摘 要： 阐述了直升机卫星通信中旋翼遮挡对信号造成的影响，分析了不同航向和天线仰角条件下无遮挡时间比例，针对直升机宽带和窄带卫星通信前返向链路的不同特点，分别介绍了几种克服旋翼遮挡问题的方法。
关键词： 直升机卫星通信； 旋翼遮挡； 缝隙通信； 时间分集
中图分类号： TN927+.2?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）07?0050?03
Problem of rotor occlusion in helicopter SATCOM and the solution
DONG Xiao?dong
（The10th Research Institute， China Electronics Technology Group Corporation， Chengdu 610036， China）
Abstract： The effect of rotor occlusion in helicopter SATCOM on signal is elaborated. The proportion of time without occlusion with different course and antenna elevation angle is analyzed. Several solution of overcoming the problems of occlusion is presented aiming at different characteristic of forward and backward link of helicopter SATCOM with wideband and narrow band.
Keywords： helicopter SATCOM； rotor occlusion； gap communication； time diversity
0 引 言
目前，直升机的通信手段主要依靠短波和超短波。短波受电离层大气传播条件变化影响大，可通信概率低；超短波属于视距通信，地球曲率、高山遮挡、多径效应等因素都直接影响通信距离，限制了直升机的作战范围。采用卫星通信可以较好地突破上述通信条件的局限，达到超视距通信的目的。
直升机卫星通信系统由机载站和地面固定站通过同步卫星构成点对点通信系统。由于卫星通信电波传播方式是直射波，要求在无遮挡的条件下通信，而直升机飞行过程中，旋翼桨叶会周期性的遮挡天线，造成通信信号的周期性衰减，影响正常通信。
本文针对旋翼遮挡问题进行了分析，探讨了前返向链路中可采用的应对旋翼遮挡的通信方法，包括缝隙突发、组帧重传、时间分集等方法。
1 旋翼遮挡问题
受直升机安装条件限制，卫星通信天线一般只能安装在直升机旋翼下方，尾梁或机体两侧。直升机旋翼由桨毂和安装在上面的4～6片桨叶构成。在飞行过程中，旋翼周期性的遮挡卫星信号的入射波束，造成通信信号的衰减。图1是直升机旋翼桨叶遮挡天线示意图。
图1 旋翼遮挡示意图
卫星信号的具体遮挡情况由卫星的仰角和位置以及直升机的航向、姿态等因素共同决定。直升机航向指向卫星时，天线除了会受到旋翼遮挡外，还会被桨毂遮挡，造成通信完全中断。直升机在平飞状态下，天线被旋翼遮挡的周期为前后两片桨叶依次经过天线与卫星波束连线的时间。遮挡周期由旋翼转速和桨叶数决定：
[T=1（V×N）] （1）
式中：[T]为遮挡周期，单位：s；[V]为旋翼转速，单位：r/s；[N]为浆叶数量。
遮挡时间为单片桨叶经过天线与卫星波束连线的时间。朝向卫星水平飞行时，遮挡时间由波束入射角、天线面到浆叶面距离[h、]天线安装位置到浆毂的距离[d、]旋翼宽度、天线面宽度几个参数决定。无线遮挡侧视图如图2所示。
图2 天线遮挡侧视图
[d等效=d-h×cot α] （2）
缝隙区无遮挡时间：
[τ无遮挡=T-l旋翼宽度+l天线面宽v转速×2πd等效] （3）
缝隙区全遮挡时间：
[τ全遮挡=l旋翼宽度-l天线面宽v转速×2πd等效] （4）
在实际飞行过程中，直升机的航向和姿态不断变化，遮挡情况也随之变化。文献[2]给出了不同天线仰角和航向夹角情况下的等效距离计算公式：
[d等效=λ2+d2-2dλcos β，λ=h×cot α] （5）
式中：[α]为天线仰角；[β]为卫星方位与航向的夹角。
并依据此公式给出无遮挡时间比率与天线仰角、卫星方位与航向夹角的关系，仿真结果如图3所示。
图3 无遮挡时间比率
根据仿真结果，仰角固定，卫星方位与航向夹角等于0°时，即卫星方位与航向一致时，遮挡时间最大。在低仰角条件下，卫星方位与航向夹角等于180°时，遮挡时间最小。
根据文献和实际测试数据，旋翼遮挡情况下，信号的衰减模型如图4所示。信号衰减周期为遮挡周期，信号衰减幅度约为10～15 dB。
2 克服旋翼遮挡问题的方法
克服旋翼遮挡问题的方法是采用缝隙通信技术，通过非遮挡缝隙时间内传输的数据来恢复信息。实际设计中，根据卫星通信宽窄带通信以及前返向链路的不同特点，采用不同的策略。直升机宽带卫星通信前向链路可采用组帧重发策略，返向链路可采用旋翼同步突发技术。直升机窄带卫星通信前返向链路均可采用时间分集策略。
2.1 组帧重发策略
前向链路，指从地面站发射信号经卫星转发到达直升机机载站的信息传输链路。在前向链路方向，由于地面站无法及时获取当前机载站天线遮挡情况，为了确保机载解调器能够完整的接收到一帧数据，地面调制器必须采用连续重复发送的方式，保证能在旋翼遮挡缝隙内接收到有效数据。在设计传输帧长时要保证在一个遮挡周期内至少包含两个完整的数据帧，解调端通过在接收到的数据中找到完整子帧的序号，拼接出原始的帧排列，进而完成信息的接收。地面站的组帧重发策略是影响数据传输性能和效率的关键因素。
2.1.1 前向链路帧结构设计
前向链路帧结构如图5所示，设计采用组帧重复的方式：每帧包括首发帧和重发帧，首发帧和重发帧发送同样的数据，以便接收端恢复数据。首发帧和重发帧都包含若干子帧。子帧长度不宜过长也不宜过短，过长将影响接收端数据恢复，过短将会降低传输效率。设计子帧的数据长度和每帧包含的子帧数受遮挡周期和信道速率的约束。设计一般准则是：每帧的持续时间要大于遮挡时间，小于非遮挡时间。
图5 前向链路帧结构
子帧的结构固定，由帧头、备用信息和编码后的数据三部分组成。子帧的帧头采用相关性强的PN序列作为同步码，备用信息含有首发/重发标志、子帧号等信息，编码后的数据分配到各个子帧上。
机载站解调器输出的信号中，首发帧和重发帧中的同一编号的两个子帧至少有一个没有被遮挡。分集接收采用的方式是，两个子帧都没有被遮挡时采用最大比率合并接收，有遮挡时采用选择性接收未被遮挡的子帧。
2.1.2 旋翼遮挡检测
前向链路信号的分集接收和返向链路组帧突发传输需要及时地检测旋翼遮挡缝隙。通过对地面站发送的连续载波信号接收电平和信噪比变化情况的检测，可以判断出旋翼对天线的遮挡情况。
