直升機(jī)旋翼遮擋衛(wèi)星信道建模與實(shí)現(xiàn)

+ 胡俊祥 廖世文 何頔（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司）

1、引言

直升機(jī)是一種典型依靠旋翼提供升力的飛行器，其最大的特點(diǎn)是可以垂直起降，也可以在半空中懸停，具有快速、機(jī)動(dòng)靈活、不易受地理?xiàng)l件限制等優(yōu)勢(shì)，在森林防火、水上救援、飛行運(yùn)輸、新聞拍攝、資源勘探、軍事武裝等行業(yè)中得到廣泛使用[1]。

直升機(jī)的飛行高度一般在距離地面2000米到5000米之間，地面網(wǎng)絡(luò)信號(hào)一般無(wú)法覆蓋。隨著機(jī)上多媒體通信業(yè)務(wù)需求的增長(zhǎng)，傳統(tǒng)機(jī)載無(wú)線電臺(tái)由于速率較低已經(jīng)無(wú)法滿足直升機(jī)通信使用要求，寬帶衛(wèi)星通信正逐步成為新一代直升機(jī)的一種重要通信手段。

10多年前國(guó)外就開展直升機(jī)衛(wèi)星通信相關(guān)技術(shù)研究。由于衛(wèi)星信道容易受到旋翼遮擋，通信效率極低，以日本和美國(guó)為首的發(fā)達(dá)國(guó)家通過(guò)檢測(cè)旋翼旋轉(zhuǎn)的方式，在旋翼縫隙中通過(guò)突發(fā)信號(hào)（時(shí)間分集）初步解決了信號(hào)被旋翼遮擋的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)研究起步較晚，目前仍以在機(jī)身前后或兩側(cè)安裝兩幅通信天線來(lái)進(jìn)行冗余備份解決來(lái)解決信號(hào)遮擋問(wèn)題，對(duì)直升機(jī)衛(wèi)星通信的深入研究正處于起步階段。

本文以目前最新的共軸雙旋翼直升機(jī)平臺(tái)為切入點(diǎn)，研究多旋翼下衛(wèi)星信道特征，并提出解決方案。

2、信道特征

2.1.傳輸損耗

由直升機(jī)或衛(wèi)星地球站發(fā)送的電磁波信號(hào)在空間傳播過(guò)程中由功率擴(kuò)散而產(chǎn)生損耗被稱為空間傳輸損耗[2]。若以d和λ分別表示傳輸?shù)木嚯x和波長(zhǎng)，發(fā)射端信號(hào)功率為Pt，發(fā)送端和接收端的天線增益分別為Gt和Gr。通過(guò)自由空間后，接收功率Pr可以由下面公式得出，其中d為傳播距離。

從公式可以看出波長(zhǎng)λ越短（頻率越高）或者傳輸距離d越遠(yuǎn)的話獲得的接收功率約小，換句話說(shuō)就是傳輸損耗越大。衛(wèi)星通信一般在UHF、L、S、C、Ku、Ka等頻段（0.3GHz到30GHz），同步軌道衛(wèi)星（GEO）地面到衛(wèi)星的傳輸距離約3.6萬(wàn)公里，加上電離層、塵土、雨水等自然環(huán)境因素的影響，傳輸損耗非常大。

2.2.多普勒頻移

多普勒頻移是當(dāng)設(shè)備以恒定的速度進(jìn)行移動(dòng)時(shí)，由于傳播路程差的原因，接收到的信號(hào)頻率和相位會(huì)發(fā)生改變[3]。衛(wèi)星通信中水平運(yùn)動(dòng)物體的頻移量可以由下面公式來(lái)表示，其中ν表示接收機(jī)移動(dòng)速度，θ表示信號(hào)衛(wèi)星波束方向和接收機(jī)移動(dòng)方向的夾角，c表示光速，λ表示電磁波波長(zhǎng)，fd表示實(shí)際接收到的頻率。

從公式可以看出，頻率的偏移量和物體速度成正比，當(dāng)靠近離衛(wèi)星時(shí)頻移為正，遠(yuǎn)離時(shí)為負(fù)。按直升機(jī)400Km/h速度計(jì)算，多普勒頻移量在±0.0048%以內(nèi)。例如衛(wèi)星通信常用的Ku頻段，頻移一般不會(huì)超過(guò)±58KHz。

2.3.傳輸時(shí)延

衛(wèi)星通信經(jīng)由人造地球衛(wèi)星進(jìn)行，通信衛(wèi)星包括低軌、中軌和高軌道幾種，最近的距地球在數(shù)百千米，最遠(yuǎn)的達(dá)到數(shù)萬(wàn)千米。因此電磁波的傳輸時(shí)延無(wú)法忽視。以中高軌（GEO）的同步地球衛(wèi)星為例，其分布在赤道上空，距離地面36000余公里，電磁波從地面到衛(wèi)星的往返時(shí)間可通過(guò)公式計(jì)算，其中d是衛(wèi)星地球站到衛(wèi)星的距離，c為光速。根據(jù)通信站位置不同，A站到B站的傳輸時(shí)延在260ms到280ms之間。

2.4.旋翼遮擋

直升機(jī)和一般飛行器對(duì)大的區(qū)別就是直升機(jī)旋翼會(huì)對(duì)衛(wèi)星通信信號(hào)產(chǎn)生遮擋。旋翼遮擋指的是衛(wèi)星鏈路上的電磁波信號(hào)被旋轉(zhuǎn)的多副旋翼所阻礙，造成短時(shí)間內(nèi)的信號(hào)損耗。造成信號(hào)衰落的根本原因是電磁信號(hào)能量絕大部分無(wú)法穿透以合金材質(zhì)為主的旋翼。電磁波都具備一定的繞射能力，頻率較高的電磁波更容易被旋翼所遮擋，信號(hào)跌落情況如圖1所示。

圖 1 不同波長(zhǎng)的電磁波旋翼遮擋影響

3、旋翼遮擋信道建模

3.1.遮擋幾何模型

直升機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)需要面對(duì)旋翼遮擋情況下的“非平穩(wěn)中斷信道”傳輸問(wèn)題。旋翼遮擋過(guò)程分為三個(gè)階段，無(wú)遮擋、部分遮擋和完全遮擋。旋翼寬度、長(zhǎng)度、旋翼數(shù)、轉(zhuǎn)速和衛(wèi)星天線的安裝位置、波束角度都會(huì)對(duì)中斷效果造成影響。遮擋幾何模型如下圖所示，其中d表示天線和轉(zhuǎn)軸的距離、α為衛(wèi)星天線仰角、β為衛(wèi)星方位角和航向的夾角[4]。為了方便計(jì)算，我們將各種形態(tài)的衛(wèi)星天線等效成圓形拋物面天線。圓形拋物面在旋翼旋轉(zhuǎn)平面的投影實(shí)際上是一個(gè)橢圓型，其中短軸和天線面寬相等，長(zhǎng)軸為。由下圖可見，在θ1和θ2之間為全遮擋，0～θ1以及θ2～θ3之間為半遮擋，其余區(qū)域則屬于無(wú)遮擋狀態(tài)。

圖 2 遮擋幾何模型

通過(guò)幾何計(jì)算，全遮擋時(shí)間（按旋翼掃過(guò)橢圓長(zhǎng)軸計(jì)算）、部分遮擋時(shí)間和無(wú)遮擋時(shí)間分別由以下公式得出。

3.2.單旋翼遮擋信道模型

直升機(jī)飛行狀態(tài)中，旋翼會(huì)根據(jù)飛行所動(dòng)力要素按一個(gè)方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)，對(duì)頻率較高的衛(wèi)星通信來(lái)說(shuō)單旋翼的遮擋（含部分遮擋和全遮擋）可以近似看成是非平穩(wěn)周期On-Oあ信道模型。該模型刻畫了直升機(jī)衛(wèi)星通信信道的時(shí)變性、交替出現(xiàn)的通斷性，模型的數(shù)學(xué)表達(dá)為：

其中，為不受旋翼遮擋時(shí)的信道增益，持續(xù)時(shí)間記為縫隙時(shí)間，為信道受遮擋時(shí)的信道增益，持續(xù)時(shí)間記為遮擋時(shí)間（參見圖3），為旋翼遮擋引入的信號(hào)衰落，為一常數(shù)。

3.3.共軸雙旋翼遮擋信道模型

共軸雙旋翼遮擋定義為兩幅旋翼以相同的角速度分別向兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，并且兩幅旋翼的旋轉(zhuǎn)軸心在同一個(gè)直線上（見圖4所示）。從幾何模型分析可見雙旋翼遮擋可以認(rèn)為是兩個(gè)單旋翼遮擋產(chǎn)生效果的疊加。

根據(jù)疊加時(shí)機(jī)的不同，信號(hào)頻譜上會(huì)出現(xiàn)三種不同的情況。一是，兩個(gè)旋翼的遮擋正好時(shí)間正好錯(cuò)開，疊加后信號(hào)衰落的頻率比單旋翼增加一倍。二是，一個(gè)旋翼遮擋剛結(jié)束，緊接著另一幅旋翼進(jìn)入遮擋，疊加后信號(hào)衰落頻率沒有變化但衰落時(shí)間變長(zhǎng)。三是，一個(gè)旋翼遮擋時(shí)，另一個(gè)旋翼正好也在該時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生遮擋，疊加后衰落頻率和時(shí)間均不發(fā)生變化（如圖5所示）。由于兩幅旋翼旋轉(zhuǎn)速度的誤差積累，三種疊加情況會(huì)按某一順序更迭出現(xiàn)。

4、信道模擬器設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

圖 3 旋翼遮擋衛(wèi)星信道模型

圖 4 共軸雙旋翼遮擋示意圖

圖 5 雙旋翼遮擋模的三種疊加情況

要在工程上實(shí)現(xiàn)旋翼遮擋通信的真實(shí)信道條件需要向直升機(jī)一樣配置多副旋翼、發(fā)動(dòng)機(jī)、操作器、變速器、傳動(dòng)桿等裝置，實(shí)際情況下往往難以滿足要求。因此我們需要在旋翼遮擋信道數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上建立一個(gè)全功能的信道模擬器，通過(guò)對(duì)傳輸信號(hào)的精準(zhǔn)控制來(lái)模擬信道的主要特征。信道模擬器以電控衰減器和數(shù)控移相器為核心，并同時(shí)滿足單旋翼和共軸雙旋翼兩種通信場(chǎng)景的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)（如圖6所示）。模擬器設(shè)有兩組級(jí)聯(lián)的信號(hào)衰減通道，每個(gè)通道設(shè)計(jì)兩個(gè)寬頻衰減器（考慮到Ku/Ka等頻段的遮擋衰落非常大，單一衰減器無(wú)法滿足衰減幅度的要求），并在信號(hào)輸出端采用可調(diào)本振變頻器進(jìn)行頻移控制。

信道模擬器需要在信道部分實(shí)現(xiàn)時(shí)延模擬是比較困難的，代價(jià)很高。更廉價(jià)的實(shí)現(xiàn)方案是在發(fā)送端的數(shù)字基帶部分通過(guò)開設(shè)足夠大的FIFO緩沖區(qū)來(lái)控制發(fā)送時(shí)延，因此該部分功能沒有在信道模擬器上實(shí)現(xiàn)。

信道模擬器完成設(shè)計(jì)后，我們還需要合適的工具來(lái)產(chǎn)生時(shí)變信道模型并控制模擬器邏輯器件協(xié)調(diào)工作。我們選擇LabView軟件提供的強(qiáng)大UI和豐富控件來(lái)幫助實(shí)現(xiàn)快速功能搭建。衰減器控制邏輯框圖如圖7所示。

我們將設(shè)計(jì)好的LabView控制程序和信道模擬器連接，并設(shè)置旋翼運(yùn)動(dòng)的相關(guān)參數(shù)通過(guò)示波器對(duì)信號(hào)處理的結(jié)果進(jìn)行查看(如圖8所示)。最后得出結(jié)論，輸出信號(hào)的頻率、衰減幅度、衰減時(shí)間等指標(biāo)完全符合旋翼遮擋的數(shù)學(xué)模型。

5、結(jié)語(yǔ)

本文先從直升機(jī)衛(wèi)星通信信道特征開展研究，包括傳輸損耗、多普勒頻譜、傳輸時(shí)延和旋翼遮擋，其中旋翼遮擋是直升機(jī)衛(wèi)星通信中最重要的信道特征。文章根據(jù)旋翼遮擋的幾何模型進(jìn)一步對(duì)單旋翼遮擋和共軸雙旋翼遮擋進(jìn)行信道建模。完成建模后，提出了以電控衰減器和數(shù)控移相器和核心的信道模擬器的方案，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。旋翼遮擋信道理論模型和信道模擬器將為后續(xù)衛(wèi)星通信體制設(shè)計(jì)和專用設(shè)備研制奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖 6 信道模擬器框圖

圖 7 LabView時(shí)域衰減控制框圖

圖 8 測(cè)試結(jié)果

[1] 數(shù)學(xué)分析在直升機(jī)旋翼通信應(yīng)用研究 蘇俊杰 2017.7

[2] 直升機(jī)衛(wèi)星通信關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn) 姚國(guó)強(qiáng) 2017.7

[3] 百度百科詞條 多普勒頻移

[4] 衛(wèi)星通信設(shè)備抗直升機(jī)旋翼遮擋技術(shù)測(cè)試驗(yàn)證方法研究 阮先麗 2017.10