淺談衛星通信系統在無人直升機上的應用

吳開春，馬敬志，宮元

（南京模擬技術研究所，江蘇 南京 210016）

進入21世紀以來，無人直升機產業得到了迅猛發展，固定翼無人機、多旋翼無人機被廣泛應用到軍、民用等多個領域。現有無人直升機主要依靠數據鏈將傳感器采集到的圖像、數據及控制信息下傳到地面站，但在實際使用過程中受地形約束比較大，一旦雙方的通信受到山丘、樹木、房屋等遮擋，通信信號減弱或中斷，目前解決無人直升機數據傳輸比較好的辦法是在無人機上加裝衛星通信系統。

衛星通信傳輸方式與其他無通信方式相比，具有不受地理位置限制，覆蓋面廣、頻帶寬、機動靈活等優點，因此，特別適合無人直升機的多種任務需求。

1 衛星通信系統應用的現狀

衛星通信在直升機上應用最早的國家是美國和日本，日本在2004年成功研制出世界上第一個直升機衛星通信系統，為確保衛星接收的可靠性，在直升機機身的兩側同時安裝1個相控陣天線。美國在阿帕奇直升機上應用了衛星通信系統，與日本一樣在機身兩側各安裝了1個機載衛通天線，提高了通信鏈路的可靠性。

作為最大的無人機RQ-4A/B“全球鷹”裝有L-3通信公司的綜合通信系統，其中包含有Ku波段衛星通信系統，該通信系統包括1個直徑1.2m，具有自動捕獲能力的3軸可操作拋物面原盤天線、大功率放大器、高壓電源和衛星通信無線電頻率放大器。這些設備分別安裝在無人機前航空電子艙的左側，而其圓盤天線則裝在平臺機頭上部天線罩內，如圖1所示。

圖1 RQ-4A/B“全球鷹”無人機

美國通用原子公司生產的“捕食者”無人機也采用Ku波段衛星通信系統，機上裝有直徑75厘米三軸可操作拋物面原盤天線，加上1個信號處理器調制解調器組件，其天線安裝在無人機鼓包形機頭的中間，信號處理器調制解調器組件裝在右后側，如圖2所示。

以色列研制的“蒼鷹”系列無人機，每種都有鼓包形機頭，用來安裝EL/K-1891全雙工X和Ku波段衛星通信天線，衛星通信天線可以是25厘米×10厘米的平面天線或直徑80厘米的圓盤式天線，兩者都安裝在1個雙軸穩定的支架上，如圖3所示。

圖2 “捕食者”無人機

圖3 以色列“蒼鷹”無人機

近年來，我國在直升機衛星通信領域也取得了多項成果，由清華大學研制的衛星通信系統，成功應用于“神八”的返航任務；中電54所優化了控制策略，將地面端接收信噪比反饋給機載端，便于實時調整“通信窗口”。

2 某無人直升機的應用現狀

某研究所為保證在全天候條件下的語音、數據通信，提高了無人直升機在復雜氣象和地形條件下的數據通信保障能力，開創了國內在無人直升機上使用衛星通信的先河。該系統具有傳輸效率高、重量輕、頻偏捕獲能力強、抗旋翼遮擋能力高、解調門限低、可用率與通信速率高等特點。

該系統由機載衛星通信子系統（機載站）和車載衛星通信子系統（車載站）組成，預留增加地面站衛星通信子系統（地面站）及網絡管理系統接口。

抗旋翼遮擋能力強。由于無人直升機平臺安裝位置的有限，只能安裝在旋翼下方，天線面便會受到直升機旋翼的遮擋，從而引起信號質量的下降，嚴重的將導致信號的中斷。同時由于在飛行過程中，直升機的航向和姿態會發生變化，這些都會對衛星通信產生影響，進而影響通信效率。因此，亟需對衛星通信天線波束受機身固定遮擋問題進行分析和解決，完成對衛星通信系統的優化設計。

圖5 旋翼遮擋信號檢測圖

圖5是在試驗中實際測得的旋翼遮擋信號波形。從圖中可以看到，信號受旋翼遮擋影響信號功率會明顯下降，通過合理計算遮擋區間，利用未遮擋縫隙動態傳輸最大信息，是提高系統性能的關鍵。

機載動中通天線小型化。受體積、重量等限制，機載動中通天線的增益一般較低，發射功率也受到限制，無人機在運動過程中實現寬帶衛星通信，就對天線提出了更高的要求。機載動中通天線的關鍵技術是使用的天線口徑小，實現較大的傳輸信息速率。傳統反射面天線剖面高，體積大，風阻大且機動性差；而相控陣天線成本高，被無人直升機普遍應用困難，故這兩種天線均不是最佳選擇。項目團隊研發成功的Ku波段平板陣列動中通天線，其口徑為300mm，結構緊湊、剖面低、伺服跟蹤穩定可靠、滿足無人直升機對機載動中通天線的使用需求，如圖6所示。

圖6

機載動中通天線跟蹤技術穩定。機載動中天線采用了兩軸穩定三軸跟蹤系統，利用高精度方位齒輪，俯仰同步帶傳動結構和精密導電滑環使得方位軸可實現連續旋轉；利用高精度慣導技術、北斗衛星定位技術、北斗和INS融合技術及信標信號跟蹤技術實現了兩軸精確控制，保證天線在載體的各種運動狀態下始終穩定跟蹤對準衛星，完成高質量的通信。

3 未來發展方向

由于無人直升機用于安裝機載動中通天線的位置非常有限，對機載天線的尺寸和重量都有嚴格的限制和要求，同時無人直升機上的任務設備對數據傳輸要求是數據量大、實時性高。為滿足這一需求，一方面提高天線增益，提高天線面的等效口徑，天線帶寬進行擴展；另一方面，降低共形天線的成本，實現機身與天線共形，將天線做成飛機蒙皮的一部分，改善天線結構、材料類型，降低重量，減輕無人直升機任務承載能力。