無人直升機衛星通信抗旋翼遮擋技術及試驗方法研究

衛星通信具有不受地理位置限制、覆蓋范圍廣、頻帶寬、機動靈活等優點，已成為無線通信的重要手段。無人直升機采用衛星通信技術后，作業更加靈活，無人直升機能在低空作戰、應急救援等任務中發揮重要作用。

鑒于無人直升機機體結構特殊、安裝空間有限，機載衛通天線一般安裝在旋翼下方。在通信過程中，旋翼不可避免地遮擋機載衛通天線面，導致接收和發送電平衰減。同時，無人直升機飛行姿態隨時變化，旋翼對天線的遮擋情況也隨之變化。同樣，有人直升機衛星通信也面臨相同的問題。經過近三十年的發展，國內外涌現出許多與有人直升機衛星通信有關的研究和實踐，抗旋翼遮擋技術研究也從抗單旋翼遮擋技術研究發展到抗共軸雙旋翼遮擋技術研究。隨著低軌寬帶衛星星座的發展，低軌寬帶衛星通信抗旋翼遮擋技術研究也開始出現。

抗旋翼遮擋技術發展現狀

受限于無人直升機特殊的機體結構，衛星通信天線一般安裝在旋翼下方，因此衛通鏈路會受到旋翼周期性運動的遮擋。衛通鏈路中的絕大部分電磁波信號能量無法穿透由金屬材料制成的旋翼，信號在短時間內會深度衰減。為實現無人直升機與地面控制站之間的連續通信，技術人員需要對無人直升機衛通信道特性、傳輸體制、高動態環境下的多普勒補償、大動態環境下的解調同步等技術進行深入研究，以實現衛星通信不受旋翼遮擋的影響。

衛通信道特性

無人直升機衛通信道特性與有人直升機衛通信道特性一致，具有地面衛通信道的一些特點。與地面衛星通信不同的是，有人直升機、無人直升機一般在空中執行任務，傳輸信號受外界陰影的遮擋會更少。但有人直升機、無人直升機的旋翼會對傳輸信號造成周期性遮擋。有人直升機、無人直升機衛通信道特性包含自由空間傳輸損耗、鏈路附加損耗、多普勒頻移、多徑衰落、陰影衰落和旋翼遮擋。其中，旋翼遮擋是最特別且最重要的影響因素。

模型梳理

1.衛星通信單旋翼遮擋信道模型

有關文獻闡述了衛星通信單旋翼遮擋信道數學分析模型。

在圖1中，α表示有人直升機、無人直升機機載衛通天線的仰角；β表示有人直升機或無人直升機運動方向與衛星方位的夾角即航向角；h表示機載衛通天線與旋翼中心之間的垂直距離；d表示機載衛通天線與旋翼中心之間的水平距離。

在圖2中，Tz表示信號遮擋周期；Ts表示信號衰減時間；Tα表示信號衰減過程時間；Tm表示信號最大衰減保持時間；A表示信號衰減深度。式（1）可推算單旋翼環境下的信號遮檔率。

2.衛星通信共軸雙旋翼遮擋信道模型

一些文獻分析了共軸雙旋翼有人直升機衛星通信系統的特點，建立了衛星通信共軸雙旋翼遮擋信道理論分析模型，并通過實際試驗，驗證了所建模型的準確性。共軸雙旋翼有人直升機上、下兩副旋翼轉速相同，轉向相反。根據開機時上、下兩副旋翼槳葉的不同初始位置，衛星通信共軸雙旋翼遮擋信道模型可分為多種類型。假設開機時上、下兩副旋翼槳葉第一次遮擋衛通天線的時間差為T1，則當l2≤2l1時，根據T1的大小，衛

星通信共軸雙旋翼遮擋信道模型分為10種類型。當l2>2l1時，根據T1的大小，衛星通信共軸雙旋翼遮擋信道模型分為10種類型。不同模型的信號衰減過程、衰減深度各不相同。

3.低軌衛星通信旋翼遮擋信道模型

當前有人直升機衛星通信系統主要通過同步衛星傳輸信息。隨著低軌寬帶衛星星座的發展，有人直升機、無人直升機低軌衛星通信也成為一個研究方向。由于低軌寬帶衛星通信時段和時長受限，衛星方位角和高度角隨衛星運動而變化，旋翼遮擋問題分析更為復雜。

有文獻提出了天線遮擋面積占比即遮擋率的計算方法。該方法基于投影變換原理，將天線面輪廓線沿衛星波束矢量方向向旋翼面投影，在旋翼面內進行遮擋率計算并構建數學模型，滿足了不同軌位衛星通信抗旋翼遮擋分析的需求。此外，該文獻利用上述數學模型完成了仿真系統設計，同時給出一個靜止軌道衛星和低軌衛星對比分析應用案例。在通信過程中，天線伺服控制系統始終控制天線指向衛星，衛星波束矢量方向始終垂直于天線面，旋翼遮擋天線的面積是旋翼沿波束矢量方向到天線面的投影面積。該文獻將旋翼在天線面上的投影面積占天線面面積的百分比定義為遮擋率，采用遮擋率對遮擋變化情況進行量化分析，并利用圖3中的天線面到旋翼面的投影變換方向來計算遮擋率。

傳輸體制設計

由衛通信道特性可知，旋翼遮擋對通信信號的影響表現在兩個方面，即接收信噪比出現惡化，接收電平出現周期性波動。旋翼遮擋下的縫隙通信技術是有人直升機、無人直升機實現衛星通信的核心技術。衛星通信抗旋翼遮擋技術主要包括縫隙檢測、分組重發、物理層編碼、噴泉編碼與物理層編碼等技術。前向鏈路和反向鏈路傳輸體制設計需合理使用、優化上述技術，才能有效防止衛星通信不受旋翼遮擋的影響。

一些學者根據有人直升機的結構特點和衛星通信特性，對有人直升機衛星通信前向鏈路的傳輸方法和數據幀結構進行設計，提出一種有人直升機旋翼遮擋檢測方法。另一些學者結合具有良好性能的LDPC編碼和BP譯碼算法，提出一種新的、適用于不同旋翼遮擋條件下的有人直升機衛星通信譯碼算法。還有學者提出，LDPC編碼與交織編碼技術相結合的信道編碼方法來抵抗信道深度衰減。但是，受限于有人直升機和衛星的特殊性，技術人員無法動用衛星和有人直升機對旋翼遮擋進行實際檢測和研究，因此研究存在一定的局限性。

驗證試驗設計

受限于無人直升機和衛星資源的協調難度，當前學術界通常采用試驗室試驗對抗旋翼遮擋技術進行測試驗證。但該方法成熟度不高，具有一定的局限性。本文給出一套從試驗室驗證試驗到地面驗證試驗，再到飛行驗證試驗的遞進式方法來更加充分地驗證衛通鏈路在旋翼遮擋、典型環境、無人直升機機動飛行等條件下的穩定傳輸性能；驗證抗旋翼遮擋技術對旋翼遮擋衰減特性的適用性和傳輸體制的有效性；驗證抗旋翼遮擋技術抗多普勒頻移的能力以及大動態解調同步的能力。從而提升抗旋翼遮擋技術的成熟度，使抗旋翼遮擋技術更加接近工程應用。

試驗室驗證試驗設計

試驗室驗證試驗是指，在試驗室環境下，技術人員利用模擬器來模擬信號受旋翼遮擋后產生的周期性衰減現象、多普勒頻移和多普勒變化率。圖4為典型抗旋翼遮擋技術試驗室驗證試驗環境框圖。機載衛通設備輸出的信號經過模擬器處理后，由地面衛通設備解調。同時，地面衛通設備輸出的信號經過模擬器處理后，由機載衛通設備解調。圖4中，信道模擬轉發器產生多普勒頻移和多普勒頻率變化率，旋翼遮擋模擬器用來模擬信號受旋翼遮擋后產生的周期性衰減現象。頻譜儀、誤碼儀和示波器分別用于Eb/N0、誤比特率和數據處理時延測試。

地面驗證試驗設計

地面驗證試驗是指，技術人員利用裝機的機載衛通設備，在地面搭建試驗環境，采用實際衛星進行數據傳輸，測試旋翼轉速、數據傳輸速率、機載衛通天線指向等因素對衛通鏈路穩定性的影響。

抗旋翼遮擋技術地面驗證試驗環境框圖詳見圖5。地面驗證試驗通常包括無遮擋時基礎信噪比采集、有遮擋時衰減信噪比采集兩個環節。通常，地面衛通數據終端實時顯示和記錄信噪比。遮擋前后信噪比衰減強弱、鏈路穩定性高低可反映抗旋翼遮擋技術的有效性。同時，技術人員需要利用頻譜儀等測試設備采集旋翼遮擋造成的信號衰減特性，然后與試驗室試驗環節采用的旋翼遮擋模型進行對比，從而優化抗旋翼遮擋算法。

抗旋翼遮擋技術地面驗證試驗采用控制變量法對相關技術進行測試。例如，固定旋翼轉速和數據傳輸速率測量無人直升機處于不同航向時的信號衰減，以評價相對于無人直升機的機載衛通天線指向對信噪比的影響；固定數據傳輸速率、相對于無人直升機的機載衛通天線指向測量無人直升機典型旋翼轉速對信噪比的影響；固定旋翼轉速、機載衛通天線指向測量不同數據傳輸速率下衛通鏈路的信噪比和穩定性。

飛行驗證試驗設計

飛行驗證試驗需要驗證在典型機動飛行、沿航線飛行過程中的無人直升機衛通鏈路穩定性，甚至需要找出衛通天線受遮擋的最長時間、最嚴格試飛考核條件，充分驗證抗旋翼遮擋技術的有效性，以保證衛通設備的成熟應用。其中，抗多普勒頻移是飛行驗證試驗的重要測試科目，多普勒頻移的影響因素主要是無人直升機飛行速度、加速度以及姿態變化。

無人直升機飛行姿態主要分為直線飛行、爬升、下滑、轉彎、8字飛行等動作。其中，最簡單的飛行姿態是直線飛行；轉彎、8字飛行等曲線飛行可以理解為不同航向角的直線飛行集合；爬升、下滑等飛行動作會引起衛星波束入射角的變化。因此，飛行驗證試驗設計需結合無人直升機典型飛行剖面和上述飛行姿態。通常，飛行驗證試驗包括如下兩種類型。

1.本場懸停、遙控飛行試驗

為降低試飛風險，無人直升機通常在本場進行懸停、遙控、遙調等試驗科目。試飛人員可安排無人直升機原地旋轉一周，測試衛星通信系統的穩定性、機載衛通天線的跟蹤能力以及不同航向下的衛星通信抗旋翼遮擋能力。

2.預設航線飛行試驗

此試驗包含直線勻速飛行、加速飛行、減速飛行、高速飛行、爬升、下滑、8字飛行等典型飛行姿態測試。直線勻速飛行需根據機載衛通天線的安裝位置，選擇衛通天線受遮擋最大的無人直升機航向開展飛行試驗。