基于直升機開展衛(wèi)星通信解決方案的研究

汪鴻濱

1 研究背景

目前，通航直升機的通信手段往往是短波和超短波電臺。在應急搜救實際應用中，其通信能力上存在兩方面的不足[1]：一是通信條件的局限，二是系統(tǒng)帶寬的局限。這兩方面的局限，使得直升機在處理應急事件時的應用效能受到極大的限制。采用機載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，通過同步衛(wèi)星建立前方直升機平臺與后方基地的寬帶通信鏈路，既可以克服超短波系統(tǒng)通信距離受限問題，實現(xiàn)不受地域條件及距離限制的通信，又可實現(xiàn)圖像、話音和數(shù)據(jù)等綜合信息的寬帶傳輸，從而可支持搜索救援過程中多維信息的獲取和全程可視化指揮。直升機載衛(wèi)星通信技術已成為直升機通信系統(tǒng)的重要發(fā)展趨勢之一，有著廣闊的應用前景。

2 國內(nèi)外狀況

日本和美國是開展直升機衛(wèi)星通信應用最早的兩個國家[2]。2004年，日本 NICT公司成功研發(fā)出世界上第一個直升機機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其工作頻段為Ku頻段，前向鏈路有效數(shù)據(jù)的傳輸速率為64 kb/s，返向采用磁傳感器檢測遮擋的同步突發(fā)傳輸方式，有效數(shù)據(jù)傳輸速率為384 kb/s，為提高接收可靠性，直升機身兩側(cè)需要各安裝一個相控陣天線。美國早期將研發(fā)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)應用在阿帕奇直升機上，同樣采用在機身兩側(cè)各安裝一個機載衛(wèi)通天線的方式保證通信鏈路的可靠性。到了 2009年，ViaSat公司研發(fā)出用于直升機的寬帶衛(wèi)星通信產(chǎn)品VMT1200HE，該套設備使用了Ku頻段小型賦形反射面天線（EIRP=44 dBW，G/T＝11.2 dB/K），天線等艙外設備的總重量 36 kg。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(jié)合部，工作頻段同樣為 Ku頻段，前向鏈路采用雙重時間分集的方式發(fā)送，有效數(shù)據(jù)速率可達 5 Mb/s；返向鏈路采用突發(fā)傳輸?shù)姆绞剑行?shù)據(jù)速率為 325 kb/s，提供了IP話音和數(shù)據(jù)業(yè)務。

除了美、日兩國，以色列在 AH-64D-1長弓阿帕奇武裝直升機上，安裝了以色列飛機工業(yè)公司的 EL/K-1891寬頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)，如圖2所示。

圖1 美國黑鷹直升機衛(wèi)星通信安裝圖

圖2 以色列阿帕奇直升機衛(wèi)星通信安裝圖

EL/ K-1891寬頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)為一款全雙工的X/Ku波段微波衛(wèi)星通信網(wǎng)絡產(chǎn)品，可以安裝在靜止或者移動的地面站、車輛、艦船和飛機上，傳輸率為 128 kb/s（包含語音和壓縮的 JPEG視頻數(shù)據(jù)），系統(tǒng)獲得的影像可以直接傳輸給地面指揮所甚至編隊中其他的 AH-64D直升機。

近年來，國外的多家衛(wèi)星通信設備廠家繼續(xù)研究直升機衛(wèi)星通信系統(tǒng)。2015年7月，美國休斯公司研制的端到端機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)在 Bell407多用途直升機成功驗證了實時、高清晰度視頻的超視距連續(xù)傳輸，該衛(wèi)星通信系統(tǒng)工作在 Ka頻段，最高通信速率為8 Mb/s，使用了可調(diào)參數(shù)波形，可工作在不同平臺的有人、無人直升機，其通信不受平臺旋翼數(shù)量、尺寸等影響。2020年，ViaSat公司研發(fā)了V MT-1500機載通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在Ka頻段和Ku頻段網(wǎng)絡之間切換、漫游，飛機的出向鏈路速率可達100 Mb/s，回傳速率可達 20 Mb/s。

圖3 VMT-1500機載通信終端

而在 2008年，我國相關衛(wèi)星通信系統(tǒng)安裝在米-171直升機，工作頻段為 Ku頻段，通信最高速率可達5 Mb/s。該系統(tǒng)采用兩幅 0.8 m雙天線，天線安裝在機身兩側(cè)，如圖 4所示。系統(tǒng)采用的天線體積較大，重量較重，影響直升機的機動性，該系統(tǒng)主要應于北京奧運安保通信保障任務。

圖4 我國米-171直升機衛(wèi)星通信安裝圖

我國通航直升飛機的衛(wèi)星通信之前一直受限于技術、成本等因素，一直未受到應用。但是，直升機衛(wèi)星通信，特別是支持圖像傳輸?shù)闹鄙龣C寬帶衛(wèi)星通信，對各種非軍事行動的遠程偵察、現(xiàn)場救援和指揮決策起到越來越大的作用。

中國衛(wèi)通集團股份有限公司（以下簡稱中國衛(wèi)通）根據(jù)用戶實際需求，形成了一整套成熟、可靠、可商用的直升機衛(wèi)星通信解決方案，并成功應用于森林防火領域。

3 中國衛(wèi)通直升機衛(wèi)星通信解決方案

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的通信站包括機載站和衛(wèi)星主站，其中機載站主要由業(yè)務單元、專用衛(wèi)星通信MODEM、射頻單元和機載動中通天線等組成。衛(wèi)星主站由網(wǎng)管系統(tǒng)、信道設備和業(yè)務單元組成。機載站和衛(wèi)星主站之間經(jīng)GEO衛(wèi)星完成信號轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)機載站與主站之間的通信[3]。

圖5 方案示意圖

該通信系統(tǒng)采用高度一體化的設計，將高效率動中通平板天線、饋電網(wǎng)絡、低噪放、伺服控制模塊、 GPS/北斗定位模塊、智能跟蹤結(jié)構(gòu)集成到一個天線設備中，確保在機載環(huán)境下保證天線精確指向GEO衛(wèi)星。系統(tǒng)集成了專業(yè)級的高清編碼器，采用先進的H.265編碼壓縮技術，大大提升了壓縮比，在滿幀率情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)80 kb/s-2 Mb/s帶寬傳輸1920*1080I/P分辨率的高清視頻。系統(tǒng)還集成了外置功放和專用的機載調(diào)制解調(diào)器MODEM，采用FDMA通信體制，滿足動態(tài)條件下機載站與主站之間連續(xù)雙向業(yè)務傳輸，支持視頻、音頻、圖像、數(shù)據(jù)等業(yè)務類型。

該機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)解決方案是由基本機載設備解決方案（包括：衛(wèi)通天線、調(diào)制解調(diào)器、功放、吊艙、IP電話、編解碼、降噪耳機等）、衛(wèi)星資源解決方案；衛(wèi)星主站解決方案，互聯(lián)網(wǎng)或?qū)＞€解決方案等一系列解決方案組成，形成了完整統(tǒng)一的直升機載衛(wèi)星通信綜合解決方案。

下面將重點介紹該解決方案的主要組成部分，包括：通信衛(wèi)星、地面主站、機載站。

3.1 通信衛(wèi)星

通信衛(wèi)星完成信號的轉(zhuǎn)發(fā)，接收各類地球站發(fā)射的信號，通過變頻、放大、交換等處理后再轉(zhuǎn)發(fā)到地球站。通信衛(wèi)星通常可劃分為有效載荷和衛(wèi)星平臺兩大部分。有效載荷是執(zhí)行通信任務的分系統(tǒng)，主要包括天線和轉(zhuǎn)發(fā)器；衛(wèi)星平臺則是由保障系統(tǒng)組成的可支持一種或幾種有效載荷的組合體。中國衛(wèi)通采用的均為自主可控的中星系列通信衛(wèi)星。在該方案中，選用的通信衛(wèi)星為中星 6A衛(wèi)星，其相關的技術參數(shù)如下：

⊙衛(wèi)星平臺：東方紅四號。⊙衛(wèi)星軌道位置：東經(jīng) 125°。⊙衛(wèi)星設計壽命：15年。⊙衛(wèi)星總功率：7，800 W（15年末期）。⊙軌道位置保持精度：±0.05。⊙發(fā)射日期：2010年9月5日。⊙轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)量：24個C波段、8個Ku波段單極化。⊙覆蓋區(qū)域：Ku波段，大中國區(qū)。⊙高功率：Ku—150 W TWTA。⊙頻段：上行：14.00 GHz-14.50 GHz。

下行：12.25 GHz-12.75 GHz⊙轉(zhuǎn)發(fā)器的轉(zhuǎn)換頻率：1，750 MHz。⊙信標頻率：12.26 GHz。

3.2 地面主站

該方案中地面主站采用 6.2米拋物面天線，其波束寬度較窄，考慮衛(wèi)星漂移等因素，需要采用跟蹤裝置使天線實時跟蹤衛(wèi)星。

射頻分系統(tǒng)由發(fā)射通道和接收通道組成。發(fā)射通道主要是將調(diào)制器輸出的 L頻段信號變頻至衛(wèi)星通信工作的射頻頻段，并將信號進行功率放大，放大后的信號通過天線輻射到衛(wèi)星。接收通道是將天線接收的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)信號進行低噪聲放大，再將信號變頻至 L頻段并送至解調(diào)器。

圖6 地面主站系統(tǒng)框圖

調(diào)制解調(diào)分系統(tǒng)由若干調(diào)制解調(diào)器組成，調(diào)制器將數(shù)字化后的用戶業(yè)務數(shù)據(jù)進行信道糾錯編碼和數(shù)字載波調(diào)制，并變換為 L頻段信號；解調(diào)器完成輸入 L頻段信號的解調(diào)和譯碼，輸出數(shù)字化的用戶業(yè)務數(shù)據(jù)。在設備實現(xiàn)上一般將調(diào)制器和解調(diào)器進行一體化設計。

業(yè)務接入分系統(tǒng)主要實現(xiàn)話音、圖像等模擬業(yè)務的數(shù)字化及壓縮處理，數(shù)字接口協(xié)議處理、多業(yè)務接入控制等功能。實際設計時需要根據(jù)實際的使用需求進行功能的選配，并確定設備的具體形態(tài)。

供配電分系統(tǒng)為地面站各設備提供所需的電能，供配電分系統(tǒng)不但要滿足設備對能耗的要求，還要進行專門的安全性設計，既要保證工作過程中設備的安全，又要保證使用操作過程中的人身安全。

管理控制分系統(tǒng)實現(xiàn)對各設備的參數(shù)配置（如發(fā)射功率、工作頻率、傳輸帶寬等）和工作狀態(tài)的監(jiān)視（如接收信號質(zhì)量、告警信息等）。

圖7 地面站調(diào)制解調(diào)分系統(tǒng)

表1 地面站調(diào)制解調(diào)分系統(tǒng)主要技術指標

圖8 網(wǎng)管界面1

圖9 網(wǎng)管界面2

3.3 機載站

機載站相對地面站設備安裝空間受限，通常由天線與射頻組合單元和通信終端等組成，其中天線與射頻組合單元包括天線、伺服控制與射頻通道等，通信終端包括調(diào)制解調(diào)、業(yè)務接入單元和管理單元。機載站組成如圖10所示。

圖10 機載站系統(tǒng)框圖

通信終端完成話音、圖像及數(shù)據(jù)業(yè)務的接入、調(diào)制解調(diào)及中頻處理等功能，此外還完成與航電的管理交互及對天線控制單元管理與控制。天線與射頻組合單元完成 L頻段信號的變頻、功率放大、天線自動跟蹤等功能。天線與射頻設備的伺服控制裝置根據(jù)航電系統(tǒng)送來的直升機平臺的位置和姿態(tài)信息，引導天線對衛(wèi)星進行初始捕獲，然后再根據(jù)接收信號的質(zhì)量進行實時跟蹤調(diào)整。天線組合單元接收的衛(wèi)星信號經(jīng)位于天線座架上的 LNB進行低噪聲放大和變頻，將射頻信號變?yōu)?L頻段信號后經(jīng)由低損耗線纜送入通信終端進行解調(diào)。通信終端根據(jù)工作模式選擇相應的解調(diào)模式和譯碼方式，并將解調(diào)后的基帶數(shù)字信號送業(yè)務處理模塊，恢復為模擬話音或 IP數(shù)據(jù)。話音業(yè)務首先進行 A/D變換，將模擬話音轉(zhuǎn)換為PCM數(shù)字話音，在根據(jù)工作模式選擇相應的壓縮編碼方式進行壓縮編碼。壓縮后的話音數(shù)據(jù)送給接入控制進行成幀處理。數(shù)據(jù)業(yè)務經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊，提取有效數(shù)據(jù)報文，并按照各體制數(shù)據(jù)鏈路幀格式進行組幀。對于處理后的話音數(shù)據(jù)和 IP數(shù)據(jù)分別按照傳輸幀格式進行打包處理，組幀后的復合數(shù)據(jù)流在經(jīng)過編碼和調(diào)制處理后轉(zhuǎn)為基帶數(shù)據(jù)流，通信終端再將基帶數(shù)據(jù)信號變?yōu)?L頻段信號送往機載功放。機載功放單元將該 L頻段信號做變頻及功率放大，通過天線旋轉(zhuǎn)關節(jié)送入天線輻射出去。

該方案充分考慮了機載站的安裝空間限制，將標準1U的調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)改造集成為 1個小模塊，而且該模塊集成了 BUC/LNB供電和供 10 MHz參考的選件，參考源可選擇 Modem內(nèi)部參考或外部參考，直接通過 Tx饋線給 BUC供電和供 10 MHz參考，同時通過 Rx饋線給LNB供電和供 10 MHz參考，大大簡化了結(jié)構(gòu)，增加了可靠性，節(jié)約了機艙內(nèi)部空間。同時由于調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)采取 4倍擴頻模式，在同等傳輸速率的情況下，有效降低了發(fā)射信號的功率譜密度要求，降低了機載站對于天線口徑的要求，在本方案中采用了等效 0.27 m拋物面口徑的平板天線。

圖11 機載調(diào)制解調(diào)器

圖12 0.27米機載天線

圖13 機載站的應用模式

3.4 實際應用案例

2019年2 月，云南省大理州發(fā)生了兩起森林火災事件，火災發(fā)生時，中國衛(wèi)通與合作伙伴合作研發(fā)的森林防火預警直升機前往現(xiàn)場，將現(xiàn)場高清畫面實時回傳至指揮中心，為消防指揮及災情處置提供了重要保障。該套直升飛機衛(wèi)星通信系統(tǒng)安裝在預警直升機駕駛艙左上部，采用白色透波材料防雷電天線罩。

圖14 森林防火預警通航直升機衛(wèi)星通信安裝圖

2019年3 月山西沁源森林大火中，EC130森林防火偵查直升機，攜帶中國衛(wèi)通提供的直升機機載衛(wèi)通設備升空進行災情偵查。為中國應急管理部的指揮調(diào)度提供現(xiàn)場高清實時視頻畫面支持，得到應急管理部領導的高度肯定。

圖15 EC130森林防火偵查直升機衛(wèi)星通信安裝圖

圖16 其他機型衛(wèi)星通信安裝圖

除上述案例外，中國衛(wèi)通還與多家直升機公司及政府部門合作，為多架直升機加裝了衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

4 方案關鍵技術

由于衛(wèi)星通信頻段高、波束窄，電波傳播方式是直射波，要求在無遮擋的條件下通信，而受直升機安裝條件限制，衛(wèi)星通信天線只能安裝在直升機旋翼下方。因此，要實現(xiàn)通信就必須解決旋翼對無線電波的遮擋問題，在旋翼的縫隙中實現(xiàn)信息發(fā)送與接收。可見，克服直升機旋翼影響實現(xiàn)正常通信的技術是直升機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的核心技術，該技術被通俗地稱為縫隙通信技術。

縫隙通信的關鍵技術集中于調(diào)制解調(diào)器中，由于系統(tǒng)雙向鏈路的信息傳送方式截然不同，因而機載站和地面主站的調(diào)制解調(diào)器的實現(xiàn)技術也不相同。根據(jù)系統(tǒng)原理描述，直升機載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)專用調(diào)制解調(diào)器需要重點突破與周期間斷式信息接收、周期突發(fā)式信息發(fā)送以及旋翼縫隙檢測等相關的關鍵技術。此外，要達到系統(tǒng)實用化，還必須解決低輪廓天線及天線穩(wěn)定跟蹤等相關技術問題。其中下面就具體的縫隙通信技術包括時間重發(fā)分集技術和基于信號功率的縫隙檢測技術，以及低輪廓天線進行詳細討論。

4.1 時間重發(fā)分集技術

地面主站的前向鏈路一般傳輸調(diào)度指令、系統(tǒng)信令數(shù)據(jù)，對可靠性要求較高，同時數(shù)據(jù)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(diào)，降低了前向鏈路的可靠性。為了解決這一難題，確保機載衛(wèi)通調(diào)制解調(diào)器能夠收到完整的數(shù)據(jù)，針對前向鏈路數(shù)據(jù)速率較低的特點，采用重發(fā)時間分集技術。

同時，為了避免因遮擋而出現(xiàn)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(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況，如圖17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(shù)據(jù)[4]。

前向鏈路幀結(jié)構(gòu)設計采用組幀重復的方式，即每幀包括首發(fā)幀和重發(fā)幀，首發(fā)幀和重發(fā)幀發(fā)送同樣的數(shù)據(jù)，以便接收端恢復數(shù)據(jù)。首發(fā)幀和重發(fā)幀都包含若干子幀，子幀長度不易過長也不宜過短，過長將影響接收端數(shù)據(jù)恢復，過短將會降低傳輸效率。子幀的數(shù)據(jù)長度和每幀包含的子幀數(shù)設計受遮擋周期和信道速率的約束。設計一般準則是：每幀的持續(xù)時間要大于遮擋時間，小于非遮擋時間[5]。

圖17 前向鏈路物理幀幀結(jié)構(gòu)示意圖

圖18 時間重發(fā)分集技術原理圖

4.2 基于信號功率的縫隙檢測技術

通過對地面主站發(fā)送的連續(xù)載波信號接收電平和信噪比變化的監(jiān)測，可以判斷出槳葉對天線的遮擋情況。在工程實際使用時，要求相應的檢測算法有較強適應性，能夠適應槳葉旋轉(zhuǎn)速率的變化。縫隙檢測算法一般采用能量和信噪比估計的方式。機載解調(diào)器對接收信號能量和信噪比做一定時長的估計并做適當?shù)幕瑒悠骄瑥闹姓页鲎畲笾担鳛楸容^的參考基準，通過監(jiān)控設置發(fā)送門限，如果當前統(tǒng)計的信號電平功率值大于門限，則將發(fā)送使能信號置為高電平，允許發(fā)送一次突發(fā)載波[6]。

從圖19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(jié)果恢復正常，這與理論分析的結(jié)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(jié)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(qū)間[7]。

圖19 基于信號功率測量的縫隙檢測結(jié)果

4.3 低輪廓天線技術

為了保障飛機的飛行安全，在保證系統(tǒng)要求的天線性能指標的前提下，本方案所用的天線盡可能采用低輪廓天線技術，減小天線的體積，使天線的安裝對飛機氣動特性的影響減至最小。具體是采用了以下幾方面的措施：在選擇系統(tǒng)頻段時，選擇 Ku高頻段，在相同增益下，高頻段的天線口徑更小；在選擇天線形式時，為平板天線，有效降低了天線輪廓；在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計時，采用一體化結(jié)構(gòu)設計，將功放、低噪聲放大器、伺服穩(wěn)定控制設備及跟蹤設備全部安裝在天線座架上，以有效減少系統(tǒng)損耗，縮小天線罩內(nèi)設備體積。天線罩形狀設計根據(jù)安裝位置進行氣動特性分析，符合氣動特性要求。

表2 天線主要性能參數(shù)

圖20 天線設計圖

5 結(jié)束語

隨著我國直升機產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，對于直升機遠距離寬帶數(shù)據(jù)傳輸提出了更高的要求，直升機衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以有效解決遠距離高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸問題，市場前景光明。中國衛(wèi)通針對這一市場需求，提出了使用 Ku頻段GEO衛(wèi)星作為傳輸平臺的直升機衛(wèi)星通信解決方案。該解決方案在解決旋翼遮擋問題的基礎上，具有機載終端尺寸小、便于安裝、傳輸速率高、抗干擾能力強等顯著特點。尤其在機載設備性能提升方面，中國衛(wèi)通針對在機載設備實際工作環(huán)境提出了優(yōu)化建議，一方面提高天線增益，提高天線面的等效口徑，天線帶寬進行擴展；另一方面，降低共形天線的成本，實現(xiàn)機身與天線共形，改善天線結(jié)構(gòu)、材料類型，降低重量，減輕無人直升機任務承載能力。目前，中國衛(wèi)通的直升機衛(wèi)星通信解決方案已在森防防火領域得到了實際應用，證明解決方案可行性，將來可以將該解決方案推廣到更多的行業(yè)當中。