數學分析在直升機旋翼通信應用研究

蘇俊杰

摘要：軍事通信的發展使得衛星通信在國家管理中發揮著更加特殊的作用，動中通作為移動的通信方式吸引了業界廣泛興趣，直升機是一種特別靈活的載體平臺，但是機上動中通的使用卻成為一個難題。直升機旋翼可以實現靈活飛行外，同時對動中通設備的設計提出了更高的要求，本文采用數學分析工具就旋翼通信中遇到的難題進行分析，促進通信方式的改進，提高了機載動中通的使用效率。

關鍵詞：動中通；旋翼；遮擋；直升機；數學分析

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

1 引言

衛星移動通信系統（動中通）在軍事通信、新聞報道、地震救災、海上搜救等方面發揮著越來越重要的作用，并被廣泛應用。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星移動通信系統[1]。

動中通在可以移動中實現視頻、文件、短消息等的交互，尤其Ka頻段的動中通還可以實現寬帶信息傳送，具有極大的商業發展潛力，因而已成為歐美國家通信發展的熱點，我國也在大力發展動中通。本文主要研究的直升機作為載體的動中通應用。

2 機載動中通

在運動狀態下進行通信的技術稱之為“動中通”（Communications on the Move）技術，該技術的核心是穩定技術和跟蹤技術[2]。穩定技術解決載體運動對信號通信的機械干擾問題，跟蹤技術解決天線指向跟蹤。“動中通”主要采用包含精密機械的控制、導航應用、數據信息采集和衛星通信處理等技術，是以機電一體化、自動控制技術為主體，多個學科有機結合的產物[3]。

直升機作為載體使用“動中通”技術特別適用于特殊區域通信，比如河流、山地、峽谷、高原無人區等事件突發性強的場合。動中通在車載上和船載上應用成熟，直升機作為載體的研究進展緩慢。相比汽車和艦船，直升機旋翼使直升機在靈活移動方面具有更大優勢，但在通信過程中旋翼會遮擋通信信號。針對上述特點，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化補償來通信。

第一種方案中，直升機上無遮擋的位置非常少，動中通天線的口徑有很大限制。加載上述特點的天線對于現有大多數直升機來說，結構變動大，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，但運動中會遮擋信號。因此，天線位置和通信方式的選擇成為直升機動中通的難點。本文考慮第二種方案，充分利用天線口徑和對通信方式進行有效選擇來提升通信能力。

3 旋翼通信遮擋分析

直升機通信能力強弱跟天線位置和飛行姿態相關，動中通天線選擇處于中軸線的位置上，不但能平衡直升機重心，還可平衡左右通信能力。以五片槳葉的直升機來研究，槳葉高1.7米，距旋翼中心點4.4米，天線為0.6×0.3m2的平板動中通天線，設定直升機旋翼轉速5秒/轉，選擇地球同步軌道衛星進行通信。對于遮擋，我們有如下定義，當槳葉旋轉到天線跟衛星通信的路徑上時，遮擋就會發生，通信受到遮擋。反之，天線具備通信能力。下面選取直升機飛行過程比較經典的幾種姿態進行分析。

第一種，直升機懸停于衛星下方，衛星仰角為90°。通信過程中，只要有槳葉出現在天線上方，那么就認為信號有遮擋，遮擋面積的大小反映通信中斷概率，主旋翼旋轉是均勻的，槳葉分布均勻，通信在飛行中中斷的現象是周期性的。仿真結果見圖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相位角無關。

第二種，直升機背向衛星方向飛行，衛星仰角為60°，機身中軸線與衛星通信面夾角0°，飛機懸停。此時，旋翼的轉速一定，通信仍是周期性的，旋翼轉到天線上方或斜上方時才會出現遮擋。背向衛星方向飛行時，衛星仰角逐漸減小，遮擋天線的槳葉實際位置離旋翼中心越來越遠，槳葉旋轉周期和角速度固定，線速度不同。此時，槳葉的相位角沒有因為線速度變化影響通斷比。如圖3所示。

第三種，直升機朝向衛星方向飛行，衛星仰角為45°，機身中軸線與衛星通信面夾角為0°，飛機懸停。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立的，槳軸對通斷比的影響是：衛星仰角從21.1247°開始出現遮擋，到19.8852°時完全處于遮擋，小于19.8852°通信完全中斷。背向衛星飛行時，衛星仰角增大，遮擋天線的槳葉實際位置離主旋翼中心越來越近，情況正好跟背向衛星飛行時相反。圖4為仿真結果。

根據本文的通斷分析，對比規律特點，采用下面的通信機制來通信。通過采用快速DSP計算出通信的窗口，在通斷比為1的時候進行發射信號，在通斷比小于0.7大于0.5時采用重發機制進行發射信號，通斷比小于0.5時不通信。地面站發射信號同樣采用重發機制，增加交互信令來驗證。對于其他的飛行方式，可以進行相應分析，本文不再詳細介紹。

4 結語

本文使用了數學中立體幾何的方法，通過與通信理論結合，對直升機機載動中通進行了分析，有效提高了機載通信的效率。通過這次仿真實驗，表明數學工具的使用可以更加有效的提高科研效率，數學工具將在更多的衛星通信系統研究中得到使用。

參考文獻

[1]魏動興.現代通信技術[M].機械工業出版社，2014.

[2]董挪軍.對車載“動中通”伺服控制系統的研究.無線電通信技術，2002，28（3）：15-17.

[3]葉自清.船載天線自動跟蹤系統測控技術研究.中南林學院碩士學位論文，2003：10.

[4]王黎明，彭浩熹，董靜媚.衛星“動中通”業務在電信業務分類中的定位分析[J].世界電信，2013，（5）：45-49.

[5]劉新良，馮奎勝，田青，李娜.一種用于衛星地面移動通信系統的相控陣天線.現代電子技術，2008，（17）：48-50.

[6]杜建軍.衛星通信系統結構及原理淺析[J].甘肅金融，1998，（6）：52-57.

[7]C.E.Shannon.A Mathematical Theory of Communication.USA.Bell Sys Technical Journal [J].Vol（27），1948：379-423.

[8]Micron Corporation. Micron Serial NOR Flash Memory[M].USA.2011.

[9]W.Richard Stevens.楊繼張譯.UNIX網絡編程第二卷：進程間通信[M].北京：清華大學出版社，2000.endprint