鄧　輝，楊海清，孫云鵬

(中國人民解放軍92853部隊(duì)，遼寧 興城 125109)

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基于COFDM無線網(wǎng)橋的航空器遙測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

鄧輝，楊海清，孫云鵬

(中國人民解放軍92853部隊(duì)，遼寧 興城 125109)

摘要針對目前國內(nèi)航空器飛行試驗(yàn)現(xiàn)行的PCM /FM遙測系統(tǒng)傳輸體制特點(diǎn)，提出了基于編碼正交頻分復(fù)用(Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing，COFDM)傳輸體制的無線網(wǎng)橋航空器遙測系統(tǒng)技術(shù)方案。介紹了系統(tǒng)方案的總體構(gòu)成及功能，對系統(tǒng)軟、硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并闡述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要解決的問題。通過系統(tǒng)仿真(測試)進(jìn)行了可行驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)具備同時傳輸多路視頻和監(jiān)控多目標(biāo)航空器飛行的能力。

關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)采集編碼；COFDM調(diào)制；無線網(wǎng)橋；遙測系統(tǒng)

0引言

航空器飛行試驗(yàn)是在真實(shí)飛行條件下對其進(jìn)行空中物理試驗(yàn)的過程。由于飛行試驗(yàn)具有風(fēng)險大、周期長和測試數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)，因此，對航空器進(jìn)行遙測與實(shí)時監(jiān)控是確保試飛安全、提高試飛效率和縮短試飛周期的重要手段。無線電遙測系統(tǒng)可以遠(yuǎn)距離傳輸航空器上的測試數(shù)據(jù)和視頻圖像，是國內(nèi)外航空、航天試驗(yàn)領(lǐng)域研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。傳統(tǒng)航空器無線電遙測系統(tǒng)基本上是采用PCM/FM體制的單目標(biāo)、單數(shù)據(jù)流傳輸方式。隨著多目標(biāo)飛行試驗(yàn)科目的出現(xiàn)，要求測試的系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)和視頻圖像不斷增加，遙測傳輸速率需不斷提高，傳統(tǒng)PCM/M遙測傳輸方式已不能滿足日益增長的多目標(biāo)航空器飛行試驗(yàn)要求[1]。

針對國內(nèi)航空器飛行試驗(yàn)現(xiàn)行的PCM /FM遙測體制，提出了一種基于COFDM傳輸體制的無線網(wǎng)橋的航空器遙測系統(tǒng)方案。COFDM是近年來以正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Divided Multiplex，OFDM)為代表的多載波發(fā)射技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的調(diào)制傳輸技術(shù)，除具有多載波調(diào)制功能外，還擁有強(qiáng)大的編碼糾錯、抗多徑衰落、抗碼間干擾(ISI)，以及抗多普勒頻移的能力，真正實(shí)現(xiàn)了有阻擋、非通視和高速移動條件下的寬帶傳輸，是目前世界上最先進(jìn)和最具發(fā)展?jié)摿Φ恼{(diào)制傳輸技術(shù)[2]。相比傳統(tǒng)的PCM-FM傳輸體制架構(gòu)，該方案可實(shí)現(xiàn)地面同時跟蹤和監(jiān)控多目標(biāo)航空器，解決了飛行試驗(yàn)中普遍存在的遙測頻帶資源有限(傳輸速率低和傳輸圖像路數(shù)少)、抗干擾能力和數(shù)據(jù)保密性差等技術(shù)問題。

1系統(tǒng)總體方案

基于COFDM無線網(wǎng)橋(LAN型)的遙測系統(tǒng)方案分為空中和地面2部分。空中部分包括網(wǎng)絡(luò)采集記錄分系統(tǒng)、COFDM無線網(wǎng)橋發(fā)射分系統(tǒng)和GPS/北斗定位分系統(tǒng)，地面部分包括地面遙測接收分系統(tǒng)、GPS/北斗基站、實(shí)時多目標(biāo)顯示與監(jiān)控分析分系統(tǒng)[3]。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體方案

1.1　網(wǎng)絡(luò)采集記錄分系統(tǒng)

由網(wǎng)絡(luò)信息IP采集編碼器、數(shù)據(jù)下載器及數(shù)據(jù)處理器等組成。主要完成航空器上的視頻信號以及抽引出的總線數(shù)據(jù)、模擬量、GPS/北斗定位分系統(tǒng)輸出的定位數(shù)據(jù)等信息的采集，并按照設(shè)定的格式進(jìn)行復(fù)合編碼，形成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包輸出至COFDM無線網(wǎng)橋發(fā)射分系統(tǒng)；同時，可接收地面上傳的控制指令，完成設(shè)備狀態(tài)自檢、功能參數(shù)設(shè)置等操作[4]。

1.2　COFDM無線網(wǎng)橋發(fā)射分系統(tǒng)

由COFDM無線網(wǎng)橋發(fā)射機(jī)、功放和發(fā)射天線等組成。主要完成測試數(shù)據(jù)流的下行傳輸；上傳地面GPS/北斗基站實(shí)時信息，實(shí)現(xiàn)航空器上差分定位；上傳地面控制命令，實(shí)現(xiàn)對測試設(shè)備的狀態(tài)控制等[5]。

1.3　GPS/北斗定位分系統(tǒng)

由GPS/北斗接收天線、GPS/北斗采集定位器2部分組成。主要完成GPS/北斗二代衛(wèi)星信號的接收，通過無線數(shù)據(jù)鏈和地面站通信，實(shí)現(xiàn)實(shí)時差分定位解算，輸出航空器飛行高度、緯度及速度等航跡信息，產(chǎn)生秒脈沖(IRIG-B)碼[6]。

1.4　地面遙測接收分系統(tǒng)

由COFDM無線網(wǎng)橋接收子系統(tǒng)、GPS/北斗基站、控制子系統(tǒng)3部分組成。主要接收COFDM無線網(wǎng)橋發(fā)射機(jī)發(fā)射的網(wǎng)絡(luò)遙測數(shù)據(jù)信號并實(shí)時處理，通過網(wǎng)絡(luò)傳送到控制指揮中心[7]。通過一套地面接收系統(tǒng)可接收3個以上飛行目標(biāo)的遙測參數(shù)和視頻圖像信號。

1.5　實(shí)時多目標(biāo)顯示與監(jiān)控分系統(tǒng)

由數(shù)據(jù)實(shí)時接收軟件、監(jiān)控軟件、顯示軟件、記錄與回放軟件、硬件平臺(大屏液晶顯示器、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī))等組成。主要完成航空器理論軌跡與真實(shí)飛行軌跡的實(shí)時顯示，以及航空器實(shí)時視頻、系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的顯示等[5]。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1　硬件設(shè)計(jì)

2.1.1網(wǎng)絡(luò)采集記錄分系統(tǒng)

采用模塊化設(shè)計(jì)，板卡規(guī)劃為：視頻采集板、ARINC-429總線采集板、RS422總線采集板、模擬量采集板、頻率量和離散量采集板、集成主控板(主控模塊、PCM編碼模塊、以太網(wǎng)模塊及IRIG-B AC時碼模塊等)和電源板[4]。機(jī)體為密閉結(jié)構(gòu)，采用后出線方式，所有操作、采集和輸出接口設(shè)計(jì)在右側(cè)面板上。

2.1.2COFDM無線網(wǎng)橋發(fā)射分系統(tǒng)

每架航空器上安裝一臺COFDM無線網(wǎng)橋發(fā)射機(jī)作為普通節(jié)點(diǎn)，通過連接2個遠(yuǎn)程的LAN設(shè)備來實(shí)現(xiàn)高速LAN數(shù)據(jù)的實(shí)時雙向傳輸[5]。多個節(jié)點(diǎn)組成無線網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)可以以點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)的方式交換，節(jié)點(diǎn)也可以通過中繼傳輸增加傳輸距離。

2.1.3GPS/北斗定位分系統(tǒng)

采用GPS/北斗衛(wèi)星雙頻接收模塊，以接收GPS的L1、l3頻率信號及北斗B1、B2和北斗L1、L3的雙星四頻信號。系統(tǒng)硬件主要包括BD2衛(wèi)星接收模塊、FPGA時碼產(chǎn)生部分、高速DA部分、數(shù)據(jù)存儲與顯示等[6]。

2.1.4地面遙測接收分系統(tǒng)

設(shè)計(jì)為2套COFDM無線網(wǎng)橋接收機(jī)和4副全向天線作為中心節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)通過中心節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息實(shí)現(xiàn)雙向通信及一點(diǎn)對多點(diǎn)控制?？刂谱酉到y(tǒng)采用一點(diǎn)對多點(diǎn)模式，在滿足遙測目標(biāo)不少于6個的情況下，在地面建設(shè)兩套以上設(shè)備單元，每套地面接收系統(tǒng)按照3個目標(biāo)設(shè)計(jì)[7]。

2.1.5實(shí)時多目標(biāo)顯示與監(jiān)控分系統(tǒng)

基于系統(tǒng)硬件平臺(大屏液晶顯示器、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī))的系統(tǒng)軟件，不但要求測試參數(shù)的實(shí)時處理與顯示，還要求實(shí)現(xiàn)實(shí)時動態(tài)飛行效果分析功能。

2.2　軟件設(shè)計(jì)

2.2.1控制子系統(tǒng)管理軟件

控制子系統(tǒng)管理軟件是控制子系統(tǒng)核心，主要實(shí)現(xiàn)串口查詢判優(yōu)、命令數(shù)據(jù)編碼與發(fā)送、遙測數(shù)據(jù)接收，以及設(shè)備自檢、參數(shù)設(shè)置和控制等。程序按照3個模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別是初始化模塊、編碼與發(fā)送模塊、遙測數(shù)據(jù)接收模塊?？刂谱酉到y(tǒng)管理軟件流程如圖2所示。

圖2　控制子系統(tǒng)管理軟件流程

2.2.2數(shù)據(jù)顯示與監(jiān)控軟件

多目標(biāo)數(shù)據(jù)顯示與監(jiān)控分系統(tǒng)軟件是以Window XP為開發(fā)平臺，除能把接收到的遙測數(shù)據(jù)與圖像實(shí)時處理與顯示出來外，還具有航線生成、飛控參數(shù)及航線裝定、數(shù)據(jù)存盤與回放等功能。數(shù)據(jù)實(shí)時顯示部分用于將接收到的數(shù)據(jù)以一定格式或圖形的形式顯示出來，圖像顯示及實(shí)時更新部分是程序設(shè)計(jì)的重點(diǎn)[8]。數(shù)據(jù)實(shí)時顯示與監(jiān)控軟件流程如圖3所示。

圖3　數(shù)據(jù)實(shí)時顯示與監(jiān)控軟件流程

3需要解決的問題

3.1　無線網(wǎng)橋的遠(yuǎn)距離雙向數(shù)據(jù)傳輸問題

由于系統(tǒng)通過無線網(wǎng)橋?qū)⒁蕴W(wǎng)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)降孛娴耐瑫r，還需要將地面控制指令、GPS/北斗基站的基準(zhǔn)信息上傳到機(jī)載機(jī)載測試設(shè)備，完成設(shè)備狀態(tài)控制和差分定位，這就要求系統(tǒng)物理鏈路支持雙向傳輸?shù)哪芰?。COFDM的無線網(wǎng)橋傳輸系統(tǒng)采用的用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議(UDP)是基于IEEE.802.11b協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的成熟產(chǎn)品，無線網(wǎng)本身具有支持物理鏈路雙向傳輸?shù)墓δ躘6]。只是為了增大傳輸距離和減少試驗(yàn)場附近的其他干擾，將無線協(xié)議規(guī)定的頻段(2 400～2 483 MHz)修改為目前的300～470 MHz，并通過機(jī)載無線網(wǎng)橋后端加裝一個5 W的功率放大器，采用定制的刀型全向天線 ，實(shí)現(xiàn)真正的大功率遠(yuǎn)距離雙向傳輸。

3.2　多目標(biāo)的跟蹤與監(jiān)控問題

系統(tǒng)通過無線寬帶接入設(shè)備，采用點(diǎn)對多點(diǎn)方式組成一個多節(jié)點(diǎn)的自組織、自愈合的無線網(wǎng)狀網(wǎng)(Mesh)。每個航空器加裝一臺COFDM無線網(wǎng)橋發(fā)射機(jī)作為普通遠(yuǎn)程監(jiān)控節(jié)點(diǎn)(遠(yuǎn)端站)，地面遙測接收分系統(tǒng)安裝2套COFDM無線網(wǎng)橋接收機(jī)和4根全向天線作為中心節(jié)點(diǎn)(中心站)。一個中心點(diǎn)連接若干分布接入點(diǎn)，各分布接入點(diǎn)以共享方式分享中心點(diǎn)提供的信道帶寬[9]。網(wǎng)絡(luò)總帶寬54 Mbps，有效帶寬22 Mbps，所以每個中心站設(shè)備連接的遠(yuǎn)程監(jiān)控節(jié)點(diǎn)為3～5個，各分布接入點(diǎn)有效帶寬為3.5 Mbps(可選)，滿足多目標(biāo)跟蹤條件。另外，系統(tǒng)通過中心點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息實(shí)現(xiàn)雙向通信及一點(diǎn)對多點(diǎn)控制，從而實(shí)現(xiàn)一套系統(tǒng)至少顯示與監(jiān)控3～5個目標(biāo)的能力。

3.3　數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩Ｃ軉栴}

系統(tǒng)通過使用AES128或AES256加密(可選項(xiàng))來保證對已部署的節(jié)點(diǎn)設(shè)備狀態(tài)的控制[10]，通過內(nèi)置網(wǎng)頁瀏覽器或PC 版的綜合控制程序，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)參數(shù)狀態(tài)配置并監(jiān)測網(wǎng)狀網(wǎng)。

4系統(tǒng)仿真(測試)與結(jié)果分析

4.1　地面仿真試驗(yàn)

為驗(yàn)證系統(tǒng)方案的可行性，在地面搭建了一個車載活動節(jié)點(diǎn)，模擬飛行器移動節(jié)點(diǎn)。接收端使用了成品高增益全向無線網(wǎng)天線(增益≥17 dB)和COFDM無線網(wǎng)橋接收設(shè)備，進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)遠(yuǎn)距離地面?zhèn)鬏斣囼?yàn)[11]。試驗(yàn)進(jìn)行了3次：第1次是在數(shù)據(jù)發(fā)送和接收相距9 km，信號衰減-15 dB的情況下進(jìn)行的，傳輸一路分辨率為720×576 的數(shù)字彩色圖像，結(jié)果接收圖像質(zhì)量良好；第2次試驗(yàn)選擇傳輸距離為24 km，信號衰減-4 dB的情況下，傳輸2路相同分辨率的數(shù)字彩色圖像，結(jié)果圖像連續(xù)清晰，無圖像間斷；第3次為驗(yàn)證數(shù)據(jù)包傳輸和傳輸延遲測試，在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)上插入GPS 時碼卡，并在傳輸?shù)拿恳粋€數(shù)據(jù)包上打上GPS 時間標(biāo)記進(jìn)行傳輸，結(jié)果接收機(jī)接收到完整網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，系統(tǒng)軟件把時碼卡上的GPS 時間與同數(shù)據(jù)包上的時間標(biāo)記進(jìn)行比較，計(jì)算出數(shù)據(jù)傳輸延遲時間<10 ms，滿足實(shí)時監(jiān)控對數(shù)據(jù)時間實(shí)時性的要求。

4.2　飛行試驗(yàn)

系統(tǒng)設(shè)備在加改裝航空器完成后，進(jìn)行了系列測試檢查，在滿足放飛試驗(yàn)條件下進(jìn)行多次飛行試驗(yàn)。試驗(yàn)從起飛到30 km有效跟蹤階段，均接收到完整數(shù)據(jù)包，可解碼恢復(fù)并顯示出連續(xù)的數(shù)據(jù)和視頻圖像，試驗(yàn)結(jié)果與地面試驗(yàn)估算相吻合。后續(xù)的遠(yuǎn)距離飛行中，只要中間無遮擋，通信鏈路良好，系統(tǒng)均能有效接收到連續(xù)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)和圖像信號，圖像質(zhì)量良好，聲音和圖像接收同步，取得了良好的飛行試驗(yàn)結(jié)果。

4.3　測試結(jié)果分析

經(jīng)過系統(tǒng)仿真(測試)和飛行試驗(yàn)可以得出，基于COFDM體制無線網(wǎng)橋的航空器遙測系統(tǒng)方案是可行的，相比傳統(tǒng)的PCM-FM傳輸體制架構(gòu)具有明顯的優(yōu)勢。

① 真正實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的跟蹤與監(jiān)控。由于系統(tǒng)采用的是點(diǎn)對多點(diǎn)方式組成無線網(wǎng)狀網(wǎng)(Mesh)架構(gòu)，地面采用表面波全向360°的接收機(jī)天線，從而真正實(shí)現(xiàn)了地面一套接收設(shè)備接收和監(jiān)控多個目標(biāo)的能力[11]。試驗(yàn)結(jié)果為：跟蹤與監(jiān)控目標(biāo)數(shù)量不小于3個，有效作用距離>30 km(非通視條件下)；實(shí)時處理參數(shù)不小于100個。而傳統(tǒng)的PCM-FM傳輸體制架構(gòu)基本都是一套機(jī)載遙測系統(tǒng)，產(chǎn)生一路數(shù)據(jù)流，對應(yīng)一套地面遙測站接收。地面遙測站天線伺服系統(tǒng)的方向性，也不可能同時跟蹤接收多個飛行目標(biāo)的數(shù)據(jù)。

② 實(shí)現(xiàn)了機(jī)載測試數(shù)據(jù)和視頻圖像的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)遙測傳輸。目前國內(nèi)航空器在飛行試驗(yàn)中，視頻圖像的遙測傳輸采用的是對模擬 CCIR標(biāo)準(zhǔn)視頻信號進(jìn)行FM直接調(diào)制后無線傳輸，遙測的實(shí)際上是模擬信號，相比數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)傳輸存在著抗干擾能力差、傳輸帶寬大(只能傳輸一路視頻圖像)、傳輸體制不便于保密等缺點(diǎn)。由于本系統(tǒng)機(jī)載測試數(shù)據(jù)和視頻圖像的實(shí)行的是數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)傳輸架構(gòu)，視頻圖像經(jīng)數(shù)字壓縮(壓縮編碼方式：H.264)后[12]，其速率可以降低到與PCM速率相當(dāng)，這樣就可以減小射頻信號帶寬，增加視頻信號傳輸?shù)臄?shù)量。試驗(yàn)結(jié)果：一個節(jié)點(diǎn)可同時傳輸兩路相同分辨率的數(shù)字彩色圖像，圖像連續(xù)清晰。

5結(jié)束語

基于COFDM體制的無線網(wǎng)橋遙測系統(tǒng)技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)了飛行試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)和視頻圖像的遠(yuǎn)距離遙測傳輸，滿足了地面遙測系統(tǒng)同時接收和監(jiān)控多個目標(biāo)的需求，開創(chuàng)了一條網(wǎng)絡(luò)化、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的航空器遙測傳輸技術(shù)新途徑，簡化了傳輸設(shè)備，使有限的頻率資源得以充分利用。通過上行數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)了空地一體化測試，該方案在多目標(biāo)聯(lián)合試飛、無人機(jī)試飛數(shù)據(jù)鏈等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

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鄧輝男，(1972—)，工程師。主要研究方向：飛行器測控技術(shù)研究。

楊海清男，(1984—)，工程師。主要研究方向：飛行器測控技術(shù)研究。

Realization of Aircraft Telemetry System Based on

COFDM Wireless Bridge

DENG Hui,YANG Hai-qing,SUN Yun-peng

(Unit92853,PLA,XingchengLiaoning125106,China)

AbstractBased on the characteristics of PCM /FM telemetry system of the current aircraft flight test in China,a design scheme of telemetry system is proposed which uses the technique of wireless bridge based on COFDM transmission system.The overall structure and function of the scheme are introduced,the software and hardware are designed,the problems to be solved in the system design are described,and the system viability verification test is conducted through simulation(test).The test results show that the system is capable of simultaneous transmission of multi-channel video and multi-target aircraft flight surveillance.

Key wordsnetwork collection coding;COFDM modulation;wireless bridge;telemetry system

作者簡介

收稿日期：2015-03-16

中圖分類號TN827+.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1003-3106(2015)06-0016-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.06.05

引用格式：鄧輝，楊海清，孫云鵬.基于COFDM無線網(wǎng)橋的航空器遙測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J].無線電工程，2015，45(6)：16-19.