直升機(jī)衛(wèi)星通信中旋翼遮擋問(wèn)題及應(yīng)對(duì)方法

董孝東

摘 要： 闡述了直升機(jī)衛(wèi)星通信中旋翼遮擋對(duì)信號(hào)造成的影響，分析了不同航向和天線仰角條件下無(wú)遮擋時(shí)間比例，針對(duì)直升機(jī)寬帶和窄帶衛(wèi)星通信前返向鏈路的不同特點(diǎn)，分別介紹了幾種克服旋翼遮擋問(wèn)題的方法。

關(guān)鍵詞： 直升機(jī)衛(wèi)星通信； 旋翼遮擋； 縫隙通信； 時(shí)間分集

中圖分類號(hào)： TN927+.2?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）07?0050?03

Problem of rotor occlusion in helicopter SATCOM and the solution

DONG Xiao?dong

（The10th Research Institute， China Electronics Technology Group Corporation， Chengdu 610036， China）

Abstract： The effect of rotor occlusion in helicopter SATCOM on signal is elaborated. The proportion of time without occlusion with different course and antenna elevation angle is analyzed. Several solution of overcoming the problems of occlusion is presented aiming at different characteristic of forward and backward link of helicopter SATCOM with wideband and narrow band.

Keywords： helicopter SATCOM； rotor occlusion； gap communication； time diversity

0 引 言

目前，直升機(jī)的通信手段主要依靠短波和超短波。短波受電離層大氣傳播條件變化影響大，可通信概率低；超短波屬于視距通信，地球曲率、高山遮擋、多徑效應(yīng)等因素都直接影響通信距離，限制了直升機(jī)的作戰(zhàn)范圍。采用衛(wèi)星通信可以較好地突破上述通信條件的局限，達(dá)到超視距通信的目的。

直升機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)由機(jī)載站和地面固定站通過(guò)同步衛(wèi)星構(gòu)成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信系統(tǒng)。由于衛(wèi)星通信電波傳播方式是直射波，要求在無(wú)遮擋的條件下通信，而直升機(jī)飛行過(guò)程中，旋翼槳葉會(huì)周期性的遮擋天線，造成通信信號(hào)的周期性衰減，影響正常通信。

本文針對(duì)旋翼遮擋問(wèn)題進(jìn)行了分析，探討了前返向鏈路中可采用的應(yīng)對(duì)旋翼遮擋的通信方法，包括縫隙突發(fā)、組幀重傳、時(shí)間分集等方法。

1 旋翼遮擋問(wèn)題

受直升機(jī)安裝條件限制，衛(wèi)星通信天線一般只能安裝在直升機(jī)旋翼下方，尾梁或機(jī)體兩側(cè)。直升機(jī)旋翼由槳轂和安裝在上面的4～6片槳葉構(gòu)成。在飛行過(guò)程中，旋翼周期性的遮擋衛(wèi)星信號(hào)的入射波束，造成通信信號(hào)的衰減。圖1是直升機(jī)旋翼槳葉遮擋天線示意圖。

圖1 旋翼遮擋示意圖

衛(wèi)星信號(hào)的具體遮擋情況由衛(wèi)星的仰角和位置以及直升機(jī)的航向、姿態(tài)等因素共同決定。直升機(jī)航向指向衛(wèi)星時(shí)，天線除了會(huì)受到旋翼遮擋外，還會(huì)被槳轂遮擋，造成通信完全中斷。直升機(jī)在平飛狀態(tài)下，天線被旋翼遮擋的周期為前后兩片槳葉依次經(jīng)過(guò)天線與衛(wèi)星波束連線的時(shí)間。遮擋周期由旋翼轉(zhuǎn)速和槳葉數(shù)決定：

[T=1（V×N）] （1）

式中：[T]為遮擋周期，單位：s；[V]為旋翼轉(zhuǎn)速，單位：r/s；[N]為漿葉數(shù)量。

遮擋時(shí)間為單片槳葉經(jīng)過(guò)天線與衛(wèi)星波束連線的時(shí)間。朝向衛(wèi)星水平飛行時(shí)，遮擋時(shí)間由波束入射角、天線面到漿葉面距離[h、]天線安裝位置到漿轂的距離[d、]旋翼寬度、天線面寬度幾個(gè)參數(shù)決定。無(wú)線遮擋側(cè)視圖如圖2所示。

圖2 天線遮擋側(cè)視圖

[d等效=d-h×cot α] （2）

縫隙區(qū)無(wú)遮擋時(shí)間：

[τ無(wú)遮擋=T-l旋翼寬度+l天線面寬v轉(zhuǎn)速×2πd等效] （3）

縫隙區(qū)全遮擋時(shí)間：

[τ全遮擋=l旋翼寬度-l天線面寬v轉(zhuǎn)速×2πd等效] （4）

在實(shí)際飛行過(guò)程中，直升機(jī)的航向和姿態(tài)不斷變化，遮擋情況也隨之變化。文獻(xiàn)[2]給出了不同天線仰角和航向夾角情況下的等效距離計(jì)算公式：

[d等效=λ2+d2-2dλcos β，λ=h×cot α] （5）

式中：[α]為天線仰角；[β]為衛(wèi)星方位與航向的夾角。

并依據(jù)此公式給出無(wú)遮擋時(shí)間比率與天線仰角、衛(wèi)星方位與航向夾角的關(guān)系，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 無(wú)遮擋時(shí)間比率

根據(jù)仿真結(jié)果，仰角固定，衛(wèi)星方位與航向夾角等于0°時(shí)，即衛(wèi)星方位與航向一致時(shí)，遮擋時(shí)間最大。在低仰角條件下，衛(wèi)星方位與航向夾角等于180°時(shí)，遮擋時(shí)間最小。

根據(jù)文獻(xiàn)和實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)，旋翼遮擋情況下，信號(hào)的衰減模型如圖4所示。信號(hào)衰減周期為遮擋周期，信號(hào)衰減幅度約為10～15 dB。

2 克服旋翼遮擋問(wèn)題的方法

克服旋翼遮擋問(wèn)題的方法是采用縫隙通信技術(shù)，通過(guò)非遮擋縫隙時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)來(lái)恢復(fù)信息。實(shí)際設(shè)計(jì)中，根據(jù)衛(wèi)星通信寬窄帶通信以及前返向鏈路的不同特點(diǎn)，采用不同的策略。直升機(jī)寬帶衛(wèi)星通信前向鏈路可采用組幀重發(fā)策略，返向鏈路可采用旋翼同步突發(fā)技術(shù)。直升機(jī)窄帶衛(wèi)星通信前返向鏈路均可采用時(shí)間分集策略。

圖4 遮擋信號(hào)幅度衰減

2.1 組幀重發(fā)策略

前向鏈路，指從地面站發(fā)射信號(hào)經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)直升機(jī)機(jī)載站的信息傳輸鏈路。在前向鏈路方向，由于地面站無(wú)法及時(shí)獲取當(dāng)前機(jī)載站天線遮擋情況，為了確保機(jī)載解調(diào)器能夠完整的接收到一幀數(shù)據(jù)，地面調(diào)制器必須采用連續(xù)重復(fù)發(fā)送的方式，保證能在旋翼遮擋縫隙內(nèi)接收到有效數(shù)據(jù)。在設(shè)計(jì)傳輸幀長(zhǎng)時(shí)要保證在一個(gè)遮擋周期內(nèi)至少包含兩個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀，解調(diào)端通過(guò)在接收到的數(shù)據(jù)中找到完整子幀的序號(hào)，拼接出原始的幀排列，進(jìn)而完成信息的接收。地面站的組幀重發(fā)策略是影響數(shù)據(jù)傳輸性能和效率的關(guān)鍵因素。

2.1.1 前向鏈路幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

前向鏈路幀結(jié)構(gòu)如圖5所示，設(shè)計(jì)采用組幀重復(fù)的方式：每幀包括首發(fā)幀和重發(fā)幀，首發(fā)幀和重發(fā)幀發(fā)送同樣的數(shù)據(jù)，以便接收端恢復(fù)數(shù)據(jù)。首發(fā)幀和重發(fā)幀都包含若干子幀。子幀長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)也不宜過(guò)短，過(guò)長(zhǎng)將影響接收端數(shù)據(jù)恢復(fù)，過(guò)短將會(huì)降低傳輸效率。設(shè)計(jì)子幀的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和每幀包含的子幀數(shù)受遮擋周期和信道速率的約束。設(shè)計(jì)一般準(zhǔn)則是：每幀的持續(xù)時(shí)間要大于遮擋時(shí)間，小于非遮擋時(shí)間。

圖5 前向鏈路幀結(jié)構(gòu)

子幀的結(jié)構(gòu)固定，由幀頭、備用信息和編碼后的數(shù)據(jù)三部分組成。子幀的幀頭采用相關(guān)性強(qiáng)的PN序列作為同步碼，備用信息含有首發(fā)/重發(fā)標(biāo)志、子幀號(hào)等信息，編碼后的數(shù)據(jù)分配到各個(gè)子幀上。

機(jī)載站解調(diào)器輸出的信號(hào)中，首發(fā)幀和重發(fā)幀中的同一編號(hào)的兩個(gè)子幀至少有一個(gè)沒(méi)有被遮擋。分集接收采用的方式是，兩個(gè)子幀都沒(méi)有被遮擋時(shí)采用最大比率合并接收，有遮擋時(shí)采用選擇性接收未被遮擋的子幀。

2.1.2 旋翼遮擋檢測(cè)

前向鏈路信號(hào)的分集接收和返向鏈路組幀突發(fā)傳輸需要及時(shí)地檢測(cè)旋翼遮擋縫隙。通過(guò)對(duì)地面站發(fā)送的連續(xù)載波信號(hào)接收電平和信噪比變化情況的檢測(cè)，可以判斷出旋翼對(duì)天線的遮擋情況。

縫隙檢測(cè)算法一般采用能量和信噪比估計(jì)的方式。機(jī)載解調(diào)器對(duì)接收信號(hào)能量和信噪比做一定時(shí)長(zhǎng)的估計(jì)并做適當(dāng)?shù)幕瑒?dòng)平均，從中找出最大值，作為比較的參考基準(zhǔn)，設(shè)置發(fā)送門限，如果當(dāng)前統(tǒng)計(jì)的信號(hào)電平功率值大于門限，判定為無(wú)遮擋時(shí)間。

2.2 旋翼同步突發(fā)

返向鏈路是指機(jī)載站發(fā)射信號(hào)經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)至地面站的信息傳輸鏈路。機(jī)載站在發(fā)送時(shí)，首先檢測(cè)旋翼縫隙，預(yù)測(cè)突發(fā)時(shí)間窗口，然后周期性的在旋翼同步縫隙中將通信信息突發(fā)出去。預(yù)測(cè)的時(shí)間窗口大小決定可發(fā)送的數(shù)據(jù)幀數(shù)，一般會(huì)保留一定的余量，防止在每個(gè)窗口數(shù)據(jù)幀數(shù)都發(fā)生變化。當(dāng)窗口時(shí)間發(fā)生較大變化時(shí)，可發(fā)送的數(shù)據(jù)幀數(shù)隨之改變。地面站接收到機(jī)載站的突發(fā)幀后，首先采用快速同步解調(diào)技術(shù)恢復(fù)出每次突發(fā)的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)幀序號(hào)拼接出完整的數(shù)據(jù)包。

2.3 窄帶衛(wèi)通時(shí)間分集方法

直升機(jī)寬帶衛(wèi)星通信前返向鏈路采用組幀重傳策略和縫隙突發(fā)通信的方法是基于直升機(jī)旋翼非遮擋時(shí)間內(nèi)可以傳輸足夠多的數(shù)據(jù)量，能夠滿足組成多幀并兼顧幀效率的要求。與之比較，窄帶衛(wèi)星通信速率一般為幾百赫茲到幾千赫茲，非遮擋時(shí)間內(nèi)僅能傳輸幾十到一百多個(gè)符號(hào)?？p隙通信的思路不再完全適用，窄帶衛(wèi)星通信可以采用時(shí)間分集的方法來(lái)應(yīng)對(duì)旋翼遮擋問(wèn)題。

時(shí)間分集處理流程如圖6，圖7所示。用戶數(shù)據(jù)[ui]經(jīng)過(guò)碼率為[12]的信道編碼（如：卷積碼），得到兩路校驗(yàn)比特[pi、][qi，]其中一路延遲[mTb]時(shí)間，做并/串轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的比特流分為相同的兩路，一路延遲[2mTb]的時(shí)間，再對(duì)兩路比特流做并/串轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)比特[ai]經(jīng)過(guò)BPSK調(diào)制發(fā)射出來(lái)。其中，[Tp]為旋翼遮擋周期，[Tb]為調(diào)制符號(hào)周期，[m=Tp（4Tb）。]

通過(guò)上述比特分配方法，將編碼后的一路數(shù)據(jù)校驗(yàn)比特延遲[14]遮擋周期，同一個(gè)符號(hào)在時(shí)間上相差[12]遮擋周期兩次重復(fù)發(fā)送，保證不會(huì)被同時(shí)遮擋。這種方法還具有發(fā)送數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)不受旋翼遮擋周期限制的優(yōu)點(diǎn)，可以較自由地進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖6 發(fā)端分集處理流程圖

圖7 分集后符號(hào)分布圖

[a4i=pi； a4i+1=pi-2m； a4i+2=qi-m； a4i+3=qi-3m] （6）

接收端采用時(shí)間分集技術(shù)進(jìn)行信號(hào)合并。不同時(shí)間兩次發(fā)送的符號(hào)至少幸存一個(gè)，兩個(gè)符號(hào)都接收到則信號(hào)合成增強(qiáng)。這樣，在遮擋時(shí)間內(nèi)，信號(hào)衰減影響到的符號(hào)通過(guò)幸存比特得到恢復(fù)，不再是集中成片的錯(cuò)誤。校驗(yàn)信息[pi，][qi]由于發(fā)送時(shí)間上人為引入了延遲，恢復(fù)后的數(shù)據(jù)對(duì)譯碼器來(lái)言，誤碼更隨機(jī)，更容易得到糾正。理論上遮擋時(shí)間最大可以達(dá)到50%的完全遮擋，性能下降不超過(guò)3 dB。遮擋時(shí)間占遮擋周期的比例越小，分集接收的增益越大。

2.4 糾錯(cuò)編譯碼方案

采用上述應(yīng)對(duì)旋翼遮擋的方法，配合合適的信道糾錯(cuò)碼方案可以顯著改善系統(tǒng)傳輸性能，有效降低信號(hào)解調(diào)門限，實(shí)現(xiàn)低信噪比條件下的解調(diào)。直升機(jī)衛(wèi)星通信采用的糾錯(cuò)編碼方案主要有LDPC碼和糾刪碼兩類。采用LDPC 碼是考慮到直升機(jī)旋翼遮擋造成成片信號(hào)衰減，而LDPC碼具有天然的交織特性，可以抵擋直升機(jī)旋翼遮擋的影響，不丟失信息，同時(shí)具有糾錯(cuò)性能好，復(fù)雜度低的特點(diǎn)。

采用糾刪碼是考慮當(dāng)旋翼轉(zhuǎn)速一定時(shí)，信息被遮擋的概率是獨(dú)立、等概率的，同時(shí)，遮擋的信息位置是可以檢測(cè)的，即為刪除錯(cuò)誤，把這種信道環(huán)境考慮為刪除信道，采用糾刪碼可以糾正這些刪除錯(cuò)誤。發(fā)射端將信息編碼后分成多個(gè)數(shù)據(jù)包，組成多個(gè)子幀進(jìn)行發(fā)射，只要接收方接收到一定數(shù)量的編碼數(shù)據(jù)包，運(yùn)用適當(dāng)?shù)淖g碼方法就可重構(gòu)源數(shù)據(jù)包，從而有效地抵擋旋翼遮擋。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文闡述了直升機(jī)衛(wèi)星通信中旋翼遮擋對(duì)通信的影響問(wèn)題，并針對(duì)直升機(jī)寬帶和窄帶衛(wèi)星通信前返向鏈路的不同特點(diǎn)，分別介紹了幾種克服旋翼遮擋問(wèn)題的方法。實(shí)際應(yīng)用中，要考慮不同的應(yīng)用環(huán)境要求，采用適當(dāng)?shù)膽?yīng)對(duì)策略、設(shè)計(jì)參數(shù)和糾錯(cuò)編譯碼方案來(lái)達(dá)到抵擋直升機(jī)旋翼遮擋問(wèn)題、正常通信的目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 晉東立，武傳昱，楊雪梅.直升機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)及其在航天領(lǐng)域的應(yīng)用研究[J].飛行器測(cè)控學(xué)報(bào)，2009，28（5）：41?44.

[2] 茍曉剛，邱金惠，江會(huì)娟.直升機(jī)衛(wèi)星通信中旋翼遮擋天線問(wèn)題研究[J].無(wú)線電通信技術(shù)，2013，39（1）：55?58.

[3] 張倨卿，高凱，朱江.直升機(jī)衛(wèi)星通信的前向鏈路設(shè)計(jì)[J].無(wú)線電通信技術(shù)，2012，38（5）：16?18.

[4] 王健，胡應(yīng)鵬，陳栩杉.基于LT碼的直升機(jī)衛(wèi)星通信[J].電子質(zhì)量，2011（10）：45?47.

[5] 王健，胡應(yīng)鵬，司飛飛.適用于直升機(jī)衛(wèi)星通信的LDPC譯碼算法[J].通信技術(shù)，2012，45（9）：50?53.

[6] KOJIMA T， BATBAATAR B， BATZORIG C， et al. A novel AFC scheme with time diversity combining for helicopter satellite communications [C]// 2009 International Conference on Advanced Technologies for Communications. Hai Phong， Vietnam： ATC， 2009： 304?307.

圖4 遮擋信號(hào)幅度衰減

2.1 組幀重發(fā)策略

前向鏈路，指從地面站發(fā)射信號(hào)經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)直升機(jī)機(jī)載站的信息傳輸鏈路。在前向鏈路方向，由于地面站無(wú)法及時(shí)獲取當(dāng)前機(jī)載站天線遮擋情況，為了確保機(jī)載解調(diào)器能夠完整的接收到一幀數(shù)據(jù)，地面調(diào)制器必須采用連續(xù)重復(fù)發(fā)送的方式，保證能在旋翼遮擋縫隙內(nèi)接收到有效數(shù)據(jù)。在設(shè)計(jì)傳輸幀長(zhǎng)時(shí)要保證在一個(gè)遮擋周期內(nèi)至少包含兩個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀，解調(diào)端通過(guò)在接收到的數(shù)據(jù)中找到完整子幀的序號(hào)，拼接出原始的幀排列，進(jìn)而完成信息的接收。地面站的組幀重發(fā)策略是影響數(shù)據(jù)傳輸性能和效率的關(guān)鍵因素。

2.1.1 前向鏈路幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

前向鏈路幀結(jié)構(gòu)如圖5所示，設(shè)計(jì)采用組幀重復(fù)的方式：每幀包括首發(fā)幀和重發(fā)幀，首發(fā)幀和重發(fā)幀發(fā)送同樣的數(shù)據(jù)，以便接收端恢復(fù)數(shù)據(jù)。首發(fā)幀和重發(fā)幀都包含若干子幀。子幀長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)也不宜過(guò)短，過(guò)長(zhǎng)將影響接收端數(shù)據(jù)恢復(fù)，過(guò)短將會(huì)降低傳輸效率。設(shè)計(jì)子幀的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和每幀包含的子幀數(shù)受遮擋周期和信道速率的約束。設(shè)計(jì)一般準(zhǔn)則是：每幀的持續(xù)時(shí)間要大于遮擋時(shí)間，小于非遮擋時(shí)間。

圖5 前向鏈路幀結(jié)構(gòu)

子幀的結(jié)構(gòu)固定，由幀頭、備用信息和編碼后的數(shù)據(jù)三部分組成。子幀的幀頭采用相關(guān)性強(qiáng)的PN序列作為同步碼，備用信息含有首發(fā)/重發(fā)標(biāo)志、子幀號(hào)等信息，編碼后的數(shù)據(jù)分配到各個(gè)子幀上。

機(jī)載站解調(diào)器輸出的信號(hào)中，首發(fā)幀和重發(fā)幀中的同一編號(hào)的兩個(gè)子幀至少有一個(gè)沒(méi)有被遮擋。分集接收采用的方式是，兩個(gè)子幀都沒(méi)有被遮擋時(shí)采用最大比率合并接收，有遮擋時(shí)采用選擇性接收未被遮擋的子幀。

2.1.2 旋翼遮擋檢測(cè)

前向鏈路信號(hào)的分集接收和返向鏈路組幀突發(fā)傳輸需要及時(shí)地檢測(cè)旋翼遮擋縫隙。通過(guò)對(duì)地面站發(fā)送的連續(xù)載波信號(hào)接收電平和信噪比變化情況的檢測(cè)，可以判斷出旋翼對(duì)天線的遮擋情況。

縫隙檢測(cè)算法一般采用能量和信噪比估計(jì)的方式。機(jī)載解調(diào)器對(duì)接收信號(hào)能量和信噪比做一定時(shí)長(zhǎng)的估計(jì)并做適當(dāng)?shù)幕瑒?dòng)平均，從中找出最大值，作為比較的參考基準(zhǔn)，設(shè)置發(fā)送門限，如果當(dāng)前統(tǒng)計(jì)的信號(hào)電平功率值大于門限，判定為無(wú)遮擋時(shí)間。

2.2 旋翼同步突發(fā)

返向鏈路是指機(jī)載站發(fā)射信號(hào)經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)至地面站的信息傳輸鏈路。機(jī)載站在發(fā)送時(shí)，首先檢測(cè)旋翼縫隙，預(yù)測(cè)突發(fā)時(shí)間窗口，然后周期性的在旋翼同步縫隙中將通信信息突發(fā)出去。預(yù)測(cè)的時(shí)間窗口大小決定可發(fā)送的數(shù)據(jù)幀數(shù)，一般會(huì)保留一定的余量，防止在每個(gè)窗口數(shù)據(jù)幀數(shù)都發(fā)生變化。當(dāng)窗口時(shí)間發(fā)生較大變化時(shí)，可發(fā)送的數(shù)據(jù)幀數(shù)隨之改變。地面站接收到機(jī)載站的突發(fā)幀后，首先采用快速同步解調(diào)技術(shù)恢復(fù)出每次突發(fā)的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)幀序號(hào)拼接出完整的數(shù)據(jù)包。

2.3 窄帶衛(wèi)通時(shí)間分集方法

直升機(jī)寬帶衛(wèi)星通信前返向鏈路采用組幀重傳策略和縫隙突發(fā)通信的方法是基于直升機(jī)旋翼非遮擋時(shí)間內(nèi)可以傳輸足夠多的數(shù)據(jù)量，能夠滿足組成多幀并兼顧幀效率的要求。與之比較，窄帶衛(wèi)星通信速率一般為幾百赫茲到幾千赫茲，非遮擋時(shí)間內(nèi)僅能傳輸幾十到一百多個(gè)符號(hào)。縫隙通信的思路不再完全適用，窄帶衛(wèi)星通信可以采用時(shí)間分集的方法來(lái)應(yīng)對(duì)旋翼遮擋問(wèn)題。

時(shí)間分集處理流程如圖6，圖7所示。用戶數(shù)據(jù)[ui]經(jīng)過(guò)碼率為[12]的信道編碼（如：卷積碼），得到兩路校驗(yàn)比特[pi、][qi，]其中一路延遲[mTb]時(shí)間，做并/串轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的比特流分為相同的兩路，一路延遲[2mTb]的時(shí)間，再對(duì)兩路比特流做并/串轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)比特[ai]經(jīng)過(guò)BPSK調(diào)制發(fā)射出來(lái)。其中，[Tp]為旋翼遮擋周期，[Tb]為調(diào)制符號(hào)周期，[m=Tp（4Tb）。]

通過(guò)上述比特分配方法，將編碼后的一路數(shù)據(jù)校驗(yàn)比特延遲[14]遮擋周期，同一個(gè)符號(hào)在時(shí)間上相差[12]遮擋周期兩次重復(fù)發(fā)送，保證不會(huì)被同時(shí)遮擋。這種方法還具有發(fā)送數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)不受旋翼遮擋周期限制的優(yōu)點(diǎn)，可以較自由地進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖6 發(fā)端分集處理流程圖

圖7 分集后符號(hào)分布圖

[a4i=pi； a4i+1=pi-2m； a4i+2=qi-m； a4i+3=qi-3m] （6）

接收端采用時(shí)間分集技術(shù)進(jìn)行信號(hào)合并。不同時(shí)間兩次發(fā)送的符號(hào)至少幸存一個(gè)，兩個(gè)符號(hào)都接收到則信號(hào)合成增強(qiáng)。這樣，在遮擋時(shí)間內(nèi)，信號(hào)衰減影響到的符號(hào)通過(guò)幸存比特得到恢復(fù)，不再是集中成片的錯(cuò)誤。校驗(yàn)信息[pi，][qi]由于發(fā)送時(shí)間上人為引入了延遲，恢復(fù)后的數(shù)據(jù)對(duì)譯碼器來(lái)言，誤碼更隨機(jī)，更容易得到糾正。理論上遮擋時(shí)間最大可以達(dá)到50%的完全遮擋，性能下降不超過(guò)3 dB。遮擋時(shí)間占遮擋周期的比例越小，分集接收的增益越大。

2.4 糾錯(cuò)編譯碼方案

采用上述應(yīng)對(duì)旋翼遮擋的方法，配合合適的信道糾錯(cuò)碼方案可以顯著改善系統(tǒng)傳輸性能，有效降低信號(hào)解調(diào)門限，實(shí)現(xiàn)低信噪比條件下的解調(diào)。直升機(jī)衛(wèi)星通信采用的糾錯(cuò)編碼方案主要有LDPC碼和糾刪碼兩類。采用LDPC 碼是考慮到直升機(jī)旋翼遮擋造成成片信號(hào)衰減，而LDPC碼具有天然的交織特性，可以抵擋直升機(jī)旋翼遮擋的影響，不丟失信息，同時(shí)具有糾錯(cuò)性能好，復(fù)雜度低的特點(diǎn)。

采用糾刪碼是考慮當(dāng)旋翼轉(zhuǎn)速一定時(shí)，信息被遮擋的概率是獨(dú)立、等概率的，同時(shí)，遮擋的信息位置是可以檢測(cè)的，即為刪除錯(cuò)誤，把這種信道環(huán)境考慮為刪除信道，采用糾刪碼可以糾正這些刪除錯(cuò)誤。發(fā)射端將信息編碼后分成多個(gè)數(shù)據(jù)包，組成多個(gè)子幀進(jìn)行發(fā)射，只要接收方接收到一定數(shù)量的編碼數(shù)據(jù)包，運(yùn)用適當(dāng)?shù)淖g碼方法就可重構(gòu)源數(shù)據(jù)包，從而有效地抵擋旋翼遮擋。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文闡述了直升機(jī)衛(wèi)星通信中旋翼遮擋對(duì)通信的影響問(wèn)題，并針對(duì)直升機(jī)寬帶和窄帶衛(wèi)星通信前返向鏈路的不同特點(diǎn)，分別介紹了幾種克服旋翼遮擋問(wèn)題的方法。實(shí)際應(yīng)用中，要考慮不同的應(yīng)用環(huán)境要求，采用適當(dāng)?shù)膽?yīng)對(duì)策略、設(shè)計(jì)參數(shù)和糾錯(cuò)編譯碼方案來(lái)達(dá)到抵擋直升機(jī)旋翼遮擋問(wèn)題、正常通信的目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 晉東立，武傳昱，楊雪梅.直升機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)及其在航天領(lǐng)域的應(yīng)用研究[J].飛行器測(cè)控學(xué)報(bào)，2009，28（5）：41?44.

[2] 茍曉剛，邱金惠，江會(huì)娟.直升機(jī)衛(wèi)星通信中旋翼遮擋天線問(wèn)題研究[J].無(wú)線電通信技術(shù)，2013，39（1）：55?58.

[3] 張倨卿，高凱，朱江.直升機(jī)衛(wèi)星通信的前向鏈路設(shè)計(jì)[J].無(wú)線電通信技術(shù)，2012，38（5）：16?18.

[4] 王健，胡應(yīng)鵬，陳栩杉.基于LT碼的直升機(jī)衛(wèi)星通信[J].電子質(zhì)量，2011（10）：45?47.

[5] 王健，胡應(yīng)鵬，司飛飛.適用于直升機(jī)衛(wèi)星通信的LDPC譯碼算法[J].通信技術(shù)，2012，45（9）：50?53.

[6] KOJIMA T， BATBAATAR B， BATZORIG C， et al. A novel AFC scheme with time diversity combining for helicopter satellite communications [C]// 2009 International Conference on Advanced Technologies for Communications. Hai Phong， Vietnam： ATC， 2009： 304?307.

圖4 遮擋信號(hào)幅度衰減

2.1 組幀重發(fā)策略

前向鏈路，指從地面站發(fā)射信號(hào)經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)直升機(jī)機(jī)載站的信息傳輸鏈路。在前向鏈路方向，由于地面站無(wú)法及時(shí)獲取當(dāng)前機(jī)載站天線遮擋情況，為了確保機(jī)載解調(diào)器能夠完整的接收到一幀數(shù)據(jù)，地面調(diào)制器必須采用連續(xù)重復(fù)發(fā)送的方式，保證能在旋翼遮擋縫隙內(nèi)接收到有效數(shù)據(jù)。在設(shè)計(jì)傳輸幀長(zhǎng)時(shí)要保證在一個(gè)遮擋周期內(nèi)至少包含兩個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀，解調(diào)端通過(guò)在接收到的數(shù)據(jù)中找到完整子幀的序號(hào)，拼接出原始的幀排列，進(jìn)而完成信息的接收。地面站的組幀重發(fā)策略是影響數(shù)據(jù)傳輸性能和效率的關(guān)鍵因素。

2.1.1 前向鏈路幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

前向鏈路幀結(jié)構(gòu)如圖5所示，設(shè)計(jì)采用組幀重復(fù)的方式：每幀包括首發(fā)幀和重發(fā)幀，首發(fā)幀和重發(fā)幀發(fā)送同樣的數(shù)據(jù)，以便接收端恢復(fù)數(shù)據(jù)。首發(fā)幀和重發(fā)幀都包含若干子幀。子幀長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)也不宜過(guò)短，過(guò)長(zhǎng)將影響接收端數(shù)據(jù)恢復(fù)，過(guò)短將會(huì)降低傳輸效率。設(shè)計(jì)子幀的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和每幀包含的子幀數(shù)受遮擋周期和信道速率的約束。設(shè)計(jì)一般準(zhǔn)則是：每幀的持續(xù)時(shí)間要大于遮擋時(shí)間，小于非遮擋時(shí)間。

圖5 前向鏈路幀結(jié)構(gòu)

子幀的結(jié)構(gòu)固定，由幀頭、備用信息和編碼后的數(shù)據(jù)三部分組成。子幀的幀頭采用相關(guān)性強(qiáng)的PN序列作為同步碼，備用信息含有首發(fā)/重發(fā)標(biāo)志、子幀號(hào)等信息，編碼后的數(shù)據(jù)分配到各個(gè)子幀上。

機(jī)載站解調(diào)器輸出的信號(hào)中，首發(fā)幀和重發(fā)幀中的同一編號(hào)的兩個(gè)子幀至少有一個(gè)沒(méi)有被遮擋。分集接收采用的方式是，兩個(gè)子幀都沒(méi)有被遮擋時(shí)采用最大比率合并接收，有遮擋時(shí)采用選擇性接收未被遮擋的子幀。

2.1.2 旋翼遮擋檢測(cè)

前向鏈路信號(hào)的分集接收和返向鏈路組幀突發(fā)傳輸需要及時(shí)地檢測(cè)旋翼遮擋縫隙。通過(guò)對(duì)地面站發(fā)送的連續(xù)載波信號(hào)接收電平和信噪比變化情況的檢測(cè)，可以判斷出旋翼對(duì)天線的遮擋情況。

縫隙檢測(cè)算法一般采用能量和信噪比估計(jì)的方式。機(jī)載解調(diào)器對(duì)接收信號(hào)能量和信噪比做一定時(shí)長(zhǎng)的估計(jì)并做適當(dāng)?shù)幕瑒?dòng)平均，從中找出最大值，作為比較的參考基準(zhǔn)，設(shè)置發(fā)送門限，如果當(dāng)前統(tǒng)計(jì)的信號(hào)電平功率值大于門限，判定為無(wú)遮擋時(shí)間。

2.2 旋翼同步突發(fā)

返向鏈路是指機(jī)載站發(fā)射信號(hào)經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)至地面站的信息傳輸鏈路。機(jī)載站在發(fā)送時(shí)，首先檢測(cè)旋翼縫隙，預(yù)測(cè)突發(fā)時(shí)間窗口，然后周期性的在旋翼同步縫隙中將通信信息突發(fā)出去。預(yù)測(cè)的時(shí)間窗口大小決定可發(fā)送的數(shù)據(jù)幀數(shù)，一般會(huì)保留一定的余量，防止在每個(gè)窗口數(shù)據(jù)幀數(shù)都發(fā)生變化。當(dāng)窗口時(shí)間發(fā)生較大變化時(shí)，可發(fā)送的數(shù)據(jù)幀數(shù)隨之改變。地面站接收到機(jī)載站的突發(fā)幀后，首先采用快速同步解調(diào)技術(shù)恢復(fù)出每次突發(fā)的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)幀序號(hào)拼接出完整的數(shù)據(jù)包。

2.3 窄帶衛(wèi)通時(shí)間分集方法

直升機(jī)寬帶衛(wèi)星通信前返向鏈路采用組幀重傳策略和縫隙突發(fā)通信的方法是基于直升機(jī)旋翼非遮擋時(shí)間內(nèi)可以傳輸足夠多的數(shù)據(jù)量，能夠滿足組成多幀并兼顧幀效率的要求。與之比較，窄帶衛(wèi)星通信速率一般為幾百赫茲到幾千赫茲，非遮擋時(shí)間內(nèi)僅能傳輸幾十到一百多個(gè)符號(hào)。縫隙通信的思路不再完全適用，窄帶衛(wèi)星通信可以采用時(shí)間分集的方法來(lái)應(yīng)對(duì)旋翼遮擋問(wèn)題。

時(shí)間分集處理流程如圖6，圖7所示。用戶數(shù)據(jù)[ui]經(jīng)過(guò)碼率為[12]的信道編碼（如：卷積碼），得到兩路校驗(yàn)比特[pi、][qi，]其中一路延遲[mTb]時(shí)間，做并/串轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的比特流分為相同的兩路，一路延遲[2mTb]的時(shí)間，再對(duì)兩路比特流做并/串轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)比特[ai]經(jīng)過(guò)BPSK調(diào)制發(fā)射出來(lái)。其中，[Tp]為旋翼遮擋周期，[Tb]為調(diào)制符號(hào)周期，[m=Tp（4Tb）。]

通過(guò)上述比特分配方法，將編碼后的一路數(shù)據(jù)校驗(yàn)比特延遲[14]遮擋周期，同一個(gè)符號(hào)在時(shí)間上相差[12]遮擋周期兩次重復(fù)發(fā)送，保證不會(huì)被同時(shí)遮擋。這種方法還具有發(fā)送數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)不受旋翼遮擋周期限制的優(yōu)點(diǎn)，可以較自由地進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖6 發(fā)端分集處理流程圖

圖7 分集后符號(hào)分布圖

[a4i=pi； a4i+1=pi-2m； a4i+2=qi-m； a4i+3=qi-3m] （6）

接收端采用時(shí)間分集技術(shù)進(jìn)行信號(hào)合并。不同時(shí)間兩次發(fā)送的符號(hào)至少幸存一個(gè)，兩個(gè)符號(hào)都接收到則信號(hào)合成增強(qiáng)。這樣，在遮擋時(shí)間內(nèi)，信號(hào)衰減影響到的符號(hào)通過(guò)幸存比特得到恢復(fù)，不再是集中成片的錯(cuò)誤。校驗(yàn)信息[pi，][qi]由于發(fā)送時(shí)間上人為引入了延遲，恢復(fù)后的數(shù)據(jù)對(duì)譯碼器來(lái)言，誤碼更隨機(jī)，更容易得到糾正。理論上遮擋時(shí)間最大可以達(dá)到50%的完全遮擋，性能下降不超過(guò)3 dB。遮擋時(shí)間占遮擋周期的比例越小，分集接收的增益越大。

2.4 糾錯(cuò)編譯碼方案

采用上述應(yīng)對(duì)旋翼遮擋的方法，配合合適的信道糾錯(cuò)碼方案可以顯著改善系統(tǒng)傳輸性能，有效降低信號(hào)解調(diào)門限，實(shí)現(xiàn)低信噪比條件下的解調(diào)。直升機(jī)衛(wèi)星通信采用的糾錯(cuò)編碼方案主要有LDPC碼和糾刪碼兩類。采用LDPC 碼是考慮到直升機(jī)旋翼遮擋造成成片信號(hào)衰減，而LDPC碼具有天然的交織特性，可以抵擋直升機(jī)旋翼遮擋的影響，不丟失信息，同時(shí)具有糾錯(cuò)性能好，復(fù)雜度低的特點(diǎn)。

采用糾刪碼是考慮當(dāng)旋翼轉(zhuǎn)速一定時(shí)，信息被遮擋的概率是獨(dú)立、等概率的，同時(shí)，遮擋的信息位置是可以檢測(cè)的，即為刪除錯(cuò)誤，把這種信道環(huán)境考慮為刪除信道，采用糾刪碼可以糾正這些刪除錯(cuò)誤。發(fā)射端將信息編碼后分成多個(gè)數(shù)據(jù)包，組成多個(gè)子幀進(jìn)行發(fā)射，只要接收方接收到一定數(shù)量的編碼數(shù)據(jù)包，運(yùn)用適當(dāng)?shù)淖g碼方法就可重構(gòu)源數(shù)據(jù)包，從而有效地抵擋旋翼遮擋。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文闡述了直升機(jī)衛(wèi)星通信中旋翼遮擋對(duì)通信的影響問(wèn)題，并針對(duì)直升機(jī)寬帶和窄帶衛(wèi)星通信前返向鏈路的不同特點(diǎn)，分別介紹了幾種克服旋翼遮擋問(wèn)題的方法。實(shí)際應(yīng)用中，要考慮不同的應(yīng)用環(huán)境要求，采用適當(dāng)?shù)膽?yīng)對(duì)策略、設(shè)計(jì)參數(shù)和糾錯(cuò)編譯碼方案來(lái)達(dá)到抵擋直升機(jī)旋翼遮擋問(wèn)題、正常通信的目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 晉東立，武傳昱，楊雪梅.直升機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)及其在航天領(lǐng)域的應(yīng)用研究[J].飛行器測(cè)控學(xué)報(bào)，2009，28（5）：41?44.

[2] 茍曉剛，邱金惠，江會(huì)娟.直升機(jī)衛(wèi)星通信中旋翼遮擋天線問(wèn)題研究[J].無(wú)線電通信技術(shù)，2013，39（1）：55?58.

[3] 張倨卿，高凱，朱江.直升機(jī)衛(wèi)星通信的前向鏈路設(shè)計(jì)[J].無(wú)線電通信技術(shù)，2012，38（5）：16?18.

[4] 王健，胡應(yīng)鵬，陳栩杉.基于LT碼的直升機(jī)衛(wèi)星通信[J].電子質(zhì)量，2011（10）：45?47.

[5] 王健，胡應(yīng)鵬，司飛飛.適用于直升機(jī)衛(wèi)星通信的LDPC譯碼算法[J].通信技術(shù)，2012，45（9）：50?53.

[6] KOJIMA T， BATBAATAR B， BATZORIG C， et al. A novel AFC scheme with time diversity combining for helicopter satellite communications [C]// 2009 International Conference on Advanced Technologies for Communications. Hai Phong， Vietnam： ATC， 2009： 304?307.