实验要求Requirements
（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。
教学成果Achievement
（1）韩玉兵。电子信息类专业教科结合、专创融合培养模式的探索与实践，南京理工大学教学成果一等奖，排名第四，2020年；
（2）韩玉兵。2013-2014年度南京理工大学优秀教师，2014年；
（3）韩玉兵。南京理工大学优秀研究生授课教师，2013、2016和2017年度；
（4）盛卫星、郭山红、张仁李、韩玉兵。“导弹末制导系统探测制导”虚拟仿真实验，国家虚拟仿真实验教学一流课程，2020年；
（5）盛卫星。电子信息类国际化拔尖创新人才培养模式的研究与实践，江苏省教学成果二等奖，排名第二，2017年。
实验背景Background
（1）面临日趋紧张的频谱资源和轨道资源，大力发展卫星通信系统是服务国家“新基建”战略需求，卫星通信的基础设施建设是国民经济发展和现代国防建设的重要支撑。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。本项目组依托卫星通信方面的教学和科研，服务国家战略需求，培养卫星通信方面的工程精英人才。
（2）卫星通信系统（尤其是智能天线多波束通信载荷）设计由于投资成本大，设计周期长，技术风险高，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。传统上这部分教学内容多以理论授课为主，教学效率低、学生体验差。
设计原则Principle
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。
实验目标Target
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。
成绩评定Assessment
本实验针对考核点设计了实验成绩评价模型。以该模型为基础，系统可分别针对学生3个实验环节的完成情况进行自动评分，最后再按照3个实验环节分别占10%，45%和45%的权重计算学生的最终实验成绩。具体分值分配如下：
模块 | 实验 | 分值 |
|
模块一 系统总体概述 | 卫星通信载荷认知 | 2 | 10 |
智能天线系统认知 | 2 |
数字波束信号处理 | 3 |
通信过程动态演示 | 3 |
模块二系统参数设计 | 通信方式设计 | 10 | 45 |
卫星链路计算 | 15 |
天线阵列设计 | 10 |
赋形波束配置 | 10 |
|
模块三波束形成与抗干扰综合设计 | 波束捕获跟踪设计 | 15 | 45 |
空域抗干扰设计 | 15 |
抗雨衰干扰设计 | 15 |
总分 |
|
| 100 |
1. “系统总体概述”模块（10分，占总成绩10%）
共有自测题10道，每道1分。
2. “系统参数设计”模块（45分，占总成绩45%）
2.1 通信方式设计（满分10分）
1） 选择“通信方式”（3分）
2） 选择“误码率”（3分）
3） 判断输入的EbN0值正确，得4分。
2.2天线阵列设计（满分10分）
1） 填入单元天线增益（1分）
2） 填入阵元个数（1分）
3） 填入阵元间距（1分）
4） 卫星天线增益计算正确得2分
5） 波束宽度计算正确得2分
6） “提交设计结果”，阵列设计合理得3分
不通过时，如果 0.5<=方位角波束宽度/俯仰角波束宽度<=2,则1分
否则0分。
4） 和5）点击“帮助”各得一半分。
2.3卫星上行链路计算（满分15分）
1） 路径损耗（5分）
验证用户输入的路径损耗，正确得5分，点击“帮助”仅得2分，其他为错误，得0分
2） 填入“卫星接收机噪声温度”（2分）
3） 选择“通信速率”（2分）
4） 卫星链路计算验证通过，得6分，点击“EIRP帮助”后验证通过，仅得3分
2.4 赋形波束配置（满分10分）
1） 用户观察16个赋形波束的方向图（3分）
2） 选择地面用户对应的赋形波束（2分）
3） 进行用户捕获（5分）
如果成功捕获用户则5分，其他0分
3 波束形成与抗干扰综合设计（45分，占总成绩45%）
3.1 波束捕获跟踪设计（满分15分）
1） 配置地面用户，选择对应的音频，得2分。
2） 捕获波束的权重类型选择（5分）
若用户选择的权重类型为“赋形波束形成”，得5分；
若用户选择的权重类型为“静态指向波束形成”和“空域抗干扰波束形成”得0分。
3） 跟踪波束设计任务 （8分）
学生点击“自动生成波束权重”， 并配置权重，得4分
学生导入权重，并配置权重，如果权重判断成功，得8分，权重判断不成功，得0分。
3.2 空域抗干扰设计（满分15分）
1） 选择用户语音（1分）。
2） 配置用户信噪比（2分），干信比（2分），
3） 空域抗干扰自适应波束形成（10分）
如果用户点击“自动生成波束权重”，并“自适应波束形成”，得6分
用户导入权重，并“自适应波束形成”，如果权重判断正确，得10分，其他0分。
3.3 抗雨衰干扰设计（满分15分）
1） 配置地面用户语音（2分）
2） 地面发射天线EIRP验证（5分），正确得5分，错误得0分。如果点击“EIRP帮助”得3分
3） 设置雨衰距离和选择雨衰种类（3分）。
4） 重新配置地面天线发射EIRP（5分）。验证通过得5分，不通过得0分，点击帮助并通过得3分。
