姚國(guó)義，張德華

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081;2.海軍91917部隊(duì)，北京102100）

0 引言

目前，直升機(jī)與地面的通信聯(lián)絡(luò)主要采用短波或超短波電臺(tái)作為通信手段，進(jìn)行低速率業(yè)務(wù)通信，一旦雙方的距離超出了短波或超短波通信的視距范圍，直升機(jī)與地面就失去了聯(lián)系。隨著天線自動(dòng)跟蹤、調(diào)制解調(diào)和信道編解碼等技術(shù)的發(fā)展，機(jī)載衛(wèi)星通信技術(shù)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。衛(wèi)星通信具有通信距離遠(yuǎn)，成本與通信距離無(wú)關(guān);覆蓋面廣、不受地理?xiàng)l件限制;通信容量大且能夠傳輸多種業(yè)務(wù)等優(yōu)點(diǎn)，因此，機(jī)載衛(wèi)星通信使直升機(jī)超視距傳輸寬帶信息成為可能。

受裝載條件的限制，衛(wèi)星通信天線只能安裝在旋翼的下方。實(shí)際通信過(guò)程中，通信信號(hào)將受到旋翼遮擋的影響，發(fā)送及接收信號(hào)的電平也會(huì)隨之發(fā)生變化;若采用連續(xù)通信方式，信號(hào)質(zhì)量將會(huì)下降，從而影響信號(hào)解調(diào)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成信號(hào)中斷。如采用突發(fā)通信方式，則需要精確地預(yù)測(cè)通信縫隙，即確定“通信窗口”，利用“通信窗口”進(jìn)行突發(fā)通信，雖然信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，但可以實(shí)現(xiàn)可靠通信。

1 信道特性分析

在直升機(jī)通信中，旋翼將周期性地遮擋天線面，當(dāng)衛(wèi)星波束對(duì)旋翼的陰影掃過(guò)天線面時(shí)，對(duì)天線面形成遮擋，機(jī)載接收信號(hào)在短時(shí)間內(nèi)有較大的衰減現(xiàn)象，衰減變化對(duì)解調(diào)結(jié)果將產(chǎn)生很大的影響，而在調(diào)試試驗(yàn)階段不可能全程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，要模擬接收信號(hào)的這種短時(shí)間驟然衰減，就需要產(chǎn)生能夠模擬特定信號(hào)變化的信道特性曲線，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際信道的信號(hào)擬合。

考慮機(jī)載天線安裝在機(jī)體的尾梁上，假設(shè)直升機(jī)的旋翼由等間隔的5片槳葉組成。假定以下條件[1]:

①翼寬度w=520mm;

②天線尺寸0.6m×0.3m;

③旋翼轉(zhuǎn)速v轉(zhuǎn)速=v轉(zhuǎn)速=192轉(zhuǎn)/min=3.2轉(zhuǎn)/s;

④天線與旋翼中心的水平距離d=4400mm;

由步驟③旋翼轉(zhuǎn)速可知，旋翼縫隙出現(xiàn)的周期T由式（1）決定:

由式（1）可知，旋翼轉(zhuǎn)速和槳葉數(shù)量決定了旋翼縫隙出現(xiàn)的周期，與直升機(jī)飛行航向和衛(wèi)星的仰角和位置等參數(shù)無(wú)關(guān)。在實(shí)際飛行過(guò)程中，旋翼將周期性地遮擋天線面，當(dāng)衛(wèi)星波束對(duì)旋翼的陰影掃過(guò)天線面時(shí)，對(duì)天線面形成遮擋，對(duì)機(jī)載接收電平造成影響。每個(gè)旋翼的遮擋時(shí)間可以近似依據(jù)式（2）確定:

對(duì)遮擋信道進(jìn)行模擬，有以下幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù):最大遮擋持續(xù)時(shí)間、信號(hào)衰減過(guò)程時(shí)間、最大遮擋電平衰減及遮擋周期時(shí)間。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的接收信號(hào)情況，調(diào)整信道仿真模擬的參數(shù)，對(duì)實(shí)際信道進(jìn)行擬合。假設(shè)遮擋周期為62.5ms，最大遮擋電平衰減為10dB，最大遮擋持續(xù)時(shí)間為5ms，信號(hào)衰減過(guò)程時(shí)間為8ms，仿真得出的旋翼遮擋對(duì)天線接收電平的信道特性曲線如圖1所示。

圖1 信道特性曲線

由圖1可知，旋翼遮擋情況下接收電平會(huì)下降，信號(hào)質(zhì)量變差，同樣影響信號(hào)的發(fā)射。要使機(jī)載信號(hào)發(fā)射不受旋翼遮擋的影響，就需要預(yù)先檢測(cè)旋翼遮擋情況，然后再確定發(fā)射時(shí)刻，因此機(jī)載需要對(duì)接收信號(hào)功率或信噪比進(jìn)行估計(jì)，找到接收信號(hào)功率或信噪比的門(mén)限值，一旦檢測(cè)到接收信號(hào)功率或信噪比超過(guò)門(mén)限值，則判定為“通信窗口”開(kāi)始;當(dāng)檢測(cè)到接收信號(hào)功率或信噪比低于門(mén)限值，則判定為“通信窗口”結(jié)束。只有對(duì)旋翼縫隙進(jìn)行有效估計(jì)，機(jī)載信號(hào)發(fā)射才能不受旋翼遮擋的影響。

2 設(shè)計(jì)與仿真

采取前向鏈路縫隙檢測(cè)和返向鏈路反饋的方式確定機(jī)載發(fā)射“通信窗口”，其仿真模型如圖2所示。

圖2 縫隙檢測(cè)仿真模型

在圖2中，地面發(fā)射連續(xù)信號(hào)，經(jīng)信道模擬后，信號(hào)受到周期遮擋的影響，機(jī)載接收到信號(hào)后，在一個(gè)遮擋周期內(nèi)進(jìn)行縫隙檢測(cè)。在信號(hào)受到最大遮擋到縫隙期間，機(jī)載接收信噪比由小變大，在通信縫隙期間，接收信噪比維持不變;縫隙到信號(hào)受到最大遮擋期間，機(jī)載接收信噪比由大變小。機(jī)載接收信噪比這一變化過(guò)程正好反應(yīng)了旋翼對(duì)信號(hào)的周期遮擋。

在一個(gè)遮擋周期內(nèi)地面和機(jī)載接收信號(hào)信噪比示意圖如圖3和圖4所示。因?yàn)榈孛娼邮蘸蜋C(jī)載接收都受到同樣旋翼的遮擋，圖3中地面和機(jī)載接收最大信噪比時(shí)間寬度一致，并且信噪比上升和下降斜率保持一致。機(jī)載端首先在接收到最大信噪比期間確定為“通信窗口”，開(kāi)始時(shí)刻為圖4中的c點(diǎn)，結(jié)束時(shí)刻為圖4中的d點(diǎn)。假設(shè)地面接收最大信噪比為10dB，機(jī)載接收最大信噪比為8dB，解調(diào)門(mén)限均為5dB。在圖4中，令x=10－5=5dB，則機(jī)載端可調(diào)整發(fā)射“通信窗口”，開(kāi)始時(shí)刻在圖4中的e點(diǎn)，結(jié)束時(shí)刻在圖4中的f點(diǎn)，只要地面接收信噪比在解調(diào)門(mén)限之上，就不會(huì)影響地面設(shè)備解調(diào)性能。

圖3 地面接收信噪比

圖4 機(jī)載接收信噪比示意圖

機(jī)載端檢測(cè)旋翼縫隙方法，可以從以下幾個(gè)步驟進(jìn)行分析:

①機(jī)載端接收地面發(fā)射信號(hào)，對(duì)受到遮擋的信號(hào)進(jìn)行信噪比估計(jì)。在接收最大信噪比期間產(chǎn)生“通信窗口”，機(jī)載端在“通信窗口”內(nèi)進(jìn)行信號(hào)發(fā)射;

②地面接收機(jī)載端在“通信窗口”內(nèi)發(fā)射的信號(hào)，進(jìn)行信噪比估計(jì)，然后通過(guò)前向鏈路反饋給機(jī)載端;

③確定檢測(cè)門(mén)限。假設(shè)地面接收最大信噪比為SNRgmax，解調(diào)門(mén)限為SNRdem，機(jī)載接收最大信噪比為SNRpmax，則機(jī)載端信噪比檢測(cè)門(mén)限為:

在一個(gè)遮擋周期內(nèi)，當(dāng)機(jī)載端接收信噪比大于SNRdet時(shí)，則判定為“通信窗口”的開(kāi)始時(shí)刻;當(dāng)機(jī)載端接收信噪比小于SNRdet時(shí)，則判定為“通信窗口”的結(jié)束時(shí)刻。

確定“通信窗口”，需要確定圖4中檢測(cè)時(shí)刻的c點(diǎn)和d點(diǎn)，或圖4中的e點(diǎn)和f點(diǎn)，因?yàn)闄z測(cè)每個(gè)遮擋周期開(kāi)始和結(jié)束時(shí)刻存在時(shí)間上的抖動(dòng)，為了保證穩(wěn)定可靠通信，在“通信窗口”使能信號(hào)的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)刻應(yīng)該留有一定的保護(hù)間隔。通過(guò)對(duì)“通信窗口”上升沿檢測(cè)，得到的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 檢測(cè)時(shí)刻抖動(dòng)仿真結(jié)果

從圖5中可以看出，仿真500個(gè)遮擋周期，得出的檢測(cè)時(shí)刻抖動(dòng)范圍不超過(guò)2ms。實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)載端在產(chǎn)生“通信窗口”時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)檢測(cè)結(jié)果保留保護(hù)間隔，以保證返向鏈路可靠通信。

3 結(jié)束語(yǔ)

由于直升機(jī)安裝衛(wèi)星天線受限，直升機(jī)要進(jìn)行衛(wèi)星通信，就必須克服旋翼遮擋的影響。給出了一種直升機(jī)旋翼縫隙檢測(cè)方法，首先機(jī)載端通過(guò)縫隙檢測(cè)產(chǎn)生出“通信窗口”，并進(jìn)行信號(hào)發(fā)射，地面接收信號(hào)進(jìn)行信噪比估計(jì)，然后反饋給機(jī)載端。機(jī)載端根據(jù)地面接收信噪比情況，實(shí)時(shí)調(diào)整“通信窗口”大小，提高了機(jī)載端信號(hào)發(fā)射效率。

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