【導讀】衛(wèi)星通信系統(tǒng)是現(xiàn)代軍事領(lǐng)域非常重要的通信方式。直升機衛(wèi)星通信指的是直升機通過機載衛(wèi)星實現(xiàn)衛(wèi)星間的直接通信，并且能夠在衛(wèi)星和地面之間進行信息傳輸和交換。本文詳細分析了直升機衛(wèi)星通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合工程應用對整個系統(tǒng)進行全面的了解。
信息交換的種類有話音、數(shù)據(jù)和圖像視頻等。由于直升機本身的旋翼特點及操控特性，在設計衛(wèi)星通信系統(tǒng)時對微波天線的尺寸和重量都有嚴格的限制和要求，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，如果通信效果不好，試驗工程師應該從哪些方面進行分析，查找問題的根源。本文從直升機衛(wèi)星通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)入手，結(jié)合工程應用把問題一一展開。通過對系統(tǒng)全面的了解，對關(guān)鍵技術(shù)的確認，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的準確測試。
1 機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)工作原理
1.1 機載衛(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，成為現(xiàn)代通信的一種重要方式。機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)分為固定翼機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)和旋翼衛(wèi)星通信系統(tǒng)。
一個基本的衛(wèi)星通信系統(tǒng)至少包含兩個衛(wèi)通站和必要的衛(wèi)星資源。對于直升機衛(wèi)星通信系統(tǒng)，只是在信道處理時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，也是目前機載設備普遍選用的頻段。
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，進入調(diào)制器對載波（中頻）進行調(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。
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)角提取及坐標變換
在機載衛(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、準確地對準衛(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，必須知道天線波束中心和所要對準衛(wèi)星的方位角、仰角和極化角。
目前，國內(nèi)典型機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)天伺系統(tǒng)是采用數(shù)字引導和自跟蹤功能相結(jié)合的機制，即通過捷聯(lián)慣導（IMU）提供的載機姿態(tài)信息解算天線指向的引導方式和通過天線饋源網(wǎng)絡和接收機提供的角差信號控制天線指向目標的自跟蹤方式。首先，根據(jù)載機定位信息和預選設定的衛(wèi)星信息，運用以下公式可以計算出大地仰角（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）
由于繞定點轉(zhuǎn)動的兩個坐標系之間的關(guān)系可以用方向余弦矩陣來表示，且載體坐標系與地理坐標系之間存在著姿態(tài)變化，所以，對天線穩(wěn)定系統(tǒng)來說，可以根據(jù)慣導提供的姿態(tài)信息（橫滾R、俯仰P 和航向H），實現(xiàn)從地理坐標系到載機坐標系的角度變換。具體變換如下：
式中[Dj] 為目標在載體坐標系中的坐標矢量,[DM] 為目標在大地坐標系中的坐標矢量，S 為矢量半徑。
MR、MP、MH 分別為3 個姿態(tài)變換矩陣。
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，導致天線指向偏離衛(wèi)星。二由于載機所處的環(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，當信號丟失后，默認為由于陰影遮擋，先保持當前的天線姿態(tài)一定的時間( 保持時間)，在此過程中不斷進行信號的采集和比較，如果在到達保持時間之前信號大于門限，則恢復跟蹤狀態(tài)，如果保持時間達到后，信號仍然小于門限，則進入搜索狀態(tài)。這種信號丟失的處理方式有利于鏈路的快速建立，特別是在載機快速的運動過程中，偶爾出現(xiàn)遮擋物時( 樹木，高樓等) 的現(xiàn)實環(huán)境中。
此外，由于直升機的旋翼特點，在使用中除了要面臨極化控制、電波穩(wěn)定和可靠跟蹤等問題以外，最大的問題就是解決旋翼遮擋。目前，采用多次重傳機制的傳輸設計可以解決旋翼遮擋對接收的影響，重傳的次數(shù)越多，信息的可靠性就越高，但是會降低鏈路的傳輸效率。相比較而言，二次重傳機制可以滿足需要，而且信道利用率更高。從而使該系統(tǒng)實現(xiàn)以下功能：
1) 載機在航向和姿態(tài)不斷變化的情況下能夠正常工作。這就要求伺服系統(tǒng)具有非常寬的跟蹤范圍；
2) 系統(tǒng)對載機的搖擺有適應能力，要求伺服系統(tǒng)對載機振動的隔離度要足夠大，以保 證天線主瓣指向衛(wèi)星；
3) 遮擋消失后伺服系統(tǒng)再捕能力。即設備穿過信號中斷地帶后，伺服系統(tǒng)能快速控制天線，立即恢復通信。
2.3 鏈路估算
在機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)（G/T）、飽和通量密度（SFD）、等效全向輻射功率（EIRP）以及轉(zhuǎn)發(fā)器的輸入/ 輸出補償在鏈路計算和通信系統(tǒng)設計中起著關(guān)鍵性的作用，衛(wèi)星通信工程師應對其有深入的了解。
地球站用戶（包括機載站）在使用衛(wèi)星資源時需要根據(jù)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)進行鏈路預算及分析，預估上下行載波的C/N，計算求得系統(tǒng)能噪比Eb/N0，以便確定系統(tǒng)能夠保證信息傳輸質(zhì)量和滿足設計指標的要求。具體計算公式如下：
衛(wèi)星鏈路總的載噪比：
上行鏈路的載噪比估算公式為：
下行鏈路的載噪比估算公式為：
故鏈路的能噪比估算公式為：
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3 工程測試方案設計
衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設計通常要求高概率可靠度（ 例如99.99%），這就要求各種衰減引起系統(tǒng)的中斷概率不超過0.01%，為了驗證系統(tǒng)的這種性能，對測試方法的設計以及處理方法具有較高的要求。某機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)在進行工程測試驗證時，基于關(guān)鍵技術(shù)的考慮重點設計以下測試項目，以達到對系統(tǒng)考核驗證的目的。
1) 大機動及大速度飛行。在機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，天線跟蹤是關(guān)鍵技術(shù)，當載機在高速運動、爬升/ 下降和轉(zhuǎn)彎條件下，天線伺服控制系統(tǒng)使天線波束始終精確對準衛(wèi)星，因此，通過大機動飛行達到對系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的跟蹤性以及穩(wěn)定性的測試目的。
2) 高緯度地區(qū)及降雨環(huán)境飛行。地面天線的仰角極低時，地面熱噪聲將進入天線的近旁瓣甚至主瓣，從而提高天線噪聲 ，降低地面系統(tǒng)的G/T 值，天線仰角低，從地球站到衛(wèi)星的傳輸距離長，載波的自由空間損耗也較大。仰角低時，載波穿越降雨區(qū)的距離也較長，Ku 頻段載波在降雨時所受的衰耗和噪聲增量將相應增大。這些因素都可能抵消掉部分的轉(zhuǎn)發(fā)器EIRP。因此，通過高緯度地區(qū)的飛行測試以及降雨環(huán)境下的系統(tǒng)測試實現(xiàn)對系統(tǒng)低仰角及降雨損耗的考核驗證目的。
3) 信號較弱地區(qū)飛行。同一衛(wèi)星資源在不同區(qū)域的等效全向輻射功率和品質(zhì)因素是有差異的，這將直接影響鏈路的能噪比，即鏈路質(zhì)量。
以某機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)為例，分別在南京地區(qū)和高原地區(qū)進行測試評估，中心站置于北京，衛(wèi)星資源參數(shù)（軌道位置東經(jīng)87.5°，轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬BTs=36 MHz，轉(zhuǎn)發(fā)器輸入補償10 dB 和輸出補償為4 dB）。試驗結(jié)果表明，南京地區(qū)的鏈路通信質(zhì)量明顯優(yōu)于高原地區(qū)，且高原地區(qū)的圖像傳輸存在較嚴重的丟包現(xiàn)象。具體分析如表1 所示。
表1 不同地區(qū)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)與鏈路質(zhì)量對比分析
從表1 可以看出，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器在南京地區(qū)的等效全向輻射功率和品質(zhì)因素優(yōu)于高原地區(qū)，通過鏈路計算得出的能噪比南京地區(qū)優(yōu)于高原地區(qū)。雖然系統(tǒng)設計時，調(diào)制解調(diào)器在能噪比為5.0 dB 時能夠保證信息傳輸質(zhì)量，但是，考慮雨衰裕量等因素，在信號較弱地區(qū)仍然需要調(diào)整設備發(fā)射功率或天線尺寸，方能滿足較好的通信質(zhì)量，這與工程實際應用完全吻合。
4 結(jié)論
在機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工程測試過程中，對直升機衛(wèi)星通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進行了較為深入的研究，找出了測試設計過程中的關(guān)鍵技術(shù)點，通過設計測試方案驗證了某型機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量，并與理論計算進行了對比分析，達到了理論與實踐相結(jié)合的試驗目的。由于國內(nèi)機載衛(wèi)星通信應用尚處于初步階段，對于系統(tǒng)的測試更是出于摸索階段，對衛(wèi)星通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究可以為后續(xù)型號系統(tǒng)的測試與性能評估提供相應的技術(shù)參考和借鑒。
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