無人直升機衛星測控通信應用研究

李怡偉

智能化、無人化是當今世界裝備發展的重要方向，無人直升機因其零傷亡、起降要求低、機動靈活等優勢被廣泛應用到軍、民用領域。在軍事應用領域，無人直升機可執行偵察警戒、通信中繼、電子對抗、目標指示、火力支援以及戰勤運輸等任務；在民用領域，可執行警務巡檢、新聞攝影、海洋監測、電網巡檢、農林作業、應急求援等任務。當前無人直升機主要采用視距數據鏈與控制站進行上下行數據傳輸，其通視距離受無人直升機飛行高度限制，且通信質量受地形約束明顯，中繼機雖在一定程度上緩解了上述問題，但作用距離仍然受限且使用方式不夠靈活。衛星通信具有不受地理位置限制，覆蓋面廣、頻帶寬、機動靈活等優點，已成為無線通信的重要手段，將衛星通信應用于無人直升機測控通信，可充分發揮兩者優勢，應用前景廣闊。

據資料報道，日本在2004年12月首次成功研制出直升機衛星通信系統。經過近20年的發展，國內外機載衛星通信系統均取得了不同程度的進步，并在部分有人直升機和固定翼無人機上安裝使用，但衛星通信系統在無人直升機上的應用研究卻很少。相比于有人直升機，衛星通信作為無人直升機超視距測控通信手段，其對傳輸速率、實時性和抗干擾能力要求更高；相比于固定翼無人機，無人直升機上的衛星通信系統會受旋翼遮擋影響且安裝位置有限，對機載天線的尺寸、重量都有嚴格的限制和要求。因此衛星通信系統在無人直升機測控通信中的應用面臨諸多挑戰。

本文在總結國內外直升機機載衛星通信系統項目經驗的基礎上，全面梳理了無人直升機衛星測控通信系統選型和裝機設計流程，參考直升機機載衛星通信系統裝機位置，給出了無人直升機衛通機載站安裝建議。同時結合當前無人直升機常用機載架構，設計了一款簡潔高效、通用性強的衛通機載站通信架構，具有較好的工程指導意義，為無人直升機衛星測控通信應用提供了方向。

國內外研究現狀

國外研究現狀

日本和美國是開展直升機衛星通信應用研究最早的國家。2004年12月2日，日本信息通信研究機構（NICT）宣布成功開發出了全球第一個“直升機衛星通信系統”，能夠通過通信衛星實時傳送災害現場影像情況，其工作在Ku頻段，機身兩側分別安裝用于發射和接收的Ku相控陣天線，如圖1所示。2013年，日本三菱公司的HSA40直升機衛星通信系統采用Ku頻段拋物面天線，用于傳輸圖像、話音、數據等業務類型，天線口徑0.4m，尺寸φ550mm×600mm，如圖2所示，業務速率前向16kpbs，返向384kbps-10Mbps，艙外設備重35kg，艙內設備重20kg，設備功耗小于900W。

美國早期將研發的衛星通信系統應用在阿帕奇直升機上，在機身兩側各安裝一個機載衛通天線以保證直升機在不同姿態下通信鏈路的可靠性。2009年，ViaSat公司研發出VMT-1200HE型Ku頻段衛星通信設備，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，如圖3所示。

以色列將以色列飛機工業公司（IAI）的EL/K-1891寬帶衛星通信系統安裝在AH-64D-1“長弓阿帕奇”武裝直升機兩側，天線采用X/Ku波段相控陣天線，同時配置100W功放，重量小于24kg，功耗小于800W，傳輸體制CDMA/TDM，傳輸率為128kbps。設備安裝位置如圖4所示。

國內研究現狀

近年來，國內一直在致力于直升機衛星通信系統的研究，也取得了一些成果。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，并成功應用于“神八”的返航搜救保障任務，返向鏈路有效信息速率為7.68-9.2Mbps；如圖5所示的直升機寬帶衛星通信系統已經成功的應用在北京奧運安保通信保障和大興安嶺森林防火的空中監測等任務中，該系統配置兩套0.8m天線和2臺大功率功放，安裝在某中型運輸直升機上，加裝該天線后由于重量以及風阻增大，對直升機的飛行造成影響，其最大速度由250km/h減小到220km/h該系統采用縫隙通信檢測技術，兩臺天線依據縫隙交替工作，通信速率可達5Mbps。

2009年開始，相關部門組織國內部分單位開展了直升機衛星通信系統的研究，衛星聲像傳輸系統采用平板陣列天線單元形式，天線安裝在直升機尾梁上。系統搭載機型為某中型運輸直升機，直升機向地面站傳輸一路圖像與兩路話音數據。

如何利用旋翼縫隙進行信號傳輸是直升機和無人直升機衛星通信的關鍵技術之一，上述直升機衛星通信研究成果同樣適用于無人直升機。此外，針對特定無人直升機，合理地進行衛星通信系統選型和裝機設計才能充分發揮無人直升機和衛星測控通信的雙重優勢，這也是無人直升機衛星測控通信推廣應用需要重點關注的問題。

衛星測控通信應用研究

系統組成

基于透明轉發衛星的無人直升機衛星測控通信系統通常由地面衛通車和無人直升機衛通機載站組成，地面衛通車接收指揮控制車的控制指令發送給透明轉發衛星，通過透明轉發衛星轉發至無人直升機衛通機載站，衛通機載站接收無人直升機各系統狀態及業務數據發送給透明轉發衛星，通過透明轉發衛星轉發至地面衛通車進而發送至指揮控制車，其工作原理如圖6所示。

一般衛通地面站對重量、功耗、體積要求不敏感，可以根據使用需求配備中型或者大型地面衛通車，天線尺寸有2-6m等多種規格。但衛通機載站受機載空間、重量重心、供電能力等多種因素限制，其尺寸、形態、重量、功耗會被嚴格限制，衛通機載站性能指標設計需綜合考慮無人直升機信息傳輸需求、載重能力、空間布局、供電能力等多種因素，此外衛星資源、使用環境等也對衛通使用頻段等的選擇至關重要。

衛通機載站通常包括衛通天線組合和衛通信道設備。衛通天線組合主要完成衛星信號的接收和發射以及變頻處理，主要由天線面、伺服和射頻單元組成。衛通信道設備具有信號調制、解調和編解碼等功能，主要由電源單元、基帶單元、監控單元和調制解調單元組成。

下面主要針對無人直升機衛通機載站進行選型和裝機設計流程梳理，并提出一種通用通信架構，用于指導無人直升機衛通測控通信的工程實踐。

選型和裝機設計

無人直升機衛通機載站選型主要指對其性能指標進行論證設計，如工作頻率、傳輸速率、天線尺寸、重量功耗等，平衡傳輸需求、無人直升機平臺性能、衛通機載站設計能力等多方面因素，使無人直升機系統效能最佳。無人直升機衛通機載站裝機設計主要包括安裝設計、供電設計、通信設計、天線輻射遮擋分析、鏈路余量計算等工作。選型和裝機設計兩者關聯緊密，需經過多輪迭代達到平衡，通用流程如下：

（1）識別需求：依據頂層要求和任務需要，分解并收集衛通測控通信傳輸需求，如傳輸速率、接口需求等；

（2）初步方案：依據需求和項目經驗，進行方案初步設計，形成初步數模并評估重量、功耗；

（3）裝機協調：依據初步方案，對裝機位置、重量重心、電氣負載等進行協調，同時對天線輻射遮擋、鏈路余量等進行計算分析，初步評估可行性，并提出修改建議；

（4）迭代完善：依據建議，評估需求可否變更、方案能否優化，設計新的方案再次進行裝機協調，不斷迭代，最后形成一個切實可行的結果。

同有人直升機一樣，旋翼上方安裝衛通機載站的難度較大，通常需要安裝在旋翼下方，因此天線面會受到旋翼的遮擋，引起信號質量的下降，而且在飛行過程中，無人直升機的航向和姿態會發生變化，機身也可能對天線面產生遮擋，影響衛星通信效率，這需要從裝機位置和衛通波形體制兩方面共同解決，抗旋翼遮擋的通信技術主要包括縫隙檢測技術、分組重發技術、物理層編碼技術、噴泉編碼+物理層編碼技術等。裝機位置則需要衛通天線盡量遠離旋翼中心減小遮擋面積和時間，同時盡量布置在機身較高的位置避免機體遮擋，或者通過多個天線進行補盲，但多個天線補盲的方式會增加重量、功耗，代價較大。此外，衛通天線應盡量與無人直升機采取共形設計，減少阻力。

通用通信架構

為實現無人直升機衛星測控通信，無人直升機衛通機載站需接入無人直升機機載系統，一方面將接收的控制指令轉發給各機載設備，另一方面收集各機載設備狀態回傳給指揮控制車，同時將無人直升機通過各個傳感器獲取的情報信息轉發給指揮控制車，因此無人直升機衛通機載站對外通信架構如圖7所示。

無人直升機衛通機載站對外通信信息主要如下：

（1）導航設備：無人直升機衛通機載站可以從導航設備獲取無人直升機姿態、位置等信息，用于引導無人直升機衛通機載站中衛星天線指向，保持衛星天線與衛星的實時聯通，保障鏈路穩定和信息實時傳輸；

（2）飛行控制系統：無人直升機衛通機載站可以將飛行控制相關指令發送給飛行控制系統，由飛行控制系統轉發至各個機載設備，如電氣系統、旋翼系統等；同時從飛行控制系統獲取各個機載設備工作和健康狀態；

（3）綜合任務管理系統：無人直升機衛通機載站可以將任務控制相關指令發送給綜合任務管理系統，由綜合任務管理系統轉發至各個任務載荷（傳感器），如光電、雷達等；同時從綜合任務管理系統獲取各個任務載荷工作狀態、健康狀態、任務載荷探測信息，如光電視頻、SAR圖像、目標數據等；

（4）地面衛通車：無人直升機衛通機載站通過衛星無線轉發與地面衛通車通信，交互傳輸控制指令、無人直升機機載設備和任務載荷工作狀態、任務載荷探測信息。

上述通信架構以飛行控制系統和綜合任務管理系統為無人直升機的左腦和右腦，以無人直升機衛通機載站為信息匯總和傳輸通道，簡潔高效、通用性強。通常無人直升機測控系統會保留原視距通信方式，當超出視距時采用衛通測控通信，兩種通信方式互為補充、互為備份。

結論

本文在概述國內外直升機衛星通信研究的基礎上，梳理了無人直升機衛星測控通信系統選型和裝機設計流程，同時結合當前無人直升機常用機載架構，以飛行控制系統和綜合任務管理系統為無人直升機的左腦和右腦，以無人直升機衛通機載站為信息匯總和傳輸通道，設計了一款簡潔高效、通用性強的衛通機載站通信架構，可為無人直升機衛星測控通信工程實踐提供借鑒。