安玉嬌，劉朝君，井　立

(中國飛行試驗研究院 飛機所，西安　710089)

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基于某模型自由飛試驗的測控與信息傳輸系統(tǒng)設計

安玉嬌，劉朝君，井立

(中國飛行試驗研究院 飛機所，西安710089)

摘要：針對模型自由飛試驗的技術要求，設計了某模型自由飛試驗使用的測控與信息傳輸系統(tǒng)，針對系統(tǒng)設計要點突破了多項關鍵問題，給出了系統(tǒng)關鍵點的設計方法和具體實現(xiàn)過程，并結(jié)合實例和仿真給出了相應的結(jié)果，通過地面試驗對整個測控與信息傳輸系統(tǒng)的性能進行測試，包括地面及機載收發(fā)信機的接收靈敏度測試、系統(tǒng)時延測試等，試驗結(jié)果表明，收發(fā)信機接收靈敏度及鏈路延時等指標都能滿足模型自由飛試驗的要求;對同類型系統(tǒng)設計有重要參考價值。

關鍵詞：測控系統(tǒng)；信息傳輸系統(tǒng)；模型自由飛

0引言

模型自由飛試驗是當代航空技術必不可少的研究手段之一。在型號飛行試驗中，一些極限飛行狀態(tài)的試驗，如失速/尾旋、過失速機動等，由于試驗的風險太大、代價太高，為了降低風險，避免盲目性，用模型自由飛試驗進行預先探索是一種有效的研究手段[1]。在傳統(tǒng)的模型自由飛試驗中，地面操縱飛行員只能依靠視距操縱模型驗證機(簡稱模型)完成試飛科目，試驗范圍有限，天氣等外在因素對試驗的影響較大，對于模型飛行姿態(tài)、速度和高度等關鍵信息的獲取只能依賴于操縱飛行員的經(jīng)驗，所以這種試驗方法效率較低，試驗失敗率較大，且對于操縱飛行員的心理素質(zhì)及能力要求極高，如果速度和高度判斷不準，容易導致模型回收失敗，造成嚴重經(jīng)濟損失。在模型自由飛試驗中利用測控與信息傳輸系統(tǒng)可以實現(xiàn)超視距操縱模型進行試驗的目的。

測控與信息傳輸系統(tǒng)是地面任務站與模型之間聯(lián)系的唯一通道，承擔著對模型飛行控制指令的抗干擾傳輸，并將采集到的設備狀態(tài)、關鍵試驗數(shù)據(jù)等信息實時傳回到地面任務站各單元的任務。目前，對測控與信息傳輸技術的應用與介紹大多是針對無人機系統(tǒng)或多無人機系統(tǒng)而言的[2-3]，與無人機飛行和執(zhí)行任務的特點都密切相關。本文從模型自由飛試驗任務的特點出發(fā)，詳細討論了基于某模型自由飛試驗的測控與信息傳輸系統(tǒng)設計全過程，并通過地面試驗結(jié)果分析了測控與信息傳輸系統(tǒng)的重要性能。

1測控與信息傳輸系統(tǒng)設計要點分析

模型自由飛試驗可降低全尺寸飛機的試飛風險，尤其在大迎角特性飛行試驗中，利用模型自由飛試驗結(jié)果來分析全尺寸飛機的大迎角飛行特性，可以對全尺寸飛機的飛行試驗、飛行動作設計提供依據(jù)，避免其盲目性。根據(jù)模型自由飛試驗的特點，對測控與信息傳輸系統(tǒng)設計要點進行了如下分析：

1)模型進入失速、尾旋飛行狀態(tài)時，其機動性很強，姿態(tài)變化急劇，例如其方位姿態(tài)變化有時可達200°/s，為保證信號傳輸?shù)目煽啃?，必須考慮由于模型姿態(tài)劇烈變化可能引起的機載天線遮擋問題。

2)模型在空中進行失速、尾旋的飛行試驗時間持續(xù)較短，對于無動力模型自由飛試驗而言，從模型經(jīng)載機投放到最終開傘落地的時間大約為20 s，這就要求模型驗證系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路傳輸具有較高的實時性，以保證能夠及時地獲取飛行試驗數(shù)據(jù)。

3)試驗過程中，模型的下降高度變化迅速，法向過載比較大，要求地面跟蹤設備在俯仰方向上要具備較高的跟蹤性能。在測控與信息傳輸系統(tǒng)設計中應保證系統(tǒng)具備較精準的測距和測角功能。

4)一般情況下，模型都是其對應機型的縮比形式，所以其體積相對較小，其所能容納機載設備的空間很有限，這對機載設備的小型化設計技術提出了較高的要求。

5)對于無動力模型自由飛而言，回收方式一般為傘降回收，如果開傘不利或傘降高度不夠的話，可能會使模型在觸地時承受較大的沖擊；對于帶動力模型自由飛而言，其發(fā)動機一般具有較大的振動，這就要求機載設備具有較高的抗沖擊能力和抗振特性。

模型測控與信息傳輸系統(tǒng)的研制必須充分考慮模型自由飛試驗的特點，在機載天線組合，鏈路傳輸實時性、準確性和可靠性，跟蹤模型試驗動作快速性，機載設備抗振及抗沖擊能力等方面都提出了比較高的要求。

2測控與信息傳輸系統(tǒng)設計

2.1系統(tǒng)功能描述

測控與信息傳輸系統(tǒng)主要由機載測控設備和地面測控設備兩大部分組成。機載測控設備通過遙測鏈路將采集到的圖像信息和飛行參數(shù)傳送至地面站，然后地面測控設備對遙測鏈路數(shù)據(jù)進行解調(diào)和解碼并送至地面站的顯控系統(tǒng)進行顯示，操縱飛行員根據(jù)飛行狀態(tài)和飛行參數(shù)等信息，使用飛行操縱系統(tǒng)來控制模型飛行。地面飛行控制計算機根據(jù)操縱信息，解算出控制指令，通過地面測控設備中的遙控發(fā)射系統(tǒng)上傳給模型，機載測控設備接收到指令后通過飛行控制系統(tǒng)生成控制信號，驅(qū)動伺服機構來控制模型的飛行。圖1和圖2 分別為機載和地面測控設備組成原理圖。

圖1　機載測控設備組成原理圖

圖2　地面測控設備組成原理圖

2.2機載系統(tǒng)天線設計

傳統(tǒng)的線極化天線在飛機機動性較大或者受到機體遮擋等因素影響時，自身設計不足或受機體的影響，會形成“凹坑”，即某些俯仰角度上天線的增益較低。

當飛機的機動性較小時，通過合理設計天線的方向圖或者在飛機機體上選擇天線的合適位置，能夠避免“凹坑”在使用過程中出現(xiàn)。然而在使用模型進行飛行試驗時，其機動性一般都很高，這就使得“凹坑”可能會在某個俯仰角度上出現(xiàn)，當模型一直以該姿態(tài)飛行時，就會造成機載與地面之間信號產(chǎn)生中斷，影響飛行安全。

為了解決該問題，在測控與信息傳輸系統(tǒng)中，機載采用雙天線組合工作，即在模型合適位置上安裝兩個機載天線，兩個天線的方向圖能夠在每個方向上都能夠達到設計的天線增益，使得飛機在高機動狀態(tài)下以保持接收或者發(fā)射信號穩(wěn)定，保證飛行試驗的安全。

2.3遙控傳輸編碼方式確定和實現(xiàn)

遙控采用DS(直接序列擴頻)+QPSK(四相相移鍵控)調(diào)制體制。直接序列擴頻具有很好的抗多徑和抗有源干擾的能力，QPSK調(diào)制是一種具有較高頻帶利用率和良好的抗噪聲性能的調(diào)制方式。

對于遙控數(shù)據(jù)，若采用交織編碼加卷積編碼的方式，會加大遙控指令的傳輸時延。本系統(tǒng)采用了(4，3，7)卷積編碼方式，按照數(shù)據(jù)傳輸速率為50 kbps計算，可獲得約3.5 dB的編碼增益，且在一定程度上能滿足系統(tǒng)時延的要求。

在擴頻碼率的選擇上，考慮到系統(tǒng)帶寬和抗干擾能力，選用的擴頻碼率為6.144 Mchip/s，其擴頻增益大致為20 dB。圖3為遙控編碼和調(diào)制體制實現(xiàn)框圖。

圖3　加入編碼和采用QPSK的遙控鏈路調(diào)制實現(xiàn)框圖

2.4遙測和圖像傳輸編碼方式確定和實現(xiàn)

遙測和圖像采用同一鏈路進行傳輸，為了簡化系統(tǒng)設計并達到性能優(yōu)化的目的，采用UQPSK調(diào)制域復合傳輸體制，即不平衡QPSK調(diào)制方式，實質(zhì)是同頻正交的BPSK(二相相移鍵控)調(diào)制信號的復合。其中圖像支路分配較高的功率，遙測信號相對于圖像而言碼率很低，只需要分配較小的功率。進行BPSK調(diào)制之前，首先對遙測信號進行直接序列擴頻，達到圖像信號的帶寬，然后進行復合傳輸。

對于圖像數(shù)據(jù)，可采用RS(255，223)+ (2，1，7)卷積編碼方式，可獲得約7 dB的編碼增益。

對于遙測數(shù)據(jù)，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡脱訒r性，也沒有采用交織編碼加卷積編碼的方式，而同樣采用(4，3，7)卷積編碼方式，按照遙測數(shù)據(jù)傳輸速率為100 kbps計算，可獲得約3.5 dB的編碼增益。遙測的擴頻碼率與遙控相同，這樣擴頻增益大致為15 dB。加入編碼和采用UQPSK的遙測和圖像鏈路調(diào)制實現(xiàn)如圖4所示。

圖4加入編碼和采用UQPSK的遙測和圖像鏈路調(diào)制實現(xiàn)框圖

2.5圖像壓縮處理技術仿真分析

為了更好地對模型進行操縱，操縱飛行員要能夠很好地觀察到模型的飛行姿態(tài)，故對圖像壓縮質(zhì)量要求較高。

為了保證較高的視頻質(zhì)量，系統(tǒng)選用目前應用最多的視頻圖像壓縮標準H.264進行視頻圖像的壓縮。H.264在數(shù)據(jù)處理過程中采用了整數(shù)DCT變換，多種模式的幀內(nèi)、幀間預測，可變長編碼等編碼性能較高的技術。

圖5給出了在輸入為單幀大小為720×576的標準測試序列，碼率為2 M，幀率為25幀/秒的情況下仿真結(jié)果中某一幀的比較圖。如圖5(a)，(b)所示，解碼圖像主觀質(zhì)量幾乎沒有差別。

經(jīng)過仿真比較，從解碼圖像重建時間和編碼質(zhì)量兩方面綜合考慮，采用每5幀一個I幀的H.264算法，用2 Mbps傳輸速率傳輸分辨率為(720×576)的輸入圖像，能夠很好的滿足本系統(tǒng)的技術要求。

2.6系統(tǒng)跟蹤定位功能實現(xiàn)

為實現(xiàn)對模型機的跟蹤定位，必須實時獲得模型的方位和距離信息，因此，系統(tǒng)必須具備對模型機進行測距和測角的功能。

系統(tǒng)采用偽碼測距技術實現(xiàn)對模型的測距功能。偽碼測距可以直接利用遙控遙測信號的擴頻傳輸體制，不需要額外增加頻率和硬件資源，只需要在FPGA平臺中嵌入相應的處理算法，具體方法如下：

在PN碼捕獲跟蹤后，利用接收的PN控制遙測數(shù)據(jù)的PN擴頻序列相位。在地面接收設備中，接收到的遙測數(shù)據(jù)幀和地面發(fā)送遙控數(shù)據(jù)幀的位數(shù)差以及其PN序列的相位差也就對應著遙測遙控數(shù)據(jù)在空中傳播的時間延遲，距離就是利用這兩個比較值來計算的，如圖6，圖7所示。

圖6　測距系統(tǒng)機載單元

圖7　測距系統(tǒng)地面單元

模型在空中進行飛行試驗時與地面系統(tǒng)的角度關系始終是變化的，這就需要地面天線具有跟蹤能力以保證鏈路通暢，對模型的“定位”功能要求系統(tǒng)的測角精度較高。本系統(tǒng)采用“單脈沖”跟蹤體制，采用數(shù)字伺服接收機對兩路接收天線的信號進行接收并處理，解調(diào)出角度信息。角度信息送給天線控制單元，驅(qū)動方位電機使得天線指向模型。此外，還可以與GPS導航定位數(shù)據(jù)進行融合，以提高定位精度。

3試驗結(jié)果及分析

3.1試驗概述

通過地面試驗對整個測控與信息傳輸系統(tǒng)的性能進行測試，主要包括地面/機載收發(fā)信機的接收靈敏度測試、系統(tǒng)時延測試、數(shù)據(jù)傳輸速率測試以及測距功能測試等多個方面。由于篇幅有限，下面僅給出地面/機載收發(fā)信機的接收靈敏度測試及系統(tǒng)時延的測試方法及結(jié)果，并進行相應的分析。

3.2地面/機載收發(fā)信機的接收靈敏度測試

接收靈敏度用門限電平值進行表征，檢測當鏈路衰減達到指標要求的數(shù)值時，遙控、遙測及圖像鏈路是否能夠穩(wěn)定建立，并且傳輸誤碼率是否滿足指標要求。接收靈敏度測試原理如圖8所示。

圖8　接收靈敏度測試原理

機載收發(fā)信機接收靈敏度測試方法：將遙控鏈路總衰減值調(diào)為固定值，設備加電，工作于默認頻點，等待鏈路工作穩(wěn)定；通過調(diào)節(jié)可調(diào)衰減器的衰減值，使機載收發(fā)信機入口處的電平設定在門限電平附件，并且確保遙控鏈路可穩(wěn)定工作；按照接口協(xié)議用串口調(diào)試軟件以15 ms為周期發(fā)送遙控數(shù)據(jù)，查看對應的機載輸出端有無正確的數(shù)據(jù)輸出，逐漸增大衰減值，并記錄最大衰減值；將可調(diào)衰減器調(diào)至0 dB，利用功率計測試機載設備遙控信號輸入端的功率，該功率值減去記錄的最大衰減值即為遙控信號的接收靈敏度。遙測及圖像信號的接收靈敏度測試方法原理相同，不再贅述。表1為機載收發(fā)信機接收靈敏度測試值。序號1~12表示對應1~12個頻點。

通過表1中的測試數(shù)據(jù)可知機載收發(fā)信機的接收門限電平值均小于-110 dBM，滿足指標要求。

3.3系統(tǒng)實時性測試

時間延遲是指以地面飛行控制計算機發(fā)送測試數(shù)據(jù)的時間點為起始點，數(shù)據(jù)經(jīng)過遙控遙測鏈路傳輸再次回到地面飛行控制計算機時所經(jīng)歷的時間間隔。測試數(shù)據(jù)選取1~100，地面飛行控制計算機以自己的時鐘為周期發(fā)送測試數(shù)據(jù)，第一次發(fā)送

表1　機載收發(fā)信機接收靈敏度測試值

從1開始，每個周期發(fā)送數(shù)值累加1，當數(shù)值累加到100并發(fā)送完成后，再將數(shù)值設回1，循環(huán)累加往復發(fā)送；機載飛控計算機在遙控數(shù)據(jù)幀中取出相應的測試數(shù)據(jù)，并填到遙測數(shù)據(jù)幀中發(fā)送回地面飛行控制計算機。

圖9為時間延遲測試數(shù)據(jù)，實線表示地面飛行控制計算機接收的測試數(shù)據(jù)，虛線表示地面飛行控制計算機發(fā)送的測試數(shù)據(jù)；橫軸表示時間，縱軸表示設定的測試數(shù)據(jù)1~100。

圖9　時間延時測試數(shù)據(jù)

選取圖中每個鋸齒波頂端為分析點，實線滯后于虛線，從圖中可測出時間延遲平均為90 ms，滿足模型自由飛試驗對于系統(tǒng)的實時性要求。

對于測控信號傳輸延遲主要由兩個部分構成，一部分為采用編譯碼的傳輸延遲，一部分為接口處理時的緩存延遲。 對于編譯碼來說，遙測和遙控采用了(4，3，7)卷積編碼，信道延遲約為370個碼元。若遙控速率按50 kbps，遙測速率按100 kbps計算，則遙控鏈路的編譯碼延遲為7.4 ms，遙測鏈路的編譯碼延遲為3.7 ms。接口處理時的緩存延遲一般為3個數(shù)據(jù)幀的延遲，同樣按照上面假設的速率值進行計算，則遙控鏈路的編譯碼延遲為30 ms，遙測鏈路的編譯碼延遲為15 ms。為此，遙控數(shù)據(jù)傳輸延遲總的時間可小于40 ms，遙測數(shù)據(jù)傳輸延遲總的時間可小于20 ms。所以傳輸延遲總時間約為60 ms，但是系統(tǒng)總的延時需要考慮地面及機載計算機的處理時間，還有在其他介質(zhì)中傳播所花費的時間，所以測出時間延遲為90 ms，大于理論計算值是合理的。

4小結(jié)

從系統(tǒng)的試驗結(jié)果來看，系統(tǒng)達到了某模型自由飛驗證試驗技術要求，并成功完成了某模型自由飛驗證試驗。系統(tǒng)設計中，多項測控與信息傳輸關鍵技術的突破與應用，使得系統(tǒng)的性能得到了很大的提升。

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Design of TT&C and Information Transmission System Based on a Model Free Flight Test

An Yujiao, Liu Zhaojun, Jing Li

(Aircraft Flight Test Technology Institute, CFTE, Xi’an710089,China)

Abstract:According to the technical requirements of free flight test, a tracking,telemetery and command(TT&C) and information transmission system used in model free flight test is designed. A number of key issues are broken through according to the system design requirements. The key design method and implementation process of the system are presented. The performance of the TT&C and information transmission system is tested through the ground test,including the receiver sensitivity performance test, the system delay performance test, and other kinds of performance tests. The test results show that the receiver sensitivity and link delay can meet the requirements of the model free flight test. It has an important reference value to the same kind of system.

Keywords:tracking;telemetery and command(TT&C) system;information transmission system; model free flight test

文章編號：1671-4598(2016)02-0111-03

DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.02.030

中圖分類號：V279

文獻標識碼：A

作者簡介：安玉嬌(1983-)，女，河北唐山人，工程師，主要從事無人機與模型飛行試驗技術方向的研究。劉朝君(1986-)，女，陜西西安人，工程師，主要從事無人機與模型飛行試驗技術方向的研究。

收稿日期：2015-10-06；修回日期：2015-12-28。