盧芳春，梁小玲

（1.中國(guó)人民解放軍駐荊州南湖機(jī)械廠軍事代表室 湖北 荊州 448035；2.中國(guó)特種飛行器研究所湖北 荊門 448035）

系留氣球通信平臺(tái)是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新型通信平臺(tái)[1]，它利用系留氣球作為通信平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)信息的傳輸或轉(zhuǎn)發(fā)，該系統(tǒng)距離地面高，覆蓋范圍比地面固定中繼站要大得多，并具有污染小，噪音低和低成本等優(yōu)點(diǎn)。基于上述特點(diǎn)，系留氣球是作為通信中繼、對(duì)地面觀察與監(jiān)視和干擾等功能的理想載體。然而，通信系統(tǒng)是系留氣球的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，其設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

文中采用系留纜繩中的光纖作為通信介質(zhì)，通過(guò)球載光端機(jī)和地面光端機(jī)將球上數(shù)據(jù)或地面控制信息進(jìn)行傳送，實(shí)現(xiàn)球上與地面的有線長(zhǎng)距離傳輸能力。當(dāng)光纖鏈路中某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障時(shí)，通信系統(tǒng)自動(dòng)切換到無(wú)線通信方式。實(shí)際使用證明，該系統(tǒng)具有通信效率高，可靠性強(qiáng)。

1 通信系統(tǒng)的組成及原理

系留氣球通信系統(tǒng)主要由光纖通信系統(tǒng)[2]和無(wú)線通信系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，數(shù)據(jù)的傳輸方式有兩種：

1）單模光纖+光端機(jī)+光電旋轉(zhuǎn)連接器組成的光通路。

2）由無(wú)線收/發(fā)數(shù)傳電臺(tái)構(gòu)成的無(wú)線電通信鏈路。

在系留氣球正常工作模式下，采用光通路傳輸數(shù)據(jù)，無(wú)線通信作為備用。如果光通信系統(tǒng)任何鏈路出現(xiàn)故障，自動(dòng)將通信鏈路切換到無(wú)線通信，信息通過(guò)數(shù)據(jù)解算、排序、打包后通過(guò)球載無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)傳回地面，地面無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)收到信息后，由地面綜合管理計(jì)算機(jī)對(duì)信息進(jìn)行解包、存儲(chǔ)顯示和分析處理；地面指令信息通過(guò)地面無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)發(fā)送給球載無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)，通過(guò)球載計(jì)算機(jī)去完成相應(yīng)的控制，功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

光纖通信系統(tǒng)主要由光端機(jī)、單模光纖和旋轉(zhuǎn)連接器組成，錨泊車上中繼光端機(jī)需要對(duì)多個(gè)信號(hào)進(jìn)行中繼、復(fù)制和交換，因此，采用ADM（分插復(fù)用型）類型完成業(yè)務(wù)傳輸和交換的目的。球載和通信車光端機(jī)主要用于光纖鏈路設(shè)備的末端，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和分配。

2.1.1 單芯雙向傳輸設(shè)計(jì)

采用單芯雙向來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的雙向傳輸，由于光旋轉(zhuǎn)連接器[3]的透鏡是根據(jù)光通信的波長(zhǎng)制定，要求雙向通信的波長(zhǎng)不能相隔太遠(yuǎn)，因此采用1 550 nm窗口的粗波分復(fù)用（CWDM）技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)單芯雙向傳輸[4]，下行方向模擬視頻、RS422和以太網(wǎng)公用一個(gè)波長(zhǎng)為1 570 nm，由于4個(gè)波長(zhǎng)之間的間隔非常小，都工作在1 550 nm窗口，克服了光旋轉(zhuǎn)連接器在寬窗口中損耗不均勻的問(wèn)題。

2.1.2 RS422的傳輸

圖1 通信功能原理圖Fig.1 Schematics of Communication functions

對(duì)于RS422接口傳輸信號(hào)[5]，首先需要進(jìn)行接口電平轉(zhuǎn)換處理，將轉(zhuǎn)換后的6位數(shù)字信號(hào)再送到CPLD進(jìn)行鎖存及復(fù)用/解復(fù)用處理。

2.1.3 視頻模擬信號(hào)設(shè)計(jì)

對(duì)于模擬的復(fù)合視頻信號(hào)[6]，在發(fā)送端，首先通過(guò)視頻A/D進(jìn)行采樣、數(shù)字化，然后送到CPLD進(jìn)行復(fù)合處理；在接收端，經(jīng)過(guò)CPLD解復(fù)用，再經(jīng)視頻D/A轉(zhuǎn)換輸出模擬的復(fù)合視頻信號(hào)，CPLD用于對(duì)視頻信號(hào)、RS232、RS485等信號(hào)進(jìn)行復(fù)用/解復(fù)用處理[7]。

2.1.4 光端機(jī)工作模式

2.1.4.1 球載光端機(jī)

1)對(duì)下行信號(hào)的變換和復(fù)用

①對(duì)任務(wù)系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行采樣，實(shí)現(xiàn)數(shù)字轉(zhuǎn)換，然后形成數(shù)據(jù)信號(hào)流；

②對(duì)視頻信號(hào)輸入進(jìn)行編碼，形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和易于識(shí)別的數(shù)據(jù)流；

③測(cè)控計(jì)算機(jī)1路RS422下行數(shù)據(jù)、任務(wù)設(shè)備1路RS422的下行數(shù)據(jù)信號(hào)與任務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流進(jìn)行復(fù)用，最后轉(zhuǎn)換成1路光信號(hào)輸出到ADM光端機(jī)。

2)對(duì)上行信號(hào)的變換和解復(fù)用

球載光端機(jī)將中繼光端機(jī)傳輸過(guò)來(lái)的上行信進(jìn)行光/電變換，通過(guò)集成電路模塊分析判斷，分別提取輸出以下信號(hào)：

①解復(fù)用提取數(shù)據(jù)流中來(lái)自任務(wù)系統(tǒng)的RS422上行數(shù)據(jù)，輸出到球上任務(wù)設(shè)備；

②解復(fù)用提取出來(lái)自攝像系統(tǒng)控制器的RS485數(shù)據(jù)，輸出到球載攝像系統(tǒng)；

③解復(fù)用提取地面綜合管理計(jì)算機(jī)或監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)送的控制指令，輸出到測(cè)控計(jì)算機(jī)。

圖2 球載光端機(jī)及通信車光端機(jī)原理圖Fig.2 Schematics of tethered balloon optical and optical communication vehicle

2.1.4.2 中繼光端機(jī)

1)ADM同步光端機(jī)接收來(lái)自球載光端機(jī)的雙向光纖信號(hào)，通過(guò)光纖環(huán)路器分解出需要下行傳輸?shù)膯尾ㄩL(zhǎng)光信號(hào)，進(jìn)行光/電轉(zhuǎn)換，變成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)電信號(hào)后輸入到FPGA解復(fù)用集成電路。

2），ADM光端機(jī)對(duì)于上行信號(hào)的處理主要是向球上球載光端機(jī)中繼傳輸由通信測(cè)控車光端機(jī)發(fā)送來(lái)的信號(hào)，其原理框圖如圖3所示。

圖3 ADM光端機(jī)原理圖Fig.3 Schematics of ADM optical

2.1.4.3 通信車光端機(jī)

1）通信車光端機(jī)把下行傳輸?shù)墓庑盘?hào)通過(guò)光纖環(huán)路器分離出來(lái)，直到解復(fù)用還原為各路信號(hào)數(shù)據(jù)流。

2）對(duì)綜合管理計(jì)算機(jī)上傳的遙控指令、攝像控制指令、任務(wù)設(shè)備控制指令等上行信號(hào)進(jìn)行變換和復(fù)用。

2.2 無(wú)線通信設(shè)計(jì)

利用無(wú)線通訊設(shè)備進(jìn)行信息傳輸，主要是為了在光纖通信系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)所采取的應(yīng)急措施，這就要求無(wú)線通訊在任何緊急情況下都應(yīng)保證數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)傳輸。無(wú)線信道在本系統(tǒng)中僅用作空地通信的備份通路，并且不用于任務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸。

無(wú)線傳輸通信系統(tǒng)由無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)[8]和天線組成，球載無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)通過(guò)RS422總線接口與球載測(cè)控計(jì)算機(jī)相連，地面無(wú)線電臺(tái)通過(guò)RS422總線接口與地面綜合管理計(jì)算機(jī)相連。無(wú)線信道中的球載無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)在光纖通信正常時(shí)處于接收指令的狀態(tài)，地面數(shù)傳電臺(tái)則處于一種休眠模式，兩者都不需要頻繁地在收發(fā)狀態(tài)之間切換和消耗功率發(fā)射射頻信號(hào)。當(dāng)光通路故障時(shí)或認(rèn)為切換到無(wú)線通信時(shí)，球載測(cè)控計(jì)算機(jī)自動(dòng)切換無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，地面綜合管理計(jì)算機(jī)通過(guò)地面無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)接收測(cè)控系統(tǒng)傳下來(lái)的數(shù)據(jù)信息，并且將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)記錄；同時(shí)，地面綜合管理計(jì)算機(jī)的有關(guān)控制指令信息通過(guò)地面無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)上傳，球載無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)將接收到的信號(hào)指令傳送給測(cè)控計(jì)算機(jī)，通過(guò)測(cè)控計(jì)算機(jī)控制輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣球系留狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和調(diào)整。

3 軟件設(shè)計(jì)

有線/無(wú)線通信可進(jìn)行自動(dòng)切換和人工切換兩種模式，在錨泊車地面測(cè)控機(jī)箱上，通過(guò)開關(guān)設(shè)置“有線/無(wú)線”的切換功能，認(rèn)為撥動(dòng)該設(shè)置開關(guān)，進(jìn)行通信模式的切換，其流程圖如圖4所示。

圖4 通信流程圖Fig.4 Communication diagram

4 結(jié)論

針對(duì)系留氣球的使用現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了系留氣球通信系統(tǒng)，采用系留纜繩中的光纖作為通信介質(zhì)，通過(guò)球載光端機(jī)和地面光端機(jī)將球上數(shù)據(jù)或地面控制信息進(jìn)行傳送，當(dāng)光纖鏈路中某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障時(shí)，通信系統(tǒng)自動(dòng)切換到無(wú)線通信方式。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)合了有線通信、無(wú)線通及波分復(fù)用等方面的技術(shù)，提高了系留氣球出勤時(shí)信息傳輸?shù)男?。通過(guò)實(shí)際使用驗(yàn)證，該系統(tǒng)具有通信效率高，可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

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