浅谈卫星通信系统在无人直升机上的应用

吴开春，马敬志，宫元

（南京模拟技术研究所，江苏 南京 210016）

进入21世纪以来，无人直升机产业得到了迅猛发展，固定翼无人机、多旋翼无人机被广泛应用到军、民用等多个领域。现有无人直升机主要依靠数据链将传感器采集到的图像、数据及控制信息下传到地面站，但在实际使用过程中受地形约束比较大，一旦双方的通信受到山丘、树木、房屋等遮挡，通信信号减弱或中断，目前解决无人直升机数据传输比较好的办法是在无人机上加装卫星通信系统。

卫星通信传输方式与其他无通信方式相比，具有不受地理位置限制，覆盖面广、频带宽、机动灵活等优点，因此，特别适合无人直升机的多种任务需求。

1 卫星通信系统应用的现状

卫星通信在直升机上应用最早的国家是美国和日本，日本在2004年成功研制出世界上第一个直升机卫星通信系统，为确保卫星接收的可靠性，在直升机机身的两侧同时安装1个相控阵天线。美国在阿帕奇直升机上应用了卫星通信系统，与日本一样在机身两侧各安装了1个机载卫通天线，提高了通信链路的可靠性。

作为最大的无人机RQ-4A/B“全球鹰”装有L-3通信公司的综合通信系统，其中包含有Ku波段卫星通信系统，该通信系统包括1个直径1.2m，具有自动捕获能力的3轴可操作抛物面原盘天线、大功率放大器、高压电源和卫星通信无线电频率放大器。这些设备分别安装在无人机前航空电子舱的左侧，而其圆盘天线则装在平台机头上部天线罩内，如图1所示。

图1 RQ-4A/B“全球鹰”无人机

美国通用原子公司生产的“捕食者”无人机也采用Ku波段卫星通信系统，机上装有直径75厘米三轴可操作抛物面原盘天线，加上1个信号处理器调制解调器组件，其天线安装在无人机鼓包形机头的中间，信号处理器调制解调器组件装在右后侧，如图2所示。

以色列研制的“苍鹰”系列无人机，每种都有鼓包形机头，用来安装EL/K-1891全双工X和Ku波段卫星通信天线，卫星通信天线可以是25厘米×10厘米的平面天线或直径80厘米的圆盘式天线，两者都安装在1个双轴稳定的支架上，如图3所示。

图2 “捕食者”无人机

图3 以色列“苍鹰”无人机

近年来，我国在直升机卫星通信领域也取得了多项成果，由清华大学研制的卫星通信系统，成功应用于“神八”的返航任务；中电54所优化了控制策略，将地面端接收信噪比反馈给机载端，便于实时调整“通信窗口”。

2 某无人直升机的应用现状

某研究所为保证在全天候条件下的语音、数据通信，提高了无人直升机在复杂气象和地形条件下的数据通信保障能力，开创了国内在无人直升机上使用卫星通信的先河。该系统具有传输效率高、重量轻、频偏捕获能力强、抗旋翼遮挡能力高、解调门限低、可用率与通信速率高等特点。

该系统由机载卫星通信子系统（机载站）和车载卫星通信子系统（车载站）组成，预留增加地面站卫星通信子系统（地面站）及网络管理系统接口。

抗旋翼遮挡能力强。由于无人直升机平台安装位置的有限，只能安装在旋翼下方，天线面便会受到直升机旋翼的遮挡，从而引起信号质量的下降，严重的将导致信号的中断。同时由于在飞行过程中，直升机的航向和姿态会发生变化，这些都会对卫星通信产生影响，进而影响通信效率。因此，亟需对卫星通信天线波束受机身固定遮挡问题进行分析和解决，完成对卫星通信系统的优化设计。

图5 旋翼遮挡信号检测图

图5是在试验中实际测得的旋翼遮挡信号波形。从图中可以看到，信号受旋翼遮挡影响信号功率会明显下降，通过合理计算遮挡区间，利用未遮挡缝隙动态传输最大信息，是提高系统性能的关键。

机载动中通天线小型化。受体积、重量等限制，机载动中通天线的增益一般较低，发射功率也受到限制，无人机在运动过程中实现宽带卫星通信，就对天线提出了更高的要求。机载动中通天线的关键技术是使用的天线口径小，实现较大的传输信息速率。传统反射面天线剖面高，体积大，风阻大且机动性差；而相控阵天线成本高，被无人直升机普遍应用困难，故这两种天线均不是最佳选择。项目团队研发成功的Ku波段平板阵列动中通天线，其口径为300mm，结构紧凑、剖面低、伺服跟踪稳定可靠、满足无人直升机对机载动中通天线的使用需求，如图6所示。

图6

机载动中通天线跟踪技术稳定。机载动中天线采用了两轴稳定三轴跟踪系统，利用高精度方位齿轮，俯仰同步带传动结构和精密导电滑环使得方位轴可实现连续旋转；利用高精度惯导技术、北斗卫星定位技术、北斗和INS融合技术及信标信号跟踪技术实现了两轴精确控制，保证天线在载体的各种运动状态下始终稳定跟踪对准卫星，完成高质量的通信。

3 未来发展方向

由于无人直升机用于安装机载动中通天线的位置非常有限，对机载天线的尺寸和重量都有严格的限制和要求，同时无人直升机上的任务设备对数据传输要求是数据量大、实时性高。为满足这一需求，一方面提高天线增益，提高天线面的等效口径，天线带宽进行扩展；另一方面，降低共形天线的成本，实现机身与天线共形，将天线做成飞机蒙皮的一部分，改善天线结构、材料类型，降低重量，减轻无人直升机任务承载能力。