專利名稱：一種基于lms的直升機旋翼縫隙時間預(yù)測方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及直升機寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種不改變直升機物理結(jié)構(gòu)利用現(xiàn)有設(shè)備實現(xiàn)流暢魯棒直升機寬帶衛(wèi)星通信的算法，具體涉及一種基于LMS的直升機旋翼縫隙時間預(yù)測方法及裝置。
背景技術(shù)：
近年來，自然災(zāi)害頻發(fā)，直升機以其靈活性在應(yīng)急救災(zāi)中發(fā)揮著重要的作用。為了能在直升機飛行過程中實時傳輸圖像和視頻信息，近年來直升機寬帶衛(wèi)星通信的研究引起了人們的廣泛關(guān)注。
直升機寬帶衛(wèi)星通信的工作頻段一般在Ku/Ka頻段，為了不影響直升機的氣動特性，衛(wèi)星天線一般安裝在直升機旋翼的下方，因此直升機發(fā)射和接收的信號會受到周期性的遮擋。直升機寬帶衛(wèi)星通信要解決的一個關(guān)鍵問題就是如何在周期性遮擋的條件下進行可靠的傳輸。日本最早開展了這方面的研究，提出了 Ku波段直升機寬帶衛(wèi)星通信的整體解決方案(三菱，專利號P2009-2U665)，并進行直升機飛行實驗現(xiàn)場測試成功。之后美國研究機構(gòu)也做出了類似的產(chǎn)品(Boeing，專利號US 2010/03309 )，并裝備在美軍的黑鷹直升機上。
在直升機前反向信息傳輸過程中，調(diào)制解調(diào)設(shè)備需要對接收信號進行功率檢測。 通過檢測信號的功率變化，獲得接受信號被遮擋的情況，從而在發(fā)送端和接收端對信號進行相應(yīng)的處理。在直升機旋翼轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，這樣的檢測得到的結(jié)果并不能代表下一次遮擋的情況，這對于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)縫隙狀態(tài)起始時間的選擇和判定而言具有滯后性，會帶來信息的損失。。因此，要想保證信息無損失的傳輸，需要預(yù)知下一個縫隙時間的長度，也就是需要對下一個縫隙時間長度進行預(yù)測。發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供了一種基于LMS的直升機旋翼縫隙時間預(yù)測方法及裝置，通過預(yù)測下一個縫隙時間的長度，克服旋翼轉(zhuǎn)速變化導致的傳輸信息損失，保證信息傳輸?shù)耐暾?，本發(fā)明適用于直升機寬帶衛(wèi)星通信中周期性遮擋的信道條件，其目的是提高傳輸?shù)目煽啃浴?br> 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是
—種基于LMS的直升機旋翼縫隙時間預(yù)測方法，包括以下步驟
檢測計數(shù)步驟，分別對直升機寬帶衛(wèi)星通信信號正常傳輸狀態(tài)和被遮擋狀態(tài)進行時間計數(shù)，從而得到旋翼的縫隙時間長度Tb和遮擋時間長度Ts ；
時間速度轉(zhuǎn)換步驟，根據(jù)旋翼的縫隙時間長度Tb和遮擋時間長度Ts獲取直升機每個槳葉周期內(nèi)的旋翼平均轉(zhuǎn)速辦；
速度預(yù)測步驟，依次計算出每個槳葉周期內(nèi)的旋翼平均轉(zhuǎn)速辦，得到一系列的平均轉(zhuǎn)速= 1,2,...，《為旋翼轉(zhuǎn)速采樣標號，將看成是隨機信號，應(yīng)用LMS自適應(yīng)濾波器來對其進行預(yù)測，以獲取下一個槳葉周期內(nèi)的旋翼平均轉(zhuǎn)速的預(yù)測值孟…+ 1)；
速度時間轉(zhuǎn)換步驟，根據(jù)上一步得到的下一個槳葉周期內(nèi)的旋翼平均轉(zhuǎn)速的預(yù)測值孟…+ 1)，獲取下一個縫隙時間長度的預(yù)測值+ 。
其中，_ 2π
在所述時間速度轉(zhuǎn)換步驟中，根據(jù)公式 =^^7y，獲取直升機每個槳葉周期內(nèi)的旋翼平均轉(zhuǎn)速辦，其中M為直升機槳葉個數(shù)。
在所述速度預(yù)測步驟中，設(shè)LMS自適應(yīng)濾波器為N階，記辦㈨,《 = 1,2,...為x(n)，n =1,2,...,則濾波器的輸入信號為 χ (n-1) = [χ (η-1)，χ (η-2) ,...,χ (η-Ν) ]τ，是一個長為 N的向量，把當前的χ(η)作為期望響應(yīng)，應(yīng)用LMS自適應(yīng)濾波算法對濾波器系數(shù)W進行自適應(yīng)調(diào)整，
LMS自適應(yīng)濾波算法的遞推公式為
濾波器輸出W(W) = ^1(W-I)X(W-I)
估計誤差:e(n)=x(η)-y (η)
權(quán)自適應(yīng)更新眾(w)= w( -l)+ //x( -l)e>)
調(diào)整后得到的濾波器系數(shù)記為眾= [m<1),...W(A0]t，它也是一個長為N的向量，預(yù)測的輸出為對《 + 1)=眾*x(n)，其中 χ (η) = [χ (η)，χ (η-1)，· · · ,χ(η-Ν+1)]τ, * 代表共軛轉(zhuǎn)置，
預(yù)測的輸出對《 + 1)即為下一個槳葉周期內(nèi)的旋翼平均轉(zhuǎn)速的預(yù)測值涼(《 + 1)。
在所述速度時間轉(zhuǎn)換步驟中，下一個縫隙時間長度的預(yù)測值-. _ φ2π
TU— = ^+^，其中Γ>+1) = Ι^Γ^^，0縫隙時間在獎葉周期內(nèi)的占空比。
基于上述直升機旋翼縫隙時間預(yù)測方法，本發(fā)明還提供了實現(xiàn)該方法的一種裝置，包括
檢測計數(shù)裝置，用于檢測接收信號的功率，并根據(jù)功率大小判斷當前接收的信號是否被遮擋，并分別統(tǒng)計縫隙時間長度Tb和遮擋時間長度Ts ；
時間速度轉(zhuǎn)換單元，用于把縫隙時間長度Tb和遮擋時間長度Ts轉(zhuǎn)換為直升機每個槳葉周期內(nèi)的旋翼平均轉(zhuǎn)速辦，并計算得到縫隙時間在槳葉周期內(nèi)的占空比D ；
LMS自適應(yīng)濾波器，用于預(yù)測下一個槳葉周期內(nèi)的旋翼平均轉(zhuǎn)速孟…+ 1)，其包括 FIR濾波器、減法器、乘法器以及加法器，將通過計算每個槳葉周期內(nèi)的旋翼平均轉(zhuǎn)速辦進而得到的一系列平均轉(zhuǎn)速= 1,2,...，η為旋翼轉(zhuǎn)速采樣標號，輸入到所述HR濾波器， 濾波之后的初步預(yù)測值y (η)與期望數(shù)值χ (η)輸入到所述減法器做差，得到一個誤差值 6(11)，誤差值6(11)、步長μ和輸入向量x(n-l)進入乘法器，相乘得到權(quán)系數(shù)的調(diào)整增量，權(quán)系數(shù)向量和所述調(diào)整增量進入加法器，相加得到新的權(quán)系數(shù)向量，新的權(quán)系數(shù)向量用來進行下次濾波使用，把輸入向量x(n-l)的最后一個元素去掉，再把期望數(shù)值 χ (η)作為第一個元素，得到一個新的輸入向量χ (η)，把這個新的輸入向量進行FIR濾波后的結(jié)果對《 + 1)輸出，作為預(yù)測結(jié)果輸出；
速度時間轉(zhuǎn)換單元，用于把LMS自適應(yīng)濾波器預(yù)測得到的下一個旋翼周期的平均速度孟(《 + 1)轉(zhuǎn)化為旋翼的縫隙時間長度的預(yù)測值+ 。
其中，
所述時間速度轉(zhuǎn)換單元包括兩個除法器，第一除法器用于將時間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為速度數(shù)據(jù)，它的被除數(shù)是一個槳葉周期內(nèi)所轉(zhuǎn)過的角度Φ，除數(shù)是當前一個槳葉周期的時間Τ。， 得到的商即旋翼在當前一個槳葉周期內(nèi)的平均速度辦;第二除法器的被除數(shù)是縫隙時間長度Tb，除數(shù)是當前一個槳葉周期的時間Τ。，得到的商即當前一個槳葉周期內(nèi)縫隙時間在槳葉周期內(nèi)的占空比D。
所述速度時間轉(zhuǎn)換單元包括一個除法器和一個乘法器，除法器的被除數(shù)是一個槳葉周期內(nèi)所轉(zhuǎn)過的角度Φ，除數(shù)是LMS自適應(yīng)濾波器得到下一個旋翼平均轉(zhuǎn)速的預(yù)測值 ^( + 1)，得到的商就是下一個槳葉周期的預(yù)測值+ ；乘法器的輸入分別為槳葉周期的預(yù)測值+ 和縫隙時間在槳葉周期內(nèi)的占空比D，相乘以后得到下一個縫隙時間長度的預(yù)測值+ 。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，優(yōu)點在于
1)根據(jù)直升機旋翼轉(zhuǎn)速的相關(guān)性對其縫隙時間進行有效的預(yù)測，可以助于確定傳輸有效幀的起止時間。
2)算法魯棒性高，可以工作于直升機執(zhí)行任務(wù)的全過程，無需重啟或配置。
3)算法簡單易于實現(xiàn)，整個過程無矩陣運算，易于硬件實現(xiàn)。


圖1是本發(fā)明所述的預(yù)測算法的處理流程示意圖。
圖2是本發(fā)明所述的LMS自適應(yīng)濾波算法流程圖。
圖3是本發(fā)明所述的旋翼縫隙時間預(yù)測裝置結(jié)構(gòu)框圖。
圖4是本發(fā)明所述的時間速度轉(zhuǎn)換單元結(jié)構(gòu)框圖。
圖5是本發(fā)明所述的LMS自適應(yīng)濾波器裝置結(jié)構(gòu)框圖。
圖6是本發(fā)明所述的速度時間轉(zhuǎn)換單元結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。
如圖1所示，為整個預(yù)測方法的處理流程它的輸入是接收到的含遮擋的信號，輸出是旋翼縫隙時間長度的預(yù)測值。它的處理流程包括檢測計數(shù)、時間速度轉(zhuǎn)換、 速度預(yù)測、速度時間轉(zhuǎn)換四個部分，檢測計數(shù)的目標是獲取旋翼的縫隙時間長度Tb和遮擋時間長度Ts，在時間速度轉(zhuǎn)換過程中，根據(jù)一個槳葉周期的時間長度T。= Tb+Ts，τ得到縫隙時間的占空比D=#，直升機的旋翼槳葉位置一般是均勻分布的，假設(shè)槳葉個C2π數(shù)為Μ，則一個槳葉周期時間內(nèi)旋翼轉(zhuǎn)過的角度為^z77，則直升機旋翼在每個槳葉周
權(quán)利要求
1.一種基于LMS的直升機旋翼縫隙時間預(yù)測方法，其特征在于包括以下步驟檢測計數(shù)步驟，分別對直升機寬帶衛(wèi)星通信信號正常傳輸狀態(tài)和被遮擋狀態(tài)進行時間計數(shù)，從而得到旋翼的縫隙時間長度Tb和遮擋時間長度Ts ；時間速度轉(zhuǎn)換步驟，根據(jù)旋翼的縫隙時間長度Tb和遮擋時間長度Ts獲取直升機每個槳葉周期內(nèi)的旋翼平均轉(zhuǎn)速辦；速度預(yù)測步驟，依次計算出每個槳葉周期內(nèi)的旋翼平均轉(zhuǎn)速辦，得到一系列的平均轉(zhuǎn)速 ω{η\η = \χ..., 為旋翼轉(zhuǎn)速采樣標號，將看成是隨機信號，應(yīng)用LMS自適應(yīng)濾波器來對其進行預(yù)測，以獲取下一個槳葉周期內(nèi)的旋翼平均轉(zhuǎn)速的預(yù)測值孟…+ 1)；速度時間轉(zhuǎn)換步驟，根據(jù)上一步得到的下一個槳葉周期內(nèi)的旋翼平均轉(zhuǎn)速的預(yù)測值 ^(n + l)，獲取下一個縫隙時間長度的預(yù)測值^( + 1)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于LMS的直升機旋翼縫隙時間預(yù)測方法及裝置，其特征在_ 2π于所述時間速度轉(zhuǎn)換步驟中，根據(jù)公式^=^7^，獲取直升機每個槳葉周期內(nèi)的旋翼平均轉(zhuǎn)速辦，其中M為直升機槳葉個數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于LMS的直升機旋翼縫隙時間預(yù)測方法及裝置，其特征在于所述速度預(yù)測步驟中，設(shè)LMS自適應(yīng)濾波器為N階，記= 1,2,...為χ(η)，n = 1， 2，...，則濾波器的輸入信號為x(n-l) = [X(n-l)，X(n-2)，...，X(n-N)]T，是一個長為 N 的向量，把當前的 x(n)作為期望響應(yīng)，應(yīng)用LMS自適應(yīng)濾波算法對濾波器系數(shù)W進行自適應(yīng)調(diào)整， LMS自適應(yīng)濾波算法的遞推公式為 濾波器輸出= 估計誤差e (η) =x(n)-y(n) 權(quán)自適應(yīng)更新
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于LMS的直升機旋翼縫隙時間預(yù)測方法及裝置，其特征在于所述速度時間轉(zhuǎn)換步驟中，下一個縫隙時間長度的預(yù)測值+ = + ，其中
5.一種實現(xiàn)權(quán)利要求1所述直升機旋翼縫隙時間預(yù)測方法的裝置，其特征在于，包括 檢測計數(shù)裝置，用于檢測接收信號的功率，并根據(jù)功率大小判斷當前接收的信號是否被遮擋，并分別統(tǒng)計縫隙時間長度Tb和遮擋時間長度Ts ；時間速度轉(zhuǎn)換單元，用于把縫隙時間長度Tb和遮擋時間長度Ts轉(zhuǎn)換為直升機每個槳葉周期內(nèi)的旋翼平均轉(zhuǎn)速辦，并計算得到縫隙時間在槳葉周期內(nèi)的占空比D ；LMS自適應(yīng)濾波器，用于預(yù)測下一個槳葉周期內(nèi)的旋翼平均轉(zhuǎn)速孟…+ 1)，其包括HR濾波器、減法器、乘法器以及加法器，將通過計算每個槳葉周期內(nèi)的旋翼平均轉(zhuǎn)速辦進而得到的一系列平均轉(zhuǎn)速= 1,2,...，η為旋翼轉(zhuǎn)速采樣標號，輸入到所述HR濾波器，濾波之后的初步預(yù)測值y(n)與期望數(shù)值χ(η)輸入到所述減法器做差，得到一個誤差值e (η)，誤差值e(n)、步長μ和輸入向量Χ(η_1)進入乘法器，相乘得到權(quán)系數(shù)的調(diào)整增量，權(quán)系數(shù)向量和所述調(diào)整增量進入加法器，相加得到新的權(quán)系數(shù)向量，新的權(quán)系數(shù)向量用來進行下次濾波使用，把輸入向量x(n-l)的最后一個元素去掉，再把期望數(shù)值χ (η)作為第一個元素，得到一個新的輸入向量χ(η)，把這個新的輸入向量進行HR濾波后的結(jié)果襖《 + 1)輸出，作為預(yù)測結(jié)果輸出；速度時間轉(zhuǎn)換單元，用于把LMS自適應(yīng)濾波器預(yù)測得到的下一個旋翼周期的平均速度涼(《 + 1)轉(zhuǎn)化為旋翼的縫隙時間長度的預(yù)測值+ 。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述直升機旋翼縫隙時間預(yù)測裝置，其特征在于，所述時間速度轉(zhuǎn)換單元包括兩個除法器，第一除法器用于將時間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為速度數(shù)據(jù)，它的被除數(shù)是一個槳葉周期內(nèi)所轉(zhuǎn)過的角度Φ，除數(shù)是當前一個槳葉周期的時間Τ。，得到的商即旋翼在當前一個槳葉周期內(nèi)的平均速度辦；第二除法器的被除數(shù)是縫隙時間長度Tb，除數(shù)是當前一個槳葉周期的時間T。，得到的商即當前一個槳葉周期內(nèi)縫隙時間在槳葉周期內(nèi)的占空比D。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述直升機旋翼縫隙時間預(yù)測裝置，其特征在于，所述速度時間轉(zhuǎn)換單元包括一個除法器和一個乘法器，除法器的被除數(shù)是一個槳葉周期內(nèi)所轉(zhuǎn)過的角度 Φ，除數(shù)是LMS自適應(yīng)濾波器得到下一個旋翼平均轉(zhuǎn)速的預(yù)測值孟…+ 1)，得到的商就是下一個槳葉周期的預(yù)測值f>+i)；乘法器的輸入分別為槳葉周期的預(yù)測值f>+i)和縫隙時間在槳葉周期內(nèi)的占空比D，相乘以后得到下一個縫隙時間長度的預(yù)測值^( + 1)。
全文摘要
本發(fā)明為基于LMS自適應(yīng)濾波的旋翼縫隙時間預(yù)測算法及裝置，屬于直升機寬帶衛(wèi)星通信領(lǐng)域，根據(jù)接收到的信號功率獲得遮擋時間長度和縫隙時間長度，根據(jù)旋翼的物理結(jié)構(gòu)參數(shù)，把遮擋時間長度和縫隙時間長度轉(zhuǎn)化為旋翼在一個槳葉周期內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速，得到旋翼平均轉(zhuǎn)速序列，通過LMS自適應(yīng)濾波器，得到下一個槳葉周期內(nèi)旋翼平均轉(zhuǎn)速的預(yù)測值，再把旋翼平均轉(zhuǎn)速的預(yù)測值轉(zhuǎn)化為縫隙時間長度預(yù)測值，即完成了對旋翼縫隙時間的預(yù)測，本發(fā)明設(shè)計了完整的預(yù)測算法并將其實現(xiàn)為硬件裝置，通過預(yù)測旋翼縫隙時間，可以穩(wěn)定可靠地實現(xiàn)直升機寬帶衛(wèi)星信號傳輸，減少旋翼遮擋對信號傳輸?shù)挠绊?；本發(fā)明魯棒可靠，無需配置操作，適宜裝配在直升機寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)中。
文檔編號G06F19/00GK102521503SQ20111040440
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月7日
發(fā)明者倪祖耀, 凡明清, 匡麟玲 申請人:清華大學