淺談衛(wèi)星通信系統(tǒng)在無人直升機(jī)上的應(yīng)用

吳開春，馬敬志，宮元

（南京模擬技術(shù)研究所，江蘇 南京 210016）

進(jìn)入21世紀(jì)以來，無人直升機(jī)產(chǎn)業(yè)得到了迅猛發(fā)展，固定翼無人機(jī)、多旋翼無人機(jī)被廣泛應(yīng)用到軍、民用等多個(gè)領(lǐng)域。現(xiàn)有無人直升機(jī)主要依靠數(shù)據(jù)鏈將傳感器采集到的圖像、數(shù)據(jù)及控制信息下傳到地面站，但在實(shí)際使用過程中受地形約束比較大，一旦雙方的通信受到山丘、樹木、房屋等遮擋，通信信號(hào)減弱或中斷，目前解決無人直升機(jī)數(shù)據(jù)傳輸比較好的辦法是在無人機(jī)上加裝衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

衛(wèi)星通信傳輸方式與其他無通信方式相比，具有不受地理位置限制，覆蓋面廣、頻帶寬、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，因此，特別適合無人直升機(jī)的多種任務(wù)需求。

1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)用的現(xiàn)狀

衛(wèi)星通信在直升機(jī)上應(yīng)用最早的國家是美國和日本，日本在2004年成功研制出世界上第一個(gè)直升機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)，為確保衛(wèi)星接收的可靠性，在直升機(jī)機(jī)身的兩側(cè)同時(shí)安裝1個(gè)相控陣天線。美國在阿帕奇直升機(jī)上應(yīng)用了衛(wèi)星通信系統(tǒng)，與日本一樣在機(jī)身兩側(cè)各安裝了1個(gè)機(jī)載衛(wèi)通天線，提高了通信鏈路的可靠性。

作為最大的無人機(jī)RQ-4A/B“全球鷹”裝有L-3通信公司的綜合通信系統(tǒng)，其中包含有Ku波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)，該通信系統(tǒng)包括1個(gè)直徑1.2m，具有自動(dòng)捕獲能力的3軸可操作拋物面原盤天線、大功率放大器、高壓電源和衛(wèi)星通信無線電頻率放大器。這些設(shè)備分別安裝在無人機(jī)前航空電子艙的左側(cè)，而其圓盤天線則裝在平臺(tái)機(jī)頭上部天線罩內(nèi)，如圖1所示。

圖1 RQ-4A/B“全球鷹”無人機(jī)

美國通用原子公司生產(chǎn)的“捕食者”無人機(jī)也采用Ku波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)，機(jī)上裝有直徑75厘米三軸可操作拋物面原盤天線，加上1個(gè)信號(hào)處理器調(diào)制解調(diào)器組件，其天線安裝在無人機(jī)鼓包形機(jī)頭的中間，信號(hào)處理器調(diào)制解調(diào)器組件裝在右后側(cè)，如圖2所示。

以色列研制的“蒼鷹”系列無人機(jī)，每種都有鼓包形機(jī)頭，用來安裝EL/K-1891全雙工X和Ku波段衛(wèi)星通信天線，衛(wèi)星通信天線可以是25厘米×10厘米的平面天線或直徑80厘米的圓盤式天線，兩者都安裝在1個(gè)雙軸穩(wěn)定的支架上，如圖3所示。

圖2 “捕食者”無人機(jī)

圖3 以色列“蒼鷹”無人機(jī)

近年來，我國在直升機(jī)衛(wèi)星通信領(lǐng)域也取得了多項(xiàng)成果，由清華大學(xué)研制的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，成功應(yīng)用于“神八”的返航任務(wù)；中電54所優(yōu)化了控制策略，將地面端接收信噪比反饋給機(jī)載端，便于實(shí)時(shí)調(diào)整“通信窗口”。

2 某無人直升機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀

某研究所為保證在全天候條件下的語音、數(shù)據(jù)通信，提高了無人直升機(jī)在復(fù)雜氣象和地形條件下的數(shù)據(jù)通信保障能力，開創(chuàng)了國內(nèi)在無人直升機(jī)上使用衛(wèi)星通信的先河。該系統(tǒng)具有傳輸效率高、重量輕、頻偏捕獲能力強(qiáng)、抗旋翼遮擋能力高、解調(diào)門限低、可用率與通信速率高等特點(diǎn)。

該系統(tǒng)由機(jī)載衛(wèi)星通信子系統(tǒng)（機(jī)載站）和車載衛(wèi)星通信子系統(tǒng)（車載站）組成，預(yù)留增加地面站衛(wèi)星通信子系統(tǒng)（地面站）及網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)接口。

抗旋翼遮擋能力強(qiáng)。由于無人直升機(jī)平臺(tái)安裝位置的有限，只能安裝在旋翼下方，天線面便會(huì)受到直升機(jī)旋翼的遮擋，從而引起信號(hào)質(zhì)量的下降，嚴(yán)重的將導(dǎo)致信號(hào)的中斷。同時(shí)由于在飛行過程中，直升機(jī)的航向和姿態(tài)會(huì)發(fā)生變化，這些都會(huì)對(duì)衛(wèi)星通信產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響通信效率。因此，亟需對(duì)衛(wèi)星通信天線波束受機(jī)身固定遮擋問題進(jìn)行分析和解決，完成對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖5 旋翼遮擋信號(hào)檢測(cè)圖

圖5是在試驗(yàn)中實(shí)際測(cè)得的旋翼遮擋信號(hào)波形。從圖中可以看到，信號(hào)受旋翼遮擋影響信號(hào)功率會(huì)明顯下降，通過合理計(jì)算遮擋區(qū)間，利用未遮擋縫隙動(dòng)態(tài)傳輸最大信息，是提高系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。

機(jī)載動(dòng)中通天線小型化。受體積、重量等限制，機(jī)載動(dòng)中通天線的增益一般較低，發(fā)射功率也受到限制，無人機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)寬帶衛(wèi)星通信，就對(duì)天線提出了更高的要求。機(jī)載動(dòng)中通天線的關(guān)鍵技術(shù)是使用的天線口徑小，實(shí)現(xiàn)較大的傳輸信息速率。傳統(tǒng)反射面天線剖面高，體積大，風(fēng)阻大且機(jī)動(dòng)性差；而相控陣天線成本高，被無人直升機(jī)普遍應(yīng)用困難，故這兩種天線均不是最佳選擇。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研發(fā)成功的Ku波段平板陣列動(dòng)中通天線，其口徑為300mm，結(jié)構(gòu)緊湊、剖面低、伺服跟蹤穩(wěn)定可靠、滿足無人直升機(jī)對(duì)機(jī)載動(dòng)中通天線的使用需求，如圖6所示。

圖6

機(jī)載動(dòng)中通天線跟蹤技術(shù)穩(wěn)定。機(jī)載動(dòng)中天線采用了兩軸穩(wěn)定三軸跟蹤系統(tǒng)，利用高精度方位齒輪，俯仰同步帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和精密導(dǎo)電滑環(huán)使得方位軸可實(shí)現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)；利用高精度慣導(dǎo)技術(shù)、北斗衛(wèi)星定位技術(shù)、北斗和INS融合技術(shù)及信標(biāo)信號(hào)跟蹤技術(shù)實(shí)現(xiàn)了兩軸精確控制，保證天線在載體的各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下始終穩(wěn)定跟蹤對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，完成高質(zhì)量的通信。

3 未來發(fā)展方向

由于無人直升機(jī)用于安裝機(jī)載動(dòng)中通天線的位置非常有限，對(duì)機(jī)載天線的尺寸和重量都有嚴(yán)格的限制和要求，同時(shí)無人直升機(jī)上的任務(wù)設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)傳輸要求是數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)性高。為滿足這一需求，一方面提高天線增益，提高天線面的等效口徑，天線帶寬進(jìn)行擴(kuò)展；另一方面，降低共形天線的成本，實(shí)現(xiàn)機(jī)身與天線共形，將天線做成飛機(jī)蒙皮的一部分，改善天線結(jié)構(gòu)、材料類型，降低重量，減輕無人直升機(jī)任務(wù)承載能力。