衛(wèi)星通信具有不受地理位置限制、覆蓋范圍廣、頻帶寬、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，已成為無(wú)線通信的重要手段。無(wú)人直升機(jī)采用衛(wèi)星通信技術(shù)后，作業(yè)更加靈活，無(wú)人直升機(jī)能在低空作戰(zhàn)、應(yīng)急救援等任務(wù)中發(fā)揮重要作用。

鑒于無(wú)人直升機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)特殊、安裝空間有限，機(jī)載衛(wèi)通天線一般安裝在旋翼下方。在通信過(guò)程中，旋翼不可避免地遮擋機(jī)載衛(wèi)通天線面，導(dǎo)致接收和發(fā)送電平衰減。同時(shí)，無(wú)人直升機(jī)飛行姿態(tài)隨時(shí)變化，旋翼對(duì)天線的遮擋情況也隨之變化。同樣，有人直升機(jī)衛(wèi)星通信也面臨相同的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)近三十年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外涌現(xiàn)出許多與有人直升機(jī)衛(wèi)星通信有關(guān)的研究和實(shí)踐，抗旋翼遮擋技術(shù)研究也從抗單旋翼遮擋技術(shù)研究發(fā)展到抗共軸雙旋翼遮擋技術(shù)研究。隨著低軌寬帶衛(wèi)星星座的發(fā)展，低軌寬帶衛(wèi)星通信抗旋翼遮擋技術(shù)研究也開(kāi)始出現(xiàn)。

抗旋翼遮擋技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

受限于無(wú)人直升機(jī)特殊的機(jī)體結(jié)構(gòu)，衛(wèi)星通信天線一般安裝在旋翼下方，因此衛(wèi)通鏈路會(huì)受到旋翼周期性運(yùn)動(dòng)的遮擋。衛(wèi)通鏈路中的絕大部分電磁波信號(hào)能量無(wú)法穿透由金屬材料制成的旋翼，信號(hào)在短時(shí)間內(nèi)會(huì)深度衰減。為實(shí)現(xiàn)無(wú)人直升機(jī)與地面控制站之間的連續(xù)通信，技術(shù)人員需要對(duì)無(wú)人直升機(jī)衛(wèi)通信道特性、傳輸體制、高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的多普勒補(bǔ)償、大動(dòng)態(tài)環(huán)境下的解調(diào)同步等技術(shù)進(jìn)行深入研究，以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信不受旋翼遮擋的影響。

衛(wèi)通信道特性

無(wú)人直升機(jī)衛(wèi)通信道特性與有人直升機(jī)衛(wèi)通信道特性一致，具有地面衛(wèi)通信道的一些特點(diǎn)。與地面衛(wèi)星通信不同的是，有人直升機(jī)、無(wú)人直升機(jī)一般在空中執(zhí)行任務(wù)，傳輸信號(hào)受外界陰影的遮擋會(huì)更少。但有人直升機(jī)、無(wú)人直升機(jī)的旋翼會(huì)對(duì)傳輸信號(hào)造成周期性遮擋。有人直升機(jī)、無(wú)人直升機(jī)衛(wèi)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(wèi)星通信單旋翼遮擋信道模型

有關(guān)文獻(xiàn)闡述了衛(wèi)星通信單旋翼遮擋信道數(shù)學(xué)分析模型。

在圖1中，α表示有人直升機(jī)、無(wú)人直升機(jī)機(jī)載衛(wèi)通天線的仰角；β表示有人直升機(jī)或無(wú)人直升機(jī)運(yùn)動(dòng)方向與衛(wèi)星方位的夾角即航向角；h表示機(jī)載衛(wèi)通天線與旋翼中心之間的垂直距離；d表示機(jī)載衛(wèi)通天線與旋翼中心之間的水平距離。

在圖2中，Tz表示信號(hào)遮擋周期；Ts表示信號(hào)衰減時(shí)間；Tα表示信號(hào)衰減過(guò)程時(shí)間；Tm表示信號(hào)最大衰減保持時(shí)間；A表示信號(hào)衰減深度。式（1）可推算單旋翼環(huán)境下的信號(hào)遮檔率。

2.衛(wèi)星通信共軸雙旋翼遮擋信道模型

一些文獻(xiàn)分析了共軸雙旋翼有人直升機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的特點(diǎn)，建立了衛(wèi)星通信共軸雙旋翼遮擋信道理論分析模型，并通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)，驗(yàn)證了所建模型的準(zhǔn)確性。共軸雙旋翼有人直升機(jī)上、下兩副旋翼轉(zhuǎn)速相同，轉(zhuǎn)向相反。根據(jù)開(kāi)機(jī)時(shí)上、下兩副旋翼槳葉的不同初始位置，衛(wèi)星通信共軸雙旋翼遮擋信道模型可分為多種類型。假設(shè)開(kāi)機(jī)時(shí)上、下兩副旋翼槳葉第一次遮擋衛(wèi)通天線的時(shí)間差為T(mén)1，則當(dāng)l2≤2l1時(shí)，根據(jù)T1的大小，衛(wèi)

星通信共軸雙旋翼遮擋信道模型分為10種類型。當(dāng)l2>2l1時(shí)，根據(jù)T1的大小，衛(wèi)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(hào)衰減過(guò)程、衰減深度各不相同。

3.低軌衛(wèi)星通信旋翼遮擋信道模型

當(dāng)前有人直升機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要通過(guò)同步衛(wèi)星傳輸信息。隨著低軌寬帶衛(wèi)星星座的發(fā)展，有人直升機(jī)、無(wú)人直升機(jī)低軌衛(wèi)星通信也成為一個(gè)研究方向。由于低軌寬帶衛(wèi)星通信時(shí)段和時(shí)長(zhǎng)受限，衛(wèi)星方位角和高度角隨衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)而變化，旋翼遮擋問(wèn)題分析更為復(fù)雜。

有文獻(xiàn)提出了天線遮擋面積占比即遮擋率的計(jì)算方法。該方法基于投影變換原理，將天線面輪廓線沿衛(wèi)星波束矢量方向向旋翼面投影，在旋翼面內(nèi)進(jìn)行遮擋率計(jì)算并構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，滿足了不同軌位衛(wèi)星通信抗旋翼遮擋分析的需求。此外，該文獻(xiàn)利用上述數(shù)學(xué)模型完成了仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)給出一個(gè)靜止軌道衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星對(duì)比分析應(yīng)用案例。在通信過(guò)程中，天線伺服控制系統(tǒng)始終控制天線指向衛(wèi)星，衛(wèi)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(xiàn)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(duì)遮擋變化情況進(jìn)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(lái)計(jì)算遮擋率。

傳輸體制設(shè)計(jì)

由衛(wèi)通信道特性可知，旋翼遮擋對(duì)通信信號(hào)的影響表現(xiàn)在兩個(gè)方面，即接收信噪比出現(xiàn)惡化，接收電平出現(xiàn)周期性波動(dòng)。旋翼遮擋下的縫隙通信技術(shù)是有人直升機(jī)、無(wú)人直升機(jī)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信的核心技術(shù)。衛(wèi)星通信抗旋翼遮擋技術(shù)主要包括縫隙檢測(cè)、分組重發(fā)、物理層編碼、噴泉編碼與物理層編碼等技術(shù)。前向鏈路和反向鏈路傳輸體制設(shè)計(jì)需合理使用、優(yōu)化上述技術(shù)，才能有效防止衛(wèi)星通信不受旋翼遮擋的影響。

一些學(xué)者根據(jù)有人直升機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和衛(wèi)星通信特性，對(duì)有人直升機(jī)衛(wèi)星通信前向鏈路的傳輸方法和數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出一種有人直升機(jī)旋翼遮擋檢測(cè)方法。另一些學(xué)者結(jié)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(jī)衛(wèi)星通信譯碼算法。還有學(xué)者提出，LDPC編碼與交織編碼技術(shù)相結(jié)合的信道編碼方法來(lái)抵抗信道深度衰減。但是，受限于有人直升機(jī)和衛(wèi)星的特殊性，技術(shù)人員無(wú)法動(dòng)用衛(wèi)星和有人直升機(jī)對(duì)旋翼遮擋進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)和研究，因此研究存在一定的局限性。

驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)

受限于無(wú)人直升機(jī)和衛(wèi)星資源的協(xié)調(diào)難度，當(dāng)前學(xué)術(shù)界通常采用試驗(yàn)室試驗(yàn)對(duì)抗旋翼遮擋技術(shù)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)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(yàn)室驗(yàn)證試驗(yàn)到地面驗(yàn)證試驗(yàn)，再到飛行驗(yàn)證試驗(yàn)的遞進(jìn)式方法來(lái)更加充分地驗(yàn)證衛(wèi)通鏈路在旋翼遮擋、典型環(huán)境、無(wú)人直升機(jī)機(jī)動(dòng)飛行等條件下的穩(wěn)定傳輸性能；驗(yàn)證抗旋翼遮擋技術(shù)對(duì)旋翼遮擋衰減特性的適用性和傳輸體制的有效性；驗(yàn)證抗旋翼遮擋技術(shù)抗多普勒頻移的能力以及大動(dòng)態(tài)解調(diào)同步的能力。從而提升抗旋翼遮擋技術(shù)的成熟度，使抗旋翼遮擋技術(shù)更加接近工程應(yīng)用。

試驗(yàn)室驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)室驗(yàn)證試驗(yàn)是指，在試驗(yàn)室環(huán)境下，技術(shù)人員利用模擬器來(lái)模擬信號(hào)受旋翼遮擋后產(chǎn)生的周期性衰減現(xiàn)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(shù)試驗(yàn)室驗(yàn)證試驗(yàn)環(huán)境框圖。機(jī)載衛(wèi)通設(shè)備輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬器處理后，由地面衛(wèi)通設(shè)備解調(diào)。同時(shí)，地面衛(wèi)通設(shè)備輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬器處理后，由機(jī)載衛(wèi)通設(shè)備解調(diào)。圖4中，信道模擬轉(zhuǎn)發(fā)器產(chǎn)生多普勒頻移和多普勒頻率變化率，旋翼遮擋模擬器用來(lái)模擬信號(hào)受旋翼遮擋后產(chǎn)生的周期性衰減現(xiàn)象。頻譜儀、誤碼儀和示波器分別用于Eb/N0、誤比特率和數(shù)據(jù)處理時(shí)延測(cè)試。

地面驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)

地面驗(yàn)證試驗(yàn)是指，技術(shù)人員利用裝機(jī)的機(jī)載衛(wèi)通設(shè)備，在地面搭建試驗(yàn)環(huán)境，采用實(shí)際衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，測(cè)試旋翼轉(zhuǎn)速、數(shù)據(jù)傳輸速率、機(jī)載衛(wèi)通天線指向等因素對(duì)衛(wèi)通鏈路穩(wěn)定性的影響。

抗旋翼遮擋技術(shù)地面驗(yàn)證試驗(yàn)環(huán)境框圖詳見(jiàn)圖5。地面驗(yàn)證試驗(yàn)通常包括無(wú)遮擋時(shí)基礎(chǔ)信噪比采集、有遮擋時(shí)衰減信噪比采集兩個(gè)環(huán)節(jié)。通常，地面衛(wèi)通數(shù)據(jù)終端實(shí)時(shí)顯示和記錄信噪比。遮擋前后信噪比衰減強(qiáng)弱、鏈路穩(wěn)定性高低可反映抗旋翼遮擋技術(shù)的有效性。同時(shí)，技術(shù)人員需要利用頻譜儀等測(cè)試設(shè)備采集旋翼遮擋造成的信號(hào)衰減特性，然后與試驗(yàn)室試驗(yàn)環(huán)節(jié)采用的旋翼遮擋模型進(jìn)行對(duì)比，從而優(yōu)化抗旋翼遮擋算法。

抗旋翼遮擋技術(shù)地面驗(yàn)證試驗(yàn)采用控制變量法對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行測(cè)試。例如，固定旋翼轉(zhuǎn)速和數(shù)據(jù)傳輸速率測(cè)量無(wú)人直升機(jī)處于不同航向時(shí)的信號(hào)衰減，以評(píng)價(jià)相對(duì)于無(wú)人直升機(jī)的機(jī)載衛(wèi)通天線指向?qū)π旁氡鹊挠绊懀还潭〝?shù)據(jù)傳輸速率、相對(duì)于無(wú)人直升機(jī)的機(jī)載衛(wèi)通天線指向測(cè)量無(wú)人直升機(jī)典型旋翼轉(zhuǎn)速對(duì)信噪比的影響；固定旋翼轉(zhuǎn)速、機(jī)載衛(wèi)通天線指向測(cè)量不同數(shù)據(jù)傳輸速率下衛(wèi)通鏈路的信噪比和穩(wěn)定性。

飛行驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)

飛行驗(yàn)證試驗(yàn)需要驗(yàn)證在典型機(jī)動(dòng)飛行、沿航線飛行過(guò)程中的無(wú)人直升機(jī)衛(wèi)通鏈路穩(wěn)定性，甚至需要找出衛(wèi)通天線受遮擋的最長(zhǎng)時(shí)間、最嚴(yán)格試飛考核條件，充分驗(yàn)證抗旋翼遮擋技術(shù)的有效性，以保證衛(wèi)通設(shè)備的成熟應(yīng)用。其中，抗多普勒頻移是飛行驗(yàn)證試驗(yàn)的重要測(cè)試科目，多普勒頻移的影響因素主要是無(wú)人直升機(jī)飛行速度、加速度以及姿態(tài)變化。

無(wú)人直升機(jī)飛行姿態(tài)主要分為直線飛行、爬升、下滑、轉(zhuǎn)彎、8字飛行等動(dòng)作。其中，最簡(jiǎn)單的飛行姿態(tài)是直線飛行；轉(zhuǎn)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(dòng)作會(huì)引起衛(wèi)星波束入射角的變化。因此，飛行驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)需結(jié)合無(wú)人直升機(jī)典型飛行剖面和上述飛行姿態(tài)。通常，飛行驗(yàn)證試驗(yàn)包括如下兩種類型。

1.本場(chǎng)懸停、遙控飛行試驗(yàn)

為降低試飛風(fēng)險(xiǎn)，無(wú)人直升機(jī)通常在本場(chǎng)進(jìn)行懸停、遙控、遙調(diào)等試驗(yàn)科目。試飛人員可安排無(wú)人直升機(jī)原地旋轉(zhuǎn)一周，測(cè)試衛(wèi)星通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性、機(jī)載衛(wèi)通天線的跟蹤能力以及不同航向下的衛(wèi)星通信抗旋翼遮擋能力。

2.預(yù)設(shè)航線飛行試驗(yàn)

此試驗(yàn)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(tài)測(cè)試。直線勻速飛行需根據(jù)機(jī)載衛(wèi)通天線的安裝位置，選擇衛(wèi)通天線受遮擋最大的無(wú)人直升機(jī)航向開(kāi)展飛行試驗(yàn)。