基于直升機中繼轉發(fā)的衛(wèi)星應急通信的研究

王洪良，王 萌，馬樹森

（1.96946部隊，北京 100085；2.南京凱瑞得信息科技有限公司，江蘇 南京 210012）

1 研究背景

衛(wèi)星應急通信長期受限于復雜地形環(huán)境和復雜的衛(wèi)星資源申請流程，衛(wèi)星應急通信的反應速度和可靠性明顯不足，不能有效發(fā)揮衛(wèi)星應急通信能力。本文介紹了基于直升機中繼平臺的衛(wèi)星應急通信的研究，使衛(wèi)星通信終端脫離太空中的衛(wèi)星而通過救援直升機進行組網(wǎng)或者中繼通信，在衛(wèi)星資源受限或地形復雜的條件下，滿足相當區(qū)域內的衛(wèi)星通信需求。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)作為一種覆蓋范圍廣，通信容量大，廣播能力和動中通能力較強的通信方式，在應急通信保障中具有重要的地位，尤其是解決偏遠地區(qū)的“山中通”、“動中通”難題的關鍵。但是，衛(wèi)星應急通信保障時刻依賴于太空中的通信衛(wèi)星，而目前我國通信衛(wèi)星數(shù)量少，衛(wèi)星通信資源嚴重不足。同時，衛(wèi)星通信的效果受到地形和天氣的限制也比較大。本文提出的基于直升機中繼平臺的衛(wèi)星應急通信的組網(wǎng)網(wǎng)絡有兩種工作模式，分別是直升機中繼模式和直升機轉發(fā)模式，直升機中繼模式的如圖1所示。

應急衛(wèi)星通信中的直升機中繼模式，直升機扮演衛(wèi)星地面終端與衛(wèi)星之間的中繼器。這種工作方式有效解決了地面終端對星時所處的復雜地形對衛(wèi)星的遮擋。另一種直升機轉發(fā)模式則是利用直升機搭載模擬衛(wèi)星轉發(fā)器，在直升機信號的覆蓋范圍內代替太空衛(wèi)星構建本地衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的組網(wǎng)方案，如圖2所示。

圖1 應急衛(wèi)星通信中的直升機中繼模式

圖2 應急衛(wèi)星通信中的直升機轉發(fā)模式

在直升機轉發(fā)模式下，直升機需要配置相應的模擬轉發(fā)器，模擬通信衛(wèi)星的功能進行信號中繼轉發(fā)，地面設備無需改造，直接通過模擬轉發(fā)器進行管理控制和組網(wǎng)通信，形成區(qū)域范圍覆蓋下的地面衛(wèi)星通信組網(wǎng)應用，可有效解決衛(wèi)星通信資源受限的問題。同時，直升機相對同步軌道上的衛(wèi)星而言，傳輸距離近得多，可減小模擬轉發(fā)器的功放或支持更高速率的業(yè)務傳輸。另外，由于信號的傳輸距離相比太空衛(wèi)星轉發(fā)距離近得多，衛(wèi)星信號的時延問題會有極大的改善。

2 基于直升機中繼轉發(fā)的衛(wèi)星通信關鍵技術

針對直升機中繼平臺應用場景，應該考慮直升機中繼衛(wèi)星通信的抗旋翼遮擋方法、組網(wǎng)應用、復雜電磁環(huán)境下的抗干擾可靠接收等進行研究，解決可適應不同旋翼類型陸航直升機的抗旋翼遮擋技術、衛(wèi)星通信組網(wǎng)技術、抗干擾與低信噪比接收技術；而直升機轉發(fā)模式關鍵技術在于直升機衛(wèi)星模擬轉發(fā)器。轉發(fā)器是模擬衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的基礎，支撐模擬衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的構建。關鍵技術的層次圖如圖3所示。

圖3 基于直升機中繼轉發(fā)的衛(wèi)星通信關鍵技術的層次圖

基于直升機中繼轉發(fā)的衛(wèi)星通信關鍵技術研究主要解決三個方面的問題：首先，工作在直升機轉發(fā)模式，如果要替代衛(wèi)星實現(xiàn)信號的轉發(fā)，就必須要研究模擬衛(wèi)星轉發(fā)器，實現(xiàn)模擬衛(wèi)星轉發(fā)器的工作方式，采用透明轉發(fā)還是處理轉發(fā)可以根據(jù)實際業(yè)務的需要，同時，轉發(fā)器的可控制和可配置，也是為了滿足組網(wǎng)需要。第二，直升機轉發(fā)中繼衛(wèi)星通信組網(wǎng)主要滿足在兩種工作模式下的組網(wǎng)切換，直升機中繼模式主要滿足地面終端繞過障礙物與衛(wèi)星的中繼通信，直升機轉發(fā)模式主要滿足在特定區(qū)域內不同地面終端的局部組網(wǎng)，重點實現(xiàn)轉發(fā)器資源的管控，網(wǎng)絡規(guī)劃，以及組網(wǎng)應用。第三，直升機自適應抗遮擋技術的作用是實現(xiàn)直升機與衛(wèi)星的良好通信，由于直升機旋翼的屏蔽作用，對星通信的質量需要通過抗旋翼遮擋技術來實現(xiàn)。

3 主要技術實現(xiàn)

3.1 模擬衛(wèi)星轉發(fā)器的技術實現(xiàn)

直升機載衛(wèi)星模擬轉發(fā)器支持對接收信號進行混頻放大轉發(fā)處理。其主要模塊包括天線、射頻接收通道、混頻/濾波/放大電路、射頻發(fā)射通道、功放，以及參數(shù)控制模塊等。參數(shù)控制模塊類似于衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的測控鏈路的功能，將模擬轉發(fā)器的狀態(tài)參數(shù)周期地下發(fā)，并接收地面控制系統(tǒng)的上載參數(shù)，對整個模擬轉發(fā)器進行參數(shù)控制。模擬轉發(fā)器還需要連續(xù)下發(fā)信標信號，以便地面衛(wèi)星終端通過捕獲信標信號調整天線方向來對準直升機，以達到最佳的信號收發(fā)方向，提升通信效果。衛(wèi)星模擬轉發(fā)的信號處理流程圖如圖4所示。

3.2 基于直升機中繼轉發(fā)的衛(wèi)星通信組網(wǎng)技術實現(xiàn)

構建基于直升機中繼轉發(fā)的衛(wèi)星通信組網(wǎng)，在直升機轉發(fā)模式下，空間段采用搭載模擬轉發(fā)器的直升機，同時直升機也可配備網(wǎng)絡控制設備及業(yè)務轉接設備，形成若干頻段的波束，地面覆蓋區(qū)域衛(wèi)星終端在網(wǎng)絡中進行業(yè)務通信。也可在地面設置控制終端，具備遠程和模擬轉發(fā)器進行參數(shù)上載和狀態(tài)下發(fā)的功能，對模擬轉發(fā)器相關參數(shù)進行遠程控制和轉發(fā)器設備運行狀態(tài)實時監(jiān)控。如圖5所示。

圖5 基于直升機轉發(fā)的衛(wèi)星通信組網(wǎng)示意圖

而工作在直升機中繼模式，則主要依賴原有衛(wèi)星網(wǎng)絡進行組網(wǎng)通信，直升機機載中繼設備只是負責中繼轉發(fā)，需要解決的主要問題則是直升機機載站的入網(wǎng)。在直升機衛(wèi)星通信網(wǎng)絡中，主站是網(wǎng)絡的核心，是整個網(wǎng)絡的發(fā)起者和維護者。機載站要加入衛(wèi)星通信網(wǎng)絡，須先向主站注冊登記。機載站開機后，首先搜索到主站的TDM信號載波后，向主站發(fā)送入網(wǎng)申請；主站對機載站的入網(wǎng)進行認定，認定成功，批準入網(wǎng)；認定不成功，禁止入網(wǎng)，并向機載站發(fā)送入網(wǎng)申請應答。機載站成功入網(wǎng)絡后，作為網(wǎng)絡中的一個中繼節(jié)點，接受衛(wèi)星通信網(wǎng)絡控制中心的統(tǒng)一監(jiān)控，并可申請和網(wǎng)內的任何一個節(jié)點進行業(yè)務通信，節(jié)點入網(wǎng)流程如圖6所示。

圖6 直升機機載站入網(wǎng)流程圖

3.3 直升機自適應抗遮擋技術

現(xiàn)有常用的克服直升機旋翼遮擋的方法有以下幾種：縫隙檢測技術，通過非遮擋縫隙時間內傳輸?shù)臄?shù)據(jù)來恢復信息；前向鏈路采用組幀重發(fā)策略；時間分集法；糾錯編譯碼方案。

（1）縫隙檢測技術采用非線性變換FFT能量檢測算法預測通信窗口，利用非線性變化去除信號調制相位信息，通過FFT變換后搜索周期峰值，確定信號能量的大小，再與調制解調器門限進行比較，確定有效的通信窗口。門限比較后，獲得一個理論上確定的信號檢測周期，即認為信號捕獲成功，捕獲成功后，轉入跟蹤狀態(tài)，實現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)與旋翼旋轉的精確同步。

（2）組幀重發(fā)策略主要將每幀分為首發(fā)幀和重發(fā)幀兩部分，首發(fā)幀和重發(fā)幀發(fā)送內容相同的數(shù)據(jù)，方便接收端接收和驗證數(shù)據(jù)。首發(fā)幀和重發(fā)幀都包含編號相同的若干子幀，子幀的長度和數(shù)量需要充分合理的設計。子幀長度過長，會增加接收端數(shù)據(jù)恢復的難度。而子幀長度過短，會降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省Ｗ訋臄?shù)量多少也影響到數(shù)據(jù)恢復的難度和傳輸效率。通常情況下，子幀長度和數(shù)量要結合信道遮擋周期和信道速率決定。一般要求子幀長度大于信道遮擋時間而小于信道非遮擋時間。這樣既不會出現(xiàn)連續(xù)丟幀的情況，也能保證任意子幀均能在非遮擋狀態(tài)下完成發(fā)送。機載站調制解調器輸出的信號中，首發(fā)幀和重發(fā)幀中的同一編號的兩個子幀至少有一個沒有被遮擋的情況下，就可以通過選擇性接收來實現(xiàn)無遮擋發(fā)送。當兩個子幀都沒有被遮擋的情況下，更能最大比例的合并接收。

（3）時間分集的原理是把發(fā)送信息間隔一定時間重復發(fā)送，重復發(fā)送次數(shù)一般稱為重數(shù)。時間分集的重數(shù)越高，發(fā)送效率越低。時間分集的重復發(fā)送間隔時間只要大于信道的相干時間，則各個發(fā)送的信號就可以獲得獨立的衰落特性，從而實現(xiàn)差錯恢復。達到應對旋翼遮擋的目的。

（4）衛(wèi)星通信的常用糾錯編碼主要有RS、TPC和LDPC。機載站衛(wèi)星通信通常會選擇LDPC碼為糾錯編碼方案。LDPC碼具有天然的交織特性，糾錯性能好，復雜度低。可以降低直升機旋翼工作過程中造成的成片信號衰減，減少旋翼遮擋的影響。

4 結束語

基于直升機中繼轉發(fā)的衛(wèi)星通信在應急通信中都有著十分重要的作用，同時解決了便攜衛(wèi)星通信終端在復雜環(huán)境下信號的不穩(wěn)定性以及直升機本身通信手段有限性的問題，實現(xiàn)了應急通信的大地域、高穩(wěn)定、高可靠傳輸，滿足語音、視頻、數(shù)據(jù)等多種業(yè)務的寬帶傳輸需求。目前，基于直升機中繼轉發(fā)的衛(wèi)星通信是實現(xiàn)上述需求的最優(yōu)解決方案。但是還存在一些問題，比如直升機過于昂貴，通信組網(wǎng)成本高等，未來可以考慮用無人機等其他空中平臺來替代。