湯明文

(國網(wǎng)福州供電公司，福建 福州 350003)

直升機機載衛(wèi)通系統(tǒng)抗旋翼遮擋方法研究*

湯明文

(國網(wǎng)福州供電公司，福建 福州 350003)

針對有人/無人直升機衛(wèi)星通信系統(tǒng)信號被旋翼遮擋導(dǎo)致鏈路中斷的問題，根據(jù)對前向鏈路和返向鏈路數(shù)據(jù)速率、可靠性等方面的不同要求，分別提出一種對抗旋翼遮擋的方法。即前向鏈路采用時間發(fā)射分集技術(shù)，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?；返向鏈路采用基于信號功率的縫隙檢測方法確定無遮擋區(qū)間，利用無遮擋縫隙進行數(shù)據(jù)回傳，提高了通信效率。仿真結(jié)果表明，這種方法可以有效地對抗旋翼遮擋，技術(shù)方案可行有效，具有廣闊的示范應(yīng)用前景。

直升機；衛(wèi)星通信；抗旋翼遮擋；時間發(fā)射分集；信號功率；縫隙檢測

0 引言

近年來，我國自然災(zāi)害頻發(fā)，如何建立一個完善的應(yīng)急指揮和通信體系是降低災(zāi)害損失的關(guān)鍵[1-2]。而目前災(zāi)后搜救與勘查普遍采用有人/無人直升機作為載體平臺[3]，其機動靈活的特性可以第一時間為決策者提供現(xiàn)場情況，為救援爭取時間。但現(xiàn)有直升機通信設(shè)備無法滿足超視距傳輸，而衛(wèi)星通信具有不受陸地災(zāi)害影響、通信范圍廣等優(yōu)勢[4]，可以有效解決上述問題，然而在我國直升機衛(wèi)星通信還未廣泛應(yīng)用，主要是衛(wèi)通信號受旋翼遮擋導(dǎo)致通信中斷[5-7]，因此有必要對直升機衛(wèi)星通信系統(tǒng)抗旋翼遮擋方法進行研究。

日本和美國是開展直升機衛(wèi)星通信應(yīng)用最早的2個國家[8]。2004年，日本NICT公司成功研發(fā)出世界上第一個直升機機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其工作頻段為Ku，前向鏈路有效數(shù)據(jù)的傳輸速率為64 kbit/s，返向采用磁傳感器檢測遮擋的同步突發(fā)傳輸方式，有效數(shù)據(jù)傳輸速率為384 kbit/s，為提高接收可靠性，直升機身兩側(cè)需要各安裝一個相控陣天線[9-10]。美國早期將研發(fā)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)用在阿帕奇直升機上，同樣采用在機身兩側(cè)各安裝一個機載衛(wèi)通天線的方式保證通信鏈路的可靠性。2009年，ViaSat公司研發(fā)出用于直升機的寬帶衛(wèi)星通信產(chǎn)品，并將其應(yīng)用在美國黑鷹直升機上，其天線安裝于黑鷹直升機機身與尾梁的結(jié)合部，工作頻段同樣為Ku，前向鏈路采用雙重時間分集的方式發(fā)送，有效數(shù)據(jù)速率可達5 Mbit/s；返向鏈路采用突發(fā)傳輸?shù)姆绞?，有效?shù)據(jù)速率為325 kbit/s[11-12]。近年來，我國在直升機衛(wèi)星通信方面也取得了一些成果[13-15]。清華大學(xué)研制的直升機衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有抗旋翼遮擋的能力[16]，并成功應(yīng)用于“神八”的返航任務(wù)，返向鏈路有效信息速率為7.68～9.2 Mbit/s；通過建立周期性刪除信道模型，并結(jié)合實例設(shè)計了前向鏈路重發(fā)分集策略；同時將地面端接收信噪比反饋給機載端，以便及時調(diào)整“通信窗口”[17-18]。

本文針對有人/無人直升機衛(wèi)星通信系統(tǒng)信號被旋翼遮擋導(dǎo)致鏈路中斷的問題，根據(jù)前向鏈路和返向鏈路信號的特點，分別提出一種對抗旋翼遮擋的方法，仿真結(jié)果表明，本文所提出的方法可以有效地對抗旋翼遮擋，技術(shù)方案可行有效，在應(yīng)急減災(zāi)、國防和航空航天等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 對抗旋翼遮擋的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 基于信號功率的縫隙檢測技術(shù)

返向鏈路傳輸巡線影像等高速數(shù)據(jù)，為節(jié)省帶寬提高傳輸效率，將未遮擋縫隙完全利用起來是最直接的方法。因此，準確地檢測縫隙何時遮擋，并根據(jù)縫隙的變化情況動態(tài)傳輸最多的信息，是提高系統(tǒng)性能的關(guān)鍵，針對上述問題，可以采用基于信號功率的縫隙檢測技術(shù)。

采用利用遙控信號進行旋翼縫隙檢測的方式，即需要實時檢測遙控信號功率的變化，根據(jù)變化情況確定通信窗口。流程如下：機載端收到遙控后，通過天線、微波前端接收到達機載衛(wèi)通調(diào)制解調(diào)器進行AD采樣，完成模擬信號到數(shù)字信號的變換，進行同步和正交下變頻等操作，得到基帶數(shù)字信號s=[s(1),s(2),…，s(N)]，這里N為接收端緩存器大小，之后進行信號功率測量(實時測量)，分別計算每個s(i)的信號功率并求平均，得到

(1)

之后進行窗口滑動，緩存器中的數(shù)據(jù)變?yōu)閟=[s(2),s(3),…，s(N+1)]，計算此時間段信號的平均功率

(2)

以此類推，并將每次的計算結(jié)果存入寄存器中以便后續(xù)讀取。

圖1 縫隙檢測示意圖Fig.1 Schematic diagram of range detection

1.2 時間重發(fā)分集技術(shù)

前向鏈路一般傳輸調(diào)度指令數(shù)據(jù)，對可靠性要求較高，同時數(shù)據(jù)傳輸速率較低。但由于旋翼遮擋導(dǎo)致遙控指令無法正確解調(diào)，降低了前向鏈路的可靠性。為了解決這一難題，確保機載衛(wèi)通調(diào)制解調(diào)器能夠收到完整的數(shù)據(jù)，針對前向鏈路數(shù)據(jù)速率較低的特點，可以采用重發(fā)時間分集技術(shù)。

同時，為了避免因遮擋而出現(xiàn)丟幀的情況，前向鏈路物理幀幀長的設(shè)計相當(dāng)重要，其中以每個原始幀為單位進行復(fù)制得到復(fù)制幀，由這2個小幀共同組成一個大幀，為了避免出現(xiàn)小幀數(shù)據(jù)被全部遮擋的情況，小幀幀長設(shè)計時保證一幀的長度大于遮擋時間，同時大幀長度小于遮擋周期，這樣不會出現(xiàn)在一個大幀內(nèi)數(shù)據(jù)被遮擋2次或以上的情況出現(xiàn)，保證了接收端不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況，前向鏈路物理幀結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，其中灰色部分即為遮擋時間。從圖中可以看出，只要接收端接收到原始幀和復(fù)制幀，都可以通過接收端合并來獲得完整數(shù)據(jù)。

圖2 前向鏈路物理幀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of forward link physical frame structure

2 仿真結(jié)果分析

根據(jù)第1節(jié)描述的原理，可以搭建系統(tǒng)仿真模型來驗證上述2種關(guān)鍵技術(shù)的可行性和正確性。具體仿真模型如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)仿真模型Fig.3 Model of system simulation

這里采用隨機數(shù)據(jù)源代替信道編碼后的數(shù)據(jù)，調(diào)制方式為QPSK，信道模型采用瑞利信道，并添加高斯白噪聲。接收端假設(shè)同步無誤差，采用QPSK解調(diào)，并采用基于信號功率的縫隙檢測技術(shù)，將檢測結(jié)果傳給接收端合并模塊，以便其對解調(diào)后的數(shù)據(jù)進行合并，最后恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。

圖4為采用信號功率檢測的方法得到的縫隙檢測結(jié)果。仿真采用滑動平均的方式計算信號功率，從圖中可以看到，旋翼遮擋會導(dǎo)致信號功率明顯降低，而在無遮擋的時候，信號功率檢測結(jié)果恢復(fù)正常，這與理論分析的結(jié)論一致，只是由于噪聲信號的影響使得無遮擋時測量出來的信號功率值存在小幅波動，但測量結(jié)果也明顯高于遮擋時測得的信號功率，因此可以通過此方法確定遮擋區(qū)間。

圖5為采用重發(fā)時間分集后原序列與解調(diào)后序列的對比結(jié)果，從圖中可以看到發(fā)射端對原始幀的序列進行復(fù)制，并與原始幀組成一個大幀進行傳輸，經(jīng)過信道傳輸后到達接收進行IQ解調(diào)，仿真中設(shè)置遮擋時間為3個符號周期的長度，由于仿真時假設(shè)遮擋位置是隨機的，因此最壞的情況下會導(dǎo)致4個符號周期8個比特的序列發(fā)生錯誤，從仿真結(jié)果中可以看出，由于存在旋翼遮擋，解調(diào)后從復(fù)制幀的序列13開始出錯，一直到序列20，跨越了8個比特序列，而原始幀序列沒有被遮擋，解調(diào)正確。

圖4 基于信號功率測量的縫隙檢測結(jié)果Fig.4 Range detection results based-on signal power detection

圖5 原序列與解調(diào)后序列對比結(jié)果Fig.5 Comparison results of original sequence and demodulated sequence

圖6為發(fā)射端采用時間重發(fā)分集后接收端合并后數(shù)據(jù)與發(fā)射數(shù)據(jù)對比結(jié)果，仿真中同樣設(shè)置遮擋時間為3個符號周期的長度，觀察接收端原始幀和復(fù)制幀發(fā)生錯誤的位置可以發(fā)現(xiàn)，遮擋時間開始于原始幀數(shù)據(jù)的結(jié)尾處(從序列11開始出錯)，終止于復(fù)制幀的前部(結(jié)束在序列4)，由于遮擋時間橫跨了2個幀，不能通過簡單的提取原始幀和復(fù)制幀獲得完整數(shù)據(jù)，必須要進行接收端合并才能獲得，因此這種情況最為復(fù)雜，接收端通過對信號功率進行測量，確定遮擋時間區(qū)間，先將遮擋區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)剔除出去，再將2幀數(shù)據(jù)進行合并，最后對合并后的結(jié)果進行判決，得到數(shù)據(jù)比特，如圖6所示?？梢钥吹?，接收端合并后的數(shù)據(jù)與發(fā)射端發(fā)射的數(shù)據(jù)完全一致，通過合并后可以提高接收數(shù)據(jù)的可靠性。

圖6 接收端合并后數(shù)據(jù)與發(fā)射數(shù)據(jù)對比結(jié)果Fig.6 Comparison results of combined data at the receiving end and emission data

通過上述仿真結(jié)果可知，采用基于信號功率的縫隙檢測技術(shù)和時間重發(fā)分集技術(shù)兩者相結(jié)合的方式，可以有效地對抗旋翼遮擋，仿真結(jié)果正確，方案可行有效。

3 結(jié)束語

本文針對有人/無人直升機衛(wèi)星通信系統(tǒng)信號被旋翼遮擋導(dǎo)致鏈路中斷的問題，提出前向鏈路采用時間發(fā)射分集技術(shù)，返向鏈路采用基于信號功率檢測的方法來對抗旋翼遮擋。仿真結(jié)果表明，本文所提出的方法可以有效地對抗旋翼遮擋，技術(shù)方案可行有效，為有人/無人直升機衛(wèi)星通信技術(shù)的應(yīng)用推廣提供理論支撐，拓寬了衛(wèi)星通信在民用和軍用領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

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Fighting Rotor Blocking Method for Helicopter Satellite Communication System

TANG Ming-wen

(State Grid Fuzhou Electric Power Supply Company, Fujian Fuzhou 350003, China)

For manned/unmanned helicopter satellite communication system, the signal is shielded by rotor resulting in link interruption, a method of anti rotor shielding is proposed according to the different requirements of data rate and reliability for forward link and reverse link. The forward link uses time transmit diversity technique to ensure the reliability of data transmission; and the reverse link uses the way of based-on signal power detection to determine unobstructed range, and transmits data through unobstructed range, therefore the communication efficiency is improved. Simulation results show that the method can effectively resist the rotor shielding, the technique is feasible and effective, and has broad prospects for application.

helicopter；satellite communication；fighting rotor blocking；time transmit diversity；signal power；crack detection

2016-08-17；

2016-09-20 作者簡介：湯明文(1964-)，男，福建連江人。高工，碩士，主要研究方向為衛(wèi)星通信。

10.3969/j.issn.1009-086x.2017.02.016

TN927；TP391.9

TN911.72A

1009-086X(2017)-02-0107-05

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