基于直升机开展卫星通信解决方案的研究

汪鸿滨

1 研究背景

目前，通航直升机的通信手段往往是短波和超短波电台。在应急搜救实际应用中，其通信能力上存在两方面的不足[1]：一是通信条件的局限，二是系统带宽的局限。这两方面的局限，使得直升机在处理应急事件时的应用效能受到极大的限制。采用机载宽带卫星通信系统，通过同步卫星建立前方直升机平台与后方基地的宽带通信链路，既可以克服超短波系统通信距离受限问题，实现不受地域条件及距离限制的通信，又可实现图像、话音和数据等综合信息的宽带传输，从而可支持搜索救援过程中多维信息的获取和全程可视化指挥。直升机载卫星通信技术已成为直升机通信系统的重要发展趋势之一，有着广阔的应用前景。

2 国内外状况

日本和美国是开展直升机卫星通信应用最早的两个国家[2]。2004年，日本 NICT公司成功研发出世界上第一个直升机机载卫星通信系统，其工作频段为Ku频段，前向链路有效数据的传输速率为64 kb/s，返向采用磁传感器检测遮挡的同步突发传输方式，有效数据传输速率为384 kb/s，为提高接收可靠性，直升机身两侧需要各安装一个相控阵天线。美国早期将研发的卫星通信系统应用在阿帕奇直升机上，同样采用在机身两侧各安装一个机载卫通天线的方式保证通信链路的可靠性。到了 2009年，ViaSat公司研发出用于直升机的宽带卫星通信产品VMT1200HE，该套设备使用了Ku频段小型赋形反射面天线（EIRP=44 dBW，G/T＝11.2 dB/K），天线等舱外设备的总重量 36 kg。并将其应用在美国黑鹰直升机上，其天线安装于黑鹰直升机机身与尾梁的结合部，工作频段同样为 Ku频段，前向链路采用双重时间分集的方式发送，有效数据速率可达 5 Mb/s；返向链路采用突发传输的方式，有效数据速率为 325 kb/s，提供了IP话音和数据业务。

除了美、日两国，以色列在 AH-64D-1长弓阿帕奇武装直升机上，安装了以色列飞机工业公司的 EL/K-1891宽频卫星通信系统，如图2所示。

图1 美国黑鹰直升机卫星通信安装图

图2 以色列阿帕奇直升机卫星通信安装图

EL/ K-1891宽频卫星通信系统为一款全双工的X/Ku波段微波卫星通信网络产品，可以安装在静止或者移动的地面站、车辆、舰船和飞机上，传输率为 128 kb/s（包含语音和压缩的 JPEG视频数据），系统获得的影像可以直接传输给地面指挥所甚至编队中其他的 AH-64D直升机。

近年来，国外的多家卫星通信设备厂家继续研究直升机卫星通信系统。2015年7月，美国休斯公司研制的端到端机载卫星通信系统在 Bell407多用途直升机成功验证了实时、高清晰度视频的超视距连续传输，该卫星通信系统工作在 Ka频段，最高通信速率为8 Mb/s，使用了可调参数波形，可工作在不同平台的有人、无人直升机，其通信不受平台旋翼数量、尺寸等影响。2020年，ViaSat公司研发了V MT-1500机载通信系统，该系统可在Ka频段和Ku频段网络之间切换、漫游，飞机的出向链路速率可达100 Mb/s，回传速率可达 20 Mb/s。

图3 VMT-1500机载通信终端

而在 2008年，我国相关卫星通信系统安装在米-171直升机，工作频段为 Ku频段，通信最高速率可达5 Mb/s。该系统采用两幅 0.8 m双天线，天线安装在机身两侧，如图 4所示。系统采用的天线体积较大，重量较重，影响直升机的机动性，该系统主要应于北京奥运安保通信保障任务。

图4 我国米-171直升机卫星通信安装图

我国通航直升飞机的卫星通信之前一直受限于技术、成本等因素，一直未受到应用。但是，直升机卫星通信，特别是支持图像传输的直升机宽带卫星通信，对各种非军事行动的远程侦察、现场救援和指挥决策起到越来越大的作用。

中国卫通集团股份有限公司（以下简称中国卫通）根据用户实际需求，形成了一整套成熟、可靠、可商用的直升机卫星通信解决方案，并成功应用于森林防火领域。

3 中国卫通直升机卫星通信解决方案

卫星通信系统的通信站包括机载站和卫星主站，其中机载站主要由业务单元、专用卫星通信MODEM、射频单元和机载动中通天线等组成。卫星主站由网管系统、信道设备和业务单元组成。机载站和卫星主站之间经GEO卫星完成信号转发，实现机载站与主站之间的通信[3]。

图5 方案示意图

该通信系统采用高度一体化的设计，将高效率动中通平板天线、馈电网络、低噪放、伺服控制模块、 GPS/北斗定位模块、智能跟踪结构集成到一个天线设备中，确保在机载环境下保证天线精确指向GEO卫星。系统集成了专业级的高清编码器，采用先进的H.265编码压缩技术，大大提升了压缩比，在满帧率情况下，能够实现80 kb/s-2 Mb/s带宽传输1920*1080I/P分辨率的高清视频。系统还集成了外置功放和专用的机载调制解调器MODEM，采用FDMA通信体制，满足动态条件下机载站与主站之间连续双向业务传输，支持视频、音频、图像、数据等业务类型。

该机载卫星通信系统解决方案是由基本机载设备解决方案（包括：卫通天线、调制解调器、功放、吊舱、IP电话、编解码、降噪耳机等）、卫星资源解决方案；卫星主站解决方案，互联网或专线解决方案等一系列解决方案组成，形成了完整统一的直升机载卫星通信综合解决方案。

下面将重点介绍该解决方案的主要组成部分，包括：通信卫星、地面主站、机载站。

3.1 通信卫星

通信卫星完成信号的转发，接收各类地球站发射的信号，通过变频、放大、交换等处理后再转发到地球站。通信卫星通常可划分为有效载荷和卫星平台两大部分。有效载荷是执行通信任务的分系统，主要包括天线和转发器；卫星平台则是由保障系统组成的可支持一种或几种有效载荷的组合体。中国卫通采用的均为自主可控的中星系列通信卫星。在该方案中，选用的通信卫星为中星 6A卫星，其相关的技术参数如下：

⊙卫星平台：东方红四号。⊙卫星轨道位置：东经 125°。⊙卫星设计寿命：15年。⊙卫星总功率：7，800 W（15年末期）。⊙轨道位置保持精度：±0.05。⊙发射日期：2010年9月5日。⊙转发器数量：24个C波段、8个Ku波段单极化。⊙覆盖区域：Ku波段，大中国区。⊙高功率：Ku—150 W TWTA。⊙频段：上行：14.00 GHz-14.50 GHz。

下行：12.25 GHz-12.75 GHz⊙转发器的转换频率：1，750 MHz。⊙信标频率：12.26 GHz。

3.2 地面主站

该方案中地面主站采用 6.2米抛物面天线，其波束宽度较窄，考虑卫星漂移等因素，需要采用跟踪装置使天线实时跟踪卫星。

射频分系统由发射通道和接收通道组成。发射通道主要是将调制器输出的 L频段信号变频至卫星通信工作的射频频段，并将信号进行功率放大，放大后的信号通过天线辐射到卫星。接收通道是将天线接收的卫星转发信号进行低噪声放大，再将信号变频至 L频段并送至解调器。

图6 地面主站系统框图

调制解调分系统由若干调制解调器组成，调制器将数字化后的用户业务数据进行信道纠错编码和数字载波调制，并变换为 L频段信号；解调器完成输入 L频段信号的解调和译码，输出数字化的用户业务数据。在设备实现上一般将调制器和解调器进行一体化设计。

业务接入分系统主要实现话音、图像等模拟业务的数字化及压缩处理，数字接口协议处理、多业务接入控制等功能。实际设计时需要根据实际的使用需求进行功能的选配，并确定设备的具体形态。

供配电分系统为地面站各设备提供所需的电能，供配电分系统不但要满足设备对能耗的要求，还要进行专门的安全性设计，既要保证工作过程中设备的安全，又要保证使用操作过程中的人身安全。

管理控制分系统实现对各设备的参数配置（如发射功率、工作频率、传输带宽等）和工作状态的监视（如接收信号质量、告警信息等）。

图7 地面站调制解调分系统

表1 地面站调制解调分系统主要技术指标

图8 网管界面1

图9 网管界面2

3.3 机载站

机载站相对地面站设备安装空间受限，通常由天线与射频组合单元和通信终端等组成，其中天线与射频组合单元包括天线、伺服控制与射频通道等，通信终端包括调制解调、业务接入单元和管理单元。机载站组成如图10所示。

图10 机载站系统框图

通信终端完成话音、图像及数据业务的接入、调制解调及中频处理等功能，此外还完成与航电的管理交互及对天线控制单元管理与控制。天线与射频组合单元完成 L频段信号的变频、功率放大、天线自动跟踪等功能。天线与射频设备的伺服控制装置根据航电系统送来的直升机平台的位置和姿态信息，引导天线对卫星进行初始捕获，然后再根据接收信号的质量进行实时跟踪调整。天线组合单元接收的卫星信号经位于天线座架上的 LNB进行低噪声放大和变频，将射频信号变为 L频段信号后经由低损耗线缆送入通信终端进行解调。通信终端根据工作模式选择相应的解调模式和译码方式，并将解调后的基带数字信号送业务处理模块，恢复为模拟话音或 IP数据。话音业务首先进行 A/D变换，将模拟话音转换为PCM数字话音，在根据工作模式选择相应的压缩编码方式进行压缩编码。压缩后的话音数据送给接入控制进行成帧处理。数据业务经过数据处理模块，提取有效数据报文，并按照各体制数据链路帧格式进行组帧。对于处理后的话音数据和 IP数据分别按照传输帧格式进行打包处理，组帧后的复合数据流在经过编码和调制处理后转为基带数据流，通信终端再将基带数据信号变为 L频段信号送往机载功放。机载功放单元将该 L频段信号做变频及功率放大，通过天线旋转关节送入天线辐射出去。

该方案充分考虑了机载站的安装空间限制，将标准1U的调制解调系统改造集成为 1个小模块，而且该模块集成了 BUC/LNB供电和供 10 MHz参考的选件，参考源可选择 Modem内部参考或外部参考，直接通过 Tx馈线给 BUC供电和供 10 MHz参考，同时通过 Rx馈线给LNB供电和供 10 MHz参考，大大简化了结构，增加了可靠性，节约了机舱内部空间。同时由于调制解调系统采取 4倍扩频模式，在同等传输速率的情况下，有效降低了发射信号的功率谱密度要求，降低了机载站对于天线口径的要求，在本方案中采用了等效 0.27 m抛物面口径的平板天线。

图11 机载调制解调器

图12 0.27米机载天线

图13 机载站的应用模式

3.4 实际应用案例

2019年2 月，云南省大理州发生了两起森林火灾事件，火灾发生时，中国卫通与合作伙伴合作研发的森林防火预警直升机前往现场，将现场高清画面实时回传至指挥中心，为消防指挥及灾情处置提供了重要保障。该套直升飞机卫星通信系统安装在预警直升机驾驶舱左上部，采用白色透波材料防雷电天线罩。

图14 森林防火预警通航直升机卫星通信安装图

2019年3 月山西沁源森林大火中，EC130森林防火侦查直升机，携带中国卫通提供的直升机机载卫通设备升空进行灾情侦查。为中国应急管理部的指挥调度提供现场高清实时视频画面支持，得到应急管理部领导的高度肯定。

图15 EC130森林防火侦查直升机卫星通信安装图

图16 其他机型卫星通信安装图

除上述案例外，中国卫通还与多家直升机公司及政府部门合作，为多架直升机加装了卫星通信系统。

4 方案关键技术

由于卫星通信频段高、波束窄，电波传播方式是直射波，要求在无遮挡的条件下通信，而受直升机安装条件限制，卫星通信天线只能安装在直升机旋翼下方。因此，要实现通信就必须解决旋翼对无线电波的遮挡问题，在旋翼的缝隙中实现信息发送与接收。可见，克服直升机旋翼影响实现正常通信的技术是直升机载卫星通信系统的核心技术，该技术被通俗地称为缝隙通信技术。

缝隙通信的关键技术集中于调制解调器中，由于系统双向链路的信息传送方式截然不同，因而机载站和地面主站的调制解调器的实现技术也不相同。根据系统原理描述，直升机载宽带卫星通信系统专用调制解调器需要重点突破与周期间断式信息接收、周期突发式信息发送以及旋翼缝隙检测等相关的关键技术。此外，要达到系统实用化，还必须解决低轮廓天线及天线稳定跟踪等相关技术问题。其中下面就具体的缝隙通信技术包括时间重发分集技术和基于信号功率的缝隙检测技术，以及低轮廓天线进行详细讨论。

4.1 时间重发分集技术

地面主站的前向链路一般传输调度指令、系统信令数据，对可靠性要求较高，同时数据传输速率较低。但由于旋翼遮挡导致遥控指令无法正确解调，降低了前向链路的可靠性。为了解决这一难题，确保机载卫通调制解调器能够收到完整的数据，针对前向链路数据速率较低的特点，采用重发时间分集技术。

同时，为了避免因遮挡而出现丢帧的情况，前向链路物理帧帧长的设计相当重要，其中以每个原始帧为单位进行复制得到复制帧，由这两个小帧共同组成一个大帧，小帧帧长设计时保证一帧的长度大于遮挡时间，同时大帧长度小于遮挡周期，这样不会出现数据丢失的情况，如图17所示，灰色部分即为遮挡时间。从图中可以看出，只要接收端接收到原始帧和复制帧，都可以通过接收端合并来获得完整数据[4]。

前向链路帧结构设计采用组帧重复的方式，即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，子帧长度不易过长也不宜过短，过长将影响接收端数据恢复，过短将会降低传输效率。子帧的数据长度和每帧包含的子帧数设计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[5]。

图17 前向链路物理帧帧结构示意图

图18 时间重发分集技术原理图

4.2 基于信号功率的缝隙检测技术

通过对地面主站发送的连续载波信号接收电平和信噪比变化的监测，可以判断出桨叶对天线的遮挡情况。在工程实际使用时，要求相应的检测算法有较强适应性，能够适应桨叶旋转速率的变化。缝隙检测算法一般采用能量和信噪比估计的方式。机载解调器对接收信号能量和信噪比做一定时长的估计并做适当的滑动平均，从中找出最大值，作为比较的参考基准，通过监控设置发送门限，如果当前统计的信号电平功率值大于门限，则将发送使能信号置为高电平，允许发送一次突发载波[6]。

从图19中可以看到，旋翼遮挡会导致信号功率明显降低，而在无遮挡的时候，信号功率检测结果恢复正常，这与理论分析的结论一致，只是由于噪声信号的影响使得无遮挡时测量出来的信号功率值存在小幅波动，但测量结果也明显高于遮挡时测得的信号功率，因此可以通过此方法确定遮挡区间[7]。

图19 基于信号功率测量的缝隙检测结果

4.3 低轮廓天线技术

为了保障飞机的飞行安全，在保证系统要求的天线性能指标的前提下，本方案所用的天线尽可能采用低轮廓天线技术，减小天线的体积，使天线的安装对飞机气动特性的影响减至最小。具体是采用了以下几方面的措施：在选择系统频段时，选择 Ku高频段，在相同增益下，高频段的天线口径更小；在选择天线形式时，为平板天线，有效降低了天线轮廓；在系统结构设计时，采用一体化结构设计，将功放、低噪声放大器、伺服稳定控制设备及跟踪设备全部安装在天线座架上，以有效减少系统损耗，缩小天线罩内设备体积。天线罩形状设计根据安装位置进行气动特性分析，符合气动特性要求。

表2 天线主要性能参数

图20 天线设计图

5 结束语

随着我国直升机产业迅猛发展，对于直升机远距离宽带数据传输提出了更高的要求，直升机卫星通信系统可以有效解决远距离高带宽的数据传输问题，市场前景光明。中国卫通针对这一市场需求，提出了使用 Ku频段GEO卫星作为传输平台的直升机卫星通信解决方案。该解决方案在解决旋翼遮挡问题的基础上，具有机载终端尺寸小、便于安装、传输速率高、抗干扰能力强等显著特点。尤其在机载设备性能提升方面，中国卫通针对在机载设备实际工作环境提出了优化建议，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，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。目前，中国卫通的直升机卫星通信解决方案已在森防防火领域得到了实际应用，证明解决方案可行性，将来可以将该解决方案推广到更多的行业当中。