直升機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

阮先麗，茍思羽

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 陜西 西安 710089）

直升機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

阮先麗，茍思羽

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 陜西 西安 710089）

基于直升機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的特點(diǎn)，分析了衛(wèi)星通信系統(tǒng)中姿態(tài)角提取、坐標(biāo)變化及抗遮擋等關(guān)鍵技術(shù)，采用鏈路分析估算方法，提出了針對(duì)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)的測(cè)試方案設(shè)計(jì)，通過(guò)工程案例驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試與評(píng)估。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)；Ku頻段；方向余弦矩陣；等效全向輻射功率

衛(wèi)星通信(簡(jiǎn)稱衛(wèi)通)具有頻帶寬、容量大、性能穩(wěn)定、成本與通信距離無(wú)關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，成為現(xiàn)代通信的一種重要方式[1]。直升機(jī)衛(wèi)星通信[2]是指直升機(jī)通過(guò)機(jī)載衛(wèi)星設(shè)備實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星的直接通信，并通過(guò)衛(wèi)星的轉(zhuǎn)接與地面站進(jìn)行信息的傳輸和交換。信息交換的種類有話音、數(shù)據(jù)和圖像視頻等。由于直升機(jī)本身的旋翼特點(diǎn)及操控特性，在設(shè)計(jì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)時(shí)對(duì)微波天線的尺寸和重量都有嚴(yán)格的限制和要求，天線口徑、安裝位置和功放等硬性條件確定之后，在測(cè)試通信質(zhì)量時(shí)，如果通信效果不好，試驗(yàn)工程師應(yīng)該從哪些方面進(jìn)行分析，查找問(wèn)題的根源。本文從直升機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)入手，結(jié)合工程應(yīng)用把問(wèn)題一一展開(kāi)。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)全面的了解，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的確認(rèn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的準(zhǔn)確測(cè)試。

1 機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)工作原理

1.1 機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)

衛(wèi)星通信(簡(jiǎn)稱衛(wèi)通)具有頻帶寬、容量大、性能穩(wěn)定、成本與通信距離無(wú)關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，成為現(xiàn)代通信的一種重要方式。機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)分為固定翼機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)和旋翼衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

一個(gè)基本的衛(wèi)星通信系統(tǒng)至少包含兩個(gè)衛(wèi)通站和必要的衛(wèi)星資源。對(duì)于直升機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)，只是在信道處理時(shí)增加抗旋翼遮擋模塊。

衛(wèi)星通信的工作頻段很多，有UHF、S、C、Ku和Ka等頻段[3]。目前，國(guó)內(nèi)的主流衛(wèi)通頻段還是Ku頻段，Ku頻段常用的發(fā)射頻率范圍是14.0～14.5 GHz；接收頻率范圍是12.25～12.75 GHz，帶寬均為500 MHz，也是目前機(jī)載設(shè)備普遍選用的頻段。

1.2 系統(tǒng)工作原理

衛(wèi)星通信系統(tǒng)工作原理[4]如圖1所示。發(fā)送端輸入的信息經(jīng)過(guò)處理和編碼后，進(jìn)入調(diào)制器對(duì)載波（中頻）進(jìn)行調(diào)制；已調(diào)的中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)上變頻器將頻率搬移至所需求的上行射頻頻率，最后經(jīng)過(guò)高功率放大器放大后，饋送到發(fā)送天線發(fā)往衛(wèi)星。衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器對(duì)所接受的上行信號(hào)提供足夠的增益，還將上行頻率變換為下行頻率，之后衛(wèi)星發(fā)射天線將信號(hào)經(jīng)下行鏈路送至接受地球站。

地球站將接受的微弱信號(hào)送入低噪聲模塊和下變頻器。低噪聲模塊前端是具有低噪聲溫度的放大器，保證接收信號(hào)的質(zhì)量。下變頻、解調(diào)器和解碼與發(fā)送端的編碼、調(diào)制和上變頻相對(duì)應(yīng)。

圖1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)基本工作原理Fig. 1 Bisical operational principle of a satellite system

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 姿態(tài)角提取及坐標(biāo)變換

在機(jī)載衛(wèi)星通信地球站工作過(guò)程中，天線伺服控制分系統(tǒng)的作用是使天線的波束中心自動(dòng)、快速、準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，從而使通信系統(tǒng)保持正常工作。伺服控制分系統(tǒng)要完成這一任務(wù)，必須知道天線波束中心和所要對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的方位角、仰角和極化角。

目前，國(guó)內(nèi)典型機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)天伺系統(tǒng)是采用數(shù)字引導(dǎo)和自跟蹤功能相結(jié)合的機(jī)制，即通過(guò)捷聯(lián)慣導(dǎo)（IMU）提供的載機(jī)姿態(tài)信息解算天線指向的引導(dǎo)方式和通過(guò)天線饋源網(wǎng)絡(luò)和接收機(jī)提供的角差信號(hào)控制天線指向目標(biāo)的自跟蹤方式。首先，根據(jù)載機(jī)定位信息和預(yù)選設(shè)定的衛(wèi)星信息，運(yùn)用以下公式可以計(jì)算出大地仰角（E）及方位角（A）。

式中：φ1為接收站經(jīng)度（度）；φ2為衛(wèi)星的軌位經(jīng)度（度）;β為接收站緯度（度）。

Re/（Re+H）=0.15，Re為地球半徑（6 378 km），H為同步衛(wèi)星距地球表面的高度（35 786 km）

由于繞定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的兩個(gè)坐標(biāo)系之間的關(guān)系可以用方向余弦矩陣[5]來(lái)表示，且載體坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系之間存在著姿態(tài)變化，所以，對(duì)天線穩(wěn)定系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)慣導(dǎo)提供的姿態(tài)信息（橫滾R、俯仰P和航向H），實(shí)現(xiàn)從地理坐標(biāo)系到載機(jī)坐標(biāo)系的角度變換。具體變換如下：

式中[Dj]為目標(biāo)在載體坐標(biāo)系中的坐標(biāo)矢量,[DM]為目標(biāo)在大地坐標(biāo)系中的坐標(biāo)矢量，S為矢量半徑。

MR、MP、MH分別為3個(gè)姿態(tài)變換矩陣。

2.2 抗遮擋技術(shù)

信號(hào)丟失正常情況下不外乎兩種原因：一由于劇烈的外部作用天線伺服未能快速的克服隨動(dòng)，導(dǎo)致天線指向偏離衛(wèi)星。二由于載機(jī)所處的環(huán)境陰影遮擋，如高樓、天橋、樹(shù)木、山脈等，此處系統(tǒng)的處理方法是，當(dāng)信號(hào)丟失后，默認(rèn)為由于陰影遮擋，先保持當(dāng)前的天線姿態(tài)一定的時(shí)間(保持時(shí)間)，在此過(guò)程中不斷進(jìn)行信號(hào)的采集和比較，如果在到達(dá)保持時(shí)間之前信號(hào)大于門限，則恢復(fù)跟蹤狀態(tài)，如果保持時(shí)間達(dá)到后，信號(hào)仍然小于門限，則進(jìn)入搜索狀態(tài)。這種信號(hào)丟失的處理方式有利于鏈路的快速建立，特別是在載機(jī)快速的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，偶爾出現(xiàn)遮擋物時(shí)(樹(shù)木，高樓等)的現(xiàn)實(shí)環(huán)境中。

此外，由于直升機(jī)的旋翼特點(diǎn)，在使用中除了要面臨極化控制、電波穩(wěn)定和可靠跟蹤等問(wèn)題以外，最大的問(wèn)題就是解決旋翼遮擋。目前，采用多次重傳機(jī)制的傳輸設(shè)計(jì)可以解決旋翼遮擋對(duì)接收的影響，重傳的次數(shù)越多，信息的可靠性就越高，但是會(huì)降低鏈路的傳輸效率[6]。相比較而言，二次重傳機(jī)制可以滿足需要，而且信道利用率更高。從而使該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以下功能：

1 )載機(jī)在航向和姿態(tài)不斷變化的情況下能夠正常工作。這就要求伺服系統(tǒng)具有非常寬的跟蹤范圍；

2 )系統(tǒng)對(duì)載機(jī)的搖擺有適應(yīng)能力，要求伺服系統(tǒng)對(duì)載機(jī)振動(dòng)的隔離度要足夠大，以保 證天線主瓣指向衛(wèi)星；

3 )遮擋消失后伺服系統(tǒng)再捕能力。即設(shè)備穿過(guò)信號(hào)中斷地帶后，伺服系統(tǒng)能快速控制天線，立即恢復(fù)通信。

2.3 鏈路估算

在機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)（G/T）、飽和通量密度（SFD）、等效全向輻射功率（EIRP）以及轉(zhuǎn)發(fā)器的輸入/輸出補(bǔ)償在鏈路計(jì)算和通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中起著關(guān)鍵性的作用，衛(wèi)星通信工程師應(yīng)對(duì)其有深入的了解。

地球站用戶（包括機(jī)載站）在使用衛(wèi)星資源時(shí)需要根據(jù)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)進(jìn)行鏈路預(yù)算及分析，預(yù)估上下行載波的C/N，計(jì)算求得系統(tǒng)能噪比Eb/N0，以便確定系統(tǒng)能夠保證信息傳輸質(zhì)量和滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。具體計(jì)算公式如下：

式中K為波爾茲曼常數(shù)（1.380 5×10-23 W/Hz）；Bn為接收機(jī)的噪聲帶寬；(EIRP)t為發(fā)射地球站的等效全向輻射功率，Lu為上行鏈路損耗，Gs/Tt為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器在發(fā)射地的品質(zhì)因素。

式中(EIRP)s為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的等效全向輻射功率，Ld為下行鏈路損耗，Gr/T為接收天線的品質(zhì)因素。

故鏈路的能噪比估算公式為：

式中Rb為系統(tǒng)信息速率，Bn為接收機(jī)的噪聲帶寬。

3 工程測(cè)試方案設(shè)計(jì)

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通常要求高概率可靠度（例如99.99%），這就要求各種衰減引起系統(tǒng)的中斷概率不超過(guò)0.01%，為了驗(yàn)證系統(tǒng)的這種性能，對(duì)測(cè)試方法的設(shè)計(jì)以及處理方法具有較高的要求。某機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)在進(jìn)行工程測(cè)試驗(yàn)證時(shí)，基于關(guān)鍵技術(shù)的考慮重點(diǎn)設(shè)計(jì)以下測(cè)試項(xiàng)目，以達(dá)到對(duì)系統(tǒng)考核驗(yàn)證的目的。

1 )大機(jī)動(dòng)及大速度飛行。在機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，天線跟蹤是關(guān)鍵技術(shù)，當(dāng)載機(jī)在高速運(yùn)動(dòng)、爬升/下降和轉(zhuǎn)彎條件下，天線伺服控制系統(tǒng)使天線波束始終精確對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，因此，通過(guò)大機(jī)動(dòng)飛行達(dá)到對(duì)系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的跟蹤性以及穩(wěn)定性的測(cè)試目的。

2 )高緯度地區(qū)及降雨環(huán)境飛行。地面天線的仰角極低時(shí)，地面熱噪聲將進(jìn)入天線的近旁瓣甚至主瓣，從而提高天線噪聲 ，降低地面系統(tǒng)的G/T值，天線仰角低，從地球站到衛(wèi)星的傳輸距離長(zhǎng)，載波的自由空間損耗也較大。仰角低時(shí)，載波穿越降雨區(qū)的距離也較長(zhǎng)，Ku頻段載波在降雨時(shí)所受的衰耗和噪聲增量將相應(yīng)增大。這些因素都可能抵消掉部分的轉(zhuǎn)發(fā)器EIRP。因此，通過(guò)高緯度地區(qū)的飛行測(cè)試以及降雨環(huán)境下的系統(tǒng)測(cè)試實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)低仰角及降雨損耗的考核驗(yàn)證目的。

3 )信號(hào)較弱地區(qū)飛行。同一衛(wèi)星資源在不同區(qū)域的等效全向輻射功率和品質(zhì)因素是有差異的，這將直接影響鏈路的能噪比，即鏈路質(zhì)量。

以某機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)為例，分別在南京地區(qū)和高原地區(qū)進(jìn)行測(cè)試評(píng)估，中心站置于北京，衛(wèi)星資源參數(shù)（軌道位置東經(jīng)87.5°，轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬BTs=36 MHz，轉(zhuǎn)發(fā)器輸入補(bǔ)償10 dB和輸出補(bǔ)償為4 dB）。試驗(yàn)結(jié)果表明，南京地區(qū)的鏈路通信質(zhì)量明顯優(yōu)于高原地區(qū)，且高原地區(qū)的圖像傳輸存在較嚴(yán)重的丟包現(xiàn)象。具體分析如表1所示。

表1 不同地區(qū)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)與鏈路質(zhì)量對(duì)比分析Tab.1 Comparative analysis of satellite transponder parameters and radio link quality

從表1可以看出，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器在南京地區(qū)的等效全向輻射功率和品質(zhì)因素優(yōu)于高原地區(qū)，通過(guò)鏈路計(jì)算得出的能噪比南京地區(qū)優(yōu)于高原地區(qū)。雖然系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，調(diào)制解調(diào)器在能噪比為5.0 dB時(shí)能夠保證信息傳輸質(zhì)量，但是，考慮雨衰裕量等因素，在信號(hào)較弱地區(qū)仍然需要調(diào)整設(shè)備發(fā)射功率或天線尺寸，方能滿足較好的通信質(zhì)量，這與工程實(shí)際應(yīng)用完全吻合。

4 結(jié) 論

在機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工程測(cè)試過(guò)程中，對(duì)直升機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了較為深入的研究，找出了測(cè)試設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，通過(guò)設(shè)計(jì)測(cè)試方案驗(yàn)證了某型機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量，并與理論計(jì)算進(jìn)行了對(duì)比分析，達(dá)到了理論與實(shí)踐相結(jié)合的試驗(yàn)?zāi)康摹Ｓ捎趪?guó)內(nèi)機(jī)載衛(wèi)星通信應(yīng)用尚處于初步階段，對(duì)于系統(tǒng)的測(cè)試更是出于摸索階段，對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究可以為后續(xù)型號(hào)系統(tǒng)的測(cè)試與性能評(píng)估提供相應(yīng)的技術(shù)參考和借鑒。

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The study of the key technology in helicopter satellite communication system

RUAN Xian-li, GOU Si-yu
（Chinese Flight Test Establishment Xi’an 710089, China)

Based on the characteristic of helicopter satellite communication system, the attitude of satellite communication system, the coordinate change angle extraction and anti-shielding technology are analyzed. Employing the link estimating method ,the design of test plan is put forward according to the key technique points. Finally, the test and evaluation of the system comes true through the engineering case.

satellite communication system; Ku band; the direction cosine matrix; equivalent isotropically radiated power

TN927

A

1674-6236(2014)14-0171-03

2013–12–03 稿件編號(hào)：201312022

阮先麗(1981—)，女，湖北襄陽(yáng)人，工程師。研究方向：機(jī)載電子設(shè)備試飛技術(shù)。