直升機衛星通信系統的抗旋翼遮擋方法研究

+ 湯明文 國網福州供電公司

直升機衛星通信系統的抗旋翼遮擋方法研究

+ 湯明文 國網福州供電公司

針對有人/無人直升機衛星通信系統信號被旋翼遮擋導致鏈路中斷的問題，根據對前向鏈路和返向鏈路數據速率、可靠性等方面的不同要求，分別提出一種對抗旋翼遮擋的方法。即前向鏈路采用時間發射分集技術，保證了數據傳輸的可靠性；返向鏈路采用基于信號功率的縫隙檢測方法確定無遮擋區間，利用無遮擋縫隙進行數據回傳，提高了通信效率。仿真結果表明，這種方法可以有效地對抗旋翼遮擋，技術方案可行有效，具有廣闊的示范應用前景。

衛星通信；抗旋翼遮擋；時間發射分集；縫隙檢測

1 引 言

近年來，我國自然災害頻發，如何建立一個完善的應急指揮和通信體系是降低災害損失的關鍵［1，2］。而目前災后搜救與勘查普遍采用有人/無人直升機作為載體平臺［3］，其機動靈活的特性可以第一時間為決策者提供現場情況，為救援爭取時間。但現有直升機通信設備無法滿足超視距傳輸，而具有不受陸地災害影響、通信范圍廣等優勢［4］的衛星通信可以有效解決上述問題，然而在我國直升機衛星通信還未廣泛應用，主要是衛通信號受旋翼遮擋導致通信中斷［5-7］，因此有必要對直升機衛星通信系統抗旋翼遮擋方法進行研究。

日本和美國是開展直升機衛星通信應用最早的兩個國家［8］。2004年，日本NICT公司成功研發出世界上第一個直升機機載衛星通信系統，其工作頻段為Ku，前向鏈路有效數據的傳輸速率為64kbps，返向采用磁傳感器檢測遮擋的同步突發傳輸方式，有效數據傳輸速率為384kbps，為提高接收可靠性，直升機身兩側需要各安裝一個相控陣天線［9，10］。美國早期將研發的衛星通信系統應用在阿帕奇直升機上，同樣采用在機身兩側各安裝一個機載衛通天線的方式保證通信鏈路的可靠性。2009年，ViaSat公司研發出用于直升機的寬帶衛星通信產品，并將其應用在美國黑鷹直升機上，其天線安裝于黑鷹直升機機身與尾梁的結合部，工作頻段同樣為Ku，前向鏈路采用雙重時間分集的方式發送，有效數據速率可達5Mbps；返向鏈路采用突發傳輸的方式，有效數據速率為325kbps［11，12］。近年來，我國在直升機衛星通信方面也取得了一些成果［13-15］。清華大學研制的直升機衛星通信系統具有抗旋翼遮擋的能力［16］，并成功應用于“神八”的返航任務，返向鏈路有效信息速率為7.68～9.2Mbps；中電54所通過建立周期性刪除信道模型，并結合實例設計了前向鏈路重發分集策略；同時將地面端接收信噪比反饋給機載端，以便及時調整“通信窗口”［17，18］。

本文針對有人/無人直升機衛星通信系統信號被旋翼遮擋導致鏈路中斷的問題，根據前向鏈路和返向鏈路信號的特點，分別提出一種對抗旋翼遮擋的方法，仿真結果表明，本文所提出的方法可以有效地對抗旋翼遮擋，技術方案可行有效，在應急減災、國防和航空航天等領域具有廣泛的應用前景。

2 關鍵技術分析與仿真

2.1 時間重發分集技術

前向鏈路一般傳輸調度指令數據，對可靠性要求較高，同時數據傳輸速率較低。但由于旋翼遮擋導致遙控指令無法正確解調，降低了前向鏈路的可靠性。為了解決這一難題，確保機載衛通調制解調器能夠收到完整的數據，針對前向鏈路數據速率較低的特點，可以采用重發時間分集技術。

同時，為了避免因遮擋而出現丟幀的情況，前向鏈路物理幀幀長的設計相當重要，其中以每個原始幀為單位進行復制得到復制幀，由這兩個小幀共同組成一個大幀，小幀幀長設計時保證一幀的長度大于遮擋時間，同時大幀長度小于遮擋周期，這樣不會出現數據丟失的情況，如圖1所示，灰色部分即為遮擋時間。從圖中可以看出，只要接收端接收到原始幀和復制幀，都可以通過接收端合并來獲得完整數據。

圖2為采用重發時間分集后原序列與解調后序列的對比結果，從圖中可以看到發射端對原始幀的序列進行復制，并與原始幀組成一個大幀進行傳輸，經過信道傳輸后到達接收進行IQ解調，仿真中設置遮擋時間為3個符號周期的長度，由于仿真時假設遮擋位置是隨機的，因此最壞的情況下會導致4個符號周期8個比特的序列發生錯誤，從仿真結果中可以看出，由于存在旋翼遮擋，解調后從復制幀的序列13開始出錯，一直到序列20，跨越了8個比特序列，而原始幀序列沒有被遮擋，解調正確。

圖1　前向鏈路物理幀幀結構示意圖

圖2　原序列與解調后序列對比結果

圖3　接收端合并后數據與發射數據對比結果

圖4　縫隙檢測示意圖

圖3為發射端采用時間重發分集后接收端合并后數據與發射數據對比結果，仿真中同樣設置遮擋時間為3個符號周期的長度，觀察接收端原始幀和復制幀發生錯誤的位置可以發現，遮擋時間開始于原始幀數據的結尾處（從序列11開始出錯），終止于復制幀的前部（結束在序列4），由于遮擋時間橫跨了兩個幀，不能通過簡單的提取原始幀和復制幀獲得完整數據，必須要進行接收端合并才能獲得，因此這種情況最為復雜，接收端通過對信號功率進行測量，確定遮擋時間區間，先將遮擋區間內的數據剔除出去，再將兩幀數據進行合并，最后對合并后的結果進行判決，得到數據比特，如圖3所示。可以看到，接收端合并后的數據與發射端發射的數據完全一致，通過合并后可以提高接收數據的可靠性。

2.2 基于信號功率的縫隙檢測技術

返向鏈路傳輸巡線影像等高速數據，為節省帶寬提高傳輸效率，將未遮擋縫隙完全利用起來是最直接的方法。因此，準確地檢測縫隙何時遮擋，并根據縫隙的變化情況動態傳輸最多的信息，是提高系統性能的關鍵，針對上述問題，可以采用基于信號功率的縫隙檢測技術。

采用利用遙控信號進行旋翼縫隙檢測的方式，即需要實時檢測遙控信號功率的變化，根據變化情況確定通信窗口。流程如下：機載端收到遙控后，通過天線、微波前端接收到達機載衛通調制解調器進行載波同步，之后進行信號功率測量（實時測量）；將測量結果與接收機靈敏度進行比較，如果大于接收機靈敏度則認為此時無遮擋，若小于則認為此時遮擋，如圖4所示；從圖中可以看出，大于接收機靈敏度的時間區間即為最大可通信時間，但為了保險起見，需要保證最低接收信號功率大于接收機靈敏度2～3dB，因此最大可通信時間區間即為圖中紅色部分。

圖5為采用信號功率檢測的方法得到的縫隙檢測結果。仿真采用滑動平均的方式計算信號功率，從圖中可以看到，旋翼遮擋會導致信號功率明顯降低，而在無遮擋的時候，信號功率檢測結果恢復正常，這與理論分析的結論一致，只是由于噪聲信號的影響使得無遮擋時測量出來的信號功率值存在小幅波動，但測量結果也明顯高于遮擋時測得的信號功率，因此可以通過此方法確定遮擋區間。

圖5　基于信號功率測量的縫隙檢測結果

3 結束語

本文針對有人/無人直升機衛星通信系統信號被旋翼遮擋導致鏈路中斷的問題，提出前向鏈路采用時間發射分集技術，返向鏈路采用基于信號功率檢測的方法來對抗旋翼遮擋。仿真結果表明，本文所提出的方法可以有效地對抗旋翼遮擋，技術方案可行有效，為有人/無人直升機衛星通信技術的應用推廣提供理論支撐，拓寬了衛星通信在民用和軍用領域的應用范圍。

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