CN111953405B - 一种自适应帧长的直升机同步卫星通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应帧长的直升机同步卫星通信方法，其具体步骤包括：1、获取视频信息；2、对视频信息进行编码、交织后调制；3、生成视频帧；4、对视频帧进行脉冲成形后经卫星转发至地面站；5、检测直升机接收端旋翼遮挡；6、对接收到的衰落信号进行自动增益控制恢复和匹配滤波；7、对滤波后信号进行同步捕获；8、对捕获得到的数据进行频偏纠正；9、对纠偏后的数据进行解调、解交织后译码，获得视频信息。本发明具有适用于不同飞行状态的直升机进行旋翼遮挡检测并自适应改变发送帧长，低时延传输视频信息的优点。

Description

一种自适应帧长的直升机同步卫星通信方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及直升机卫星通信技术领域中的一种自适应帧长的直升机同步卫星通信方法。本发明可用于不同飞行状态的直升机通过同步卫星与地面站进行视频传输。

背景技术

一种自适应帧长的直升机同步卫星通信方法属于卫星通信技术领域。受直升机机械结构的影响，直升机卫星天线安装在尾梁或机体两侧。直升机的这种结构导致当直升机在空中飞行时与卫星进行通信会受到旋翼的遮挡，当直升机稳定飞行时会产生旋翼的周期性遮挡。目前直升机卫星通信系统在直升机稳定飞行时，根据旋翼周期性遮挡原理进行固定帧长的数据传输。而对于直升机非稳定飞行时进行抗遮挡检测并要满足低时延传输或者变帧长传输还存在很多不足。

宁波市鄞州意诺工业设计有限公司在其申请的专利文献“抗旋翼遮挡直升机卫星通信方法”(申请号：201610899596.2，申请日：2016.10.12，申请公开号：CN106506057A，申请公布日：2017.03.15)中提出了一种适用于直升机稳定飞行时抗旋翼遮挡直升机卫星通信方法。该方法通过在远程通信终端采用成帧重传的方法经过卫星向直升机发送信息，直升机上的接收机接收到的是被旋翼周期性遮挡的卫星转发信息，同时对接收到的卫星转发信号进行检测进而估计出遮挡参数，直升机再根据遮挡参数选择旋翼不遮挡的间隙向卫星发送数据，再经过卫星转发给地面站。该方法虽然能解决地面中转站限制的问题，但是，该方法仍然存在的不足之处是，直升机向卫星发送信息是基于直升机稳定飞行时旋翼的周期性遮挡原理，在直升机未稳定飞行不进行抗旋翼遮挡，使用场景不完备。

西安空间无线电技术研究所在其申请的专利文献“一种旋翼遮挡下的突发信号检测和载波同步方法”(申请号：201910351810.4，申请日：2019.04.28，申请公开号：CN110071756A，申请公布日：2019.07.30)中提出了一种旋翼遮挡下的突发信号检测和载波同步方法。该方法通过在接收端接受固定帧格式的突发信号，获取突发信号的最佳采样点进行采样并生成数字信号送入若干并行通道，对每个通道中的数字信号预设频率变化率，经快速傅里叶变换FFT(Fast Fourier Transform)变换后进行信号的捕获判定得到突发信号位置；估计出已定位的突发信号的载波频偏和频率变化率对突发信号进行频偏和频率变化率补偿，将补偿后的突发信号进行载波相偏估计，再对突发信号进行相偏补偿后输出，完成突发信号的载波同步。该方法虽然可以较好的解决直升机卫星通信中存在的多普勒动态大、链路信噪比低、旋翼遮挡等不利条件的影响。但是，该方法仍然存在的不足之处是，在接收端只接受固定帧格式的信息，不能进行变帧长信息传输从而降低了信息传输速率。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种自适应帧长的直升机同步卫星通信方法，以解决在直升机卫星通信系统中，对于直升机不同的飞行状态进行自适应调整发送帧长并且满足低时延传输的要求。

实现本发明目的的具体思路是：首先将直升机上视频设备采集到的视频信息进行编码和交织后再进行调制，将调制后的信息组成视频帧后进行脉冲成形，将脉冲成形后的信息从直升机发送经过卫星转发给地面站，地面站对转发后的信息进行同步捕获，捕获后再进行解调和解交织得到视频信息；地面站持续发送测试信号经卫星转发给直升机，直升机根据测试信号进行旋翼遮挡检测，并计算遮挡时间来确定直升机发送下一个视频帧的帧长。

实现本发明目的的方法，包括如下步骤：

(1)获取视频信息：

将直升机的视频摄像头采集到的直升机现场环境的视频数据经过H.265视频编码生成视频信息；

(2)对视频信息进行LDPC码或Polar码编码后交织后，再进行相位调制，生成调制后的数据；

(3)生成视频帧：

将生成的帧同步头序列、预留空序列和调制后的数据组成一个视频帧，并将同步头序列预先保存在子相关器中；

(4)对视频帧进行脉冲成形处理后发送至卫星，经过卫星转发至地面站：

(4a)采用平方根升余弦脉冲成形技术对视频帧进行脉冲成形，得到成形后的数字信号；

(4b)将成形后的数字信号进行数模转换后通过直升机天线发送至同步卫星；

(4c)同步卫星将数字信号转发给地面站；

(5)检测直升机接收端的旋翼遮挡：

(5a)将直升机天线接收到来自卫星衰落的测试信号取绝对值后送入一个长度等于直升机旋翼平均遮挡时间乘以视频信号的信息速率后的三分之一的滑动窗口中，将窗口内的数据进行累加处理后取均值，将该均值作为门限值；

(5b)将窗口内数据累加和小于门限值时数字信号中第一个幅值对应的时间减去窗口内数据累加和大于门限值时数字信号中第一个幅值对应的时间，将差值作为旋翼没有受到遮挡的时间；

(5c)将没有受到遮挡时间值乘以80％再除以视频信号的信息速率，得到当前发送视频信息的帧长，将此帧长依次减去同步头和空序列长度，得到下一帧视频数据长度；

(6)将地面站接收端天线接收到来自直升机发送经卫星转发的衰落的视频信号经过自动增益控制进行恢复后再进行匹配滤波，得到滤波后的信号；

(7)对滤波后的信号进行同步捕获：

(7a)将滤波后的信号送入地面站接收端仪器得到滤波后信号的平均功率和最大频偏f_max，将该平均功率作为预设门限，根据该最大频偏估算FFT的点数N；

(7b)按照

估算FFT的点数N，其中，P表示将滤波后的信号均分为多段的总数，k表示从

随机选取的值，M表示同步序列的长度，T_c表示由直升机平均旋翼遮挡时间确定的一帧的时间长除以视频信息帧长得到的一个码片的持续时间；

(7c)将均分为P段的滤波后的信号分别送入P个子相关器；

(7d)将每个子相关器中的分段后信号分别与预先保存好的同步头序列进行卷积后做N点FFT运算再取模值，得到FFT输出结果；

(7e)将FFT输出结果中首次超过预设门限值的幅值作为峰值，计算该峰值的频偏估计值；

(7f)将峰值在滑动窗口中的位置依次加上同步头序列和空序列长度得到数据的起始位置；

(7g)从数据的起始位置开始截取长度为步骤(5c)中视频数据长度的视频信息数据；

(8)按照下式，计算每个纠正频偏后的数据：

其中，s(m)表示第m个纠正频偏后的数据，r(n)表示截取的视频信息数据的第n个采样点的视频信息，e表示以自然常数e为底的指数操作，π表示圆周率，j表示虚数单位符号，n表示截取的视频信息数据中采样点的序号，R_b表示截取的视频信息数据的第n个采样点的样点速率，

表示截取的视频信息数据的第n个采样点的视频信息的初始相位；

(9)获得视频信息：

对每个纠正频偏后的视频信息进行相位解调和解交织，再进行LDPC码或Polar码译码，得到视频信息。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明对直升机接收端的旋翼遮挡进行检测，可以动态检测直升机当前飞行状态下的旋翼遮挡状态，在旋翼未遮挡时发送信号，克服了现有技术中在直升机未稳定飞行不进行抗旋翼遮挡，使用场景不完备的不足。使得采用本发明可以实时检测直升机不同飞行状态下的旋翼遮挡情况。

第二，由于本发明生成视频帧，并对滤波后的信号进行同步捕获，可以根据直升机旋翼的遮挡时间来生成不同长度的视频帧，并且地面站接收端可以准确捕获到视频帧，克服了现有技术中在接收端只接受固定帧格式的信息，不能进行变帧长信息传输从而降低了信息传输速率的问题。使得采用本发明可以实现自适应帧长且低时延的视频传输。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图1，对本发明实现的步骤做进一步地描述。

步骤1，获取视频信息。

将直升机的视频摄像头采集到的直升机现场环境的视频数据经过H.265视频编码生成视频信息。

步骤2，对视频信息进行LDPC码或Polar码后编码后交织，再进行相位调制，生成调制后的数据。

步骤3，生成视频帧。

将生成的帧同步头序列、预留空序列和调制后的数据组成一个视频帧，并将同步头序列预先保存在子相关器中。

生成的视频帧可分别未以下两种形式中的任意一种：

形式1，视频帧中包括PN1、PN2、PN3、PN4、Data；其中，PN1、PN2、PN3表示三个内容相同和长度均为M的同步头序列，PN4表示长度为M的空序列，Data表示长度为步骤(5c)中视频数据长度的调制后的数据，其中，M是由直升机卫星通信现场中同步捕获时所需要的增益确定的。PN1、PN2、PN3与保存在子相关器中的同步头序列进行卷积后做N点FFT运算再取模值可以产生3个峰值，第1个峰值用于捕获，后面2个峰值用于验证，如果没有捕获成功则丢弃该帧。

形式2，视频帧中包括PN1、PN2、PN3、PN4、Data、PN5、PN6、PN7、PN4；PN5、PN6、PN7表示与三个内容相同但与PN1内容不同且长度均与PN1相同的同步头序列。这种结构可以保证至少捕获到PN1或PN5中一种同步头序列的峰值并完成相应同步头序列后面两次峰值的验证，保证捕获成功该帧。

步骤4，对视频帧进行脉冲成形处理后发送至卫星，经过卫星转发至地面站。

采用平方根升余弦脉冲成形技术对视频帧进行脉冲成形，得到成形后的数字信号。

将成形后的数字信号进行数模转换后通过直升机天线发送至同步卫星。

同步卫星将数字信号转发给地面站。

步骤5，检测直升机接收端的旋翼遮挡。

将直升机天线接收到来自卫星衰落的测试信号取绝对值后送入一个长度等于直升机旋翼平均遮挡时间乘以视频信号的信息速率后的三分之一的滑动窗口中，将窗口内的数据进行累加处理后取均值，将该均值作为门限值。

将窗口内数据累加和小于门限值时数字信号中第一个幅值对应的时间减去窗口内数据累加和大于门限值时数字信号中第一个幅值对应的时间，将差值作为旋翼没有受到遮挡的时间。

将没有受到遮挡时间值乘以80％再除以视频信号的信息速率，得到当前发送视频信息的帧长，将此帧长依次减去同步头和空序列长度，得到下一帧视频数据长度。

步骤6，将地面站接收端天线接收到来自直升机发送经卫星转发的衰落的视频信号经过自动增益控制进行恢复后再进行匹配滤波，得到滤波后的信号。

步骤7，对滤波后的信号进行同步捕获。

将滤波后的信号送入地面站接收端仪器得到滤波后信号的平均功率和最大频偏f_max，将该平均功率作为预设门限，根据该最大频偏估算FFT的点数N。

按照

估算FFT的点数N，其中，P表示将滤波后的信号均分为多段的总数，k表示从

随机选取的值，M表示同步序列的长度，T_c表示由直升机平均旋翼遮挡时间确定的一帧的时间长除以视频信息帧长得到的一个码片的持续时间。

将均分为P段的滤波后的信号分别送入P个子相关器。

将每个子相关器中的分段后信号分别与预先保存好的同步头序列进行卷积后做N点FFT运算再取模值，得到FFT输出结果。

将FFT输出结果中首次超过预设门限值的幅值作为峰值，计算该峰值的频偏估计值。

所述峰值的频偏估计值是由下式得到的：

其中，f表示峰值的频偏估计值，L₀表示峰值在滑动窗口中的位置，N表示FFT点数，X示滤波后的信号分成P等段后每段长度，T_c表示由直升机平均旋翼遮挡时间确定的一帧的时间长除以视频信息帧长得到的一个码片的持续时间。

将峰值在滑动窗口中的位置依次加上同步头序列和空序列长度得到数据的起始位置。

从数据的起始位置开始截取长度为步骤5中视频数据长度的视频信息数据。

步骤8，按照下式，计算每个纠正频偏后的数据：

其中，s(m)表示第m个纠正频偏后的数据，r(n)表示截取的视频信息数据的第n个采样点的视频信息，e表示以自然常数e为底的指数操作，π表示圆周率，j表示虚数单位符号，n表示截取的视频信息数据中采样点的序号，R_b表示截取的视频信息数据的第n个采样点的样点速率，

表示截取的视频信息数据的第n个采样点的视频信息的初始相位。

步骤9，获得视频信息。

对每个纠正频偏后的视频信息进行相位解调和解交织，再进行LDPC码或Polar码译码，得到视频信息。

Claims (2)

1.一种自适应帧长的直升机同步卫星通信方法，其特征在于，生成视频帧，检测直升机接收端的旋翼遮挡，对滤波后的信号进行同步捕获；该方法的步骤包括如下：

(1)获取视频信息：

将直升机的视频摄像头采集到的直升机现场环境的视频数据经过H.265视频编码生成视频信息；

(2)对视频信息进行LDPC码或Polar码编码后交织后，再进行相位调制，生成调制后的数据；

(3)生成视频帧：

将生成的帧同步头序列、预留空序列和调制后的数据组成一个视频帧，并将同步头序列预先保存在子相关器中；

(4)对视频帧进行脉冲成形处理后发送至卫星，经过卫星转发至地面站：

(4a)采用平方根升余弦脉冲成形技术对视频帧进行脉冲成形，得到成形后的数字信号；

(4b)将成形后的数字信号进行数模转换后通过直升机天线发送至同步卫星；

(4c)同步卫星将数字信号转发给地面站；

(5)检测直升机接收端的旋翼遮挡：

(5a)将直升机天线接收到来自卫星衰落的测试信号取绝对值后送入一个长度等于直升机旋翼平均遮挡时间乘以视频信号的信息速率后的三分之一的滑动窗口中，将窗口内的数据进行累加处理后取均值，将该均值作为门限值；

(5b)将窗口内数据累加和小于门限值时数字信号中第一个幅值对应的时间减去窗口内数据累加和大于门限值时数字信号中第一个幅值对应的时间，将差值作为旋翼没有受到遮挡的时间；

(5c)将没有受到遮挡时间值乘以80％再除以视频信号的信息速率，得到当前发送视频信息的帧长，将此帧长依次减去同步头和空序列长度，得到下一帧视频数据长度；

(6)将地面站接收端天线接收到来自直升机发送经卫星转发的衰落的视频信号经过自动增益控制进行恢复后再进行匹配滤波，得到滤波后的信号；

(7)对滤波后的信号进行同步捕获：

(7a)将滤波后的信号送入地面站接收端仪器得到滤波后信号的平均功率和最大频偏f_max，将该平均功率作为预设门限，根据该最大频偏估算FFT的点数N；

(7b)按照

估算FFT的点数N，其中，P表示将滤波后的信号均分为多段的总数，k表示从

随机选取的值，M表示同步序列的长度，T_c表示由直升机平均旋翼遮挡时间确定的一帧的时间长除以视频信息帧长得到的一个码片的持续时间；

(7c)将均分为P段的滤波后的信号分别送入P个子相关器；

(7d)将每个子相关器中的分段后信号分别与预先保存好的同步头序列进行相关求和后做N点FFT运算再取模值，得到FFT输出结果；

(7e)将FFT输出结果中首次超过预设门限值的幅值作为峰值，按照下式，计算该峰值的频偏估计值：

其中，f表示峰值的频偏估计值，L₀表示峰值在滑动窗口中的位置，N表示FFT点数，X示滤波后的信号分成P等段后每段长度，T_c表示由直升机平均旋翼遮挡时间确定的一帧的时间长除以视频信息帧长得到的一个码片的持续时间；

(7f)将峰值在滑动窗口中的位置依次加上同步头序列和空序列长度得到数据的起始位置；

(7g)从数据的起始位置开始截取长度为步骤(5c)中视频数据长度的视频信息数据；

(8)按照下式，计算每个纠正频偏后的数据：

其中，s(m)表示第m个纠正频偏后的数据，r(n)表示截取的视频信息数据的第n个采样点的视频信息，e表示以自然常数e为底的指数操作，π表示圆周率，j表示虚数单位符号，n表示截取的视频信息数据中采样点的序号，R_b表示截取的视频信息数据的第n个采样点的样点速率，

表示截取的视频信息数据的第n个采样点的视频信息的初始相位；

(9)获得视频信息：

对每个纠正频偏后的视频信息进行相位解调和解交织，再进行LDPC码或Polar码译码，得到视频信息。

2.根据权利要求1所述的一种自适应帧长的直升机同步卫星通信方法，其特征在于，步骤(3)所述视频帧可分别为以下两种形式中的任意一种：

形式1，视频帧中包括PN1、PN2、PN3、PN4、Data；其中，PN1、PN2、PN3表示三个内容相同和长度均为M的同步头序列，PN4表示长度为M的空序列，Data表示长度为步骤(5c)中视频数据长度的调制后的数据，其中，M是由直升机卫星通信现场中同步捕获时所需要的增益确定的；

形式2，视频帧中包括PN1、PN2、PN3、PN4、Data、PN5、PN6、PN7、PN4；其中，PN5、PN6、PN7表示三个内容相同但与PN1内容不同且长度均与PN1相同的同步头序列。

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