直升机旋翼遮挡卫星信道建模与实现

+ 胡俊祥 廖世文 何頔（广州海格通信集团股份有限公司）

1、引言

直升机是一种典型依靠旋翼提供升力的飞行器，其最大的特点是可以垂直起降，也可以在半空中悬停，具有快速、机动灵活、不易受地理条件限制等优势，在森林防火、水上救援、飞行运输、新闻拍摄、资源勘探、军事武装等行业中得到广泛使用[1]。

直升机的飞行高度一般在距离地面2000米到5000米之间，地面网络信号一般无法覆盖。随着机上多媒体通信业务需求的增长，传统机载无线电台由于速率较低已经无法满足直升机通信使用要求，宽带卫星通信正逐步成为新一代直升机的一种重要通信手段。

10多年前国外就开展直升机卫星通信相关技术研究。由于卫星信道容易受到旋翼遮挡，通信效率极低，以日本和美国为首的发达国家通过检测旋翼旋转的方式，在旋翼缝隙中通过突发信号（时间分集）初步解决了信号被旋翼遮挡的问题。国内研究起步较晚，目前仍以在机身前后或两侧安装两幅通信天线来进行冗余备份解决来解决信号遮挡问题，对直升机卫星通信的深入研究正处于起步阶段。

本文以目前最新的共轴双旋翼直升机平台为切入点，研究多旋翼下卫星信道特征，并提出解决方案。

2、信道特征

2.1.传输损耗

由直升机或卫星地球站发送的电磁波信号在空间传播过程中由功率扩散而产生损耗被称为空间传输损耗[2]。若以d和λ分别表示传输的距离和波长，发射端信号功率为Pt，发送端和接收端的天线增益分别为Gt和Gr。通过自由空间后，接收功率Pr可以由下面公式得出，其中d为传播距离。

从公式可以看出波长λ越短（频率越高）或者传输距离d越远的话获得的接收功率约小，换句话说就是传输损耗越大。卫星通信一般在UHF、L、S、C、Ku、Ka等频段（0.3GHz到30GHz），同步轨道卫星（GEO）地面到卫星的传输距离约3.6万公里，加上电离层、尘土、雨水等自然环境因素的影响，传输损耗非常大。

2.2.多普勒频移

多普勒频移是当设备以恒定的速度进行移动时，由于传播路程差的原因，接收到的信号频率和相位会发生改变[3]。卫星通信中水平运动物体的频移量可以由下面公式来表示，其中ν表示接收机移动速度，θ表示信号卫星波束方向和接收机移动方向的夹角，c表示光速，λ表示电磁波波长，fd表示实际接收到的频率。

从公式可以看出，频率的偏移量和物体速度成正比，当靠近离卫星时频移为正，远离时为负。按直升机400Km/h速度计算，多普勒频移量在±0.0048%以内。例如卫星通信常用的Ku频段，频移一般不会超过±58KHz。

2.3.传输时延

卫星通信经由人造地球卫星进行，通信卫星包括低轨、中轨和高轨道几种，最近的距地球在数百千米，最远的达到数万千米。因此电磁波的传输时延无法忽视。以中高轨（GEO）的同步地球卫星为例，其分布在赤道上空，距离地面36000余公里，电磁波从地面到卫星的往返时间可通过公式计算，其中d是卫星地球站到卫星的距离，c为光速。根据通信站位置不同，A站到B站的传输时延在260ms到280ms之间。

2.4.旋翼遮挡

直升机和一般飞行器对大的区别就是直升机旋翼会对卫星通信信号产生遮挡。旋翼遮挡指的是卫星链路上的电磁波信号被旋转的多副旋翼所阻碍，造成短时间内的信号损耗。造成信号衰落的根本原因是电磁信号能量绝大部分无法穿透以合金材质为主的旋翼。电磁波都具备一定的绕射能力，频率较高的电磁波更容易被旋翼所遮挡，信号跌落情况如图1所示。

图 1 不同波长的电磁波旋翼遮挡影响

3、旋翼遮挡信道建模

3.1.遮挡几何模型

直升机卫星通信系统需要面对旋翼遮挡情况下的“非平稳中断信道”传输问题。旋翼遮挡过程分为三个阶段，无遮挡、部分遮挡和完全遮挡。旋翼宽度、长度、旋翼数、转速和卫星天线的安装位置、波束角度都会对中断效果造成影响。遮挡几何模型如下图所示，其中d表示天线和转轴的距离、α为卫星天线仰角、β为卫星方位角和航向的夹角[4]。为了方便计算，我们将各种形态的卫星天线等效成圆形抛物面天线。圆形抛物面在旋翼旋转平面的投影实际上是一个椭圆型，其中短轴和天线面宽相等，长轴为。由下图可见，在θ1和θ2之间为全遮挡，0～θ1以及θ2～θ3之间为半遮挡，其余区域则属于无遮挡状态。

图 2 遮挡几何模型

通过几何计算，全遮挡时间（按旋翼扫过椭圆长轴计算）、部分遮挡时间和无遮挡时间分别由以下公式得出。

3.2.单旋翼遮挡信道模型

直升机飞行状态中，旋翼会根据飞行所动力要素按一个方向连续旋转，对频率较高的卫星通信来说单旋翼的遮挡（含部分遮挡和全遮挡）可以近似看成是非平稳周期On-Oあ信道模型。该模型刻画了直升机卫星通信信道的时变性、交替出现的通断性，模型的数学表达为：

其中，为不受旋翼遮挡时的信道增益，持续时间记为缝隙时间，为信道受遮挡时的信道增益，持续时间记为遮挡时间（参见图3），为旋翼遮挡引入的信号衰落，为一常数。

3.3.共轴双旋翼遮挡信道模型

共轴双旋翼遮挡定义为两幅旋翼以相同的角速度分别向两个方向旋转，并且两幅旋翼的旋转轴心在同一个直线上（见图4所示）。从几何模型分析可见双旋翼遮挡可以认为是两个单旋翼遮挡产生效果的叠加。

根据叠加时机的不同，信号频谱上会出现三种不同的情况。一是，两个旋翼的遮挡正好时间正好错开，叠加后信号衰落的频率比单旋翼增加一倍。二是，一个旋翼遮挡刚结束，紧接着另一幅旋翼进入遮挡，叠加后信号衰落频率没有变化但衰落时间变长。三是，一个旋翼遮挡时，另一个旋翼正好也在该时间内产生遮挡，叠加后衰落频率和时间均不发生变化（如图5所示）。由于两幅旋翼旋转速度的误差积累，三种叠加情况会按某一顺序更迭出现。

4、信道模拟器设计与验证

图 3 旋翼遮挡卫星信道模型

图 4 共轴双旋翼遮挡示意图

图 5 双旋翼遮挡模的三种叠加情况

要在工程上实现旋翼遮挡通信的真实信道条件需要向直升机一样配置多副旋翼、发动机、操作器、变速器、传动杆等装置，实际情况下往往难以满足要求。因此我们需要在旋翼遮挡信道数学模型的基础上建立一个全功能的信道模拟器，通过对传输信号的精准控制来模拟信道的主要特征。信道模拟器以电控衰减器和数控移相器为核心，并同时满足单旋翼和共轴双旋翼两种通信场景的需求进行设计（如图6所示）。模拟器设有两组级联的信号衰减通道，每个通道设计两个宽频衰减器（考虑到Ku/Ka等频段的遮挡衰落非常大，单一衰减器无法满足衰减幅度的要求），并在信号输出端采用可调本振变频器进行频移控制。

信道模拟器需要在信道部分实现时延模拟是比较困难的，代价很高。更廉价的实现方案是在发送端的数字基带部分通过开设足够大的FIFO缓冲区来控制发送时延，因此该部分功能没有在信道模拟器上实现。

信道模拟器完成设计后，我们还需要合适的工具来产生时变信道模型并控制模拟器逻辑器件协调工作。我们选择LabView软件提供的强大UI和丰富控件来帮助实现快速功能搭建。衰减器控制逻辑框图如图7所示。

我们将设计好的LabView控制程序和信道模拟器连接，并设置旋翼运动的相关参数通过示波器对信号处理的结果进行查看(如图8所示)。最后得出结论，输出信号的频率、衰减幅度、衰减时间等指标完全符合旋翼遮挡的数学模型。

5、结语

本文先从直升机卫星通信信道特征开展研究，包括传输损耗、多普勒频谱、传输时延和旋翼遮挡，其中旋翼遮挡是直升机卫星通信中最重要的信道特征。文章根据旋翼遮挡的几何模型进一步对单旋翼遮挡和共轴双旋翼遮挡进行信道建模。完成建模后，提出了以电控衰减器和数控移相器和核心的信道模拟器的方案，并通过实验结果进行了验证。旋翼遮挡信道理论模型和信道模拟器将为后续卫星通信体制设计和专用设备研制奠定了良好的基础。

图 6 信道模拟器框图

图 7 LabView时域衰减控制框图

图 8 测试结果

[1] 数学分析在直升机旋翼通信应用研究 苏俊杰 2017.7

[2] 直升机卫星通信关键技术研究与实现 姚国强 2017.7

[3] 百度百科词条 多普勒频移

[4] 卫星通信设备抗直升机旋翼遮挡技术测试验证方法研究 阮先丽 2017.10