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

　　衛(wèi)星通信(簡 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。通過對系統(tǒng)全面的了解，對關(guān)鍵技術(shù)的確認(rèn)，從而實(shí) 現(xiàn)對系統(tǒng)的準(zhǔn)確測試。

　　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)制器對載波(中頻)進(jìn)行調(diào)制;已調(diào)的中頻信號經(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)器對所接受的上行信號提供足夠的增益，還將上行頻率變換為下行頻率，之后衛(wèi)星發(fā)射天線將信號經(jīng)下行鏈 路送至接受地球站。

　　地球站將接受的微弱信號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)制和上變頻相對應(yīng)。

　　圖1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)基本工作原理

　　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、快速、準(zhǔn)確地對準(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準(zhǔn)衛(wèi)星的方位角、仰角和極化角。

　　目 前，國內(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)動的兩個(gè)坐標(biāo)系之間的關(guān)系可以用方向余弦矩陣來表示，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，對天線穩(wěn)定系統(tǒng)來說，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：

　　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，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)行信號的采集和比較，如果在到達(dá)保持時(shí)間之前信號大于門限，則恢復(fù)跟蹤狀態(tài)，如果保持時(shí)間達(dá)到后，信號仍然小于門限，則進(jìn)入 搜索狀態(tài)。這種信號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。