直升机卫星通信系统的抗旋翼遮挡方法研究

+ 汤明文 国网福州供电公司

直升机卫星通信系统的抗旋翼遮挡方法研究

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针对有人/无人直升机卫星通信系统信号被旋翼遮挡导致链路中断的问题，根据对前向链路和返向链路数据速率、可靠性等方面的不同要求，分别提出一种对抗旋翼遮挡的方法。即前向链路采用时间发射分集技术，保证了数据传输的可靠性；返向链路采用基于信号功率的缝隙检测方法确定无遮挡区间，利用无遮挡缝隙进行数据回传，提高了通信效率。仿真结果表明，这种方法可以有效地对抗旋翼遮挡，技术方案可行有效，具有广阔的示范应用前景。

卫星通信；抗旋翼遮挡；时间发射分集；缝隙检测

1 引 言

近年来，我国自然灾害频发，如何建立一个完善的应急指挥和通信体系是降低灾害损失的关键［1，2］。而目前灾后搜救与勘查普遍采用有人/无人直升机作为载体平台［3］，其机动灵活的特性可以第一时间为决策者提供现场情况，为救援争取时间。但现有直升机通信设备无法满足超视距传输，而具有不受陆地灾害影响、通信范围广等优势［4］的卫星通信可以有效解决上述问题，然而在我国直升机卫星通信还未广泛应用，主要是卫通信号受旋翼遮挡导致通信中断［5-7］，因此有必要对直升机卫星通信系统抗旋翼遮挡方法进行研究。

日本和美国是开展直升机卫星通信应用最早的两个国家［8］。2004年，日本NICT公司成功研发出世界上第一个直升机机载卫星通信系统，其工作频段为Ku，前向链路有效数据的传输速率为64kbps，返向采用磁传感器检测遮挡的同步突发传输方式，有效数据传输速率为384kbps，为提高接收可靠性，直升机身两侧需要各安装一个相控阵天线［9，10］。美国早期将研发的卫星通信系统应用在阿帕奇直升机上，同样采用在机身两侧各安装一个机载卫通天线的方式保证通信链路的可靠性。2009年，ViaSat公司研发出用于直升机的宽带卫星通信产品，并将其应用在美国黑鹰直升机上，其天线安装于黑鹰直升机机身与尾梁的结合部，工作频段同样为Ku，前向链路采用双重时间分集的方式发送，有效数据速率可达5Mbps；返向链路采用突发传输的方式，有效数据速率为325kbps［11，12］。近年来，我国在直升机卫星通信方面也取得了一些成果［13-15］。清华大学研制的直升机卫星通信系统具有抗旋翼遮挡的能力［16］，并成功应用于“神八”的返航任务，返向链路有效信息速率为7.68～9.2Mbps；中电54所通过建立周期性删除信道模型，并结合实例设计了前向链路重发分集策略；同时将地面端接收信噪比反馈给机载端，以便及时调整“通信窗口”［17，18］。

本文针对有人/无人直升机卫星通信系统信号被旋翼遮挡导致链路中断的问题，根据前向链路和返向链路信号的特点，分别提出一种对抗旋翼遮挡的方法，仿真结果表明，本文所提出的方法可以有效地对抗旋翼遮挡，技术方案可行有效，在应急减灾、国防和航空航天等领域具有广泛的应用前景。

2 关键技术分析与仿真

2.1 时间重发分集技术

前向链路一般传输调度指令数据，对可靠性要求较高，同时数据传输速率较低。但由于旋翼遮挡导致遥控指令无法正确解调，降低了前向链路的可靠性。为了解决这一难题，确保机载卫通调制解调器能够收到完整的数据，针对前向链路数据速率较低的特点，可以采用重发时间分集技术。

同时，为了避免因遮挡而出现丢帧的情况，前向链路物理帧帧长的设计相当重要，其中以每个原始帧为单位进行复制得到复制帧，由这两个小帧共同组成一个大帧，小帧帧长设计时保证一帧的长度大于遮挡时间，同时大帧长度小于遮挡周期，这样不会出现数据丢失的情况，如图1所示，灰色部分即为遮挡时间。从图中可以看出，只要接收端接收到原始帧和复制帧，都可以通过接收端合并来获得完整数据。

图2为采用重发时间分集后原序列与解调后序列的对比结果，从图中可以看到发射端对原始帧的序列进行复制，并与原始帧组成一个大帧进行传输，经过信道传输后到达接收进行IQ解调，仿真中设置遮挡时间为3个符号周期的长度，由于仿真时假设遮挡位置是随机的，因此最坏的情况下会导致4个符号周期8个比特的序列发生错误，从仿真结果中可以看出，由于存在旋翼遮挡，解调后从复制帧的序列13开始出错，一直到序列20，跨越了8个比特序列，而原始帧序列没有被遮挡，解调正确。

图1　前向链路物理帧帧结构示意图

图2　原序列与解调后序列对比结果

图3　接收端合并后数据与发射数据对比结果

图4　缝隙检测示意图

图3为发射端采用时间重发分集后接收端合并后数据与发射数据对比结果，仿真中同样设置遮挡时间为3个符号周期的长度，观察接收端原始帧和复制帧发生错误的位置可以发现，遮挡时间开始于原始帧数据的结尾处（从序列11开始出错），终止于复制帧的前部（结束在序列4），由于遮挡时间横跨了两个帧，不能通过简单的提取原始帧和复制帧获得完整数据，必须要进行接收端合并才能获得，因此这种情况最为复杂，接收端通过对信号功率进行测量，确定遮挡时间区间，先将遮挡区间内的数据剔除出去，再将两帧数据进行合并，最后对合并后的结果进行判决，得到数据比特，如图3所示。可以看到，接收端合并后的数据与发射端发射的数据完全一致，通过合并后可以提高接收数据的可靠性。

2.2 基于信号功率的缝隙检测技术

返向链路传输巡线影像等高速数据，为节省带宽提高传输效率，将未遮挡缝隙完全利用起来是最直接的方法。因此，准确地检测缝隙何时遮挡，并根据缝隙的变化情况动态传输最多的信息，是提高系统性能的关键，针对上述问题，可以采用基于信号功率的缝隙检测技术。

采用利用遥控信号进行旋翼缝隙检测的方式，即需要实时检测遥控信号功率的变化，根据变化情况确定通信窗口。流程如下：机载端收到遥控后，通过天线、微波前端接收到达机载卫通调制解调器进行载波同步，之后进行信号功率测量（实时测量）；将测量结果与接收机灵敏度进行比较，如果大于接收机灵敏度则认为此时无遮挡，若小于则认为此时遮挡，如图4所示；从图中可以看出，大于接收机灵敏度的时间区间即为最大可通信时间，但为了保险起见，需要保证最低接收信号功率大于接收机灵敏度2～3dB，因此最大可通信时间区间即为图中红色部分。

图5为采用信号功率检测的方法得到的缝隙检测结果。仿真采用滑动平均的方式计算信号功率，从图中可以看到，旋翼遮挡会导致信号功率明显降低，而在无遮挡的时候，信号功率检测结果恢复正常，这与理论分析的结论一致，只是由于噪声信号的影响使得无遮挡时测量出来的信号功率值存在小幅波动，但测量结果也明显高于遮挡时测得的信号功率，因此可以通过此方法确定遮挡区间。

图5　基于信号功率测量的缝隙检测结果

3 结束语

本文针对有人/无人直升机卫星通信系统信号被旋翼遮挡导致链路中断的问题，提出前向链路采用时间发射分集技术，返向链路采用基于信号功率检测的方法来对抗旋翼遮挡。仿真结果表明，本文所提出的方法可以有效地对抗旋翼遮挡，技术方案可行有效，为有人/无人直升机卫星通信技术的应用推广提供理论支撑，拓宽了卫星通信在民用和军用领域的应用范围。

（References）

［1］ 曾伟，李德龙.无人机在地理国情应急监测中的应用探讨［J］.地理信息世界，2013，20（5）： 84-88.

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［13］ 陈牧，戴林.一种直升机卫星通信前向链路旋翼遮挡信号检测装置：中国，CN205105215U［P］. 2016-03-23.［14］ 陈牧，戴林.一种直升机卫星通信旋翼遮挡信号的跟踪装置：中国，CN205105182U［P］. 2016-03-23.

［15］ 高凯，朱江，周资伟等.直升机抗旋翼遮挡卫星通信方法：中国，CN104660323A［P］. 2015-05-27.

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