基于直升機(jī)中繼轉(zhuǎn)發(fā)的衛(wèi)星應(yīng)急通信的研究

王洪良，王 萌，馬樹森

（1.96946部隊(duì)，北京 100085；2.南京凱瑞得信息科技有限公司，江蘇 南京 210012）

1 研究背景

衛(wèi)星應(yīng)急通信長(zhǎng)期受限于復(fù)雜地形環(huán)境和復(fù)雜的衛(wèi)星資源申請(qǐng)流程，衛(wèi)星應(yīng)急通信的反應(yīng)速度和可靠性明顯不足，不能有效發(fā)揮衛(wèi)星應(yīng)急通信能力。本文介紹了基于直升機(jī)中繼平臺(tái)的衛(wèi)星應(yīng)急通信的研究，使衛(wèi)星通信終端脫離太空中的衛(wèi)星而通過救援直升機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)或者中繼通信，在衛(wèi)星資源受限或地形復(fù)雜的條件下，滿足相當(dāng)區(qū)域內(nèi)的衛(wèi)星通信需求。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)作為一種覆蓋范圍廣，通信容量大，廣播能力和動(dòng)中通能力較強(qiáng)的通信方式，在應(yīng)急通信保障中具有重要的地位，尤其是解決偏遠(yuǎn)地區(qū)的“山中通”、“動(dòng)中通”難題的關(guān)鍵。但是，衛(wèi)星應(yīng)急通信保障時(shí)刻依賴于太空中的通信衛(wèi)星，而目前我國(guó)通信衛(wèi)星數(shù)量少，衛(wèi)星通信資源嚴(yán)重不足。同時(shí)，衛(wèi)星通信的效果受到地形和天氣的限制也比較大。本文提出的基于直升機(jī)中繼平臺(tái)的衛(wèi)星應(yīng)急通信的組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)有兩種工作模式，分別是直升機(jī)中繼模式和直升機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)模式，直升機(jī)中繼模式的如圖1所示。

應(yīng)急衛(wèi)星通信中的直升機(jī)中繼模式，直升機(jī)扮演衛(wèi)星地面終端與衛(wèi)星之間的中繼器。這種工作方式有效解決了地面終端對(duì)星時(shí)所處的復(fù)雜地形對(duì)衛(wèi)星的遮擋。另一種直升機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)模式則是利用直升機(jī)搭載模擬衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，在直升機(jī)信號(hào)的覆蓋范圍內(nèi)代替太空衛(wèi)星構(gòu)建本地衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方案，如圖2所示。

圖1 應(yīng)急衛(wèi)星通信中的直升機(jī)中繼模式

圖2 應(yīng)急衛(wèi)星通信中的直升機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)模式

在直升機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)模式下，直升機(jī)需要配置相應(yīng)的模擬轉(zhuǎn)發(fā)器，模擬通信衛(wèi)星的功能進(jìn)行信號(hào)中繼轉(zhuǎn)發(fā)，地面設(shè)備無需改造，直接通過模擬轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行管理控制和組網(wǎng)通信，形成區(qū)域范圍覆蓋下的地面衛(wèi)星通信組網(wǎng)應(yīng)用，可有效解決衛(wèi)星通信資源受限的問題。同時(shí)，直升機(jī)相對(duì)同步軌道上的衛(wèi)星而言，傳輸距離近得多，可減小模擬轉(zhuǎn)發(fā)器的功放或支持更高速率的業(yè)務(wù)傳輸。另外，由于信號(hào)的傳輸距離相比太空衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)距離近得多，衛(wèi)星信號(hào)的時(shí)延問題會(huì)有極大的改善。

2 基于直升機(jī)中繼轉(zhuǎn)發(fā)的衛(wèi)星通信關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)直升機(jī)中繼平臺(tái)應(yīng)用場(chǎng)景，應(yīng)該考慮直升機(jī)中繼衛(wèi)星通信的抗旋翼遮擋方法、組網(wǎng)應(yīng)用、復(fù)雜電磁環(huán)境下的抗干擾可靠接收等進(jìn)行研究，解決可適應(yīng)不同旋翼類型陸航直升機(jī)的抗旋翼遮擋技術(shù)、衛(wèi)星通信組網(wǎng)技術(shù)、抗干擾與低信噪比接收技術(shù)；而直升機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)模式關(guān)鍵技術(shù)在于直升機(jī)衛(wèi)星模擬轉(zhuǎn)發(fā)器。轉(zhuǎn)發(fā)器是模擬衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，支撐模擬衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。關(guān)鍵技術(shù)的層次圖如圖3所示。

圖3 基于直升機(jī)中繼轉(zhuǎn)發(fā)的衛(wèi)星通信關(guān)鍵技術(shù)的層次圖

基于直升機(jī)中繼轉(zhuǎn)發(fā)的衛(wèi)星通信關(guān)鍵技術(shù)研究主要解決三個(gè)方面的問題：首先，工作在直升機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)模式，如果要替代衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)，就必須要研究模擬衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，實(shí)現(xiàn)模擬衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的工作方式，采用透明轉(zhuǎn)發(fā)還是處理轉(zhuǎn)發(fā)可以根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)的需要，同時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)器的可控制和可配置，也是為了滿足組網(wǎng)需要。第二，直升機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)中繼衛(wèi)星通信組網(wǎng)主要滿足在兩種工作模式下的組網(wǎng)切換，直升機(jī)中繼模式主要滿足地面終端繞過障礙物與衛(wèi)星的中繼通信，直升機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)模式主要滿足在特定區(qū)域內(nèi)不同地面終端的局部組網(wǎng)，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)器資源的管控，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，以及組網(wǎng)應(yīng)用。第三，直升機(jī)自適應(yīng)抗遮擋技術(shù)的作用是實(shí)現(xiàn)直升機(jī)與衛(wèi)星的良好通信，由于直升機(jī)旋翼的屏蔽作用，對(duì)星通信的質(zhì)量需要通過抗旋翼遮擋技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

3 主要技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 模擬衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

直升機(jī)載衛(wèi)星模擬轉(zhuǎn)發(fā)器支持對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行混頻放大轉(zhuǎn)發(fā)處理。其主要模塊包括天線、射頻接收通道、混頻/濾波/放大電路、射頻發(fā)射通道、功放，以及參數(shù)控制模塊等。參數(shù)控制模塊類似于衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的測(cè)控鏈路的功能，將模擬轉(zhuǎn)發(fā)器的狀態(tài)參數(shù)周期地下發(fā)，并接收地面控制系統(tǒng)的上載參數(shù)，對(duì)整個(gè)模擬轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行參數(shù)控制。模擬轉(zhuǎn)發(fā)器還需要連續(xù)下發(fā)信標(biāo)信號(hào)，以便地面衛(wèi)星終端通過捕獲信標(biāo)信號(hào)調(diào)整天線方向來對(duì)準(zhǔn)直升機(jī)，以達(dá)到最佳的信號(hào)收發(fā)方向，提升通信效果。衛(wèi)星模擬轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)處理流程圖如圖4所示。

3.2 基于直升機(jī)中繼轉(zhuǎn)發(fā)的衛(wèi)星通信組網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)

構(gòu)建基于直升機(jī)中繼轉(zhuǎn)發(fā)的衛(wèi)星通信組網(wǎng)，在直升機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)模式下，空間段采用搭載模擬轉(zhuǎn)發(fā)器的直升機(jī)，同時(shí)直升機(jī)也可配備網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備及業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)接設(shè)備，形成若干頻段的波束，地面覆蓋區(qū)域衛(wèi)星終端在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行業(yè)務(wù)通信。也可在地面設(shè)置控制終端，具備遠(yuǎn)程和模擬轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行參數(shù)上載和狀態(tài)下發(fā)的功能，對(duì)模擬轉(zhuǎn)發(fā)器相關(guān)參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和轉(zhuǎn)發(fā)器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控。如圖5所示。

圖5 基于直升機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的衛(wèi)星通信組網(wǎng)示意圖

而工作在直升機(jī)中繼模式，則主要依賴原有衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)通信，直升機(jī)機(jī)載中繼設(shè)備只是負(fù)責(zé)中繼轉(zhuǎn)發(fā)，需要解決的主要問題則是直升機(jī)機(jī)載站的入網(wǎng)。在直升機(jī)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中，主站是網(wǎng)絡(luò)的核心，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起者和維護(hù)者。機(jī)載站要加入衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，須先向主站注冊(cè)登記。機(jī)載站開機(jī)后，首先搜索到主站的TDM信號(hào)載波后，向主站發(fā)送入網(wǎng)申請(qǐng)；主站對(duì)機(jī)載站的入網(wǎng)進(jìn)行認(rèn)定，認(rèn)定成功，批準(zhǔn)入網(wǎng)；認(rèn)定不成功，禁止入網(wǎng)，并向機(jī)載站發(fā)送入網(wǎng)申請(qǐng)應(yīng)答。機(jī)載站成功入網(wǎng)絡(luò)后，作為網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，接受衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)控制中心的統(tǒng)一監(jiān)控，并可申請(qǐng)和網(wǎng)內(nèi)的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行業(yè)務(wù)通信，節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)流程如圖6所示。

圖6 直升機(jī)機(jī)載站入網(wǎng)流程圖

3.3 直升機(jī)自適應(yīng)抗遮擋技術(shù)

現(xiàn)有常用的克服直升機(jī)旋翼遮擋的方法有以下幾種：縫隙檢測(cè)技術(shù)，通過非遮擋縫隙時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)來恢復(fù)信息；前向鏈路采用組幀重發(fā)策略；時(shí)間分集法；糾錯(cuò)編譯碼方案。

（1）縫隙檢測(cè)技術(shù)采用非線性變換FFT能量檢測(cè)算法預(yù)測(cè)通信窗口，利用非線性變化去除信號(hào)調(diào)制相位信息，通過FFT變換后搜索周期峰值，確定信號(hào)能量的大小，再與調(diào)制解調(diào)器門限進(jìn)行比較，確定有效的通信窗口。門限比較后，獲得一個(gè)理論上確定的信號(hào)檢測(cè)周期，即認(rèn)為信號(hào)捕獲成功，捕獲成功后，轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)與旋翼旋轉(zhuǎn)的精確同步。

（2）組幀重發(fā)策略主要將每幀分為首發(fā)幀和重發(fā)幀兩部分，首發(fā)幀和重發(fā)幀發(fā)送內(nèi)容相同的數(shù)據(jù)，方便接收端接收和驗(yàn)證數(shù)據(jù)。首發(fā)幀和重發(fā)幀都包含編號(hào)相同的若干子幀，子幀的長(zhǎng)度和數(shù)量需要充分合理的設(shè)計(jì)。子幀長(zhǎng)度過長(zhǎng)，會(huì)增加接收端數(shù)據(jù)恢復(fù)的難度。而子幀長(zhǎng)度過短，會(huì)降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省Ｗ訋臄?shù)量多少也影響到數(shù)據(jù)恢復(fù)的難度和傳輸效率。通常情況下，子幀長(zhǎng)度和數(shù)量要結(jié)合信道遮擋周期和信道速率決定。一般要求子幀長(zhǎng)度大于信道遮擋時(shí)間而小于信道非遮擋時(shí)間。這樣既不會(huì)出現(xiàn)連續(xù)丟幀的情況，也能保證任意子幀均能在非遮擋狀態(tài)下完成發(fā)送。機(jī)載站調(diào)制解調(diào)器輸出的信號(hào)中，首發(fā)幀和重發(fā)幀中的同一編號(hào)的兩個(gè)子幀至少有一個(gè)沒有被遮擋的情況下，就可以通過選擇性接收來實(shí)現(xiàn)無遮擋發(fā)送。當(dāng)兩個(gè)子幀都沒有被遮擋的情況下，更能最大比例的合并接收。

（3）時(shí)間分集的原理是把發(fā)送信息間隔一定時(shí)間重復(fù)發(fā)送，重復(fù)發(fā)送次數(shù)一般稱為重?cái)?shù)。時(shí)間分集的重?cái)?shù)越高，發(fā)送效率越低。時(shí)間分集的重復(fù)發(fā)送間隔時(shí)間只要大于信道的相干時(shí)間，則各個(gè)發(fā)送的信號(hào)就可以獲得獨(dú)立的衰落特性，從而實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)恢復(fù)。達(dá)到應(yīng)對(duì)旋翼遮擋的目的。

（4）衛(wèi)星通信的常用糾錯(cuò)編碼主要有RS、TPC和LDPC。機(jī)載站衛(wèi)星通信通常會(huì)選擇LDPC碼為糾錯(cuò)編碼方案。LDPC碼具有天然的交織特性，糾錯(cuò)性能好，復(fù)雜度低。可以降低直升機(jī)旋翼工作過程中造成的成片信號(hào)衰減，減少旋翼遮擋的影響。

4 結(jié)束語

基于直升機(jī)中繼轉(zhuǎn)發(fā)的衛(wèi)星通信在應(yīng)急通信中都有著十分重要的作用，同時(shí)解決了便攜衛(wèi)星通信終端在復(fù)雜環(huán)境下信號(hào)的不穩(wěn)定性以及直升機(jī)本身通信手段有限性的問題，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)急通信的大地域、高穩(wěn)定、高可靠傳輸，滿足語音、視頻、數(shù)據(jù)等多種業(yè)務(wù)的寬帶傳輸需求。目前，基于直升機(jī)中繼轉(zhuǎn)發(fā)的衛(wèi)星通信是實(shí)現(xiàn)上述需求的最優(yōu)解決方案。但是還存在一些問題，比如直升機(jī)過于昂貴，通信組網(wǎng)成本高等，未來可以考慮用無人機(jī)等其他空中平臺(tái)來替代。