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直升机卫星通信系统关键技术解析
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2017-11-09
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卫星通信（简 称卫通） 具有频带宽、容量大、性能稳定、成本与通信距离无关等优点，成为现代通信的一种重要方式。直升机卫星通信是指直升机通过机载卫星设备实现与卫星的直接通 信，并通过卫星的转接与地面站进行信息的传输和交换。信息交换的种类有话音、数据和图像视频等。由于直升机本身的旋翼特点及操控特性，在设计卫星通信系统时 对微波天线的尺寸和重量都有严格的限制和要求，天线口径、安装位置和功放等硬性条件确定之后，在测试通信质量时，如果通信效果不好，试验工程师应该从哪些 方面进行分析，查找问题的根源。本文从直升机卫星通信系统的关键技术入手，结合工程应用把问题一一展开。通过对系统全面的了解，对关键技术的确认，从而实 现对系统的准确测试。
1 机载卫星通信系统工作原理
1.1 机载卫星通信系统
卫星通信（ 简称卫通） 具有频带宽、容量大、性能稳定、成本与通信距离无关等优点，成为现代通信的一种重要方式。机载卫星通信系统分为固定翼机载卫星通信系统和旋翼卫星通信系统。
一个基本的卫星通信系统至少包含两个卫通站和必要的卫星资源。对于直升机卫星通信系统，只是在信道处理时增加抗旋翼遮挡模块。
卫星通信的工作频段很多， 有UHF、S、C、Ku 和Ka等频段。目前，国内的主流卫通频段还是Ku 频段，Ku 频段常用的发射频率范围是14.0~14.5 GHz；接收频率范围是12.25~12.75 GHz，带宽均为500 MHz，也是目前机载设备普遍选用的频段。
1.2 系统工作原理
卫星通信系统工 作原理如图1 所示。发送端输入的信息经过处理和编码后，进入调制器对载波（中频）进行调制；已调的中频信号经过上变频器将频率搬移至所需求的上行射频频率，最后经过高 功率放大器放大后，馈送到发送天线发往卫星。卫星转发器对所接受的上行信号提供足够的增益，还将上行频率变换为下行频率，之后卫星发射天线将信号经下行链 路送至接受地球站。
地球站将接受的微弱信号送入低噪声模块和下变频器。低噪声模块前端是具有低噪声温度的放大器，保证接收信号的质量。下变频、解调器和解码与发送端的编码、调制和上变频相对应。
图1 卫星通信系统基本工作原理
2 关键技术
2.1 姿态角提取及坐标变换
在机载卫星通信地球站工作过程中，天线伺服控制分系统的作用是使天线的波束中心自动、快速、准确地对准卫星，从而使通信系统保持正常工作。伺服控制分系统要完成这一任务，必须知道天线波束中心和所要对准卫星的方位角、仰角和极化角。
目 前，国内典型机载卫星通信系统天伺系统是采用数字引导和自跟踪功能相结合的机制，即通过捷联惯导（IMU）提供的载机姿态信息解算天线指向的引导方式和通 过天线馈源网络和接收机提供的角差信号控制天线指向目标的自跟踪方式。首先，根据载机定位信息和预选设定的卫星信息，运用以下公式可以计算出大地仰角 （E）及方位角（A）。
式中：φ1 为接收站经度（度）；φ2 为卫星的轨位经度（度）;β 为接收站纬度（度）。
Re/（Re+H）=0.15，Re 为地球半径（6 378 km），H 为同步卫星距地球表面的高度（35 786 km）
由于绕定点转动的两个坐标系之间的关系可以用方向余弦矩阵来表示，且载体坐标系与地理坐标系之间存在着姿态变化，所以，对天线稳定系统来说，可以根据惯导提供的姿态信息（横滚R、俯仰P 和航向H），实现从地理坐标系到载机坐标系的角度变换。
1 机载卫星通信系统工作原理
1.1 机载卫星通信系统
卫星通信（ 简称卫通） 具有频带宽、容量大、性能稳定、成本与通信距离无关等优点，成为现代通信的一种重要方式。机载卫星通信系统分为固定翼机载卫星通信系统和旋翼卫星通信系统。
一个基本的卫星通信系统至少包含两个卫通站和必要的卫星资源。对于直升机卫星通信系统，只是在信道处理时增加抗旋翼遮挡模块。
卫星通信的工作频段很多， 有UHF、S、C、Ku 和Ka等频段。目前，国内的主流卫通频段还是Ku 频段，Ku 频段常用的发射频率范围是14.0~14.5 GHz；接收频率范围是12.25~12.75 GHz，带宽均为500 MHz，也是目前机载设备普遍选用的频段。
1.2 系统工作原理
卫星通信系统工 作原理如图1 所示。发送端输入的信息经过处理和编码后，进入调制器对载波（中频）进行调制；已调的中频信号经过上变频器将频率搬移至所需求的上行射频频率，最后经过高 功率放大器放大后，馈送到发送天线发往卫星。卫星转发器对所接受的上行信号提供足够的增益，还将上行频率变换为下行频率，之后卫星发射天线将信号经下行链 路送至接受地球站。
地球站将接受的微弱信号送入低噪声模块和下变频器。低噪声模块前端是具有低噪声温度的放大器，保证接收信号的质量。下变频、解调器和解码与发送端的编码、调制和上变频相对应。
图1 卫星通信系统基本工作原理
2 关键技术
2.1 姿态角提取及坐标变换
在机载卫星通信地球站工作过程中，天线伺服控制分系统的作用是使天线的波束中心自动、快速、准确地对准卫星，从而使通信系统保持正常工作。伺服控制分系统要完成这一任务，必须知道天线波束中心和所要对准卫星的方位角、仰角和极化角。
目 前，国内典型机载卫星通信系统天伺系统是采用数字引导和自跟踪功能相结合的机制，即通过捷联惯导（IMU）提供的载机姿态信息解算天线指向的引导方式和通 过天线馈源网络和接收机提供的角差信号控制天线指向目标的自跟踪方式。首先，根据载机定位信息和预选设定的卫星信息，运用以下公式可以计算出大地仰角 （E）及方位角（A）。
式中：φ1 为接收站经度（度）；φ2 为卫星的轨位经度（度）;β 为接收站纬度（度）。
Re/（Re+H）=0.15，Re 为地球半径（6 378 km），H 为同步卫星距地球表面的高度（35 786 km）
由于绕定点转动的两个坐标系之间的关系可以用方向余弦矩阵来表示，且载体坐标系与地理坐标系之间存在着姿态变化，所以，对天线稳定系统来说，可以根据惯导提供的姿态信息（横滚R、俯仰P 和航向H），实现从地理坐标系到载机坐标系的角度变换。
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