直升機衛(wèi)星通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)解析

衛(wèi)星通信（簡 稱衛(wèi)通） 具有頻帶寬、容量大、性能穩(wěn)定、成本與通信距離無關(guān)等優(yōu)點，成為現(xiàn)代通信的一種重要方式。直升機衛(wèi)星通信是指直升機通過機載衛(wèi)星設(shè)備實現(xiàn)與衛(wèi)星的直接通 信，并通過衛(wèi)星的轉(zhuǎn)接與地面站進行信息的傳輸和交換。信息交換的種類有話音、數(shù)據(jù)和圖像視頻等。由于直升機本身的旋翼特點及操控特性，在設(shè)計衛(wèi)星通信系統(tǒng)時 對微波天線的尺寸和重量都有嚴(yán)格的限制和要求，天線口徑、安裝位置和功放等硬性條件確定之后，在測試通信質(zhì)量時，如果通信效果不好，試驗工程師應(yīng)該從哪些 方面進行分析，查找問題的根源。本文從直升機衛(wèi)星通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)入手，結(jié)合工程應(yīng)用把問題一一展開。通過對系統(tǒng)全面的了解，對關(guān)鍵技術(shù)的確認(rèn)，從而實 現(xiàn)對系統(tǒng)的準(zhǔn)確測試。
　　1 機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)工作原理
　　1.1 機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)
　　衛(wèi)星通信（ 簡稱衛(wèi)通） 具有頻帶寬、容量大、性能穩(wěn)定、成本與通信距離無關(guān)等優(yōu)點，成為現(xiàn)代通信的一種重要方式。機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)分為固定翼機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)和旋翼衛(wèi)星通信系統(tǒng)。
　　一個基本的衛(wèi)星通信系統(tǒng)至少包含兩個衛(wèi)通站和必要的衛(wèi)星資源。對于直升機衛(wèi)星通信系統(tǒng)，只是在信道處理時增加抗旋翼遮擋模塊。
　　衛(wèi)星通信的工作頻段很多， 有UHF、S、C、Ku 和Ka等頻段。目前，國內(nèi)的主流衛(wèi)通頻段還是Ku 頻段，Ku 頻段常用的發(fā)射頻率范圍是14.0~14.5 GHz；接收頻率范圍是12.25~12.75 GHz，帶寬均為500 MHz，也是目前機載設(shè)備普遍選用的頻段。
　　1.2 系統(tǒng)工作原理
　　衛(wèi)星通信系統(tǒng)工 作原理如圖1 所示。發(fā)送端輸入的信息經(jīng)過處理和編碼后，進入調(diào)制器對載波（中頻）進行調(diào)制；已調(diào)的中頻信號經(jīng)過上變頻器將頻率搬移至所需求的上行射頻頻率，最后經(jīng)過高 功率放大器放大后，饋送到發(fā)送天線發(fā)往衛(wèi)星。衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器對所接受的上行信號提供足夠的增益，還將上行頻率變換為下行頻率，之后衛(wèi)星發(fā)射天線將信號經(jīng)下行鏈 路送至接受地球站。
　　地球站將接受的微弱信號送入低噪聲模塊和下變頻器。低噪聲模塊前端是具有低噪聲溫度的放大器，保證接收信號的質(zhì)量。下變頻、解調(diào)器和解碼與發(fā)送端的編碼、調(diào)制和上變頻相對應(yīng)。
　　
　　圖1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)基本工作原理
　　2 關(guān)鍵技術(shù)
　　2.1 姿態(tài)角提取及坐標(biāo)變換
　　在機載衛(wèi)星通信地球站工作過程中，天線伺服控制分系統(tǒng)的作用是使天線的波束中心自動、快速、準(zhǔn)確地對準(zhǔn)衛(wèi)星，從而使通信系統(tǒng)保持正常工作。伺服控制分系統(tǒng)要完成這一任務(wù)，必須知道天線波束中心和所要對準(zhǔn)衛(wèi)星的方位角、仰角和極化角。
　　目 前，國內(nèi)典型機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)天伺系統(tǒng)是采用數(shù)字引導(dǎo)和自跟蹤功能相結(jié)合的機制，即通過捷聯(lián)慣導(dǎo)（IMU）提供的載機姿態(tài)信息解算天線指向的引導(dǎo)方式和通 過天線饋源網(wǎng)絡(luò)和接收機提供的角差信號控制天線指向目標(biāo)的自跟蹤方式。首先，根據(jù)載機定位信息和預(yù)選設(shè)定的衛(wèi)星信息，運用以下公式可以計算出大地仰角 （E）及方位角（A）。
　　
　　式中：φ1 為接收站經(jīng)度（度）；φ2 為衛(wèi)星的軌位經(jīng)度（度）;β 為接收站緯度（度）。
　　Re/（Re+H）=0.15，Re 為地球半徑（6 378 km），H 為同步衛(wèi)星距地球表面的高度（35 786 km）
　　由于繞定點轉(zhuǎn)動的兩個坐標(biāo)系之間的關(guān)系可以用方向余弦矩陣來表示，且載體坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系之間存在著姿態(tài)變化，所以，對天線穩(wěn)定系統(tǒng)來說，可以根據(jù)慣導(dǎo)提供的姿態(tài)信息（橫滾R、俯仰P 和航向H），實現(xiàn)從地理坐標(biāo)系到載機坐標(biāo)系的角度變換。