CN106597385A - 直升机载雷达数据链一体化综合射频设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直升机载雷达数据链一体化综合射频设计方法，数据链与雷达共用天线以及射频前端，可在直升机平台与地面控制站间建立定向数据传输链路，用于SAR图像传输，信息交互，航路规划及指令制导。

Description

直升机载雷达数据链一体化综合射频设计方法

技术领域

直升机载雷达数据链一体化综合射频系统是一种雷达通信一体化设计，数据链与雷达共用天线以及射频前端，可在直升机平台与地面控制站间建立定向数据传输链路，用于SAR图像传输，信息交互，航路规划及指令制导。

背景技术

目前，直升机上的通信功能主要依靠通信电台来实现，由于通信电台的传输速率慢，因此无法实现大信息量传送。直升机平台不能及时将战场态势及编队协同信息等内容回传送给指挥站，这就使得决策者无法实时获取由直升机传感设备探测到的战场综合信息，导致直升机的目标打击能力和战场生存能力将大大降低。如果能将直升机的雷达与数据链进行综合一体化设计，利用雷达的高发射功率以及高灵敏度的接收机可大大增加通信距离；雷达的大带宽为高数据率速传输提供了必要的条件；同时，雷达天线的强方向性为通信信号的保密性提供了有力的保证，并且大大增强了通信信号的抗干扰能力。通过使雷达数据链一体化综合射频系统共用天线及射频收发系统，实现了直升机平台与指挥站远距离大数据率的隐蔽通信，并大大减小了集成设备的体积提高了整体装备的利用率。

发明内容

要解决的技术问题

对于直升机战场侦察/火控雷达而言，其扫描策略往往是固定的，即对感兴趣的区域或目标进行周期扫描，一般采用固定的波束收发策略且采用定向天线。而对于地面指挥站与直升机间的数据链而言，通信内容随着战场形势及情报的紧迫性而实时变化，因此数据包的大小及发送周期实时改变且一般采用全向天线。

为使直升机载雷达数据链一体化综合射频系统能分时实现雷达及数据链功能，必须设计一种兼容于雷达及数据链的整体时序关系及定向天线波束对准方法。由于数据链复用雷达的天线和射频前端，因此进行数据链的设计时应依据雷达的天线和射频前端进行兼容设计。

技术方案

一种直升机载雷达数据链一体化综合射频设计方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：依据雷达天线和射频前端指标及数据率与通信距离的要求进行链路预算确定信号及信道编码方式：

根据式1.1计算接收机灵敏度P_rmin：

其中，P_T为发射机功率，G_R、G_T为收发天线增益，λ为电磁波波长，L为系统损耗，R为要求的通信距离；

根据式1.2选择信号及信道编码方式

E_b/N₀＝P_rmin+114-NF-10logR_b (1.2)

其中，NF为接收机噪声系数，R_b为数据链的比特率，单位为Mbps，由求得的E_b/N₀通过查误码表选择波形；E_b为比特能量，N₀为噪声功率谱密度；

步骤2：直升机与地面站进行通信“握手”，并根据地面站的指示进行时间对准及当前通信周期确立：

2a)直升机端采用步骤1的波形发送数据链建立请求，并等待地面站回复；

2b)直升机端发送数据链建立请求后的T_max时段内，若收到地面站的回复则执行步骤2c)，否则再次转入步骤2a)；

2c)直升机端通过收到的由地面站发来的握手报文来确认由地面站指明的当前数据链交互周期T_round；

2d)自第一次握手以后，直升机和地面站开始正常数据交互；通信顺序为：首先由地面站发送本站的运动状态信息及上行数据，并指定交互周期T_round及直升机允许发送的最长数据包长PAC_MAX；直升机收到地面站的上传信息后，开始下发数据给地面站，若数据包时长大于PAC_MAX或需要延长占用信道下发数据，则需在本数据包包尾添加延长占用时隙请示，得到地面站回复同意其延长占用信道后方可继续发送信息；延长数据包发送完成后，由地面站再次指定当前交互周期T_round及直升机允许发送的最长数据包长PAC_MAX；

若直升机在预定时隙内没有收到地面战的信息，需以T_round为周期监听地面站发送信息直至通信恢复；若经过M个周期后，直升机仍没有收到地面站的信息，则需要重新进行数据链建立请求即转入步骤2a)；

步骤3：根据当前通信周期信息确立雷达数据链复合时序：

比较每个周期能够安排的波位数M＝floor(T_radar/T_cpi)与雷达一次全方位扫描的总波位数N的大小，若M<N，则在T_radar时隙内无法进行全波位的扫描，而需要在下一个T_radar到来时补充上次没有扫描完的波位；其中，T_radar为雷达时隙，T_cpi为波位驻留时间，floor为向下取整符号；

步骤4：数据链通信时隙，直升机平台根据惯导及GPS信息进行波束对准，实现直升机平台和地面站的有效通信：

4a)通过GPS及惯导设备获取直升机的坐标信息：经度L_r、纬度B_r、高度H_r和载机的姿态信息：横滚角α、纵摇角β、偏航角γ；并通过直升机与地面站的握手信息获取地面站的当前的坐标信息。

4b)将直升机及地面站的经度、纬度、高度信息转换为直角坐标信息，转换公式如下：

式1.4中，N为卯酉圈曲率半径，e为第一偏心率，a＝6378137m，b＝6356752m；B为纬度，L为经度；

求出直升机和地面站的直角坐标位置后，可根据式1.5计算地面站相对于直升机平台的NED坐标位置：

式1.5中，ΔX、ΔY、ΔZ分别为载机直角坐标减去地面站直角坐标的数值，X_rt、Y_rt、Z_rt分别为地面站相对于直升机平台NED坐标下的位置；此时还需要引入惯导信息计算地面站相对于机身坐标的相对位置：

(X,Y,Z)^T＝C(X_rt,Y_rt,Z_rt)^T (1.7)

由式1.6可构造转换矩阵C，通过式1.7可计算出地面站相对于机身坐标的相对位置；

最后通过式1.8可计算出，地面站相对于载机的距离R、方位角θ和俯仰角即可将直升机平台的波束对准地面站。

有益效果

本发明提出的一种直升机载雷达数据链一体化综合射频设计方法，能分时实现雷达及数据链功能。

附图说明

图1为雷达和数据链的复合时序图。

图2a和图2b分别为Tlink时段和Tradar时段内数据链功能与雷达功能的子时序图。

图3a和图3b分别为WGS-84坐标系下地面站和直升机的位置关系及载机坐标系下地面站和直升机的位置关系。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明包括雷达及数据链的整体时序关系设计，定向天线波束对准方法两个方面，主要包含如下步骤：

(1)依据雷达天线和射频前端指标及数据率与通信距离的要求进行链路预算确定信号及信道编码方式；

(2)直升机平台与指挥站进行通信“握手”，并根据指挥站的指示进行时间对准及当前通信周期确立；

(3)根据当前通信周期信息确立雷达数据链复合时序；

(4)数据链通信时隙，直升机平台根据惯导及GPS信息进行波束对准，实现直升机平台和指挥站的有效通信。

下面分别对各步骤进行具体描述：

步骤(1)

根据式1.1确定接收机灵敏度

式1.1中，P_T为发射机功率，G_R、G_T为收发天线增益，λ为电磁波波长，L为系统损耗，R为要求的通信距离。通过计算求得到达雷达天线口面的信号功率P_rmin。

根据式1.2选择信号及信道编码方式

E_b/N₀＝P_rmin+114-NF-10logR_b (1.2)

式1.2中，P_rmin为由式1.1计算得的接收机灵敏度，NF为接收机噪声系数，R_b为数据链的比特率单位为Mbps，则可求得E_b/N₀并通过查误码表选择合适的波形。E_b为比特能量，N₀为噪声功率谱密度。

步骤(2)

由直升机与地面指挥站组成的数据链其通信特点是：直升机平台为高速运动平台而地面指挥站为固定建筑或缓慢移动车辆。为实现直升机平台与地面站的通信握手，在数据链建立前首先将地面站的初始位置通过手动加载或电台短报文发送的方式装定在数据链调用的缓存内。数据链功能起始时进行通信握手，握手步骤如下：

①直升机端采用步骤1的波形发送数据链建立请求，并等待地面站回复；

②直升机端发送数据链建立请求后的T_max时段内，若收到地面端的回复则执行步骤③，否则再次转入步骤①；

③直升机端通过收到的由地面站发来的握手报文来确认由地面站指明的当前数据链交互周期T_round。

④自第一次握手以后，直升机和地面站开始正常数据交互。通信顺序为：首先由地面站发送本站的运动状态信息及上行数据，并指定交互周期T_round及直升机允许发送的最长数据包长PAC_MAX。直升机收到地面站的上传信息后，开始下发数据给地面站，若数据包时长大于PAC_MAX或需要延长占用信道下发数据，则需在本数据包包尾添加延长占用时隙请示，得到地面站回复同意其延长占用信道后方可继续发送信息。延长数据包发送完成后，由地面站再次指定当前交互周期T_round及直升机允许发送的最长数据包长PAC_MAX。

若直升机在预定时隙内没有收到地面站的信息，可能是由于地面站增加了与其它平台的数据链通信业务而推迟与本机的通信业务，也可能地面站大范围机动后丢失或损毁。因此若直升机在预定时隙内没有收到地面战的信息，需以T_round为周期监听地面站发送信息直至通信恢复；若经过M个周期后，直升机仍没有收到地面站的信息，则需要重新进行数据链建立请求即转入步骤①。

步骤(3)

直升机载雷达数据链一体化综合射频在完成本轮数据交互后，即可进行雷达探测工作，即T_round被分为数据链时隙T_link和雷达时隙T_radar。由于雷达波束的扫描一般是连续的且每个波位的驻留时间是恒定的，因此对于雷达系统而言，数据链业务会打断其工作时序。为了使得雷达业务和数据链业务彼此兼容，需要设计时间上互补的时序关系来调动射频前端。

图1给出雷达和数据链的复合时序图，图中N为雷达一次全方位扫描的总波位数。由于每个周期T_round和T_link并不固定，因此T_radar也不固定，即每个周期内被安排的雷达波位数并不固定。每个周期能够安排的波位数M为：

M＝floor(T_radar/T_cpi) (1.3)

式1.3中，T_cpi为波位驻留时间，floor为向下取整符号。若M<N，则在T_radar时隙内无法进行全波位的扫描，而需要在下一个T_radar到来时补充上次没有扫描完的波位。

步骤(4)

每个周期T_round起始时，需要将天线波束对准地面站。由于直升机平台和地面站存在相互运动关系，因此在每次通信起始时直升机平台要将天线波束对准地面站。对准天线的过程如下：

①通过GPS及惯导设备获取直升机的坐标信息：经度L_r、纬度B_r、高度H_r及载机的姿态信息：横滚角α，纵摇角β，偏航角γ。并通过地面站上一周期发来的指挥站运动及坐标信息计算地面站当前的坐标信息。

②将直升机及地面站的经度、纬度、高度信息转换为直角坐标信息，并计算地面站相对于直升机平台的角度位置，转换公式如下：

式1.4中，N为卯酉圈曲率半径，e为第一偏心率，a＝6378137m，b＝6356752m。求出直升机和地面站的直角坐标位置后，可根据式1.5计算地面站相对于直升机平台的NED坐标位置。

式1.5中，ΔX、ΔY、ΔZ分别为载机直角坐标减去地面站直角坐标的数值，X_rt、Y_rt、Z_rt分别为地面站相对于直升机平台NED坐标下的位置。此时还需要引入惯导信息计算地面站相对于机身坐标的相对位置。

(X,Y,Z)^T＝C(X_rt,Y_rt,Z_rt)^T (1.7)

由式1.6可构造转换矩阵C，通过式1.7可计算出地面站相对于机身坐标的相对位置。

最后通过式1.8可计算出，地面站相对于载机的距离R，方位角θ，俯仰角即可将直升机平台的波束对准地面站。

若某个应用背景下，雷达数据链复合前端的发射峰值功率P_T＝60w，天线增益G_T＝20dB，波长λ＝8mm。地面指挥站的天线增益G_R＝3dB，系统损耗L＝6dB，要求的通信距离R＝30Km，则由式1.1计算可得，此时的接收机灵敏度P_rmin＝-88.7dBm。

若要求的下行链路数据率R_b＝10Mbps，接收机噪声系数NF＝5.5dB，则根据式1.2可知，此时的E_b/N₀＝9.8dB。

雷达发射波形时一般采用饱和放大机制，饱和放大一般适合发射GMSK等相位连续的调频通信波形；而QPSK等相位调制波形由于饱和放大会造成波形畸变，从而导致误码率升高及邻道干扰增大，因此一般采用线性放大。对于同一款发射机而言饱和放大能获取的发射功率要高于线性放大。由式1.1和式1.2可知改变P_T会改变P_rmin从而改变E_b/N₀。此处采用GMSK信号，可查表获知能够实现的误码率。

表1 GMSK误码表

查表1可知若E_b/N₀＝9.8dB，则误码率在10^-5左右，若系统要求的误码率在10^-6，可采用2/3Turbo信道编码以提高系统解码后的E_b/N₀从而达到误码率指标要求。

直升机平台与地面站握手，确定当前T_link和T_radar时隙长度后，确定数据链和雷达各自的子时序关系。由于复合前端采用相控阵体制，因此子时序的关键在于由信号处理模块到频率综合模块再到波束控制模块的交互关系。

数据链时隙T_link可分为上行段和下行，对于直升机平台而言上行段为数据接收段，下行段为数据发送段。T_link时段具体时序关系由图2a所示，数据收发以数据包为载体进行时隙设计。图2a中，同步脉冲、打入脉冲、收/发配相脉冲、发射末级调制脉冲由频率综合模块发送至波束控制模块，同步脉冲及通信中频信号则是由通信信号处理模块发送到频率综合模块。

雷达时隙T_radar由若干个波驻时隙(CPI)分时占用，时序关系由图2b所示。根据雷达指标要求每个CPI又可分为若干个重复脉冲时间(PRI)。图2a中，发射脉冲、打入脉冲、收/发配相脉冲是由频率综合模块发送至波束控制模块，波驻脉冲则是由雷达信号处理模块发送到频率综合模块。

当下一个T_round时隙起始时，直升机平台和地面站的相对位置如图3a所示。此时直升机平台获取自身和指挥站的坐标位置。通过式1.4～式1.8的转换，可实现直升机平台与地面指挥站的波束对准，如图3b所示。例如某时刻直升机平台的坐标位置为L_r＝107°40′，B_r＝33°39′，H_r＝200m，且偏航、横滚及纵摇角都为0°；地面指挥平台的坐标位置为，L_r＝33°35′，B_r＝107°45′，H_r＝20m。则可知地面站相距直升机10.7km，此时直升机雷达数据链复合天线的指向角应为方位θ＝133.7°，俯仰

Claims (1)

1.一种直升机载雷达数据链一体化综合射频设计方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：依据雷达天线和射频前端指标及数据率与通信距离的要求进行链路预算确定信号及信道编码方式：

根据式1.1计算接收机灵敏度P_rmin：

$P_{rmin}=\frac{P_T\&CenterDot;G_T\&CenterDot;G_R\&CenterDot;{\mathrm{\&lambda;}}^2}{{\left(4\mathrm{\&pi;}\right)}^2\&CenterDot;L\&CenterDot;R^2}---\left(1.1\right)$

其中，P_T为发射机功率，G_R、G_T为收发天线增益，λ为电磁波波长，L为系统损耗，R为要求的通信距离；

根据式1.2选择信号及信道编码方式

E_b/N₀＝P_rmin+114-NF-10logR_b (1.2)

其中，NF为接收机噪声系数，R_b为数据链的比特率，单位为Mbps，由求得的E_b/N₀通过查误码表选择波形；E_b为比特能量，N₀为噪声功率谱密度；

步骤2：直升机与地面站进行通信“握手”，并根据地面站的指示进行时间对准及当前通信周期确立：

2a)直升机端采用步骤1的波形发送数据链建立请求，并等待地面站回复；

2b)直升机端发送数据链建立请求后的T_max时段内，若收到地面站的回复则执行步骤2c)，否则再次转入步骤2a)；

2c)直升机端通过收到的由地面站发来的握手报文来确认由地面站指明的当前数据链交互周期T_round；

2d)自第一次握手以后，直升机和地面站开始正常数据交互；通信顺序为：首先由地面站发送本站的运动状态信息及上行数据，并指定交互周期T_round及直升机允许发送的最长数据包长PAC_MAX；直升机收到地面站的上传信息后，开始下发数据给地面站，若数据包时长大于PAC_MAX或需要延长占用信道下发数据，则需在本数据包包尾添加延长占用时隙请示，得到地面站回复同意其延长占用信道后方可继续发送信息；延长数据包发送完成后，由地面站再次指定当前交互周期T_round及直升机允许发送的最长数据包长PAC_MAX；

若直升机在预定时隙内没有收到地面战的信息，需以T_round为周期监听地面站发送信息直至通信恢复；若经过M个周期后，直升机仍没有收到地面站的信息，则需要重新进行数据链建立请求即转入步骤2a)；

步骤3：根据当前通信周期信息确立雷达数据链复合时序：

比较每个周期能够安排的波位数M＝floor(T_radar/T_cpi)与雷达一次全方位扫描的总波位数N的大小，若M<N，则在T_radar时隙内无法进行全波位的扫描，而需要在下一个T_radar到来时补充上次没有扫描完的波位；其中，T_radar为雷达时隙，T_cpi为波位驻留时间，floor为向下取整符号；

步骤4：数据链通信时隙，直升机平台根据惯导及GPS信息进行波束对准，实现直升机平台和地面站的有效通信：

4a)通过GPS及惯导设备获取直升机的坐标信息：经度L_r、纬度B_r、高度H_r和载机的姿态信息：横滚角α、纵摇角β、偏航角γ；并通过直升机与地面站的握手信息获取地面站的当前的坐标信息。

4b)将直升机及地面站的经度、纬度、高度信息转换为直角坐标信息，转换公式如下：

式1.4中，N为卯酉圈曲率半径，e为第一偏心率，a＝6378137m，b＝6356752m；B为纬度，L为经度；

求出直升机和地面站的直角坐标位置后，可根据式1.5计算地面站相对于直升机平台的NED坐标位置：

${(X_{rt},Y_{rt},Z_{rt})}^T=\left[\begin{array}{ccc}-\sin B_r\cos L_r& -\sin B_r\sin L_r& \cos B_r\\ -\sin L_r& \cos L_r& 0\\ -\cos B_r\cos L_r& -\cos B_r\sin L_r& -\sin B_r\end{array}\right]{(\mathrm{\&Delta;}X,\mathrm{\&Delta;}Y,\mathrm{\&Delta;}Z)}^T---\left(1.5\right)$

式1.5中，ΔX、ΔY、ΔZ分别为载机直角坐标减去地面站直角坐标的数值，X_rt、Y_rt、Z_rt分别为地面站相对于直升机平台NED坐标下的位置；此时还需要引入惯导信息计算地面站相对于机身坐标的相对位置：

$C=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\&beta;}\cos \mathrm{\&gamma;}& \cos \mathrm{\&beta;}\sin \mathrm{\&gamma;}& -\sin \mathrm{\&beta;}\\ \sin \mathrm{\&alpha;}\sin \mathrm{\&beta;}\cos \mathrm{\&gamma;}-\cos \mathrm{\&alpha;}\sin \mathrm{\&gamma;}& \sin \mathrm{\&alpha;}\sin \mathrm{\&beta;}\sin \mathrm{\&gamma;}+\cos \mathrm{\&alpha;}\cos \mathrm{\&gamma;}& \sin \mathrm{\&alpha;}\cos \mathrm{\&beta;}\\ \cos \mathrm{\&alpha;}\sin \mathrm{\&beta;}\cos \mathrm{\&gamma;}+\sin \mathrm{\&alpha;}\sin \mathrm{\&gamma;}& \cos \mathrm{\&alpha;}\sin \mathrm{\&beta;}\sin \mathrm{\&gamma;}-\sin \mathrm{\&alpha;}\cos \mathrm{\&gamma;}& \cos \mathrm{\&alpha;}\cos \mathrm{\&beta;}\end{array}\right]---\left(1.6\right)$

(X,Y,Z)^T＝C(X_rt,Y_rt,Z_rt)^T (1.7)

由式1.6可构造转换矩阵C，通过式1.7可计算出地面站相对于机身坐标的相对位置；

$\left\{\begin{array}{c}R={(X^2+Y^2+Z^2)}^{1/2}\\ \mathrm{\&theta;}=arctan(Y/X)\\ \mathrm{\&phi;}=-Z/{(X^2+Y^2)}^{1/2}\end{array}\right.---\left(1.8\right)$

最后通过式1.8可计算出，地面站相对于载机的距离R、方位角θ和俯仰角即可将直升机平台的波束对准地面站。