直升機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

衛(wèi)星通信(簡(jiǎn)稱衛(wèi)通) 具有頻帶寬、容量大、性能穩(wěn)定、成本與通信距離無(wú)關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，成為現(xiàn)代通信的一種重要方式。直升機(jī)衛(wèi)星通信是指直升機(jī)通過機(jī)載衛(wèi)星設(shè)備實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星的直接通信，并通過衛(wèi)星的轉(zhuǎn)接與地面站進(jìn)行信息的傳輸和交換。信息交換的種類有話音、數(shù)據(jù)和圖像視頻等。由于直升機(jī)本身的旋翼特點(diǎn)及操控特性，在設(shè)計(jì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)時(shí)對(duì)微波天線的尺寸和重量都有嚴(yán)格的限制和要求，天線口徑、安裝位置和功放等硬性條件確定之后，在測(cè)試通信質(zhì)量時(shí)，如果通信效果不好，試驗(yàn)工程師應(yīng)該從哪些方面進(jìn)行分析，查找問題的根源。本文從直升機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)入手，結(jié)合工程應(yīng)用把問題一一展開。通過對(duì)系統(tǒng)全面的了解，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的確認(rèn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的準(zhǔn)確測(cè)試。

1 機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)工作原理

1.1 機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)

衛(wèi)星通信( 簡(jiǎn)稱衛(wèi)通) 具有頻帶寬、容量大、性能穩(wěn)定、成本與通信距離無(wú)關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，成為現(xiàn)代通信的一種重要方式。機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)分為固定翼機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)和旋翼衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

一個(gè)基本的衛(wèi)星通信系統(tǒng)至少包含兩個(gè)衛(wèi)通站和必要的衛(wèi)星資源。對(duì)于直升機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)，只是在信道處理時(shí)增加抗旋翼遮擋模塊。

衛(wèi)星通信的工作頻段很多， 有UHF、S、C、Ku 和Ka等頻段。目前，國(guó)內(nèi)的主流衛(wèi)通頻段還是Ku 頻段，Ku 頻段常用的發(fā)射頻率范圍是14.0~14.5 GHz;接收頻率范圍是12.25~12.75 GHz，帶寬均為500 MHz，也是目前機(jī)載設(shè)備普遍選用的頻段。

1.2 系統(tǒng)工作原理

衛(wèi)星通信系統(tǒng)工作原理如圖1 所示。發(fā)送端輸入的信息經(jīng)過處理和編碼后，進(jìn)入調(diào)制器對(duì)載波(中頻)進(jìn)行調(diào)制;已調(diào)的中頻信號(hào)經(jīng)過上變頻器將頻率搬移至所需求的上行射頻頻率，最后經(jīng)過高功率放大器放大后，饋送到發(fā)送天線發(fā)往衛(wèi)星。衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器對(duì)所接受的上行信號(hào)提供足夠的增益，還將上行頻率變換為下行頻率，之后衛(wèi)星發(fā)射天線將信號(hào)經(jīng)下行鏈路送至接受地球站。

地球站將接受的微弱信號(hào)送入低噪聲模塊和下變頻器。低噪聲模塊前端是具有低噪聲溫度的放大器，保證接收信號(hào)的質(zhì)量。下變頻、解調(diào)器和解碼與發(fā)送端的編碼、調(diào)制和上變頻相對(duì)應(yīng)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 姿態(tài)角提取及坐標(biāo)變換

在機(jī)載衛(wèi)星通信地球站工作過程中，天線伺服控制分系統(tǒng)的作用是使天線的波束中心自動(dòng)、快速、準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，從而使通信系統(tǒng)保持正常工作。伺服控制分系統(tǒng)要完成這一任務(wù)，必須知道天線波束中心和所要對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的方位角、仰角和極化角。

目前，國(guó)內(nèi)典型機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)天伺系統(tǒng)是采用數(shù)字引導(dǎo)和自跟蹤功能相結(jié)合的機(jī)制，即通過捷聯(lián)慣導(dǎo)(IMU)提供的載機(jī)姿態(tài)信息解算天線指向的引導(dǎo)方式和通過天線饋源網(wǎng)絡(luò)和接收機(jī)提供的角差信號(hào)控制天線指向目標(biāo)的自跟蹤方式。首先，根據(jù)載機(jī)定位信息和預(yù)選設(shè)定的衛(wèi)星信息，運(yùn)用以下公式可以計(jì)算出大地仰角(E)及方位角(A)。

式中：φ1 為接收站經(jīng)度(度);φ2 為衛(wèi)星的軌位經(jīng)度(度);β 為接收站緯度(度)。

Re/(Re+H)=0.15，Re 為地球半徑(6 378 km)，H 為同步衛(wèi)星距地球表面的高度(35 786 km)

由于繞定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的兩個(gè)坐標(biāo)系之間的關(guān)系可以用方向余弦矩陣來(lái)表示，且載體坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系之間存在著姿態(tài)變化，所以，對(duì)天線穩(wěn)定系統(tǒng)來(lái)說，可以根據(jù)慣導(dǎo)提供的姿態(tài)信息(橫滾R、俯仰P 和航向H)，實(shí)現(xiàn)從地理坐標(biāo)系到載機(jī)坐標(biāo)系的角度變換。具體變換如下：

式中[Dj] 為目標(biāo)在載體坐標(biāo)系中的坐標(biāo)矢量,[DM] 為目標(biāo)在大地坐標(biāo)系中的坐標(biāo)矢量，S 為矢量半徑。

MR、MP、MH 分別為3 個(gè)姿態(tài)變換矩陣。

2.2 抗遮擋技術(shù)

信號(hào)丟失正常情況下不外乎兩種原因：一由于劇烈的外部作用天線伺服未能快速的克服隨動(dòng)，導(dǎo)致天線指向偏離衛(wèi)星。二由于載機(jī)所處的環(huán)境陰影遮擋，如高樓、天橋、樹木、山脈等，此處系統(tǒng)的處理方法是，當(dāng)信號(hào)丟失后，默認(rèn)為由于陰影遮擋，先保持當(dāng)前的天線姿態(tài)一定的時(shí)間( 保持時(shí)間)，在此過程中不斷進(jìn)行信號(hào)的采集和比較，如果在到達(dá)保持時(shí)間之前信號(hào)大于門限，則恢復(fù)跟蹤狀態(tài)，如果保持時(shí)間達(dá)到后，信號(hào)仍然小于門限，則進(jìn)入搜索狀態(tài)。這種信號(hào)丟失的處理方式有利于鏈路的快速建立，特別是在載機(jī)快速的運(yùn)動(dòng)過程中，偶爾出現(xiàn)遮擋物時(shí)( 樹木，高樓等) 的現(xiàn)實(shí)環(huán)境中。

此外，由于直升機(jī)的旋翼特點(diǎn)，在使用中除了要面臨極化控制、電波穩(wěn)定和可靠跟蹤等問題以外，最大的問題就是解決旋翼遮擋。目前，采用多次重傳機(jī)制的傳輸設(shè)計(jì)可以解決旋翼遮擋對(duì)接收的影響，重傳的次數(shù)越多，信息的可靠性就越高，但是會(huì)降低鏈路的傳輸效率。相比較而言，二次重傳機(jī)制可以滿足需要，而且信道利用率更高。從而使該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以下功能：

1) 載機(jī)在航向和姿態(tài)不斷變化的情況下能夠正常工作。這就要求伺服系統(tǒng)具有非常寬的跟蹤范圍;

2) 系統(tǒng)對(duì)載機(jī)的搖擺有適應(yīng)能力，要求伺服系統(tǒng)對(duì)載機(jī)振動(dòng)的隔離度要足夠大，以保 證天線主瓣指向衛(wèi)星;

3) 遮擋消失后伺服系統(tǒng)再捕能力。即設(shè)備穿過信號(hào)中斷地帶后，伺服系統(tǒng)能快速控制天線，立即恢復(fù)通信。[!--empirenews.page--]

2.3 鏈路估算

在機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)(G/T)、飽和通量密度(SFD)、等效全向輻射功率(EIRP)以及轉(zhuǎn)發(fā)器的輸入/ 輸出補(bǔ)償在鏈路計(jì)算和通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中起著關(guān)鍵性的作用，衛(wèi)星通信工程師應(yīng)對(duì)其有深入的了解。

地球站用戶(包括機(jī)載站)在使用衛(wèi)星資源時(shí)需要根據(jù)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)進(jìn)行鏈路預(yù)算及分析，預(yù)估上下行載波的C/N，計(jì)算求得系統(tǒng)能噪比Eb/N0，以便確定系統(tǒng)能夠保證信息傳輸質(zhì)量和滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。具體計(jì)算公式如下：

衛(wèi)星鏈路總的載噪比：

式中(C/N)d為下行鏈路的載噪比;(C/N)u為上行鏈路的載噪比;(C/N)IM為各種噪聲干擾引起的載噪比。

上行鏈路的載噪比估算公式為：

式中K 為波爾茲曼常數(shù)(1.380 5×10-23 W/Hz);Bn為接收機(jī)的噪聲帶寬;(EIRP)t為發(fā)射地球站的等效全向輻射功率，Lu為上行鏈路損耗，Gs/Tt為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器在發(fā)射地的品質(zhì)因素。

下行鏈路的載噪比估算公式為：

式中(EIRP)s為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的等效全向輻射功率，Ld為下行鏈路損耗，Gr/T 為接收天線的品質(zhì)因素。

故鏈路的能噪比估算公式為：

式中Rb為系統(tǒng)信息速率，Bn 為接收機(jī)的噪聲帶寬。

3 工程測(cè)試方案設(shè)計(jì)

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通常要求高概率可靠度( 例如99.99%)，這就要求各種衰減引起系統(tǒng)的中斷概率不超過0.01%，為了驗(yàn)證系統(tǒng)的這種性能，對(duì)測(cè)試方法的設(shè)計(jì)以及處理方法具有較高的要求。某機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)在進(jìn)行工程測(cè)試驗(yàn)證時(shí)，基于關(guān)鍵技術(shù)的考慮重點(diǎn)設(shè)計(jì)以下測(cè)試項(xiàng)目，以達(dá)到對(duì)系統(tǒng)考核驗(yàn)證的目的。

1) 大機(jī)動(dòng)及大速度飛行。在機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，天線跟蹤是關(guān)鍵技術(shù)，當(dāng)載機(jī)在高速運(yùn)動(dòng)、爬升/ 下降和轉(zhuǎn)彎條件下，天線伺服控制系統(tǒng)使天線波束始終精確對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，因此，通過大機(jī)動(dòng)飛行達(dá)到對(duì)系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的跟蹤性以及穩(wěn)定性的測(cè)試目的。

2) 高緯度地區(qū)及降雨環(huán)境飛行。地面天線的仰角極低時(shí)，地面熱噪聲將進(jìn)入天線的近旁瓣甚至主瓣，從而提高天線噪聲 ，降低地面系統(tǒng)的G/T 值，天線仰角低，從地球站到衛(wèi)星的傳輸距離長(zhǎng)，載波的自由空間損耗也較大。仰角低時(shí)，載波穿越降雨區(qū)的距離也較長(zhǎng)，Ku 頻段載波在降雨時(shí)所受的衰耗和噪聲增量將相應(yīng)增大。這些因素都可能抵消掉部分的轉(zhuǎn)發(fā)器EIRP。因此，通過高緯度地區(qū)的飛行測(cè)試以及降雨環(huán)境下的系統(tǒng)測(cè)試實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)低仰角及降雨損耗的考核驗(yàn)證目的。

3) 信號(hào)較弱地區(qū)飛行。同一衛(wèi)星資源在不同區(qū)域的等效全向輻射功率和品質(zhì)因素是有差異的，這將直接影響鏈路的能噪比，即鏈路質(zhì)量。

以某機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)為例，分別在南京地區(qū)和高原地區(qū)進(jìn)行測(cè)試評(píng)估，中心站置于北京，衛(wèi)星資源參數(shù)(軌道位置東經(jīng)87.5°，轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬BTs=36 MHz，轉(zhuǎn)發(fā)器輸入補(bǔ)償10 dB 和輸出補(bǔ)償為4 dB)。試驗(yàn)結(jié)果表明，南京地區(qū)的鏈路通信質(zhì)量明顯優(yōu)于高原地區(qū)，且高原地區(qū)的圖像傳輸存在較嚴(yán)重的丟包現(xiàn)象。具體分析如表1 所示。

表1 不同地區(qū)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)與鏈路質(zhì)量對(duì)比分析

從表1 可以看出，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器在南京地區(qū)的等效全向輻射功率和品質(zhì)因素優(yōu)于高原地區(qū)，通過鏈路計(jì)算得出的能噪比南京地區(qū)優(yōu)于高原地區(qū)。雖然系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，調(diào)制解調(diào)器在能噪比為5.0 dB 時(shí)能夠保證信息傳輸質(zhì)量，但是，考慮雨衰裕量等因素，在信號(hào)較弱地區(qū)仍然需要調(diào)整設(shè)備發(fā)射功率或天線尺寸，方能滿足較好的通信質(zhì)量，這與工程實(shí)際應(yīng)用完全吻合。

4 結(jié)論

在機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工程測(cè)試過程中，對(duì)直升機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了較為深入的研究，找出了測(cè)試設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，通過設(shè)計(jì)測(cè)試方案驗(yàn)證了某型機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量，并與理論計(jì)算進(jìn)行了對(duì)比分析，達(dá)到了理論與實(shí)踐相結(jié)合的試驗(yàn)?zāi)康摹Ｓ捎趪?guó)內(nèi)機(jī)載衛(wèi)星通信應(yīng)用尚處于初步階段，對(duì)于系統(tǒng)的測(cè)試更是出于摸索階段，對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究可以為后續(xù)型號(hào)系統(tǒng)的測(cè)試與性能評(píng)估提供相應(yīng)的技術(shù)參考和借鑒。