無人直升機衛(wèi)星測控通信應用研究

李怡偉

智能化、無人化是當今世界裝備發(fā)展的重要方向，無人直升機因其零傷亡、起降要求低、機動靈活等優(yōu)勢被廣泛應用到軍、民用領域。在軍事應用領域，無人直升機可執(zhí)行偵察警戒、通信中繼、電子對抗、目標指示、火力支援以及戰(zhàn)勤運輸?shù)热蝿?；在民用領域，可執(zhí)行警務巡檢、新聞攝影、海洋監(jiān)測、電網(wǎng)巡檢、農(nóng)林作業(yè)、應急求援等任務。當前無人直升機主要采用視距數(shù)據(jù)鏈與控制站進行上下行數(shù)據(jù)傳輸，其通視距離受無人直升機飛行高度限制，且通信質量受地形約束明顯，中繼機雖在一定程度上緩解了上述問題，但作用距離仍然受限且使用方式不夠靈活。衛(wèi)星通信具有不受地理位置限制，覆蓋面廣、頻帶寬、機動靈活等優(yōu)點，已成為無線通信的重要手段，將衛(wèi)星通信應用于無人直升機測控通信，可充分發(fā)揮兩者優(yōu)勢，應用前景廣闊。

據(jù)資料報道，日本在2004年12月首次成功研制出直升機衛(wèi)星通信系統(tǒng)。經(jīng)過近20年的發(fā)展，國內(nèi)外機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)均取得了不同程度的進步，并在部分有人直升機和固定翼無人機上安裝使用，但衛(wèi)星通信系統(tǒng)在無人直升機上的應用研究卻很少。相比于有人直升機，衛(wèi)星通信作為無人直升機超視距測控通信手段，其對傳輸速率、實時性和抗干擾能力要求更高；相比于固定翼無人機，無人直升機上的衛(wèi)星通信系統(tǒng)會受旋翼遮擋影響且安裝位置有限，對機載天線的尺寸、重量都有嚴格的限制和要求。因此衛(wèi)星通信系統(tǒng)在無人直升機測控通信中的應用面臨諸多挑戰(zhàn)。

本文在總結國內(nèi)外直升機機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)項目經(jīng)驗的基礎上，全面梳理了無人直升機衛(wèi)星測控通信系統(tǒng)選型和裝機設計流程，參考直升機機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)裝機位置，給出了無人直升機衛(wèi)通機載站安裝建議。同時結合當前無人直升機常用機載架構，設計了一款簡潔高效、通用性強的衛(wèi)通機載站通信架構，具有較好的工程指導意義，為無人直升機衛(wèi)星測控通信應用提供了方向。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外研究現(xiàn)狀

日本和美國是開展直升機衛(wèi)星通信應用研究最早的國家。2004年12月2日，日本信息通信研究機構（NICT）宣布成功開發(fā)出了全球第一個“直升機衛(wèi)星通信系統(tǒng)”，能夠通過通信衛(wèi)星實時傳送災害現(xiàn)場影像情況，其工作在Ku頻段，機身兩側分別安裝用于發(fā)射和接收的Ku相控陣天線，如圖1所示。2013年，日本三菱公司的HSA40直升機衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用Ku頻段拋物面天線，用于傳輸圖像、話音、數(shù)據(jù)等業(yè)務類型，天線口徑0.4m，尺寸φ550mm×600mm，如圖2所示，業(yè)務速率前向16kpbs，返向384kbps-10Mbps，艙外設備重35kg，艙內(nèi)設備重20kg，設備功耗小于900W。

美國早期將研發(fā)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)應用在阿帕奇直升機上，在機身兩側各安裝一個機載衛(wèi)通天線以保證直升機在不同姿態(tài)下通信鏈路的可靠性。2009年，ViaSat公司研發(fā)出VMT-1200HE型Ku頻段衛(wèi)星通信設備，并將其應用在美國“黑鷹”直升機上，其天線安裝于“黑鷹”直升機機身與尾梁的結合部，如圖3所示。

以色列將以色列飛機工業(yè)公司（IAI）的EL/K-1891寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)安裝在AH-64D-1“長弓阿帕奇”武裝直升機兩側，天線采用X/Ku波段相控陣天線，同時配置100W功放，重量小于24kg，功耗小于800W，傳輸體制CDMA/TDM，傳輸率為128kbps。設備安裝位置如圖4所示。

國內(nèi)研究現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)一直在致力于直升機衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研究，也取得了一些成果。清華大學研制的直升機衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有抗旋翼遮擋的能力，并成功應用于“神八”的返航搜救保障任務，返向鏈路有效信息速率為7.68-9.2Mbps；如圖5所示的直升機寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)已經(jīng)成功的應用在北京奧運安保通信保障和大興安嶺森林防火的空中監(jiān)測等任務中，該系統(tǒng)配置兩套0.8m天線和2臺大功率功放，安裝在某中型運輸直升機上，加裝該天線后由于重量以及風阻增大，對直升機的飛行造成影響，其最大速度由250km/h減小到220km/h該系統(tǒng)采用縫隙通信檢測技術，兩臺天線依據(jù)縫隙交替工作，通信速率可達5Mbps。

2009年開始，相關部門組織國內(nèi)部分單位開展了直升機衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研究，衛(wèi)星聲像傳輸系統(tǒng)采用平板陣列天線單元形式，天線安裝在直升機尾梁上。系統(tǒng)搭載機型為某中型運輸直升機，直升機向地面站傳輸一路圖像與兩路話音數(shù)據(jù)。

如何利用旋翼縫隙進行信號傳輸是直升機和無人直升機衛(wèi)星通信的關鍵技術之一，上述直升機衛(wèi)星通信研究成果同樣適用于無人直升機。此外，針對特定無人直升機，合理地進行衛(wèi)星通信系統(tǒng)選型和裝機設計才能充分發(fā)揮無人直升機和衛(wèi)星測控通信的雙重優(yōu)勢，這也是無人直升機衛(wèi)星測控通信推廣應用需要重點關注的問題。

衛(wèi)星測控通信應用研究

系統(tǒng)組成

基于透明轉發(fā)衛(wèi)星的無人直升機衛(wèi)星測控通信系統(tǒng)通常由地面衛(wèi)通車和無人直升機衛(wèi)通機載站組成，地面衛(wèi)通車接收指揮控制車的控制指令發(fā)送給透明轉發(fā)衛(wèi)星，通過透明轉發(fā)衛(wèi)星轉發(fā)至無人直升機衛(wèi)通機載站，衛(wèi)通機載站接收無人直升機各系統(tǒng)狀態(tài)及業(yè)務數(shù)據(jù)發(fā)送給透明轉發(fā)衛(wèi)星，通過透明轉發(fā)衛(wèi)星轉發(fā)至地面衛(wèi)通車進而發(fā)送至指揮控制車，其工作原理如圖6所示。

一般衛(wèi)通地面站對重量、功耗、體積要求不敏感，可以根據(jù)使用需求配備中型或者大型地面衛(wèi)通車，天線尺寸有2-6m等多種規(guī)格。但衛(wèi)通機載站受機載空間、重量重心、供電能力等多種因素限制，其尺寸、形態(tài)、重量、功耗會被嚴格限制，衛(wèi)通機載站性能指標設計需綜合考慮無人直升機信息傳輸需求、載重能力、空間布局、供電能力等多種因素，此外衛(wèi)星資源、使用環(huán)境等也對衛(wèi)通使用頻段等的選擇至關重要。

衛(wèi)通機載站通常包括衛(wèi)通天線組合和衛(wèi)通信道設備。衛(wèi)通天線組合主要完成衛(wèi)星信號的接收和發(fā)射以及變頻處理，主要由天線面、伺服和射頻單元組成。衛(wèi)通信道設備具有信號調制、解調和編解碼等功能，主要由電源單元、基帶單元、監(jiān)控單元和調制解調單元組成。

下面主要針對無人直升機衛(wèi)通機載站進行選型和裝機設計流程梳理，并提出一種通用通信架構，用于指導無人直升機衛(wèi)通測控通信的工程實踐。

選型和裝機設計

無人直升機衛(wèi)通機載站選型主要指對其性能指標進行論證設計，如工作頻率、傳輸速率、天線尺寸、重量功耗等，平衡傳輸需求、無人直升機平臺性能、衛(wèi)通機載站設計能力等多方面因素，使無人直升機系統(tǒng)效能最佳。無人直升機衛(wèi)通機載站裝機設計主要包括安裝設計、供電設計、通信設計、天線輻射遮擋分析、鏈路余量計算等工作。選型和裝機設計兩者關聯(lián)緊密，需經(jīng)過多輪迭代達到平衡，通用流程如下：

（1）識別需求：依據(jù)頂層要求和任務需要，分解并收集衛(wèi)通測控通信傳輸需求，如傳輸速率、接口需求等；

（2）初步方案：依據(jù)需求和項目經(jīng)驗，進行方案初步設計，形成初步數(shù)模并評估重量、功耗；

（3）裝機協(xié)調：依據(jù)初步方案，對裝機位置、重量重心、電氣負載等進行協(xié)調，同時對天線輻射遮擋、鏈路余量等進行計算分析，初步評估可行性，并提出修改建議；

（4）迭代完善：依據(jù)建議，評估需求可否變更、方案能否優(yōu)化，設計新的方案再次進行裝機協(xié)調，不斷迭代，最后形成一個切實可行的結果。

同有人直升機一樣，旋翼上方安裝衛(wèi)通機載站的難度較大，通常需要安裝在旋翼下方，因此天線面會受到旋翼的遮擋，引起信號質量的下降，而且在飛行過程中，無人直升機的航向和姿態(tài)會發(fā)生變化，機身也可能對天線面產(chǎn)生遮擋，影響衛(wèi)星通信效率，這需要從裝機位置和衛(wèi)通波形體制兩方面共同解決，抗旋翼遮擋的通信技術主要包括縫隙檢測技術、分組重發(fā)技術、物理層編碼技術、噴泉編碼+物理層編碼技術等。裝機位置則需要衛(wèi)通天線盡量遠離旋翼中心減小遮擋面積和時間，同時盡量布置在機身較高的位置避免機體遮擋，或者通過多個天線進行補盲，但多個天線補盲的方式會增加重量、功耗，代價較大。此外，衛(wèi)通天線應盡量與無人直升機采取共形設計，減少阻力。

通用通信架構

為實現(xiàn)無人直升機衛(wèi)星測控通信，無人直升機衛(wèi)通機載站需接入無人直升機機載系統(tǒng)，一方面將接收的控制指令轉發(fā)給各機載設備，另一方面收集各機載設備狀態(tài)回傳給指揮控制車，同時將無人直升機通過各個傳感器獲取的情報信息轉發(fā)給指揮控制車，因此無人直升機衛(wèi)通機載站對外通信架構如圖7所示。

無人直升機衛(wèi)通機載站對外通信信息主要如下：

（1）導航設備：無人直升機衛(wèi)通機載站可以從導航設備獲取無人直升機姿態(tài)、位置等信息，用于引導無人直升機衛(wèi)通機載站中衛(wèi)星天線指向，保持衛(wèi)星天線與衛(wèi)星的實時聯(lián)通，保障鏈路穩(wěn)定和信息實時傳輸；

（2）飛行控制系統(tǒng)：無人直升機衛(wèi)通機載站可以將飛行控制相關指令發(fā)送給飛行控制系統(tǒng)，由飛行控制系統(tǒng)轉發(fā)至各個機載設備，如電氣系統(tǒng)、旋翼系統(tǒng)等；同時從飛行控制系統(tǒng)獲取各個機載設備工作和健康狀態(tài)；

（3）綜合任務管理系統(tǒng)：無人直升機衛(wèi)通機載站可以將任務控制相關指令發(fā)送給綜合任務管理系統(tǒng)，由綜合任務管理系統(tǒng)轉發(fā)至各個任務載荷（傳感器），如光電、雷達等；同時從綜合任務管理系統(tǒng)獲取各個任務載荷工作狀態(tài)、健康狀態(tài)、任務載荷探測信息，如光電視頻、SAR圖像、目標數(shù)據(jù)等；

（4）地面衛(wèi)通車：無人直升機衛(wèi)通機載站通過衛(wèi)星無線轉發(fā)與地面衛(wèi)通車通信，交互傳輸控制指令、無人直升機機載設備和任務載荷工作狀態(tài)、任務載荷探測信息。

上述通信架構以飛行控制系統(tǒng)和綜合任務管理系統(tǒng)為無人直升機的左腦和右腦，以無人直升機衛(wèi)通機載站為信息匯總和傳輸通道，簡潔高效、通用性強。通常無人直升機測控系統(tǒng)會保留原視距通信方式，當超出視距時采用衛(wèi)通測控通信，兩種通信方式互為補充、互為備份。

結論

本文在概述國內(nèi)外直升機衛(wèi)星通信研究的基礎上，梳理了無人直升機衛(wèi)星測控通信系統(tǒng)選型和裝機設計流程，同時結合當前無人直升機常用機載架構，以飛行控制系統(tǒng)和綜合任務管理系統(tǒng)為無人直升機的左腦和右腦，以無人直升機衛(wèi)通機載站為信息匯總和傳輸通道，設計了一款簡潔高效、通用性強的衛(wèi)通機載站通信架構，可為無人直升機衛(wèi)星測控通信工程實踐提供借鑒。