一種直升機衛星通信旋翼縫隙檢測方法

姚國義，張德華

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

0 引言

目前，直升機與地面的通信聯絡主要采用短波或超短波電臺作為通信手段，進行低速率業務通信，一旦雙方的距離超出了短波或超短波通信的視距范圍，直升機與地面就失去了聯系。隨著天線自動跟蹤、調制解調和信道編解碼等技術的發展，機載衛星通信技術得到了越來越廣泛的應用。衛星通信具有通信距離遠，成本與通信距離無關;覆蓋面廣、不受地理條件限制;通信容量大且能夠傳輸多種業務等優點，因此，機載衛星通信使直升機超視距傳輸寬帶信息成為可能。

受裝載條件的限制，衛星通信天線只能安裝在旋翼的下方。實際通信過程中，通信信號將受到旋翼遮擋的影響，發送及接收信號的電平也會隨之發生變化;若采用連續通信方式，信號質量將會下降，從而影響信號解調，嚴重時會造成信號中斷。如采用突發通信方式，則需要精確地預測通信縫隙，即確定“通信窗口”，利用“通信窗口”進行突發通信，雖然信號處理實現復雜，但可以實現可靠通信。

1 信道特性分析

在直升機通信中，旋翼將周期性地遮擋天線面，當衛星波束對旋翼的陰影掃過天線面時，對天線面形成遮擋，機載接收信號在短時間內有較大的衰減現象，衰減變化對解調結果將產生很大的影響，而在調試試驗階段不可能全程進行現場試驗，要模擬接收信號的這種短時間驟然衰減，就需要產生能夠模擬特定信號變化的信道特性曲線，來實現對實際信道的信號擬合。

考慮機載天線安裝在機體的尾梁上，假設直升機的旋翼由等間隔的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旋翼轉速v轉速=v轉速=192轉/min=3.2轉/s;

④天線與旋翼中心的水平距離d=4400mm;

由步驟③旋翼轉速可知，旋翼縫隙出現的周期T由式（1）決定:

由式（1）可知，旋翼轉速和槳葉數量決定了旋翼縫隙出現的周期，與直升機飛行航向和衛星的仰角和位置等參數無關。在實際飛行過程中，旋翼將周期性地遮擋天線面，當衛星波束對旋翼的陰影掃過天線面時，對天線面形成遮擋，對機載接收電平造成影響。每個旋翼的遮擋時間可以近似依據式（2）確定:

對遮擋信道進行模擬，有以下幾個關鍵參數:最大遮擋持續時間、信號衰減過程時間、最大遮擋電平衰減及遮擋周期時間。根據現場采集的接收信號情況，調整信道仿真模擬的參數，對實際信道進行擬合。假設遮擋周期為62.5ms，最大遮擋電平衰減為10dB，最大遮擋持續時間為5ms，信號衰減過程時間為8ms，仿真得出的旋翼遮擋對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下降，信號質量變差，同樣影響信號的發射。要使機載信號發射不受旋翼遮擋的影響，就需要預先檢測旋翼遮擋情況，然后再確定發射時刻，因此機載需要對接收信號功率或信噪比進行估計，找到接收信號功率或信噪比的門限值，一旦檢測到接收信號功率或信噪比超過門限值，則判定為“通信窗口”開始;當檢測到接收信號功率或信噪比低于門限值，則判定為“通信窗口”結束。只有對旋翼縫隙進行有效估計，機載信號發射才能不受旋翼遮擋的影響。

2 設計與仿真

采取前向鏈路縫隙檢測和返向鏈路反饋的方式確定機載發射“通信窗口”，其仿真模型如圖2所示。

圖2 縫隙檢測仿真模型

在圖2中，地面發射連續信號，經信道模擬后，信號受到周期遮擋的影響，機載接收到信號后，在一個遮擋周期內進行縫隙檢測。在信號受到最大遮擋到縫隙期間，機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;縫隙到信號受到最大遮擋期間，機載接收信噪比由大變小。機載接收信噪比這一變化過程正好反應了旋翼對信號的周期遮擋。

在一個遮擋周期內地面和機載接收信號信噪比示意圖如圖3和圖4所示。因為地面接收和機載接收都受到同樣旋翼的遮擋，圖3中地面和機載接收最大信噪比時間寬度一致，并且信噪比上升和下降斜率保持一致。機載端首先在接收到最大信噪比期間確定為“通信窗口”，開始時刻為圖4中的c點，結束時刻為圖4中的d點。假設地面接收最大信噪比為10dB，機載接收最大信噪比為8dB，解調門限均為5dB。在圖4中，令x=10－5=5dB，則機載端可調整發射“通信窗口”，開始時刻在圖4中的e點，結束時刻在圖4中的f點，只要地面接收信噪比在解調門限之上，就不會影響地面設備解調性能。

圖3 地面接收信噪比

圖4 機載接收信噪比示意圖

機載端檢測旋翼縫隙方法，可以從以下幾個步驟進行分析:

①機載端接收地面發射信號，對受到遮擋的信號進行信噪比估計。在接收最大信噪比期間產生“通信窗口”，機載端在“通信窗口”內進行信號發射;

②地面接收機載端在“通信窗口”內發射的信號，進行信噪比估計，然后通過前向鏈路反饋給機載端;

③確定檢測門限。假設地面接收最大信噪比為SNRgmax，解調門限為SNRdem，機載接收最大信噪比為SNRpmax，則機載端信噪比檢測門限為:

在一個遮擋周期內，當機載端接收信噪比大于SNRdet時，則判定為“通信窗口”的開始時刻;當機載端接收信噪比小于SNRdet時，則判定為“通信窗口”的結束時刻。

確定“通信窗口”，需要確定圖4中檢測時刻的c點和d點，或圖4中的e點和f點，因為檢測每個遮擋周期開始和結束時刻存在時間上的抖動，為了保證穩定可靠通信，在“通信窗口”使能信號的開始和結束時刻應該留有一定的保護間隔。通過對“通信窗口”上升沿檢測，得到的仿真結果如圖5所示。

圖5 檢測時刻抖動仿真結果

從圖5中可以看出，仿真500個遮擋周期，得出的檢測時刻抖動范圍不超過2ms。實際應用中，機載端在產生“通信窗口”時，應根據實測檢測結果保留保護間隔，以保證返向鏈路可靠通信。

3 結束語

由于直升機安裝衛星天線受限，直升機要進行衛星通信，就必須克服旋翼遮擋的影響。給出了一種直升機旋翼縫隙檢測方法，首先機載端通過縫隙檢測產生出“通信窗口”，并進行信號發射，地面接收信號進行信噪比估計，然后反饋給機載端。機載端根據地面接收信噪比情況，實時調整“通信窗口”大小，提高了機載端信號發射效率。

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