数学分析在直升机旋翼通信应用研究

苏俊杰

摘要：军事通信的发展使得卫星通信在国家管理中发挥着更加特殊的作用，动中通作为移动的通信方式吸引了业界广泛兴趣，直升机是一种特别灵活的载体平台，但是机上动中通的使用却成为一个难题。直升机旋翼可以实现灵活飞行外，同时对动中通设备的设计提出了更高的要求，本文采用数学分析工具就旋翼通信中遇到的难题进行分析，促进通信方式的改进，提高了机载动中通的使用效率。

关键词：动中通；旋翼；遮挡；直升机；数学分析

中图分类号：TN914 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）07-0083-02

1 引言

卫星移动通信系统（动中通）在军事通信、新闻报道、地震救灾、海上搜救等方面发挥着越来越重要的作用，并被广泛应用。随着国家力量的提升、科技水平的提高和人民安全保障的需要，我国迫切需要建立适合国情需要的卫星移动通信系统[1]。

动中通在可以移动中实现视频、文件、短消息等的交互，尤其Ka频段的动中通还可以实现宽带信息传送，具有极大的商业发展潜力，因而已成为欧美国家通信发展的热点，我国也在大力发展动中通。本文主要研究的直升机作为载体的动中通应用。

2 机载动中通

在运动状态下进行通信的技术称之为“动中通”（Communications on the Move）技术，该技术的核心是稳定技术和跟踪技术[2]。稳定技术解决载体运动对信号通信的机械干扰问题，跟踪技术解决天线指向跟踪。“动中通”主要采用包含精密机械的控制、导航应用、数据信息采集和卫星通信处理等技术，是以机电一体化、自动控制技术为主体，多个学科有机结合的产物[3]。

直升机作为载体使用“动中通”技术特别适用于特殊区域通信，比如河流、山地、峡谷、高原无人区等事件突发性强的场合。动中通在车载上和船载上应用成熟，直升机作为载体的研究进展缓慢。相比汽车和舰船，直升机旋翼使直升机在灵活移动方面具有更大优势，但在通信过程中旋翼會遮挡通信信号。针对上述特点，我们分析两种方案，一种是安装一种不受旋翼遮挡的天线来通信，另一种是通过通信方式的优化补偿来通信。

第一种方案中，直升机上无遮挡的位置非常少，动中通天线的口径有很大限制。加载上述特点的天线对于现有大多数直升机来说，结构变动大，存在飞行隐患，不具通装性。第二种方案中，天线位置安装和口径使用相对灵活，但运动中会遮挡信号。因此，天线位置和通信方式的选择成为直升机动中通的难点。本文考虑第二种方案，充分利用天线口径和对通信方式进行有效选择来提升通信能力。

3 旋翼通信遮挡分析

直升机通信能力强弱跟天线位置和飞行姿态相关，动中通天线选择处于中轴线的位置上，不但能平衡直升机重心，还可平衡左右通信能力。以五片桨叶的直升机来研究，桨叶高1.7米，距旋翼中心点4.4米，天线为0.6×0.3m2的平板动中通天线，设定直升机旋翼转速5秒/转，选择地球同步轨道卫星进行通信。对于遮挡，我们有如下定义，当桨叶旋转到天线跟卫星通信的路径上时，遮挡就会发生，通信受到遮挡。反之，天线具备通信能力。下面选取直升机飞行过程比较经典的几种姿态进行分析。

第一种，直升机悬停于卫星下方，卫星仰角为90°。通信过程中，只要有桨叶出现在天线上方，那么就认为信号有遮挡，遮挡面积的大小反映通信中断概率，主旋翼旋转是均匀的，桨叶分布均匀，通信在飞行中中断的现象是周期性的。仿真结果见图1和图2，可以看出遮挡的周期性，且周期的长短与桨叶初转相位角无关。

第二种，直升机背向卫星方向飞行，卫星仰角为60°，机身中轴线与卫星通信面夹角0°，飞机悬停。此时，旋翼的转速一定，通信仍是周期性的，旋翼转到天线上方或斜上方时才会出现遮挡。背向卫星方向飞行时，卫星仰角逐渐减小，遮挡天线的桨叶实际位置离旋翼中心越来越远，桨叶旋转周期和角速度固定，线速度不同。此时，桨叶的相位角没有因为线速度变化影响通断比。如图3所示。

第三种，直升机朝向卫星方向飞行，卫星仰角为45°，机身中轴线与卫星通信面夹角为0°，飞机悬停。通信的通断情况仍然为周期性，考虑桨轴和旋翼对信号的遮挡是相互独立的，桨轴对通断比的影响是：卫星仰角从21.1247°开始出现遮挡，到19.8852°时完全处于遮挡，小于19.8852°通信完全中断。背向卫星飞行时，卫星仰角增大，遮挡天线的桨叶实际位置离主旋翼中心越来越近，情况正好跟背向卫星飞行时相反。图4为仿真结果。

根据本文的通断分析，对比规律特点，采用下面的通信机制来通信。通过采用快速DSP计算出通信的窗口，在通断比为1的时候进行发射信号，在通断比小于0.7大于0.5时采用重发机制进行发射信号，通断比小于0.5时不通信。地面站发射信号同样采用重发机制，增加交互信令来验证。对于其他的飞行方式，可以进行相应分析，本文不再详细介绍。

4 结语

本文使用了数学中立体几何的方法，通过与通信理论结合，对直升机机载动中通进行了分析，有效提高了机载通信的效率。通过这次仿真实验，表明数学工具的使用可以更加有效的提高科研效率，数学工具将在更多的卫星通信系统研究中得到使用。

参考文献

[1]魏动兴.现代通信技术[M].机械工业出版社，2014.

[2]董挪军.对车载“动中通”伺服控制系统的研究.无线电通信技术，2002，28（3）：15-17.

[3]叶自清.船载天线自动跟踪系统测控技术研究.中南林学院硕士学位论文，2003：10.

[4]王黎明，彭浩熹，董静媚.卫星“动中通”业务在电信业务分类中的定位分析[J].世界电信，2013，（5）：45-49.

[5]刘新良，冯奎胜，田青，李娜.一种用于卫星地面移动通信系统的相控阵天线.现代电子技术，2008，（17）：48-50.

[6]杜建军.卫星通信系统结构及原理浅析[J].甘肃金融，1998，（6）：52-57.

[7]C.E.Shannon.A Mathematical Theory of Communication.USA.Bell Sys Technical Journal [J].Vol（27），1948：379-423.

[8]Micron Corporation. Micron Serial NOR Flash Memory[M].USA.2011.

[9]W.Richard Stevens.杨继张译.UNIX网络编程第二卷：进程间通信[M].北京：清华大学出版社，2000.endprint