李怡偉

智能化、無人化是當(dāng)今世界裝備發(fā)展的重要方向，無人直升機(jī)因其零傷亡、起降要求低、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用到軍、民用領(lǐng)域。在軍事應(yīng)用領(lǐng)域，無人直升機(jī)可執(zhí)行偵察警戒、通信中繼、電子對(duì)抗、目標(biāo)指示、火力支援以及戰(zhàn)勤運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)；在民用領(lǐng)域，可執(zhí)行警務(wù)巡檢、新聞攝影、海洋監(jiān)測(cè)、電網(wǎng)巡檢、農(nóng)林作業(yè)、應(yīng)急求援等任務(wù)。當(dāng)前無人直升機(jī)主要采用視距數(shù)據(jù)鏈與控制站進(jìn)行上下行數(shù)據(jù)傳輸，其通視距離受無人直升機(jī)飛行高度限制，且通信質(zhì)量受地形約束明顯，中繼機(jī)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(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，已成為無線通信的重要手段，將衛(wèi)星通信應(yīng)用于無人直升機(jī)測(cè)控通信，可充分發(fā)揮兩者優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景廣闊。

據(jù)資料報(bào)道，日本在2004年12月首次成功研制出直升機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)。經(jīng)過近20年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)均取得了不同程度的進(jìn)步，并在部分有人直升機(jī)和固定翼無人機(jī)上安裝使用，但衛(wèi)星通信系統(tǒng)在無人直升機(jī)上的應(yīng)用研究卻很少。相比于有人直升機(jī)，衛(wèi)星通信作為無人直升機(jī)超視距測(cè)控通信手段，其對(duì)傳輸速率、實(shí)時(shí)性和抗干擾能力要求更高；相比于固定翼無人機(jī)，無人直升機(jī)上的衛(wèi)星通信系統(tǒng)會(huì)受旋翼遮擋影響且安裝位置有限，對(duì)機(jī)載天線的尺寸、重量都有嚴(yán)格的限制和要求。因此衛(wèi)星通信系統(tǒng)在無人直升機(jī)測(cè)控通信中的應(yīng)用面臨諸多挑戰(zhàn)。

本文在總結(jié)國(guó)內(nèi)外直升機(jī)機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，全面梳理了無人直升機(jī)衛(wèi)星測(cè)控通信系統(tǒng)選型和裝機(jī)設(shè)計(jì)流程，參考直升機(jī)機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)裝機(jī)位置，給出了無人直升機(jī)衛(wèi)通機(jī)載站安裝建議。同時(shí)結(jié)合當(dāng)前無人直升機(jī)常用機(jī)載架構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款簡(jiǎn)潔高效、通用性強(qiáng)的衛(wèi)通機(jī)載站通信架構(gòu)，具有較好的工程指導(dǎo)意義，為無人直升機(jī)衛(wèi)星測(cè)控通信應(yīng)用提供了方向。

國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外研究現(xiàn)狀

日本和美國(guó)是開展直升機(jī)衛(wèi)星通信應(yīng)用研究最早的國(guó)家。2004年12月2日，日本信息通信研究機(jī)構(gòu)（NICT）宣布成功開發(fā)出了全球第一個(gè)“直升機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)”，能夠通過通信衛(wèi)星實(shí)時(shí)傳送災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)影像情況，其工作在Ku頻段，機(jī)身兩側(cè)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(jī)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(wù)類型，天線口徑0.4m，尺寸φ550mm×600mm，如圖2所示，業(yè)務(wù)速率前向16kpbs，返向384kbps-10Mbps，艙外設(shè)備重35kg，艙內(nèi)設(shè)備重20kg，設(shè)備功耗小于900W。

美國(guó)早期將研發(fā)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)用在阿帕奇直升機(jī)上，在機(jī)身兩側(cè)各安裝一個(gè)機(jī)載衛(wèi)通天線以保證直升機(jī)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(shè)備，并將其應(yīng)用在美國(guó)“黑鷹”直升機(jī)上，其天線安裝于“黑鷹”直升機(jī)機(jī)身與尾梁的結(jié)合部，如圖3所示。

以色列將以色列飛機(jī)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(zhǎng)弓阿帕奇”武裝直升機(jī)兩側(cè)，天線采用X/Ku波段相控陣天線，同時(shí)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(shè)備安裝位置如圖4所示。

國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

近年來，國(guó)內(nèi)一直在致力于直升機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研究，也取得了一些成果。清華大學(xué)研制的直升機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有抗旋翼遮擋的能力，并成功應(yīng)用于“神八”的返航搜救保障任務(wù)，返向鏈路有效信息速率為7.68-9.2Mbps；如圖5所示的直升機(jī)寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)已經(jīng)成功的應(yīng)用在北京奧運(yùn)安保通信保障和大興安嶺森林防火的空中監(jiān)測(cè)等任務(wù)中，該系統(tǒng)配置兩套0.8m天線和2臺(tái)大功率功放，安裝在某中型運(yùn)輸直升機(jī)上，加裝該天線后由于重量以及風(fēng)阻增大，對(duì)直升機(jī)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(cè)技術(shù)，兩臺(tái)天線依據(jù)縫隙交替工作，通信速率可達(dá)5Mbps。

2009年開始，相關(guān)部門組織國(guó)內(nèi)部分單位開展了直升機(jī)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(jī)尾梁上。系統(tǒng)搭載機(jī)型為某中型運(yùn)輸直升機(jī)，直升機(jī)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(jìn)行信號(hào)傳輸是直升機(jī)和無人直升機(jī)衛(wèi)星通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，上述直升機(jī)衛(wèi)星通信研究成果同樣適用于無人直升機(jī)。此外，針對(duì)特定無人直升機(jī)，合理地進(jìn)行衛(wèi)星通信系統(tǒng)選型和裝機(jī)設(shè)計(jì)才能充分發(fā)揮無人直升機(jī)和衛(wèi)星測(cè)控通信的雙重優(yōu)勢(shì)，這也是無人直升機(jī)衛(wèi)星測(cè)控通信推廣應(yīng)用需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。

衛(wèi)星測(cè)控通信應(yīng)用研究

系統(tǒng)組成

基于透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星的無人直升機(jī)衛(wèi)星測(cè)控通信系統(tǒng)通常由地面衛(wèi)通車和無人直升機(jī)衛(wèi)通機(jī)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(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星，通過透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)至無人直升機(jī)衛(wèi)通機(jī)載站，衛(wèi)通機(jī)載站接收無人直升機(jī)各系統(tǒng)狀態(tài)及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)送給透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星，通過透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)至地面衛(wèi)通車進(jìn)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(duì)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(jī)載站受機(jī)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(huì)被嚴(yán)格限制，衛(wèi)通機(jī)載站性能指標(biāo)設(shè)計(jì)需綜合考慮無人直升機(jī)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(duì)衛(wèi)通使用頻段等的選擇至關(guān)重要。

衛(wèi)通機(jī)載站通常包括衛(wèi)通天線組合和衛(wèi)通信道設(shè)備。衛(wèi)通天線組合主要完成衛(wèi)星信號(hào)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(shè)備具有信號(hào)調(diào)制、解調(diào)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(diào)制解調(diào)單元組成。

下面主要針對(duì)無人直升機(jī)衛(wèi)通機(jī)載站進(jìn)行選型和裝機(jī)設(shè)計(jì)流程梳理，并提出一種通用通信架構(gòu)，用于指導(dǎo)無人直升機(jī)衛(wèi)通測(cè)控通信的工程實(shí)踐。

選型和裝機(jī)設(shè)計(jì)

無人直升機(jī)衛(wèi)通機(jī)載站選型主要指對(duì)其性能指標(biāo)進(jìn)行論證設(shè)計(jì)，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(jī)平臺(tái)性能、衛(wèi)通機(jī)載站設(shè)計(jì)能力等多方面因素，使無人直升機(jī)系統(tǒng)效能最佳。無人直升機(jī)衛(wèi)通機(jī)載站裝機(jī)設(shè)計(jì)主要包括安裝設(shè)計(jì)、供電設(shè)計(jì)、通信設(shè)計(jì)、天線輻射遮擋分析、鏈路余量計(jì)算等工作。選型和裝機(jī)設(shè)計(jì)兩者關(guān)聯(lián)緊密，需經(jīng)過多輪迭代達(dá)到平衡，通用流程如下：

（1）識(shí)別需求：依據(jù)頂層要求和任務(wù)需要，分解并收集衛(wèi)通測(cè)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(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行方案初步設(shè)計(jì)，形成初步數(shù)模并評(píng)估重量、功耗；

（3）裝機(jī)協(xié)調(diào)：依據(jù)初步方案，對(duì)裝機(jī)位置、重量重心、電氣負(fù)載等進(jìn)行協(xié)調(diào)，同時(shí)對(duì)天線輻射遮擋、鏈路余量等進(jìn)行計(jì)算分析，初步評(píng)估可行性，并提出修改建議；

（4）迭代完善：依據(jù)建議，評(píng)估需求可否變更、方案能否優(yōu)化，設(shè)計(jì)新的方案再次進(jìn)行裝機(jī)協(xié)調(diào)，不斷迭代，最后形成一個(gè)切實(shí)可行的結(jié)果。

同有人直升機(jī)一樣，旋翼上方安裝衛(wèi)通機(jī)載站的難度較大，通常需要安裝在旋翼下方，因此天線面會(huì)受到旋翼的遮擋，引起信號(hào)質(zhì)量的下降，而且在飛行過程中，無人直升機(jī)的航向和姿態(tài)會(huì)發(fā)生變化，機(jī)身也可能對(duì)天線面產(chǎn)生遮擋，影響衛(wèi)星通信效率，這需要從裝機(jī)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(shù)主要包括縫隙檢測(cè)技術(shù)、分組重發(fā)技術(shù)、物理層編碼技術(shù)、噴泉編碼+物理層編碼技術(shù)等。裝機(jī)位置則需要衛(wèi)通天線盡量遠(yuǎn)離旋翼中心減小遮擋面積和時(shí)間，同時(shí)盡量布置在機(jī)身較高的位置避免機(jī)體遮擋，或者通過多個(gè)天線進(jìn)行補(bǔ)盲，但多個(gè)天線補(bǔ)盲的方式會(huì)增加重量、功耗，代價(jià)較大。此外，衛(wèi)通天線應(yīng)盡量與無人直升機(jī)采取共形設(shè)計(jì)，減少阻力。

通用通信架構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)無人直升機(jī)衛(wèi)星測(cè)控通信，無人直升機(jī)衛(wèi)通機(jī)載站需接入無人直升機(jī)機(jī)載系統(tǒng)，一方面將接收的控制指令轉(zhuǎn)發(fā)給各機(jī)載設(shè)備，另一方面收集各機(jī)載設(shè)備狀態(tài)回傳給指揮控制車，同時(shí)將無人直升機(jī)通過各個(gè)傳感器獲取的情報(bào)信息轉(zhuǎn)發(fā)給指揮控制車，因此無人直升機(jī)衛(wèi)通機(jī)載站對(duì)外通信架構(gòu)如圖7所示。

無人直升機(jī)衛(wèi)通機(jī)載站對(duì)外通信信息主要如下：

（1）導(dǎo)航設(shè)備：無人直升機(jī)衛(wèi)通機(jī)載站可以從導(dǎo)航設(shè)備獲取無人直升機(jī)姿態(tài)、位置等信息，用于引導(dǎo)無人直升機(jī)衛(wèi)通機(jī)載站中衛(wèi)星天線指向，保持衛(wèi)星天線與衛(wèi)星的實(shí)時(shí)聯(lián)通，保障鏈路穩(wěn)定和信息實(shí)時(shí)傳輸；

（2）飛行控制系統(tǒng)：無人直升機(jī)衛(wèi)通機(jī)載站可以將飛行控制相關(guān)指令發(fā)送給飛行控制系統(tǒng)，由飛行控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)至各個(gè)機(jī)載設(shè)備，如電氣系統(tǒng)、旋翼系統(tǒng)等；同時(shí)從飛行控制系統(tǒng)獲取各個(gè)機(jī)載設(shè)備工作和健康狀態(tài)；

（3）綜合任務(wù)管理系統(tǒng)：無人直升機(jī)衛(wèi)通機(jī)載站可以將任務(wù)控制相關(guān)指令發(fā)送給綜合任務(wù)管理系統(tǒng)，由綜合任務(wù)管理系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)至各個(gè)任務(wù)載荷（傳感器），如光電、雷達(dá)等；同時(shí)從綜合任務(wù)管理系統(tǒng)獲取各個(gè)任務(wù)載荷工作狀態(tài)、健康狀態(tài)、任務(wù)載荷探測(cè)信息，如光電視頻、SAR圖像、目標(biāo)數(shù)據(jù)等；

（4）地面衛(wèi)通車：無人直升機(jī)衛(wèi)通機(jī)載站通過衛(wèi)星無線轉(zhuǎn)發(fā)與地面衛(wèi)通車通信，交互傳輸控制指令、無人直升機(jī)機(jī)載設(shè)備和任務(wù)載荷工作狀態(tài)、任務(wù)載荷探測(cè)信息。

上述通信架構(gòu)以飛行控制系統(tǒng)和綜合任務(wù)管理系統(tǒng)為無人直升機(jī)的左腦和右腦，以無人直升機(jī)衛(wèi)通機(jī)載站為信息匯總和傳輸通道，簡(jiǎn)潔高效、通用性強(qiáng)。通常無人直升機(jī)測(cè)控系統(tǒng)會(huì)保留原視距通信方式，當(dāng)超出視距時(shí)采用衛(wèi)通測(cè)控通信，兩種通信方式互為補(bǔ)充、互為備份。

結(jié)論

本文在概述國(guó)內(nèi)外直升機(jī)衛(wèi)星通信研究的基礎(chǔ)上，梳理了無人直升機(jī)衛(wèi)星測(cè)控通信系統(tǒng)選型和裝機(jī)設(shè)計(jì)流程，同時(shí)結(jié)合當(dāng)前無人直升機(jī)常用機(jī)載架構(gòu)，以飛行控制系統(tǒng)和綜合任務(wù)管理系統(tǒng)為無人直升機(jī)的左腦和右腦，以無人直升機(jī)衛(wèi)通機(jī)載站為信息匯總和傳輸通道，設(shè)計(jì)了一款簡(jiǎn)潔高效、通用性強(qiáng)的衛(wèi)通機(jī)載站通信架構(gòu)，可為無人直升機(jī)衛(wèi)星測(cè)控通信工程實(shí)踐提供借鑒。