直升機旋翼遮擋衛星信道建模與實現

+ 胡俊祥 廖世文 何頔（廣州海格通信集團股份有限公司）

1、引言

直升機是一種典型依靠旋翼提供升力的飛行器，其最大的特點是可以垂直起降，也可以在半空中懸停，具有快速、機動靈活、不易受地理條件限制等優勢，在森林防火、水上救援、飛行運輸、新聞拍攝、資源勘探、軍事武裝等行業中得到廣泛使用[1]。

直升機的飛行高度一般在距離地面2000米到5000米之間，地面網絡信號一般無法覆蓋。隨著機上多媒體通信業務需求的增長，傳統機載無線電臺由于速率較低已經無法滿足直升機通信使用要求，寬帶衛星通信正逐步成為新一代直升機的一種重要通信手段。

10多年前國外就開展直升機衛星通信相關技術研究。由于衛星信道容易受到旋翼遮擋，通信效率極低，以日本和美國為首的發達國家通過檢測旋翼旋轉的方式，在旋翼縫隙中通過突發信號（時間分集）初步解決了信號被旋翼遮擋的問題。國內研究起步較晚，目前仍以在機身前后或兩側安裝兩幅通信天線來進行冗余備份解決來解決信號遮擋問題，對直升機衛星通信的深入研究正處于起步階段。

本文以目前最新的共軸雙旋翼直升機平臺為切入點，研究多旋翼下衛星信道特征，并提出解決方案。

2、信道特征

2.1.傳輸損耗

由直升機或衛星地球站發送的電磁波信號在空間傳播過程中由功率擴散而產生損耗被稱為空間傳輸損耗[2]。若以d和λ分別表示傳輸的距離和波長，發射端信號功率為Pt，發送端和接收端的天線增益分別為Gt和Gr。通過自由空間后，接收功率Pr可以由下面公式得出，其中d為傳播距離。

從公式可以看出波長λ越短（頻率越高）或者傳輸距離d越遠的話獲得的接收功率約小，換句話說就是傳輸損耗越大。衛星通信一般在UHF、L、S、C、Ku、Ka等頻段（0.3GHz到30GHz），同步軌道衛星（GEO）地面到衛星的傳輸距離約3.6萬公里，加上電離層、塵土、雨水等自然環境因素的影響，傳輸損耗非常大。

2.2.多普勒頻移

多普勒頻移是當設備以恒定的速度進行移動時，由于傳播路程差的原因，接收到的信號頻率和相位會發生改變[3]。衛星通信中水平運動物體的頻移量可以由下面公式來表示，其中ν表示接收機移動速度，θ表示信號衛星波束方向和接收機移動方向的夾角，c表示光速，λ表示電磁波波長，fd表示實際接收到的頻率。

從公式可以看出，頻率的偏移量和物體速度成正比，當靠近離衛星時頻移為正，遠離時為負。按直升機400Km/h速度計算，多普勒頻移量在±0.0048%以內。例如衛星通信常用的Ku頻段，頻移一般不會超過±58KHz。

2.3.傳輸時延

衛星通信經由人造地球衛星進行，通信衛星包括低軌、中軌和高軌道幾種，最近的距地球在數百千米，最遠的達到數萬千米。因此電磁波的傳輸時延無法忽視。以中高軌（GEO）的同步地球衛星為例，其分布在赤道上空，距離地面36000余公里，電磁波從地面到衛星的往返時間可通過公式計算，其中d是衛星地球站到衛星的距離，c為光速。根據通信站位置不同，A站到B站的傳輸時延在260ms到280ms之間。

2.4.旋翼遮擋

直升機和一般飛行器對大的區別就是直升機旋翼會對衛星通信信號產生遮擋。旋翼遮擋指的是衛星鏈路上的電磁波信號被旋轉的多副旋翼所阻礙，造成短時間內的信號損耗。造成信號衰落的根本原因是電磁信號能量絕大部分無法穿透以合金材質為主的旋翼。電磁波都具備一定的繞射能力，頻率較高的電磁波更容易被旋翼所遮擋，信號跌落情況如圖1所示。

圖 1 不同波長的電磁波旋翼遮擋影響

3、旋翼遮擋信道建模

3.1.遮擋幾何模型

直升機衛星通信系統需要面對旋翼遮擋情況下的“非平穩中斷信道”傳輸問題。旋翼遮擋過程分為三個階段，無遮擋、部分遮擋和完全遮擋。旋翼寬度、長度、旋翼數、轉速和衛星天線的安裝位置、波束角度都會對中斷效果造成影響。遮擋幾何模型如下圖所示，其中d表示天線和轉軸的距離、α為衛星天線仰角、β為衛星方位角和航向的夾角[4]。為了方便計算，我們將各種形態的衛星天線等效成圓形拋物面天線。圓形拋物面在旋翼旋轉平面的投影實際上是一個橢圓型，其中短軸和天線面寬相等，長軸為。由下圖可見，在θ1和θ2之間為全遮擋，0～θ1以及θ2～θ3之間為半遮擋，其余區域則屬于無遮擋狀態。

圖 2 遮擋幾何模型

通過幾何計算，全遮擋時間（按旋翼掃過橢圓長軸計算）、部分遮擋時間和無遮擋時間分別由以下公式得出。

3.2.單旋翼遮擋信道模型

直升機飛行狀態中，旋翼會根據飛行所動力要素按一個方向連續旋轉，對頻率較高的衛星通信來說單旋翼的遮擋（含部分遮擋和全遮擋）可以近似看成是非平穩周期On-Oあ信道模型。該模型刻畫了直升機衛星通信信道的時變性、交替出現的通斷性，模型的數學表達為：

其中，為不受旋翼遮擋時的信道增益，持續時間記為縫隙時間，為信道受遮擋時的信道增益，持續時間記為遮擋時間（參見圖3），為旋翼遮擋引入的信號衰落，為一常數。

3.3.共軸雙旋翼遮擋信道模型

共軸雙旋翼遮擋定義為兩幅旋翼以相同的角速度分別向兩個方向旋轉，并且兩幅旋翼的旋轉軸心在同一個直線上（見圖4所示）。從幾何模型分析可見雙旋翼遮擋可以認為是兩個單旋翼遮擋產生效果的疊加。

根據疊加時機的不同，信號頻譜上會出現三種不同的情況。一是，兩個旋翼的遮擋正好時間正好錯開，疊加后信號衰落的頻率比單旋翼增加一倍。二是，一個旋翼遮擋剛結束，緊接著另一幅旋翼進入遮擋，疊加后信號衰落頻率沒有變化但衰落時間變長。三是，一個旋翼遮擋時，另一個旋翼正好也在該時間內產生遮擋，疊加后衰落頻率和時間均不發生變化（如圖5所示）。由于兩幅旋翼旋轉速度的誤差積累，三種疊加情況會按某一順序更迭出現。

4、信道模擬器設計與驗證

圖 3 旋翼遮擋衛星信道模型

圖 4 共軸雙旋翼遮擋示意圖

圖 5 雙旋翼遮擋模的三種疊加情況

要在工程上實現旋翼遮擋通信的真實信道條件需要向直升機一樣配置多副旋翼、發動機、操作器、變速器、傳動桿等裝置，實際情況下往往難以滿足要求。因此我們需要在旋翼遮擋信道數學模型的基礎上建立一個全功能的信道模擬器，通過對傳輸信號的精準控制來模擬信道的主要特征。信道模擬器以電控衰減器和數控移相器為核心，并同時滿足單旋翼和共軸雙旋翼兩種通信場景的需求進行設計（如圖6所示）。模擬器設有兩組級聯的信號衰減通道，每個通道設計兩個寬頻衰減器（考慮到Ku/Ka等頻段的遮擋衰落非常大，單一衰減器無法滿足衰減幅度的要求），并在信號輸出端采用可調本振變頻器進行頻移控制。

信道模擬器需要在信道部分實現時延模擬是比較困難的，代價很高。更廉價的實現方案是在發送端的數字基帶部分通過開設足夠大的FIFO緩沖區來控制發送時延，因此該部分功能沒有在信道模擬器上實現。

信道模擬器完成設計后，我們還需要合適的工具來產生時變信道模型并控制模擬器邏輯器件協調工作。我們選擇LabView軟件提供的強大UI和豐富控件來幫助實現快速功能搭建。衰減器控制邏輯框圖如圖7所示。

我們將設計好的LabView控制程序和信道模擬器連接，并設置旋翼運動的相關參數通過示波器對信號處理的結果進行查看(如圖8所示)。最后得出結論，輸出信號的頻率、衰減幅度、衰減時間等指標完全符合旋翼遮擋的數學模型。

5、結語

本文先從直升機衛星通信信道特征開展研究，包括傳輸損耗、多普勒頻譜、傳輸時延和旋翼遮擋，其中旋翼遮擋是直升機衛星通信中最重要的信道特征。文章根據旋翼遮擋的幾何模型進一步對單旋翼遮擋和共軸雙旋翼遮擋進行信道建模。完成建模后，提出了以電控衰減器和數控移相器和核心的信道模擬器的方案，并通過實驗結果進行了驗證。旋翼遮擋信道理論模型和信道模擬器將為后續衛星通信體制設計和專用設備研制奠定了良好的基礎。

圖 6 信道模擬器框圖

圖 7 LabView時域衰減控制框圖

圖 8 測試結果

[1] 數學分析在直升機旋翼通信應用研究 蘇俊杰 2017.7

[2] 直升機衛星通信關鍵技術研究與實現 姚國強 2017.7

[3] 百度百科詞條 多普勒頻移

[4] 衛星通信設備抗直升機旋翼遮擋技術測試驗證方法研究 阮先麗 2017.10