卫星通信载荷波束形成与抗干扰虚拟仿真实验

该项目采用虚拟仿真手段模拟卫星通信载荷智能天线系统的数字波束形成和抗干扰设计。学生在学习卫星通信、天线和阵列信号处理等知识基础上，针对平台发布的卫星通信任务，进行通信链路计算，设计合适的通信调制方式、载荷天线增益、阵元排布、阵列排布等。完成卫星通信载荷的波束捕获和跟踪、空域抗干扰、抗雨衰干扰三种典型场景的综合设计，提高学生解决复杂工程问题能力。实验效果以波束方向图、通信星座图、眼图、语音播放等形式实时同步呈现。通过观察和对比不同条件下的通信效果，理解卫星通信和阵列信号处理的关键理论知识。

南京理工大学

实验简介

该项目采用虚拟仿真手段模拟卫星通信载荷智能天线系统的数字波束形成和抗干扰设计。学生在学习卫星通信、天线和阵列信号处理等知识基础上，针对平台发布的卫星通信任务，进行通信链路计算，设计合适的通信调制方式、载荷天线增益、阵元排布、阵列排布等。完成卫星通信载荷的波束捕获和跟踪、空域抗干扰、抗雨衰干扰三种典型场景的综合设计，提高学生解决复杂工程问题能力。实验效果以波束方向图、通信星座图、眼图、语音播放等形式实时同步呈现。通过观察和对比不同条件下的通信效果，理解卫星通信和阵列信号处理的关键理论知识。该项目是仿真环境下的真实验，核心要素逼真度高，具有较强的视听觉效果；通过随机设置通信参数、用户和干扰信号位置、雨衰特性等，实现实验任务和学生设计的互动，富有趣味性和挑战性。

设计原则

卫星通信的基础设施建设是服务国家“新基建”战略需求，卫星通信系统方面的专业人才培养是国家经济和国防建设的迫切需要。卫星通信系统及其相关实验是通信工程专业必修课程《通信系统》和《通信系统综合实验》的核心教学内容，其中，卫星通信载荷的数字多波束和抗干扰信号处理更是卫星通信的难点，其涉及到的理论知识点多、技术复杂，学生理解起来难度大。这部分内容无法给学生开设实体实验，不仅因为代价太大，还涉及到难以解决的安全、保密、实验结果观测等问题。针对上述问题，团队以相关科研和教学成果为基础，遵照“能实不虚，虚实结合”的原则自主研发了“卫星通信载荷波束形成与抗干扰虚拟仿真实验”项目，基本设计原则如下：

（a）坚持以学生为中心的教学理念，实验方案采用了问题导向的设计方法，实验情景吸引力强。本实验项目围绕卫星通信载荷的波束捕获和跟踪、空域抗干扰、抗雨衰干扰三种典型场景进行综合设计，将知识学习和能力提升有机融合，培养学生解决复杂工程问题的综合能力和探究式的思维方式。

（b）本实验项目的实验效果以波束方向图、通信星座图、眼图、语音播放等形式实时同步呈现。通过观察和对比不同条件下的通信效果，理解卫星通信和阵列信号处理的关键理论知识。

（c）本实验项目将最新科研成果转化成教学资源，该项目是仿真环境下的真实验，核心要素逼真度高，具有较强的视听觉效果；通过随机设置通信参数、用户和干扰信号位置、雨衰特性等，实现实验任务和学生设计的互动，富有趣味性和挑战性。

    （d）融入课程思政元素，润物细无声，培养学生的家国情怀。把我国发展卫星事业的艰辛历程、老一辈军工人服务国家、献身国防的先进事迹收录在实验项目的在线“知识角”中。学生通过自主学习，激发爱国情怀，增强民族使命感和责任感。

实验目的

本虚拟仿真实验项目采用虚拟仿真手段模拟卫星通信载荷智能天线系统的数字波束形成和抗干扰设计，是《通信系统综合实验》专业实验课程中的一个重要组成部分，实验课程目标如下：

（1）帮助学生熟悉卫星通信载荷和智能天线系统的主要组成，掌握卫星通信过程中用户捕获、用户跟踪、通信基带信号处理等基本工作原理，提高学生的卫星通信载荷认知能力。

（2）帮助学生熟悉卫星通信上行链路设计的基本原理，掌握卫星通信系统的通信方式、天线阵列、卫星链路计算、赋形波束配置等设计方法，提高学生的卫星通信系统设计能力。

（3）帮助学生熟悉数字波束形成和抗干扰基本原理、掌握卫星通信的波束捕获和跟踪、空域抗干扰、抗雨衰干扰综合设计方法，提高学生解决复杂工程问题能力。

实验要求

（1）专业与年级要求

本实验所属课程为《通信系统综合实验》，是南京理工大学通信工程专业骨干实验课程。本实验课程面向通信工程专业大三和大四学生必选，以及其他电子信息大类专业学生任选。

（2）基本知识和能力要求

本实验课程先修理论课程包括：《通信原理》和《通信系统》二门专业必修理论课程，《卫星通信系统和技术》专业选修课程。

（3）学生学习本门课程之前所需掌握的主要能力和知识结构

（a）要求学生掌握通信系统的基本组成，数字通信的基本调制方式、通信误码性能等。

（b）要求学生掌握卫星通信系统组成和通信链路计算方法，初步了解卫星通信中的空域抗干扰和雨衰对信道的影响。

（c）要求学生初步了解阵列天线和阵列信号处理（尤其是数字波束形成）的基本原理。

在实际教学中，本实验不仅应用于《通信系统综合实验》课程，相关实验环节还应用于《卫星通信系统和技术》选修课程的实验教学。值得一提的是，由于本项目的知识角提供了大量文献、视频学习资料，学生通过自主学习，能够较好的完成本实验所有环节的实验任务。