直升機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的抗旋翼遮擋方法研究

+ 湯明文 國網(wǎng)福州供電公司

直升機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的抗旋翼遮擋方法研究

+ 湯明文 國網(wǎng)福州供電公司

針對有人/無人直升機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)信號被旋翼遮擋導(dǎo)致鏈路中斷的問題，根據(jù)對前向鏈路和返向鏈路數(shù)據(jù)速率、可靠性等方面的不同要求，分別提出一種對抗旋翼遮擋的方法。即前向鏈路采用時間發(fā)射分集技術(shù)，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?；返向鏈路采用基于信號功率的縫隙檢測方法確定無遮擋區(qū)間，利用無遮擋縫隙進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳，提高了通信效率。仿真結(jié)果表明，這種方法可以有效地對抗旋翼遮擋，技術(shù)方案可行有效，具有廣闊的示范應(yīng)用前景。

衛(wèi)星通信；抗旋翼遮擋；時間發(fā)射分集；縫隙檢測

1 引 言

近年來，我國自然災(zāi)害頻發(fā)，如何建立一個完善的應(yīng)急指揮和通信體系是降低災(zāi)害損失的關(guān)鍵［1，2］。而目前災(zāi)后搜救與勘查普遍采用有人/無人直升機(jī)作為載體平臺［3］，其機(jī)動靈活的特性可以第一時間為決策者提供現(xiàn)場情況，為救援爭取時間。但現(xiàn)有直升機(jī)通信設(shè)備無法滿足超視距傳輸，而具有不受陸地災(zāi)害影響、通信范圍廣等優(yōu)勢［4］的衛(wèi)星通信可以有效解決上述問題，然而在我國直升機(jī)衛(wèi)星通信還未廣泛應(yīng)用，主要是衛(wèi)通信號受旋翼遮擋導(dǎo)致通信中斷［5-7］，因此有必要對直升機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)抗旋翼遮擋方法進(jìn)行研究。

日本和美國是開展直升機(jī)衛(wèi)星通信應(yīng)用最早的兩個國家［8］。2004年，日本NICT公司成功研發(fā)出世界上第一個直升機(jī)機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其工作頻段為Ku，前向鏈路有效數(shù)據(jù)的傳輸速率為64kbps，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384kbps，為提高接收可靠性，直升機(jī)身兩側(cè)需要各安裝一個相控陣天線［9，10］。美國早期將研發(fā)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)用在阿帕奇直升機(jī)上，同樣采用在機(jī)身兩側(cè)各安裝一個機(jī)載衛(wèi)通天線的方式保證通信鏈路的可靠性。2009年，ViaSat公司研發(fā)出用于直升機(jī)的寬帶衛(wèi)星通信產(chǎn)品，并將其應(yīng)用在美國黑鷹直升機(jī)上，其天線安裝于黑鷹直升機(jī)機(jī)身與尾梁的結(jié)合部，工作頻段同樣為Ku，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(dá)5Mbps；返向鏈路采用突發(fā)傳輸?shù)姆绞?，有效?shù)據(jù)速率為325kbps［11，12］。近年來，我國在直升機(jī)衛(wèi)星通信方面也取得了一些成果［13-15］。清華大學(xué)研制的直升機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有抗旋翼遮擋的能力［16］，并成功應(yīng)用于“神八”的返航任務(wù)，返向鏈路有效信息速率為7.68～9.2Mbps；中電54所通過建立周期性刪除信道模型，并結(jié)合實(shí)例設(shè)計(jì)了前向鏈路重發(fā)分集策略；同時將地面端接收信噪比反饋給機(jī)載端，以便及時調(diào)整“通信窗口”［17，18］。

本文針對有人/無人直升機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)信號被旋翼遮擋導(dǎo)致鏈路中斷的問題，根據(jù)前向鏈路和返向鏈路信號的特點(diǎn)，分別提出一種對抗旋翼遮擋的方法，仿真結(jié)果表明，本文所提出的方法可以有效地對抗旋翼遮擋，技術(shù)方案可行有效，在應(yīng)急減災(zāi)、國防和航空航天等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析與仿真

2.1 時間重發(fā)分集技術(shù)

前向鏈路一般傳輸調(diào)度指令數(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(dǎo)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(jī)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(diǎn)，可以采用重發(fā)時間分集技術(shù)。

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(shè)計(jì)相當(dāng)重要，其中以每個原始幀為單位進(jìn)行復(fù)制得到復(fù)制幀，由這兩個小幀共同組成一個大幀，小幀幀長設(shè)計(jì)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1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(fù)制幀，都可以通過接收端合并來獲得完整數(shù)據(jù)。

圖2為采用重發(fā)時間分集后原序列與解調(diào)后序列的對比結(jié)果，從圖中可以看到發(fā)射端對原始幀的序列進(jìn)行復(fù)制，并與原始幀組成一個大幀進(jìn)行傳輸，經(jīng)過信道傳輸后到達(dá)接收進(jìn)行IQ解調(diào)，仿真中設(shè)置遮擋時間為3個符號周期的長度，由于仿真時假設(shè)遮擋位置是隨機(jī)的，因此最壞的情況下會導(dǎo)致4個符號周期8個比特的序列發(fā)生錯誤，從仿真結(jié)果中可以看出，由于存在旋翼遮擋，解調(diào)后從復(fù)制幀的序列13開始出錯，一直到序列20，跨越了8個比特序列，而原始幀序列沒有被遮擋，解調(diào)正確。

圖1　前向鏈路物理幀幀結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　原序列與解調(diào)后序列對比結(jié)果

圖3　接收端合并后數(shù)據(jù)與發(fā)射數(shù)據(jù)對比結(jié)果

圖4　縫隙檢測示意圖

圖3為發(fā)射端采用時間重發(fā)分集后接收端合并后數(shù)據(jù)與發(fā)射數(shù)據(jù)對比結(jié)果，仿真中同樣設(shè)置遮擋時間為3個符號周期的長度，觀察接收端原始幀和復(fù)制幀發(fā)生錯誤的位置可以發(fā)現(xiàn)，遮擋時間開始于原始幀數(shù)據(jù)的結(jié)尾處（從序列11開始出錯），終止于復(fù)制幀的前部（結(jié)束在序列4），由于遮擋時間橫跨了兩個幀，不能通過簡單的提取原始幀和復(fù)制幀獲得完整數(shù)據(jù)，必須要進(jìn)行接收端合并才能獲得，因此這種情況最為復(fù)雜，接收端通過對信號功率進(jìn)行測量，確定遮擋時間區(qū)間，先將遮擋區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)剔除出去，再將兩幀數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，最后對合并后的結(jié)果進(jìn)行判決，得到數(shù)據(jù)比特，如圖3所示?？梢钥吹?，接收端合并后的數(shù)據(jù)與發(fā)射端發(fā)射的數(shù)據(jù)完全一致，通過合并后可以提高接收數(shù)據(jù)的可靠性。

2.2 基于信號功率的縫隙檢測技術(shù)

返向鏈路傳輸巡線影像等高速數(shù)據(jù)，為節(jié)省帶寬提高傳輸效率，將未遮擋縫隙完全利用起來是最直接的方法。因此，準(zhǔn)確地檢測縫隙何時遮擋，并根據(jù)縫隙的變化情況動態(tài)傳輸最多的信息，是提高系統(tǒng)性能的關(guān)鍵，針對上述問題，可以采用基于信號功率的縫隙檢測技術(shù)。

采用利用遙控信號進(jìn)行旋翼縫隙檢測的方式，即需要實(shí)時檢測遙控信號功率的變化，根據(jù)變化情況確定通信窗口。流程如下：機(jī)載端收到遙控后，通過天線、微波前端接收到達(dá)機(jī)載衛(wèi)通調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行載波同步，之后進(jìn)行信號功率測量（實(shí)時測量）；將測量結(jié)果與接收機(jī)靈敏度進(jìn)行比較，如果大于接收機(jī)靈敏度則認(rèn)為此時無遮擋，若小于則認(rèn)為此時遮擋，如圖4所示；從圖中可以看出，大于接收機(jī)靈敏度的時間區(qū)間即為最大可通信時間，但為了保險起見，需要保證最低接收信號功率大于接收機(jī)靈敏度2～3dB，因此最大可通信時間區(qū)間即為圖中紅色部分。

圖5為采用信號功率檢測的方法得到的縫隙檢測結(jié)果。仿真采用滑動平均的方式計(jì)算信號功率，從圖中可以看到，旋翼遮擋會導(dǎo)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(fù)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。

圖5　基于信號功率測量的縫隙檢測結(jié)果

3 結(jié)束語

本文針對有人/無人直升機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)信號被旋翼遮擋導(dǎo)致鏈路中斷的問題，提出前向鏈路采用時間發(fā)射分集技術(shù)，返向鏈路采用基于信號功率檢測的方法來對抗旋翼遮擋。仿真結(jié)果表明，本文所提出的方法可以有效地對抗旋翼遮擋，技術(shù)方案可行有效，為有人/無人直升機(jī)衛(wèi)星通信技術(shù)的應(yīng)用推廣提供理論支撐，拓寬了衛(wèi)星通信在民用和軍用領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

（References）

［1］ 曾偉，李德龍.無人機(jī)在地理國情應(yīng)急監(jiān)測中的應(yīng)用探討［J］.地理信息世界，2013，20（5）： 84-88.

［2］ 陸博迪，孟迪文，陸鳴等.無人機(jī)在重大自然災(zāi)害中的應(yīng)用與探討［J］.災(zāi)害學(xué)，2011，26（4）： 122-126.

［3］ 黃愛軍.飛行器衛(wèi)星通信鏈路設(shè)計(jì)與分析［J］.電訊技術(shù)，2012，52（2）：125-129.

［4］ 胡正群.衛(wèi)星集群應(yīng)急通信系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（13）： 4-6（in Chinese）.

［5］ 茍曉剛，邱金蕙，江會娟.直升機(jī)衛(wèi)星通信中旋翼遮擋天線問題研究［J］.無線電通信技術(shù)，2013，39（1）： 55-58.

［6］ 陳亮，王召.直升機(jī)環(huán)境下北斗信號旋翼遮擋問題研究［J］.無線電工程，2015，45（8）：80-82.

［7］ 駱樂，張琰.直升機(jī)衛(wèi)星通訊中旋翼遮擋問題及應(yīng)對方法［J］.無線互聯(lián)科技，2014，7（8）：174.

［8］ 梅強(qiáng).直升機(jī)衛(wèi)星通信體制研究［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2012.

［9］ 衛(wèi)星電視與多媒體編輯部.日本問世全球首個直升機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)［J］. 衛(wèi)星電視與多媒體，2005，5（5）： 24-25.［10］ H-B. Li， M. Sato， A. Miura， S. Taira， et al. Ku-band helicopter satellite communications for on scene disaster information transmission［C］//IEEE. PIMRC 2004. Japan，2004：2792-2796.

［11］ 晉東立，武傳昱，楊雪梅.直升機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)及其在航天領(lǐng)域的應(yīng)用研究［J］.飛行器測控學(xué)報，2009，28（5）： 41-44.

［12］ 董孝東.直升機(jī)衛(wèi)星通信中旋翼遮擋問題及應(yīng)對方法［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（7）：50-52+58.

［13］ 陳牧，戴林.一種直升機(jī)衛(wèi)星通信前向鏈路旋翼遮擋信號檢測裝置：中國，CN205105215U［P］. 2016-03-23.［14］ 陳牧，戴林.一種直升機(jī)衛(wèi)星通信旋翼遮擋信號的跟蹤裝置：中國，CN205105182U［P］. 2016-03-23.

［15］ 高凱，朱江，周資偉等.直升機(jī)抗旋翼遮擋衛(wèi)星通信方法：中國，CN104660323A［P］. 2015-05-27.

［16］ 匡麟玲，倪祖耀，凡明清.一種基于LMS的直升機(jī)旋翼縫隙時間預(yù)測方法及裝置：中國，CN102521503A［P］. 2012-06-27.

［17］ 姚國義，張德華.一種直升機(jī)衛(wèi)星通信旋翼縫隙檢測方法［J］.無線電通信技術(shù)，2014，40（3）：36-38.

［18］ 羅飛騰，韓福麗.寬帶直升機(jī)衛(wèi)星通信的重發(fā)策略研究［J］.通信技術(shù)，2013，47（6）：15-18.