基于卡爾曼濾波算法的衛(wèi)星通信直升機(jī)旋翼遮擋預(yù)估

一、引言

直升機(jī)具有機(jī)動(dòng)靈活、反應(yīng)速度快、空中懸停、垂直起降等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于短途運(yùn)輸、醫(yī)療救護(hù)、救災(zāi)救生、護(hù)林消防等領(lǐng)域。直升機(jī)也需要超遠(yuǎn)距離、穩(wěn)定可靠的通信手段保持與外界聯(lián)系?！皠?dòng)中通”衛(wèi)星通信很好地彌補(bǔ)了當(dāng)前直升機(jī)通信的不足，大幅提高了直升機(jī)在特殊場(chǎng)景下的通信能力\"

由于直升機(jī)自身特點(diǎn)，再加上機(jī)載衛(wèi)星天線(xiàn)一般布置于尾梁上，主旋翼旋轉(zhuǎn)會(huì)對(duì)機(jī)載衛(wèi)星天線(xiàn)產(chǎn)生周期性遮擋，造成衛(wèi)星信號(hào)的周期性中斷。本文以單層旋翼直升機(jī)對(duì)目前已廣泛應(yīng)用的 Ka/Ku 頻段衛(wèi)星通信產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，并對(duì)基于卡爾曼濾波算法的旋翼遮擋檢測(cè)算法研究進(jìn)行說(shuō)明。

波傳播路徑不小于 60% 的第一菲涅爾區(qū)內(nèi)無(wú)障礙或遮擋方可正常通信。根據(jù)直升機(jī)航向、天線(xiàn)安裝位置和通信衛(wèi)星位置等因素的共同影響，分析旋翼旋轉(zhuǎn)對(duì)衛(wèi)星天線(xiàn)波束的遮擋情況。

二、直升機(jī)旋翼遮擋影響分析

直升機(jī)最大的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是機(jī)體頂部主旋翼?yè)碛袠灪投嗥?，其通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)為直升機(jī)提供飛行升力和動(dòng)力。目前，直升機(jī)機(jī)載衛(wèi)星天線(xiàn)因其自身安裝尺寸的限制，一般布局在主旋翼下方尾梁上（圖1所示），在飛行過(guò)程中，衛(wèi)星天線(xiàn)會(huì)被旋翼周期性遮擋。

頻段機(jī)載衛(wèi)星通信過(guò)程中，衛(wèi)星通信電波傳播方式為直射波，旋翼在遮擋衛(wèi)星波束時(shí)，衛(wèi)星信號(hào)會(huì)產(chǎn)生衰減或中斷，需保證機(jī)載衛(wèi)星天線(xiàn)與衛(wèi)星之間的微

根據(jù)文獻(xiàn)的研究結(jié)果表明，衛(wèi)星通信如圖2所示，直升機(jī)航向朝向衛(wèi)星方位（航向與天線(xiàn)方位角的夾角為 ）時(shí)，天線(xiàn)波束受遮擋的面積最大、遮擋時(shí)間最長(zhǎng)、影響最嚴(yán)重。直升機(jī)航向非朝向衛(wèi)星方位時(shí)，天線(xiàn)波束受遮擋面積較小甚至無(wú)遮擋。

當(dāng)直升機(jī)航向朝向衛(wèi)星方位時(shí)，可由公式（1）計(jì)算出主槳軸遮擋仰角 和天線(xiàn)仰角

由圖4可知（ d=6 ），旋翼遮擋率 與 d 成反比關(guān)系，旋翼遮擋率 主要受衛(wèi)星天線(xiàn)姿態(tài)角和衛(wèi)星天線(xiàn)安裝位置的影響。因此，機(jī)載衛(wèi)星天線(xiàn)布置在旋翼下方時(shí)，天線(xiàn)安裝位置離主槳轂越遠(yuǎn)越好。

由于旋翼轉(zhuǎn)速和衛(wèi)星天線(xiàn)姿態(tài)受直升機(jī)飛行狀態(tài)控制，旋翼遮擋率動(dòng)態(tài)變化，衛(wèi)通信號(hào)的發(fā)射窗口也隨之變化，所以直升機(jī)衛(wèi)星通信仍需解決旋翼遮擋情況下的“非平穩(wěn)周期性中斷信道”傳輸問(wèn)題。

三、旋翼遮擋檢測(cè)技術(shù)

直升機(jī)旋翼是非理想導(dǎo)體。在遮擋衛(wèi)星波束時(shí)，信號(hào)會(huì)在旋翼表面被吸收與反射，導(dǎo)致信號(hào)能量不同程度的衰減。因此，需要建立一個(gè)準(zhǔn)確的旋翼遮擋模型，計(jì)算出衛(wèi)星信號(hào)哪一部分?jǐn)?shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中被旋翼遮擋而丟失，然后通過(guò)時(shí)間分集技術(shù)、信道編譯碼和信道交織技術(shù)等解決旋翼遮擋造成的數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題。

由于旋翼遮擋會(huì)使衛(wèi)星信號(hào)產(chǎn)生周期性衰落，通過(guò)對(duì)衛(wèi)星發(fā)送的QPSK信號(hào)載波幅值進(jìn)行檢測(cè)，判斷旋翼遮擋情況。這里采用基于卡爾曼濾波算法的旋翼遮擋檢測(cè)算法-4?？柭鼮V波是以最小均方誤差為估計(jì)的最佳準(zhǔn)則來(lái)尋求一套遞推估計(jì)的算法，其基本思想是：采用信號(hào)與噪聲的狀態(tài)空間模型，利用前一時(shí)刻的估計(jì)值和現(xiàn)時(shí)刻的觀(guān)測(cè)值來(lái)更新對(duì)狀態(tài)變量的估計(jì)，求出現(xiàn)在時(shí)刻的估計(jì)值5。

針對(duì)機(jī)載衛(wèi)星通信，使用線(xiàn)性卡爾曼濾波基本方程。根據(jù)信號(hào)衰落脈沖檢測(cè)器采集到的QPSK信號(hào)載波幅值，利用卡爾曼濾波進(jìn)行遞推濾波，輸出準(zhǔn)確的旋翼遮擋模型，估計(jì)下一次信號(hào)的遮擋時(shí)間。原理圖見(jiàn)圖5。

采用旋翼遮擋檢測(cè)技術(shù)可大幅提高預(yù)測(cè)旋翼遮擋的準(zhǔn)確性，為分集接收、信道編譯碼方式和信道交織技術(shù)提供旋翼遮擋模型，解決旋翼遮擋數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題；利用時(shí)間分集、信道編譯碼和信道交織等技術(shù)提升機(jī)載衛(wèi)星通信效率和降低額外損耗。

四、仿真結(jié)果及性能分析

（一）驗(yàn)證內(nèi)容

為了驗(yàn)證理論分析的正確性，搭建了直升機(jī)衛(wèi)星通信旋翼遮擋試驗(yàn)環(huán)境，主要由衛(wèi)星信道模擬器、衛(wèi)通原理樣機(jī)及測(cè)量?jī)x器等組成。

用于驗(yàn)證基于卡爾曼自適應(yīng)濾波和預(yù)測(cè)的旋翼遮擋檢測(cè)技術(shù)。通過(guò)衛(wèi)星信道模擬器模擬直升機(jī)旋翼遮擋信號(hào)，如圖7所示。

（二）驗(yàn)證結(jié)果

對(duì)旋翼遮擋信號(hào)進(jìn)行采樣建模，取樣頻率 200kHz ，遮擋周期為16次/秒，遮擋造成的信號(hào)衰落深度為10dB，信號(hào)的信噪比為2dB，如圖8所示。

旋翼遮擋會(huì)導(dǎo)致信號(hào)規(guī)則的衰落。在衛(wèi)通原理樣機(jī)端提取接收信號(hào)的包絡(luò)衰減得到初步的旋翼遮擋規(guī)律，經(jīng)過(guò)濾波后，濾除噪聲分量可以得到比較清晰的旋翼遮擋信號(hào)，該濾波器的傳遞函數(shù)為： ，濾波器參數(shù)取值 。衛(wèi)通原理樣機(jī)濾波后的衛(wèi)通接收信號(hào)見(jiàn)圖9。

通過(guò)自適應(yīng)門(mén)限檢測(cè)旋翼遮擋情況，取信號(hào)包絡(luò)均值的0.85為檢測(cè)門(mén)限（圖9中的虛線(xiàn)），經(jīng)門(mén)限比較后，由卡爾曼濾波算法得到接收遮擋脈沖，即旋翼遮擋模型，如圖10所示。

將卡爾曼濾波算法得出的旋翼遮擋模型（圖10）與旋翼遮擋采樣模型（圖8）進(jìn)行誤差檢測(cè)，結(jié)果如圖11所示。兩種模型對(duì)旋翼遮擋位置預(yù)測(cè)基本一致，這說(shuō)明，卡爾曼濾波算法可有效對(duì)直升機(jī)衛(wèi)星信號(hào)旋翼遮擋進(jìn)行預(yù)估。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)直升機(jī)衛(wèi)星通信旋翼遮擋問(wèn)題，結(jié)合直升機(jī)實(shí)際裝機(jī)位置進(jìn)行了信號(hào)遮擋分析，基于卡爾曼濾波算法提出了旋翼遮擋檢測(cè)技術(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的旋翼遮擋檢測(cè)技術(shù)可有效預(yù)估直升機(jī)旋翼對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的遮擋。

作者單位：孫清淼殷鵬中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所

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