基于直升机中继转发的卫星应急通信的研究

王洪良，王 萌，马树森

（1.96946部队，北京 100085；2.南京凯瑞得信息科技有限公司，江苏 南京 210012）

1 研究背景

卫星应急通信长期受限于复杂地形环境和复杂的卫星资源申请流程，卫星应急通信的反应速度和可靠性明显不足，不能有效发挥卫星应急通信能力。本文介绍了基于直升机中继平台的卫星应急通信的研究，使卫星通信终端脱离太空中的卫星而通过救援直升机进行组网或者中继通信，在卫星资源受限或地形复杂的条件下，满足相当区域内的卫星通信需求。

卫星通信系统作为一种覆盖范围广，通信容量大，广播能力和动中通能力较强的通信方式，在应急通信保障中具有重要的地位，尤其是解决偏远地区的“山中通”、“动中通”难题的关键。但是，卫星应急通信保障时刻依赖于太空中的通信卫星，而目前我国通信卫星数量少，卫星通信资源严重不足。同时，卫星通信的效果受到地形和天气的限制也比较大。本文提出的基于直升机中继平台的卫星应急通信的组网网络有两种工作模式，分别是直升机中继模式和直升机转发模式，直升机中继模式的如图1所示。

应急卫星通信中的直升机中继模式，直升机扮演卫星地面终端与卫星之间的中继器。这种工作方式有效解决了地面终端对星时所处的复杂地形对卫星的遮挡。另一种直升机转发模式则是利用直升机搭载模拟卫星转发器，在直升机信号的覆盖范围内代替太空卫星构建本地卫星通信网络的组网方案，如图2所示。

图1 应急卫星通信中的直升机中继模式

图2 应急卫星通信中的直升机转发模式

在直升机转发模式下，直升机需要配置相应的模拟转发器，模拟通信卫星的功能进行信号中继转发，地面设备无需改造，直接通过模拟转发器进行管理控制和组网通信，形成区域范围覆盖下的地面卫星通信组网应用，可有效解决卫星通信资源受限的问题。同时，直升机相对同步轨道上的卫星而言，传输距离近得多，可减小模拟转发器的功放或支持更高速率的业务传输。另外，由于信号的传输距离相比太空卫星转发距离近得多，卫星信号的时延问题会有极大的改善。

2 基于直升机中继转发的卫星通信关键技术

针对直升机中继平台应用场景，应该考虑直升机中继卫星通信的抗旋翼遮挡方法、组网应用、复杂电磁环境下的抗干扰可靠接收等进行研究，解决可适应不同旋翼类型陆航直升机的抗旋翼遮挡技术、卫星通信组网技术、抗干扰与低信噪比接收技术；而直升机转发模式关键技术在于直升机卫星模拟转发器。转发器是模拟卫星通信网络的基础，支撑模拟卫星通信网络的构建。关键技术的层次图如图3所示。

图3 基于直升机中继转发的卫星通信关键技术的层次图

基于直升机中继转发的卫星通信关键技术研究主要解决三个方面的问题：首先，工作在直升机转发模式，如果要替代卫星实现信号的转发，就必须要研究模拟卫星转发器，实现模拟卫星转发器的工作方式，采用透明转发还是处理转发可以根据实际业务的需要，同时，转发器的可控制和可配置，也是为了满足组网需要。第二，直升机转发中继卫星通信组网主要满足在两种工作模式下的组网切换，直升机中继模式主要满足地面终端绕过障碍物与卫星的中继通信，直升机转发模式主要满足在特定区域内不同地面终端的局部组网，重点实现转发器资源的管控，网络规划，以及组网应用。第三，直升机自适应抗遮挡技术的作用是实现直升机与卫星的良好通信，由于直升机旋翼的屏蔽作用，对星通信的质量需要通过抗旋翼遮挡技术来实现。

3 主要技术实现

3.1 模拟卫星转发器的技术实现

直升机载卫星模拟转发器支持对接收信号进行混频放大转发处理。其主要模块包括天线、射频接收通道、混频/滤波/放大电路、射频发射通道、功放，以及参数控制模块等。参数控制模块类似于卫星通信系统中的测控链路的功能，将模拟转发器的状态参数周期地下发，并接收地面控制系统的上载参数，对整个模拟转发器进行参数控制。模拟转发器还需要连续下发信标信号，以便地面卫星终端通过捕获信标信号调整天线方向来对准直升机，以达到最佳的信号收发方向，提升通信效果。卫星模拟转发的信号处理流程图如图4所示。

3.2 基于直升机中继转发的卫星通信组网技术实现

构建基于直升机中继转发的卫星通信组网，在直升机转发模式下，空间段采用搭载模拟转发器的直升机，同时直升机也可配备网络控制设备及业务转接设备，形成若干频段的波束，地面覆盖区域卫星终端在网络中进行业务通信。也可在地面设置控制终端，具备远程和模拟转发器进行参数上载和状态下发的功能，对模拟转发器相关参数进行远程控制和转发器设备运行状态实时监控。如图5所示。

图5 基于直升机转发的卫星通信组网示意图

而工作在直升机中继模式，则主要依赖原有卫星网络进行组网通信，直升机机载中继设备只是负责中继转发，需要解决的主要问题则是直升机机载站的入网。在直升机卫星通信网络中，主站是网络的核心，是整个网络的发起者和维护者。机载站要加入卫星通信网络，须先向主站注册登记。机载站开机后，首先搜索到主站的TDM信号载波后，向主站发送入网申请；主站对机载站的入网进行认定，认定成功，批准入网；认定不成功，禁止入网，并向机载站发送入网申请应答。机载站成功入网络后，作为网络中的一个中继节点，接受卫星通信网络控制中心的统一监控，并可申请和网内的任何一个节点进行业务通信，节点入网流程如图6所示。

图6 直升机机载站入网流程图

3.3 直升机自适应抗遮挡技术

现有常用的克服直升机旋翼遮挡的方法有以下几种：缝隙检测技术，通过非遮挡缝隙时间内传输的数据来恢复信息；前向链路采用组帧重发策略；时间分集法；纠错编译码方案。

（1）缝隙检测技术采用非线性变换FFT能量检测算法预测通信窗口，利用非线性变化去除信号调制相位信息，通过FFT变换后搜索周期峰值，确定信号能量的大小，再与调制解调器门限进行比较，确定有效的通信窗口。门限比较后，获得一个理论上确定的信号检测周期，即认为信号捕获成功，捕获成功后，转入跟踪状态，实现发送数据与旋翼旋转的精确同步。

（2）组帧重发策略主要将每帧分为首发帧和重发帧两部分，首发帧和重发帧发送内容相同的数据，方便接收端接收和验证数据。首发帧和重发帧都包含编号相同的若干子帧，子帧的长度和数量需要充分合理的设计。子帧长度过长，会增加接收端数据恢复的难度。而子帧长度过短，会降低数据传输的效率。子帧的数量多少也影响到数据恢复的难度和传输效率。通常情况下，子帧长度和数量要结合信道遮挡周期和信道速率决定。一般要求子帧长度大于信道遮挡时间而小于信道非遮挡时间。这样既不会出现连续丢帧的情况，也能保证任意子帧均能在非遮挡状态下完成发送。机载站调制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的情况下，就可以通过选择性接收来实现无遮挡发送。当两个子帧都没有被遮挡的情况下，更能最大比例的合并接收。

（3）时间分集的原理是把发送信息间隔一定时间重复发送，重复发送次数一般称为重数。时间分集的重数越高，发送效率越低。时间分集的重复发送间隔时间只要大于信道的相干时间，则各个发送的信号就可以获得独立的衰落特性，从而实现差错恢复。达到应对旋翼遮挡的目的。

（4）卫星通信的常用纠错编码主要有RS、TPC和LDPC。机载站卫星通信通常会选择LDPC码为纠错编码方案。LDPC码具有天然的交织特性，纠错性能好，复杂度低。可以降低直升机旋翼工作过程中造成的成片信号衰减，减少旋翼遮挡的影响。

4 结束语

基于直升机中继转发的卫星通信在应急通信中都有着十分重要的作用，同时解决了便携卫星通信终端在复杂环境下信号的不稳定性以及直升机本身通信手段有限性的问题，实现了应急通信的大地域、高稳定、高可靠传输，满足语音、视频、数据等多种业务的宽带传输需求。目前，基于直升机中继转发的卫星通信是实现上述需求的最优解决方案。但是还存在一些问题，比如直升机过于昂贵，通信组网成本高等，未来可以考虑用无人机等其他空中平台来替代。