的应用必须使 VSAT 进一步小型化，降低 VSAT 的 成本，为此须解决以下关键技术： 信号处理技术：通过合适的信号设计和信号处理降低 VSAT 系统对 C/N 的要求； 集成电路技术：微波电路集成化技术，采用 SLIC 技术； 天线技术：通过采用新的设计，使天线的尺寸进一步减小； 接口技术：采用软件可编程的接口技术以使 VSAT 能适应不同用户的接口要求； 抗干扰技术：包括抗外部干扰和邻站干扰技术； 数字化技术：以 DSP、DDS 为基础来提高 VSAT 的灵活性和可靠性； 一体化设计技术：通过统一设计 Modem、FEC 和 ARQ 来达到对信道资源的最 佳利用； 标准化技术：VSAT 必须要标准化才能解决相互间的互通问题和实现大规模生产； 加密技术：由于任何网外用户都能收到网内用户发送的信息，任何网内用户都能 收到应由其它网内用户接收的信息，因此，VSAT 网中必须解决信道加密问题。 要进行加密就涉及到加密算法和加密密钥的分配问题，而对一个网络来说尤其重 要的是密钥的分配问题。当采用密钥集中分配方式时，如果主站为每个 VSAT 保 留一个工作密钥，则要求主站有非常大的容量；如果为所有 VSAT 分配同一个工 作密钥，将失去加密的意义。若采用密钥分散分配方式，则涉及到一个密钥的安 全问题及 VSAT 设备的复杂性问题。 (二)、空间技术 要加强卫星的竞争力，必须降低卫星的成本、在不增加卫星重量的基础上增 加卫星的容量、增加卫星的利用率（如采用低速编码、延长卫星寿命，采用 TASI、 DSI 和 DCME 等）、寻找地面无法实现或很难实现而卫星很容易做到的新应用。 就卫星转发器而言，需逐步解决以下关键技术： 星上处理与交换技术：使卫星成为一个交换结点，使 VSAT 能直接进行通信，改 善 VSAT 网的连接能力和吞吐量-时延性能，并把网络的复杂度从 VSAT 转移到 卫星，降低 VSAT 成本；采用星际链路后能实现不同卫星覆盖区内 VSAT 之间单 跳通信。 多波束/跳波束天线技术：在星上采用多波束/跳波束技术以提高卫星的 EIRP 和 G/T，从而降低对 VSAT EIRP 和 G/T 的要求。 星上信令能力：使卫星具有信令 处理能力，把现在 VSAT 网中网控中心的一部分功能转移到卫星上，从而缩短 VSAT 通信的呼叫建立时间。中低轨道卫星技术：由于同步卫星的轨道高度很高， 传播时延和传播损耗都很大，因此 VSAT 不能非常小，同时也不能满足一些实时 性业务的要求，为此提出采用中低轨道卫星进行通信。由于信号的传播损耗和时 延较小，因此就不仅能更好地传输实时性业务，而且能大大减小地球站天线的尺 寸和发射机的功率。另外，采用多个低轨道卫星组成的通信系统比同步卫星通信 系统能更好地进行频率复用；同时也缓解了同步轨道上卫星过分拥挤的情况。除 了以上一些需解决的关键技术外，另外还包括增大卫星功率技术、宽带传输技术、 干扰抑制技术、多信道 Modem 技术等
(三)、网络技术 如何更好地把地球站和卫星结合起来，使VSAT达到最佳的性能/价格比， 这就是网络技术需解决的问题。就目前来看，VSAT网络技术需解决以下一些关 键技术： 多址访问技术和信道分配技术：开发一些新的多址访问和信道分配技术以更有效 地利用卫星信道的资源，满足业务量变化及不同业务对服务质量的要求：网络 控制技术：进一步加强网络控制的功能，提高VSAT网的智能化程度和灵活程度； 网络协议技术：进一步研究VSAT网络的通信协议及与地面设备之间的接口协议 以提高网络的适应能力和协议的工作效率： 网络安全技术：采用一些措施（如加密、通行字、自组织能力等）来提高网络的 安全等级。 五、可行性： VSAT卫星通信在电力系统中已有应用，广州供电局应急系统采用VSAT已成 功建立了一套基于VSAT卫星通信的应急通信系统，如下图。 卫星通信系统由一个应急通信车、一台便携站组成，利用广东省电网公司自 建的地面中心站，对省公司地面中心站进行带宽扩容（需要4Mbs的带宽）。 卫星业务运营商 主站系统 广东省电网公司 地面中心站 现场指挥车 使站 语音、视须、数据 语音 度PBX 广州局指挥申心 调度电话、远动 VSAT卫星应急通信系统组网设备介绍 (一)、地面站天线 采用2.4米Ku频段通信天线。地面中心站可以通过天线与卫星车进行实时的 话音和数据传输，接收由卫星车采集，并通过卫星链路传输来的实时视、音频信 号，地面站可以实时监看卫星通信车所在地的现场情况。 (二)、发射单元 发射单元将卫星调制解调器输出的L频段信号进行变频至Ku频段。其技术指标 和可靠性优劣将直接影响通信的质量。发射单元输入950-1450MHz的L频段信 号，输出14.00-14.50GHz的Ku频段信号，它将卫星调制解调器输出的L频段信
(三)、网络技术 如何更好地把地球站和卫星结合起来，使 VSAT 达到最佳的性能/价格比， 这就是网络技术需解决的问题。就目前来看，VSAT 网络技术需解决以下一些关 键技术： 多址访问技术和信道分配技术：开发一些新的多址访问和信道分配技术以更有效 地利用卫星信道的资源，满足业务量变化及不同业务对服务质量的要求； 网络 控制技术：进一步加强网络控制的功能，提高 VSAT 网的智能化程度和灵活程度； 网络协议技术：进一步研究 VSAT 网络的通信协议及与地面设备之间的接口协议 以提高网络的适应能力和协议的工作效率； 网络安全技术：采用一些措施（如加密、通行字、自组织能力等）来提高网络的 安全等级。 五、可行性： VSAT 卫星通信在电力系统中已有应用，广州供电局应急系统采用 VSAT 已成 功建立了一套基于 VSAT 卫星通信的应急通信系统，如下图。 卫星通信系统由一个应急通信车、一台便携站组成，利用广东省电网公司自 建的地面中心站，对省公司地面中心站进行带宽扩容（需要 4Mbps 的带宽）。 VSAT 卫星应急通信系统组网设备介绍 (一)、地面站天线 采用 2.4 米 Ku 频段通信天线。地面中心站可以通过天线与卫星车进行实时的 话音和数据传输，接收由卫星车采集，并通过卫星链路传输来的实时视、音频信 号，地面站可以实时监看卫星通信车所在地的现场情况。 (二)、发射单元 发射单元将卫星调制解调器输出的 L 频段信号进行变频至 Ku 频段。其技术指标 和可靠性优劣将直接影响通信的质量。发射单元输入 950-1450MHZ 的 L 频段信 号，输出 14.00-14.50GHZ 的 Ku 频段信号，它将卫星调制解调器输出的 L 频段信
号进行变频和功率放大，通过天线发向卫星。根据卫星链路计算结果，选用16 瓦功放。 (三)、Ku频段低噪声放大器 LNB在完全发挥卫星数字系统的优越性能及其功效方面起着极其重要的作用。它 与数字系统的信号传输特性完全配合才能使系统的传输性能最佳化，并且误码率 降至最低。它的作用是对来自卫星的微弱信号进行低噪声放大、变频，通过平衡 混频器变换为950~1450MHZ。 (四)、卫星调制解调器 其作用主要是将基带设备的信号调制成适合卫星传输的信号，发送到卫星，同时， 将卫星下传的信号再解调成适合基带设备使用的信号，完成基带设备和卫星设备 的信号转换。 (五)、应急通信车系统 应急通信车系统主要由现场图象采集处理分系统、计算机控制分系统、通信 调度分系统、卫星通信分系统等部分组成。通信车图像采集主要由车顶摄像机 (带云台)、会议摄像机（可云镜控制）以及与之相配合的云台解码器、云台控 制器等，实现现场视频内容的采集。并且通过配置车载图传系统，把信号传送到 应急指挥中心。 (六)、卫星通信便携站 卫星通信便携站具有自动对星、操作简便的特点。内嵌跟踪接收机、天线控制器、 GPS模块和各种传感器，通过自主研发的控制软件，实现了全自动模式工作，即 自动展开、对星、收藏等。操作者可通过笔记本电脑(PC)或掌上电脑(PDA) 的图形用户界面，采用有线和无线模式，实现对Z便携站的监控操作。人机界面 友好、简洁、易于操作，非专业人员经过简单培训就能熟练地操作设备。可实现 “一键开通”功能。 六、VSAT卫星通信系统测试遇到的困难： 电力应急系统组网建设完成后，在进行测试过程中，发现地面端站始终无法 接收来自卫星车及便携站的信号。经过研究分析，地面端站在运行过程中，不管 是发射状态，还是接收状态，都会在其外部产生一个复杂的电磁环境，该电磁环 境既包括由大功率发射机产生的有意强电场分布，也包括其它设备工作时所产生 的无意电场分布，频谱分布通常从几十KHz,一直到射频设备的最高工作频率， 甚至是其谐波。该电磁环境的存在，可能会导致射频接收机受到电磁干扰而无法 正常工作，这样的问题在以往的组网案例也确实发生过。如何对地面端站天线 外部电磁环境效应进行控制是解决无法接收卫星车及便携站信号的关键，对天线 外部电磁环境效应进行控制，防止外部电磁环境干扰其它设备的正常工作，包括 两个方面的工作，一个是对外部电磁环境本身进行控制，即针对强电场环境和弱 电场环境分别进行控制，改变电场环境的分布规律，在关注区域降低电磁辐射强 度，另一个是在电磁环境不可改变的情况下，提高天线射频接收机的抗干扰能力。 外部电磁环境控制对于大功率射频发射机产生的有意强电场分布，我们可以在 总体设计方案允许的范围内，通过以下几种方法对其进行控制：
号进行变频和功率放大，通过天线发向卫星。根据卫星链路计算结果，选用 16 瓦功放。 (三)、Ku 频段低噪声放大器 LNB 在完全发挥卫星数字系统的优越性能及其功效方面起着极其重要的作用。它 与数字系统的信号传输特性完全配合才能使系统的传输性能最佳化，并且误码率 降至最低。它的作用是对来自卫星的微弱信号进行低噪声放大、变频，通过平衡 混频器变换为 950～1450MHZ。 (四)、卫星调制解调器 其作用主要是将基带设备的信号调制成适合卫星传输的信号，发送到卫星，同时， 将卫星下传的信号再解调成适合基带设备使用的信号，完成基带设备和卫星设备 的信号转换。 (五)、应急通信车系统 应急通信车系统主要由现场图象采集处理分系统、计算机控制分系统、通信 调度分系统、卫星通信分系统等部分组成。 通信车图像采集主要由车顶摄像机 （带云台）、会议摄像机（可云镜控制）以及与之相配合的云台解码器、云台控 制器等，实现现场视频内容的采集。并且通过配置车载图传系统，把信号传送到 应急指挥中心。 (六)、卫星通信便携站 卫星通信便携站具有自动对星、操作简便的特点。内嵌跟踪接收机、天线控制器、 GPS 模块和各种传感器，通过自主研发的控制软件，实现了全自动模式工作，即 自动展开、对星、收藏等。 操作者可通过笔记本电脑（PC）或掌上电脑（PDA） 的图形用户界面，采用有线和无线模式，实现对 Z 便携站的监控操作。人机界面 友好、简洁、易于操作，非专业人员经过简单培训就能熟练地操作设备。可实现 “一键开通”功能。 六、VSAT 卫星通信系统测试遇到的困难 ： 电力应急系统组网建设完成后，在进行测试过程中，发现地面端站始终无法 接收来自卫星车及便携站的信号。经过研究分析，地面端站在运行过程中，不管 是发射状态，还是接收状态，都会在其外部产生一个复杂的电磁环境，该电磁环 境既包括由大功率发射机产生的有意强电场分布，也包括其它设备工作时所产生 的无意电场分布，频谱分布通常从几十 KHz，一直到射频设备的最高工作频率， 甚至是其谐波。该电磁环境的存在，可能会导致射频接收机受到电磁干扰而无法 正常工作，这样的问题在以往的组网案例也确实发生过。 如何对地面端站天线 外部电磁环境效应进行控制是解决无法接收卫星车及便携站信号的关键，对天线 外部电磁环境效应进行控制，防止外部电磁环境干扰其它设备的正常工作，包括 两个方面的工作，一个是对外部电磁环境本身进行控制，即针对强电场环境和弱 电场环境分别进行控制，改变电场环境的分布规律，在关注区域降低电磁辐射强 度，另一个是在电磁环境不可改变的情况下，提高天线射频接收机的抗干扰能力。 外部电磁环境控制 对于大功率射频发射机产生的有意强电场分布，我们可以在 总体设计方案允许的范围内，通过以下几种方法对其进行控制：
a.调整天线安装位置： b.调整天线副瓣方向图： C.使用金属板进行电磁遮挡： d.使用吸波材料减小电磁反射。 在应用这几种控制方法时，需使用电磁场数值仿真分析软件对控制的效果进 行分析验证。经过软件的分析验证，最后通过调整天线安装位置，方位角调整为 南偏西6°，仰角为67°，效果最佳。 提高敏感设备的抗干扰能力 经过对电磁环境的分析，能够得到敏感设备周围的电场强度，在该电场强度 的基础上叠加一定的余量（比如10dB,考虑到分析误差和设备自身应具有的电 磁干扰安全裕度)后作为电场辐射敏感度指标对设备采取相应的抗电磁干扰措 施，主要包括以下几个方面： a.设备互联电缆改为屏蔽电缆： b.提高设备壳体屏蔽效能，使用导电衬垫、导电胶等消除机壳缝隙： c.在设备内部电路中使用有效的滤波器或滤波电路，并注意将滤波器（电路） 的输入/输出进行隔离
a. 调整天线安装位置； b. 调整天线副瓣方向图； c. 使用金属板进行电磁遮挡； d. 使用吸波材料减小电磁反射。 在应用这几种控制方法时，需使用电磁场数值仿真分析软件对控制的效果进 行分析验证。经过软件的分析验证，最后通过调整天线安装位置，方位角调整为 南偏西 6°,仰角为 67°，效果最佳。 提高敏感设备的抗干扰能力 经过对电磁环境的分析，能够得到敏感设备周围的电场强度，在该电场强度 的基础上叠加一定的余量（比如 10dB，考虑到分析误差和设备自身应具有的电 磁干扰安全裕度）后作为电场辐射敏感度指标对设备采取相应的抗电磁干扰措 施，主要包括以下几个方面： a. 设备互联电缆改为屏蔽电缆； b. 提高设备壳体屏蔽效能，使用导电衬垫、导电胶等消除机壳缝隙； c. 在设备内部电路中使用有效的滤波器或滤波电路，并注意将滤波器（电 路） 的输入/输出进行隔离
