數(shù)學分析在直升機旋翼通信應用研究

1、    數(shù)學分析在直升機旋翼通信應用研究    蘇俊杰摘要：軍事通信的發(fā)展使得衛(wèi)星通信在國家管理中發(fā)揮著更加特殊的作用，動中通作為移動的通信方式吸引了業(yè)界廣泛興趣，直升機是一種特別靈活的載體平臺，但是機上動中通的使用卻成為一個難題。直升機旋翼可以實現(xiàn)靈活飛行外，同時對動中通設備的設計提出了更高的要求，本文采用數(shù)學分析工具就旋翼通信中遇到的難題進行分析，促進通信方式的改進，提高了機載動中通的使用效率。關鍵詞：動中通；旋翼；遮擋；直升機；數(shù)學分析：tn914 ：a ：1007-9416（2017）07-0083-021 引言衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)（動中通）在軍事通

2、信、新聞報道、地震救災、海上搜救等方面發(fā)揮著越來越重要的作用，并被廣泛應用。隨著國家力量的提升、科技水平的提高和人民安全保障的需要，我國迫切需要建立適合國情需要的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)1。動中通在可以移動中實現(xiàn)視頻、文件、短消息等的交互，尤其ka頻段的動中通還可以實現(xiàn)寬帶信息傳送，具有極大的商業(yè)發(fā)展?jié)摿?，因而已成為歐美國家通信發(fā)展的熱點，我國也在大力發(fā)展動中通。本文主要研究的直升機作為載體的動中通應用。2 機載動中通在運動狀態(tài)下進行通信的技術稱之為“動中通”（communications on the move）技術，該技術的核心是穩(wěn)定技術和跟蹤技術2。穩(wěn)定技術解決載體運動對信號通信的機械干擾問題，

3、跟蹤技術解決天線指向跟蹤。“動中通”主要采用包含精密機械的控制、導航應用、數(shù)據(jù)信息采集和衛(wèi)星通信處理等技術，是以機電一體化、自動控制技術為主體，多個學科有機結(jié)合的產(chǎn)物3。直升機作為載體使用“動中通”技術特別適用于特殊區(qū)域通信，比如河流、山地、峽谷、高原無人區(qū)等事件突發(fā)性強的場合。動中通在車載上和船載上應用成熟，直升機作為載體的研究進展緩慢。相比汽車和艦船，直升機旋翼使直升機在靈活移動方面具有更大優(yōu)勢，但在通信過程中旋翼會遮擋通信信號。針對上述特點，我們分析兩種方案，一種是安裝一種不受旋翼遮擋的天線來通信，另一種是通過通信方式的優(yōu)化補償來通信。第一種方案中，直升機上無遮擋的位置非常少，動中通天線

4、的口徑有很大限制。加載上述特點的天線對于現(xiàn)有大多數(shù)直升機來說，結(jié)構(gòu)變動大，存在飛行隱患，不具通裝性。第二種方案中，天線位置安裝和口徑使用相對靈活，但運動中會遮擋信號。因此，天線位置和通信方式的選擇成為直升機動中通的難點。本文考慮第二種方案，充分利用天線口徑和對通信方式進行有效選擇來提升通信能力。3 旋翼通信遮擋分析直升機通信能力強弱跟天線位置和飛行姿態(tài)相關，動中通天線選擇處于中軸線的位置上，不但能平衡直升機重心，還可平衡左右通信能力。以五片槳葉的直升機來研究，槳葉高1.7米，距旋翼中心點4.4米，天線為0.6×0.3m2的平板動中通天線，設定直升機旋翼轉(zhuǎn)速5秒/轉(zhuǎn)，選擇地球同步軌道衛(wèi)

5、星進行通信。對于遮擋，我們有如下定義，當槳葉旋轉(zhuǎn)到天線跟衛(wèi)星通信的路徑上時，遮擋就會發(fā)生，通信受到遮擋。反之，天線具備通信能力。下面選取直升機飛行過程比較經(jīng)典的幾種姿態(tài)進行分析。第一種，直升機懸停于衛(wèi)星下方，衛(wèi)星仰角為90°。通信過程中，只要有槳葉出現(xiàn)在天線上方，那么就認為信號有遮擋，遮擋面積的大小反映通信中斷概率，主旋翼旋轉(zhuǎn)是均勻的，槳葉分布均勻，通信在飛行中中斷的現(xiàn)象是周期性的。仿真結(jié)果見圖1和圖2，可以看出遮擋的周期性，且周期的長短與槳葉初轉(zhuǎn)相位角無關。第二種，直升機背向衛(wèi)星方向飛行，衛(wèi)星仰角為60°，機身中軸線與衛(wèi)星通信面夾角0°，飛機懸停。此時，旋翼的轉(zhuǎn)

6、速一定，通信仍是周期性的，旋翼轉(zhuǎn)到天線上方或斜上方時才會出現(xiàn)遮擋。背向衛(wèi)星方向飛行時，衛(wèi)星仰角逐漸減小，遮擋天線的槳葉實際位置離旋翼中心越來越遠，槳葉旋轉(zhuǎn)周期和角速度固定，線速度不同。此時，槳葉的相位角沒有因為線速度變化影響通斷比。如圖3所示。第三種，直升機朝向衛(wèi)星方向飛行，衛(wèi)星仰角為45°，機身中軸線與衛(wèi)星通信面夾角為0°，飛機懸停。通信的通斷情況仍然為周期性，考慮槳軸和旋翼對信號的遮擋是相互獨立的，槳軸對通斷比的影響是：衛(wèi)星仰角從21.1247°開始出現(xiàn)遮擋，到19.8852°時完全處于遮擋，小于19.8852°通信完全中斷。背向衛(wèi)星飛行時

7、，衛(wèi)星仰角增大，遮擋天線的槳葉實際位置離主旋翼中心越來越近，情況正好跟背向衛(wèi)星飛行時相反。圖4為仿真結(jié)果。根據(jù)本文的通斷分析，對比規(guī)律特點，采用下面的通信機制來通信。通過采用快速dsp計算出通信的窗口，在通斷比為1的時候進行發(fā)射信號，在通斷比小于0.7大于0.5時采用重發(fā)機制進行發(fā)射信號，通斷比小于0.5時不通信。地面站發(fā)射信號同樣采用重發(fā)機制，增加交互信令來驗證。對于其他的飛行方式，可以進行相應分析，本文不再詳細介紹。4 結(jié)語本文使用了數(shù)學中立體幾何的方法，通過與通信理論結(jié)合，對直升機機載動中通進行了分析，有效提高了機載通信的效率。通過這次仿真實驗，表明數(shù)學工具的使用可以更加有效的提高科研效

8、率，數(shù)學工具將在更多的衛(wèi)星通信系統(tǒng)研究中得到使用。參考文獻1魏動興.現(xiàn)代通信技術m.機械工業(yè)出版社，2014.2董挪軍.對車載“動中通”伺服控制系統(tǒng)的研究.無線電通信技術，2002，28（3）：15-17.3葉自清.船載天線自動跟蹤系統(tǒng)測控技術研究.中南林學院碩士學位論文，2003：10.4王黎明，彭浩熹，董靜媚.衛(wèi)星“動中通”業(yè)務在電信業(yè)務分類中的定位分析j.世界電信，2013，（5）：45-49.5劉新良，馮奎勝，田青，李娜.一種用于衛(wèi)星地面移動通信系統(tǒng)的相控陣天線.現(xiàn)代電子技術，2008，（17）：48-50.6杜建軍.衛(wèi)星通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理淺析j.甘肅金融，1998，（6）：52-57.7c.e.shannon.a mathematical theory of communication.usa.bell sys technical journal j.vol（27），1948：379-423.8micron c