霍建華

高原型移動(dòng)式遙測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建

霍建華

霍建華 劉 丹 郭世偉

中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院測(cè)試所

在多年建設(shè)移動(dòng)式遙測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合高原試飛環(huán)境的特殊應(yīng)用需求，以具有高原野戰(zhàn)性能的車(chē)為載體，重新構(gòu)建了一套高原型移動(dòng)式遙測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，選擇高靈敏度和寬動(dòng)態(tài)范圍的遙測(cè)接收設(shè)備及高性能的數(shù)據(jù)處理設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了遙測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的全部功能。面對(duì)高原環(huán)境所帶來(lái)的供電、缺氧等問(wèn)題，增加了應(yīng)急設(shè)備。經(jīng)實(shí)踐證明，該系統(tǒng)能夠很好地滿(mǎn)足高原試飛的遙測(cè)監(jiān)控需求，并具有良好的通用性。

隨著飛機(jī)的不斷發(fā)展，性能的不斷提高，飛機(jī)系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，飛行試驗(yàn)遙測(cè)監(jiān)控成為保障飛行安全必不可少的手段之一。移動(dòng)式遙測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的使用，使多地多環(huán)境下飛行試驗(yàn)的遙測(cè)監(jiān)控更加便利。現(xiàn)有的多套移動(dòng)式遙測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)已圓滿(mǎn)完成高溫、高寒、高濕等多種環(huán)境下的試飛監(jiān)控任務(wù)。但高原的太陽(yáng)輻射強(qiáng)、地形環(huán)境復(fù)雜、氣壓低、晝夜溫差大、空氣密度低等特點(diǎn)，對(duì)移動(dòng)式遙測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)提出新的要求。地形環(huán)境復(fù)雜要求遙測(cè)接收系統(tǒng)有良好的抗多徑性能和必要的跟蹤手段；大氣中氧氣的含量相對(duì)較低，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力影響較大，以及艙內(nèi)參試人員面臨缺氧等問(wèn)題?，F(xiàn)有系統(tǒng)不能滿(mǎn)足高原特殊環(huán)境的這些應(yīng)用，需要重新建設(shè)。

1 構(gòu)建原則

高原型移動(dòng)式遙測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)在滿(mǎn)足高原試飛的前提條件下，結(jié)合遙測(cè)監(jiān)控的實(shí)際需要，應(yīng)滿(mǎn)足以下幾項(xiàng)設(shè)計(jì)原則。

（1）盡可能采用成熟技術(shù)，充分借鑒國(guó)內(nèi)外各類(lèi)先進(jìn)技術(shù)，通過(guò)消化、移植、融合、創(chuàng)新，完成快速研制。

（2）需具備較高的技術(shù)性能，要充分考慮高原試飛環(huán)境遙測(cè)所面臨的多徑效應(yīng)等問(wèn)題，需要充分比較國(guó)內(nèi)外各類(lèi)遙測(cè)天線、接收機(jī)等的性能指標(biāo)，以保證活動(dòng)站達(dá)到最佳的配置效果。

（3）配套設(shè)備體積小、重量輕、功耗低、集成高、可折疊將作為系統(tǒng)設(shè)備的主要選擇條件。并根據(jù)設(shè)備情況，在設(shè)備安裝中進(jìn)行減震處理，以達(dá)到快速、機(jī)動(dòng)、靈活、方便展開(kāi)工作的使用條件。

（4）選擇具有高原野戰(zhàn)性能的車(chē)載設(shè)備，針對(duì)高原試飛環(huán)境特點(diǎn)，配備適當(dāng)?shù)膽?yīng)急設(shè)備。

圖1 遙測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)功能劃分

2 系統(tǒng)功能及組成

高原型移動(dòng)式遙測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是完成高原環(huán)境下飛行試驗(yàn)的遙測(cè)跟蹤，并能夠在艙內(nèi)完成整個(gè)飛行試驗(yàn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控及數(shù)據(jù)處理。考慮到系統(tǒng)的可用性及擴(kuò)展性，該系統(tǒng)應(yīng)能夠通過(guò)光纜將數(shù)據(jù)發(fā)送到其他的監(jiān)控場(chǎng)所，完成更詳細(xì)的試驗(yàn)結(jié)果的監(jiān)測(cè)。另外它還應(yīng)包括一些輔助設(shè)備，以更好地完成飛行試驗(yàn)的遙測(cè)監(jiān)控。因此可以將它分為三部分，遙測(cè)跟蹤系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和輔助設(shè)備。

遙測(cè)跟蹤系統(tǒng)主要完成飛機(jī)的遙測(cè)跟蹤，并將飛機(jī)發(fā)射的信號(hào)實(shí)時(shí)接收、解調(diào)，將解調(diào)后的信號(hào)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。在有實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的地方，可以通過(guò)光傳輸設(shè)備將信號(hào)傳輸過(guò)去，在那里完成飛行試驗(yàn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)完成事先準(zhǔn)備、實(shí)時(shí)處理和數(shù)據(jù)回放等功能。將收到的信號(hào)進(jìn)行位同步、幀同步后，通過(guò)事先準(zhǔn)備好的軟件進(jìn)行工程單位轉(zhuǎn)換之后，將參數(shù)值發(fā)送給監(jiān)控計(jì)算機(jī)，通過(guò)監(jiān)控畫(huà)面將需要檢測(cè)的參數(shù)值進(jìn)行顯示，供研究人員監(jiān)控。在處理的同時(shí)它可以將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，用于事后進(jìn)行實(shí)時(shí)重現(xiàn)。

輔助設(shè)備主要用于工作人員查看信號(hào)是否正常，或?qū)ο到y(tǒng)設(shè)備進(jìn)行檢查時(shí)使用。另外還包括信號(hào)傳輸設(shè)備等，幫助參試人員更好地完成飛行試驗(yàn)的遙測(cè)監(jiān)控。

高原型移動(dòng)式遙測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 遙測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 關(guān)鍵技術(shù)

抗多徑效應(yīng)

高原環(huán)境對(duì)遙測(cè)接收系統(tǒng)主要是多徑效應(yīng)的影響。地形是影響電磁波傳輸?shù)闹匾蛩?，高原山地地形?duì)遙測(cè)信號(hào)的反射直接影響接收信號(hào)的質(zhì)量。在遙測(cè)天線跟蹤飛行目標(biāo)的過(guò)程中，由于遙測(cè)信號(hào)受到山地環(huán)境的影響，時(shí)常會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的多徑效應(yīng)，導(dǎo)致遙測(cè)接收信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)發(fā)生劇烈的變化，易引起自跟蹤天線丟失目標(biāo)，大大降低遙測(cè)數(shù)據(jù)接收的可靠性。另外在飛行過(guò)程中，飛機(jī)的高度、姿態(tài)、距離一直在變化，其發(fā)射波的極化也會(huì)變化。因此，地面接收天線極化和機(jī)上發(fā)射天線極化不可能始終處于良好的匹配狀態(tài)，極化匹配不好，其損失會(huì)很大。為改善接收端信號(hào)的瞬時(shí)信噪比和平均信噪比，提高遙測(cè)數(shù)據(jù)接收的可靠性，可采用分集接收技術(shù)，從而有效抑制多徑效應(yīng)對(duì)遙測(cè)信號(hào)的影響。

分集的目的是確保信號(hào)不中斷，提高信道的可靠性和改善接收信號(hào)質(zhì)量。常用的分集接收技術(shù)包括極化分集、空間分集和頻率分集?？臻g分集需要兩個(gè)天線并保持一定距離，不適合在移動(dòng)式遙測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中使用，頻率分集需要兩個(gè)及以上頻率，考慮到遙測(cè)頻段緊張等現(xiàn)狀，不適合采用，因此選擇極化分集接收技術(shù)較為合適。通常都將地面接收天線做成左右旋圓極化接收，再進(jìn)行分集合成，以適應(yīng)機(jī)上不同的極化型式及傳播中的極化變化。

在系統(tǒng)構(gòu)建中，選擇具有雙極化接收能力的遙測(cè)接收天線和具有抗多徑效應(yīng)的遙測(cè)接收機(jī)，保證系統(tǒng)在高原、山區(qū)等特殊地形遙測(cè)信號(hào)的接收質(zhì)量。除天線性能外，還要考慮天線的使用及運(yùn)輸環(huán)境。典型的高原環(huán)境晝夜溫差大，最大風(fēng)速達(dá)35m/s，整個(gè)系統(tǒng)又以高原越野性能的車(chē)為載體，為方便安裝、運(yùn)輸，且天線應(yīng)有可靠的抗風(fēng)及加溫能力。以往系統(tǒng)多選用拋物面天線，對(duì)于高原如此大的風(fēng)速不太合適，因此選取帶有圓包型天線罩的COM’TRACK自跟蹤天線較為合適。利用接收機(jī)的極化分集組合輸出，可以獲得大于3dB的改善，明顯提高遙測(cè)信號(hào)質(zhì)量，從而更好地克服高原山地環(huán)境下的多徑效應(yīng)。

圖3 遙測(cè)接收極化分集組合

數(shù)字引導(dǎo)

為了解決高原山地環(huán)境對(duì)遙測(cè)跟蹤的影響，更好地完成飛行試驗(yàn)的遙測(cè)監(jiān)控任務(wù)，采取多種跟蹤方式相結(jié)合的方式進(jìn)行，包括自動(dòng)跟蹤、手動(dòng)跟蹤、數(shù)字引導(dǎo)跟蹤等多種方式。

天線的數(shù)字引導(dǎo)功能通過(guò)RS232接口來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)該接口將跟蹤的目標(biāo)信息輸入到控制軟件中，軟件可以根據(jù)這些信息來(lái)控制天線進(jìn)行跟蹤，使得跟蹤更將準(zhǔn)確且不容易丟失目標(biāo)。這就要求被跟蹤目標(biāo)發(fā)射的信號(hào)中包含位置信息（如GPS定位信息或北斗定位信息），主要是目標(biāo)的經(jīng)度、緯度和高度信息。通過(guò)對(duì)接收到得信號(hào)進(jìn)行處理，提取位置信息，并將這些信息組合成軟件可以識(shí)別的幀格式，發(fā)送給控制軟件，從而實(shí)現(xiàn)天線的數(shù)據(jù)引導(dǎo)。另外，最新的RTR接收機(jī)可以將位、幀同步后的數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)輸出?？梢跃庉嫷谌杰浖腞TR處獲取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，通過(guò)處理提取所需的位置信息，并將這些信息按照天線控制軟件接口的要求進(jìn)行重組，發(fā)送給天線控制軟件，從而實(shí)現(xiàn)天線的數(shù)據(jù)引導(dǎo)。

由于天線配套的控制軟件對(duì)接收的位置信息直接接收并計(jì)算，而不進(jìn)行數(shù)據(jù)判斷，這就使得在信號(hào)出現(xiàn)跳點(diǎn)或變差時(shí)，天線可能會(huì)出現(xiàn)大幅擺動(dòng)。這不僅對(duì)天線設(shè)備造成損害，也更容易丟失目標(biāo)，因此，在開(kāi)發(fā)接口軟件時(shí)，需要考慮壞點(diǎn)的剔除。

在實(shí)際飛行監(jiān)控中，飛機(jī)飛行速度都低于2.5馬赫。因此在軟件設(shè)計(jì)中，當(dāng)兩次數(shù)值相差大于0.007度時(shí)，即提示數(shù)據(jù)超標(biāo)，并將上一次的數(shù)值發(fā)送給天線控制器，使天線保持上一位置狀態(tài)，從而更好地完成飛行試驗(yàn)的遙測(cè)監(jiān)控任務(wù)。

4 車(chē)載特性

整個(gè)系統(tǒng)以高原野戰(zhàn)性能的車(chē)為載體，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，如何使系統(tǒng)更適于運(yùn)輸，便于人員操作是必須考慮的問(wèn)題。另外還需考慮設(shè)備的工作環(huán)境要求以及人員缺氧等問(wèn)題。整個(gè)方艙的設(shè)備安置如圖4所示。

圖4 方艙安置示意圖

（1）天線的安裝及運(yùn)輸。 整個(gè)系統(tǒng)以車(chē)為載體，在運(yùn)輸過(guò)程中難免會(huì)出現(xiàn)劇烈的顛簸。這種振動(dòng)會(huì)對(duì)天線產(chǎn)生很大的損害。盡量減少由于振動(dòng)引起的系統(tǒng)故障是必須考慮的一個(gè)問(wèn)題。而選用的COM'TRACK天線體積小、重量輕、連線簡(jiǎn)單，因此對(duì)天線采取裝箱運(yùn)輸，到達(dá)目的地進(jìn)行安裝的方式，從而更好地減小振動(dòng)對(duì)天線的影響。

另外，天線使用時(shí)應(yīng)升至艙外，須采用升降結(jié)構(gòu)，采用電動(dòng)方式進(jìn)行升降。天線升起后，天線底座與艙頂緊密結(jié)合，保證了艙的密封性。

（2）設(shè)備安裝。遙測(cè)設(shè)備的安裝不僅要考慮運(yùn)輸?shù)膯?wèn)題，同時(shí)還要考慮人員操作的方便。設(shè)備安裝的高度及安置方向是最重要的兩個(gè)方面。艙內(nèi)所有設(shè)備都安裝在機(jī)柜上加以固定，并對(duì)機(jī)柜進(jìn)行防震處理。機(jī)柜安置方向?yàn)榇怪迸c倉(cāng)體，這樣使得工作人員檢查連線比較方便。艙內(nèi)除安裝設(shè)備外，還得留有一定的剩余空間供人員活動(dòng)及應(yīng)急設(shè)備安放。

（3）環(huán)境要求。一方面是指設(shè)備對(duì)環(huán)境溫度的要求。環(huán)境溫度過(guò)低會(huì)出現(xiàn)設(shè)備無(wú)法啟動(dòng)，過(guò)高則可能出現(xiàn)死機(jī)等現(xiàn)象，艙內(nèi)必須配備空調(diào)來(lái)調(diào)節(jié)溫度。在高寒環(huán)境下，只用空調(diào)無(wú)法快速達(dá)到設(shè)備的溫度需求，還需增加熱風(fēng)機(jī)，以更快地調(diào)節(jié)溫度。另外艙內(nèi)配備必要的照明設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備。另一方面，艙內(nèi)空間有限，參試人員多，考慮到高原環(huán)境可能帶來(lái)的缺氧問(wèn)題，車(chē)內(nèi)應(yīng)配備簡(jiǎn)易應(yīng)急供氧裝置。

（4）供電需求。高原試飛可能會(huì)遇到遙測(cè)方艙停放位置供電不便的問(wèn)題，需要配備小型汽油發(fā)電機(jī)，其供電時(shí)間應(yīng)能達(dá)到6小時(shí)以上。

5 結(jié)束語(yǔ)

高原型移動(dòng)式遙測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)以高原野戰(zhàn)性能的車(chē)為載體，主要用于保障高原區(qū)域外場(chǎng)科研試飛工作，為外場(chǎng)試飛工程師提供一個(gè)較舒適的工作環(huán)境和應(yīng)急救護(hù)。目前，高原型移動(dòng)式遙測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)已完成了一系列的任務(wù)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)在高原環(huán)境下飛行試驗(yàn)領(lǐng)域的實(shí)用性。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.01.002