蘇俊杰

摘要：軍事通信的發(fā)展使得衛(wèi)星通信在國家管理中發(fā)揮著更加特殊的作用，動(dòng)中通作為移動(dòng)的通信方式吸引了業(yè)界廣泛興趣，直升機(jī)是一種特別靈活的載體平臺，但是機(jī)上動(dòng)中通的使用卻成為一個(gè)難題。直升機(jī)旋翼可以實(shí)現(xiàn)靈活飛行外，同時(shí)對動(dòng)中通設(shè)備的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，本文采用數(shù)學(xué)分析工具就旋翼通信中遇到的難題進(jìn)行分析，促進(jìn)通信方式的改進(jìn)，提高了機(jī)載動(dòng)中通的使用效率。

關(guān)鍵詞：動(dòng)中通；旋翼；遮擋；直升機(jī)；數(shù)學(xué)分析

中圖分類號：TN914 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）07-0083-02

1 引言

衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)（動(dòng)中通）在軍事通信、新聞報(bào)道、地震救災(zāi)、海上搜救等方面發(fā)揮著越來越重要的作用，并被廣泛應(yīng)用。隨著國家力量的提升、科技水平的提高和人民安全保障的需要，我國迫切需要建立適合國情需要的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)[1]。

動(dòng)中通在可以移動(dòng)中實(shí)現(xiàn)視頻、文件、短消息等的交互，尤其Ka頻段的動(dòng)中通還可以實(shí)現(xiàn)寬帶信息傳送，具有極大的商業(yè)發(fā)展?jié)摿Γ蚨殉蔀闅W美國家通信發(fā)展的熱點(diǎn)，我國也在大力發(fā)展動(dòng)中通。本文主要研究的直升機(jī)作為載體的動(dòng)中通應(yīng)用。

2 機(jī)載動(dòng)中通

在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行通信的技術(shù)稱之為“動(dòng)中通”（Communications on the Move）技術(shù)，該技術(shù)的核心是穩(wěn)定技術(shù)和跟蹤技術(shù)[2]。穩(wěn)定技術(shù)解決載體運(yùn)動(dòng)對信號通信的機(jī)械干擾問題，跟蹤技術(shù)解決天線指向跟蹤。“動(dòng)中通”主要采用包含精密機(jī)械的控制、導(dǎo)航應(yīng)用、數(shù)據(jù)信息采集和衛(wèi)星通信處理等技術(shù)，是以機(jī)電一體化、自動(dòng)控制技術(shù)為主體，多個(gè)學(xué)科有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物[3]。

直升機(jī)作為載體使用“動(dòng)中通”技術(shù)特別適用于特殊區(qū)域通信，比如河流、山地、峽谷、高原無人區(qū)等事件突發(fā)性強(qiáng)的場合。動(dòng)中通在車載上和船載上應(yīng)用成熟，直升機(jī)作為載體的研究進(jìn)展緩慢。相比汽車和艦船，直升機(jī)旋翼使直升機(jī)在靈活移動(dòng)方面具有更大優(yōu)勢，但在通信過程中旋翼會(huì)遮擋通信信號。針對上述特點(diǎn)，我們分析兩種方案，一種是安裝一種不受旋翼遮擋的天線來通信，另一種是通過通信方式的優(yōu)化補(bǔ)償來通信。

第一種方案中，直升機(jī)上無遮擋的位置非常少，動(dòng)中通天線的口徑有很大限制。加載上述特點(diǎn)的天線對于現(xiàn)有大多數(shù)直升機(jī)來說，結(jié)構(gòu)變動(dòng)大，存在飛行隱患，不具通裝性。第二種方案中，天線位置安裝和口徑使用相對靈活，但運(yùn)動(dòng)中會(huì)遮擋信號。因此，天線位置和通信方式的選擇成為直升機(jī)動(dòng)中通的難點(diǎn)。本文考慮第二種方案，充分利用天線口徑和對通信方式進(jìn)行有效選擇來提升通信能力。

3 旋翼通信遮擋分析

直升機(jī)通信能力強(qiáng)弱跟天線位置和飛行姿態(tài)相關(guān)，動(dòng)中通天線選擇處于中軸線的位置上，不但能平衡直升機(jī)重心，還可平衡左右通信能力。以五片槳葉的直升機(jī)來研究，槳葉高1.7米，距旋翼中心點(diǎn)4.4米，天線為0.6×0.3m2的平板動(dòng)中通天線，設(shè)定直升機(jī)旋翼轉(zhuǎn)速5秒/轉(zhuǎn)，選擇地球同步軌道衛(wèi)星進(jìn)行通信。對于遮擋，我們有如下定義，當(dāng)槳葉旋轉(zhuǎn)到天線跟衛(wèi)星通信的路徑上時(shí)，遮擋就會(huì)發(fā)生，通信受到遮擋。反之，天線具備通信能力。下面選取直升機(jī)飛行過程比較經(jīng)典的幾種姿態(tài)進(jìn)行分析。

第一種，直升機(jī)懸停于衛(wèi)星下方，衛(wèi)星仰角為90°。通信過程中，只要有槳葉出現(xiàn)在天線上方，那么就認(rèn)為信號有遮擋，遮擋面積的大小反映通信中斷概率，主旋翼旋轉(zhuǎn)是均勻的，槳葉分布均勻，通信在飛行中中斷的現(xiàn)象是周期性的。仿真結(jié)果見圖1和圖2，可以看出遮擋的周期性，且周期的長短與槳葉初轉(zhuǎn)相位角無關(guān)。

第二種，直升機(jī)背向衛(wèi)星方向飛行，衛(wèi)星仰角為60°，機(jī)身中軸線與衛(wèi)星通信面夾角0°，飛機(jī)懸停。此時(shí)，旋翼的轉(zhuǎn)速一定，通信仍是周期性的，旋翼轉(zhuǎn)到天線上方或斜上方時(shí)才會(huì)出現(xiàn)遮擋。背向衛(wèi)星方向飛行時(shí)，衛(wèi)星仰角逐漸減小，遮擋天線的槳葉實(shí)際位置離旋翼中心越來越遠(yuǎn)，槳葉旋轉(zhuǎn)周期和角速度固定，線速度不同。此時(shí)，槳葉的相位角沒有因?yàn)榫€速度變化影響通斷比。如圖3所示。

第三種，直升機(jī)朝向衛(wèi)星方向飛行，衛(wèi)星仰角為45°，機(jī)身中軸線與衛(wèi)星通信面夾角為0°，飛機(jī)懸停。通信的通斷情況仍然為周期性，考慮槳軸和旋翼對信號的遮擋是相互獨(dú)立的，槳軸對通斷比的影響是：衛(wèi)星仰角從21.1247°開始出現(xiàn)遮擋，到19.8852°時(shí)完全處于遮擋，小于19.8852°通信完全中斷。背向衛(wèi)星飛行時(shí)，衛(wèi)星仰角增大，遮擋天線的槳葉實(shí)際位置離主旋翼中心越來越近，情況正好跟背向衛(wèi)星飛行時(shí)相反。圖4為仿真結(jié)果。

根據(jù)本文的通斷分析，對比規(guī)律特點(diǎn)，采用下面的通信機(jī)制來通信。通過采用快速DSP計(jì)算出通信的窗口，在通斷比為1的時(shí)候進(jìn)行發(fā)射信號，在通斷比小于0.7大于0.5時(shí)采用重發(fā)機(jī)制進(jìn)行發(fā)射信號，通斷比小于0.5時(shí)不通信。地面站發(fā)射信號同樣采用重發(fā)機(jī)制，增加交互信令來驗(yàn)證。對于其他的飛行方式，可以進(jìn)行相應(yīng)分析，本文不再詳細(xì)介紹。

4 結(jié)語

本文使用了數(shù)學(xué)中立體幾何的方法，通過與通信理論結(jié)合，對直升機(jī)機(jī)載動(dòng)中通進(jìn)行了分析，有效提高了機(jī)載通信的效率。通過這次仿真實(shí)驗(yàn)，表明數(shù)學(xué)工具的使用可以更加有效的提高科研效率，數(shù)學(xué)工具將在更多的衛(wèi)星通信系統(tǒng)研究中得到使用。

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