一种直升机卫星通信旋翼缝隙检测方法

姚国义，张德华

（1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081;2.海军91917部队，北京102100）

0 引言

目前，直升机与地面的通信联络主要采用短波或超短波电台作为通信手段，进行低速率业务通信，一旦双方的距离超出了短波或超短波通信的视距范围，直升机与地面就失去了联系。随着天线自动跟踪、调制解调和信道编解码等技术的发展，机载卫星通信技术得到了越来越广泛的应用。卫星通信具有通信距离远，成本与通信距离无关;覆盖面广、不受地理条件限制;通信容量大且能够传输多种业务等优点，因此，机载卫星通信使直升机超视距传输宽带信息成为可能。

受装载条件的限制，卫星通信天线只能安装在旋翼的下方。实际通信过程中，通信信号将受到旋翼遮挡的影响，发送及接收信号的电平也会随之发生变化;若采用连续通信方式，信号质量将会下降，从而影响信号解调，严重时会造成信号中断。如采用突发通信方式，则需要精确地预测通信缝隙，即确定“通信窗口”，利用“通信窗口”进行突发通信，虽然信号处理实现复杂，但可以实现可靠通信。

1 信道特性分析

在直升机通信中，旋翼将周期性地遮挡天线面，当卫星波束对旋翼的阴影扫过天线面时，对天线面形成遮挡，机载接收信号在短时间内有较大的衰减现象，衰减变化对解调结果将产生很大的影响，而在调试试验阶段不可能全程进行现场试验，要模拟接收信号的这种短时间骤然衰减，就需要产生能够模拟特定信号变化的信道特性曲线，来实现对实际信道的信号拟合。

考虑机载天线安装在机体的尾梁上，假设直升机的旋翼由等间隔的5片桨叶组成。假定以下条件[1]:

①翼宽度w=520mm;

②天线尺寸0.6m×0.3m;

③旋翼转速v转速=v转速=192转/min=3.2转/s;

④天线与旋翼中心的水平距离d=4400mm;

由步骤③旋翼转速可知，旋翼缝隙出现的周期T由式（1）决定:

由式（1）可知，旋翼转速和桨叶数量决定了旋翼缝隙出现的周期，与直升机飞行航向和卫星的仰角和位置等参数无关。在实际飞行过程中，旋翼将周期性地遮挡天线面，当卫星波束对旋翼的阴影扫过天线面时，对天线面形成遮挡，对机载接收电平造成影响。每个旋翼的遮挡时间可以近似依据式（2）确定:

对遮挡信道进行模拟，有以下几个关键参数:最大遮挡持续时间、信号衰减过程时间、最大遮挡电平衰减及遮挡周期时间。根据现场采集的接收信号情况，调整信道仿真模拟的参数，对实际信道进行拟合。假设遮挡周期为62.5ms，最大遮挡电平衰减为10dB，最大遮挡持续时间为5ms，信号衰减过程时间为8ms，仿真得出的旋翼遮挡对天线接收电平的信道特性曲线如图1所示。

图1 信道特性曲线

由图1可知，旋翼遮挡情况下接收电平会下降，信号质量变差，同样影响信号的发射。要使机载信号发射不受旋翼遮挡的影响，就需要预先检测旋翼遮挡情况，然后再确定发射时刻，因此机载需要对接收信号功率或信噪比进行估计，找到接收信号功率或信噪比的门限值，一旦检测到接收信号功率或信噪比超过门限值，则判定为“通信窗口”开始;当检测到接收信号功率或信噪比低于门限值，则判定为“通信窗口”结束。只有对旋翼缝隙进行有效估计，机载信号发射才能不受旋翼遮挡的影响。

2 设计与仿真

采取前向链路缝隙检测和返向链路反馈的方式确定机载发射“通信窗口”，其仿真模型如图2所示。

图2 缝隙检测仿真模型

在图2中，地面发射连续信号，经信道模拟后，信号受到周期遮挡的影响，机载接收到信号后，在一个遮挡周期内进行缝隙检测。在信号受到最大遮挡到缝隙期间，机载接收信噪比由小变大，在通信缝隙期间，接收信噪比维持不变;缝隙到信号受到最大遮挡期间，机载接收信噪比由大变小。机载接收信噪比这一变化过程正好反应了旋翼对信号的周期遮挡。

在一个遮挡周期内地面和机载接收信号信噪比示意图如图3和图4所示。因为地面接收和机载接收都受到同样旋翼的遮挡，图3中地面和机载接收最大信噪比时间宽度一致，并且信噪比上升和下降斜率保持一致。机载端首先在接收到最大信噪比期间确定为“通信窗口”，开始时刻为图4中的c点，结束时刻为图4中的d点。假设地面接收最大信噪比为10dB，机载接收最大信噪比为8dB，解调门限均为5dB。在图4中，令x=10－5=5dB，则机载端可调整发射“通信窗口”，开始时刻在图4中的e点，结束时刻在图4中的f点，只要地面接收信噪比在解调门限之上，就不会影响地面设备解调性能。

图3 地面接收信噪比

图4 机载接收信噪比示意图

机载端检测旋翼缝隙方法，可以从以下几个步骤进行分析:

①机载端接收地面发射信号，对受到遮挡的信号进行信噪比估计。在接收最大信噪比期间产生“通信窗口”，机载端在“通信窗口”内进行信号发射;

②地面接收机载端在“通信窗口”内发射的信号，进行信噪比估计，然后通过前向链路反馈给机载端;

③确定检测门限。假设地面接收最大信噪比为SNRgmax，解调门限为SNRdem，机载接收最大信噪比为SNRpmax，则机载端信噪比检测门限为:

在一个遮挡周期内，当机载端接收信噪比大于SNRdet时，则判定为“通信窗口”的开始时刻;当机载端接收信噪比小于SNRdet时，则判定为“通信窗口”的结束时刻。

确定“通信窗口”，需要确定图4中检测时刻的c点和d点，或图4中的e点和f点，因为检测每个遮挡周期开始和结束时刻存在时间上的抖动，为了保证稳定可靠通信，在“通信窗口”使能信号的开始和结束时刻应该留有一定的保护间隔。通过对“通信窗口”上升沿检测，得到的仿真结果如图5所示。

图5 检测时刻抖动仿真结果

从图5中可以看出，仿真500个遮挡周期，得出的检测时刻抖动范围不超过2ms。实际应用中，机载端在产生“通信窗口”时，应根据实测检测结果保留保护间隔，以保证返向链路可靠通信。

3 结束语

由于直升机安装卫星天线受限，直升机要进行卫星通信，就必须克服旋翼遮挡的影响。给出了一种直升机旋翼缝隙检测方法，首先机载端通过缝隙检测产生出“通信窗口”，并进行信号发射，地面接收信号进行信噪比估计，然后反馈给机载端。机载端根据地面接收信噪比情况，实时调整“通信窗口”大小，提高了机载端信号发射效率。

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