直升机环境下北斗信号旋翼遮挡问题研究

陈　亮，王　召

(1.深圳市远东华强导航定位有限公司石家庄分公司，河北 石家庄 050081；

2.河北远东通信系统工程有限公司，河北 石家庄 050200)

直升机环境下北斗信号旋翼遮挡问题研究

陈亮1，王召2

(1.深圳市远东华强导航定位有限公司石家庄分公司，河北 石家庄 050081；

2.河北远东通信系统工程有限公司，河北 石家庄 050200)

摘要针对北斗卫星资源少、容易受到遮挡，尤其是在直升机环境下卫星信号衰落加剧的问题，提出一种基于接收机基带信号组合增强工程技术的解决方案，对使用环境下信号分别从量化值、阈值和信噪比估计3方面建模及仿真分析，同时结合工程应用场景的实测数据对比分析，分析和验证接收机对微弱卫星信号的接收灵敏度和抗干扰性能的改进情况，试验结果表明，接收机产品达到了在金属翼直升机上的使用要求，技术方法可行有效。

关键词直升机；机载北斗设备；遮挡；信号组合增强

Research on Rotor Blockage on BDS Signal in Helicopter Environment

CHEN Liang1,WANG Zhao2

(1.ShenzhenFareastHuaqiangNavigation&PositionCO.,Ltd,ShijiazhuangHebei050081,China;

2.HebeiFar-eastCommunicationSystemEngineeringCo.,Ltd,ShijiazhuangHebei050200,China)

AbstractIn view of less BDS satellite resources,signal blockage and signal fading in helicopter environment,this paper presents a receiver baseband combination enhancement engineering technology.The modeling and simulation analysis for signals are implemented from such three aspects as quantification value,dynamic and SNR threshold value.Combining with the measured data in engineering application scene for comparative analysis,this paper analyzes and validates the improvement of receiver in receiving sensitivity and robustness for weak satellite signals.The experiment results show that the receiver can meet the requirement of using in metal wing helicopter environment,and this technology is feasible and effective.

Key wordshelicopter;airborne BDS equipment;blockage;signal combination enhancement

0引言

目前，北斗导航系统卫星资源少，比GPS定位系统对遮挡更为敏感，加之直升机旋翼在其高速运转时会对北斗导航卫星的信号产生严重的遮挡，削弱了到达机载北斗设备天线口面的卫星信号电平，从而使机载北斗设备无法正常完成定位和通信[1]。

直升机为金属旋翼，共6片，每片旋翼长约9 m，宽0.54 m，当直升机旋翼转动起来的时候，直升机机身被完全覆盖于旋翼下方。在实际试验中，当直升机旋翼转速为120转时，机载设备定位和通信成功率为80%，旋翼转速为200转时，定位和通信成功率为65%，试验结果无法满足系统的正常使用要求。

同时，机上装备有多种电子设备(如无线电发射机)，电磁环境复杂，从另一个方面对机载北斗设备接收卫星信号产生严重干扰[2]。

以上这些环境因素严重影响了机载北斗设备定位和通信的成功率，无法为系统提供持续服务[3]。为此，通过运用基带信号组合增强技术提高机载北斗设备的接收灵敏度和抗干扰能力，从而提高机载北斗设备在金属翼直升机使用环境下的定位和通信能力。

1基带信号组合增强技术

基带信号组合增强技术包含3个方面：中频信号量化值选取、动态阈值选取和信噪比估计算法。

1.1　中频信号量化值选取

机载北斗设备的基带信号处理单元接收射频模块送来的中频信号，完成量化、解扩、解调以及数据后处理等工作。在一般条件下，接收到的卫星信号电平波动范围离散度低，对于中频信号的处理采用3 bit量化，在卫星信号电平波动离散度高的情况下信号增强能力差[4]。为使设备具备较强的信号增强能力，本模块对输出的数字信号进行了二次自适应量化并剔除无效数据，使设备在衰落环境下能够正常工作，并具备一定的抗单音干扰的能力。来自射频模块的低中频信号经过ADC以及预滤波模块，变换为离散时间信号并去除了带外噪声(及干扰信号)[5]。随后，根据信号信噪比的变化以及后处理单元估计的噪声电平，本模块计算出二次量化的阈值，并根据阈值进行二次量化的处理，将信号变换为2 bit宽度，以降低后处理模块的硬件规模。同时，能够适应前端信号的动态变化并具有一定的抗单音干扰能力。信号组合增强前端原理如图1所示。

图1　信号组合增强前端原理

对应3 bit和2 bit动态量化的量化阈值与信噪比损失的仿真图形分别如图2和图3所示。

图2　3 bit损失的仿真图形

图3　2 bit损失的仿真图形

可以看到，对于2 bit情况，当采用最佳量化值时，量化损失不足0.6 dB，而带来的好处是后续信号处理的比特宽度大大降低了。另外，当采用动态量化后，接收机不会受到接收信号电平波动的影响，在将近40 dB的范围都有着良好的信号增强能力以及最小的量化损失[6]。这对于设备在直升机金属旋翼遮挡造成的卫星信号电平波动环境下的稳定工作有很大帮助。

1.2　动态阈值选取

在实际应用中，根据仿真结果的指导，采取了动态阈值设定的方法，这是因为由于输入卫星信号以及干扰信号的电平波动，若采用固定阈值，则很难兼顾高低电平动态的变化[7]。在本设计中，通过3个环节来获得对阈值的有效估计(噪声电平的估计、输入信号电平的估计以及解调后信噪比的估计)，可以获得最优的动态阈值[8]。

1.3　信噪比估计算法

设计采用了一种先进的信噪比估计算法，接收机信号处理单元配有一个信噪比估计模块，该模块用纯软件来实现。当相关器通道将卫星出站信号锁定后，信噪比估计模块就可以对该通道的归一化信噪比C/N0进行估计,估计的结果作为信号实时强度检测的依据[9]。

相关器的输出为有用信号与噪声功率的叠加，并可视为宽带信号，对其功率进行M次累加，可得

经解扩后，相关器输出的信号为窄带信号[10]，功率可表示为：

将窄带功率归一化，得到

对上式进行K次累积，得到

则信噪比估计可表示为：

信噪比估计的信号流程如图4所示。

图4　信噪比估计的信号流程

2实验结果分析

通过多个环节支撑基带信号组合增强技术，使设备获得了足够的信息，可以保证最优的动态阈值的设定，以此来保证在受旋翼遮挡卫星信号电平波动时的机载北斗设备接收灵敏度和抗干扰水平，进而保证设备定位和通信功能[11]。

机载北斗设备天线在飞机平台上的布置位置如图5所示。

图5　机载北斗设备天线布置

运用该技术前后在直升机平台上的设备工作定位和通信成功率的对比数据如表1所示。

表1　定位和通信成功率对比测试结果

在接收灵敏度和抗干扰特性提高后，对比产品定位性能，成功率由之前的65%提升至99%，能够满足载体对定位的需求，可作为组合导航的位置源；通信性能，成功率由65%提升至99%，能够满足空地通信的要求。总之，引入该工程技术后，其能够有效抵消遮挡和电磁环境对信号的衰减，产品的性能显著提升。

3结束语

运用机载北斗设备基带信号组合增强技术后设备的定位和通信成功率显著提升，能够满足直升机使用环境的要求，同时此方法只是针对信号层面进行了算法改进，在信息层面的分析可在后续试验中进一步展开，以获得更好的适应性。

参考文献

[1]OKUNO Y.Development of a New Research Helicopter MuPAL-ε[C]∥American Helicopter Society 57th Annual Forum，Washington，DC，2001：9-11.

[2]MATAYOSHI N.Measurement and Evaluation of Cliff-top Turbulence Using a Research Helicopter[C]∥30th European Rotorcraft Forum，Marseilles，France，2004：14-16.

[3]ASAKA K.A 1.5 μm All-fiber Pulsed Airborne Doppler Lidar System [C]∥International Sessions in 41st Aircraft Symposium，Nagano，Japan，2003：8-10.

[4]MASAKI S，LI Huang-bang，YOSHIYUKI F，et al.Helicopter Satellite Communication System Developed for Transmission of Disaster and Emergency Informations[C]∥21st International Communication Satellite System Conference and Exhibit，AIAA,2003：19-23.

[5]LIN Fang,MILSTEIN L B.Performance of Successive Interference Cancellation in Convolutionally Coded Multicarrier DS/CDMA Systems Communications[J].IEEE Transactions on,2001,49(12)：2 062-2 067.

[6]MASAKI S,WATARU C J.Helicopter Satellite Communication for Disaster Control Operations Ensuring Prompt Communications[J].Journal of The Institute of Electronics,Information and Communications Engineers,2006:806-810.

[7]卫星电视与多媒体编辑部.全球首个直升机卫星通信系统[J].卫星电视与多媒体，2005(5):24-25.

[8]朱越,张丽珂,侯俊林.基于D-S证据理论的协作频谱感知算法[J].无线电通信技术，2012,38(5):64-66.

[9]苟晓刚,邱金蕙,江会娟.直升机卫星通信中旋翼遮挡天线问题研究[J].无线电通信技术,2013,39(1):55-58.

[10]万坚,李明,朱中梁.卫星数字调制混合信号的自动识别[J].电讯技术,2007,47(1):71-74.

[11]张乃通，张中兆.卫星移动通信系统(第2版)[M].北京:电子工业出版社,2000.

陈亮男，(1982—)，工程师。主要研究方向：卫星导航终端产品及其应用。

王召男，(1988—)，助理工程师。主要研究方向：工程总体。

作者简介

基金项目：科技部国际合作项目(2013DFA10540)；发展基金(XX131450001)。

收稿日期：2015-05-11

中图分类号TN828.5

文献标识码A

文章编号1003-3106(2015)08-0080-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.08.22

引用格式：陈亮，王召.直升机环境下北斗信号旋翼遮挡问题研究[J].无线电工程，2015，45(8)：80-82.