， ，

(中國飛行試驗研究院測試所，西安 710089)

艦基遙測綜合解調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計

宋揚，霍建華，孫偉

(中國飛行試驗研究院測試所，西安710089)

遙測實時監(jiān)控是保障試飛安全、提高試飛效率的重要手段；針對艦上特殊的試飛環(huán)境限制，現(xiàn)有遙測系統(tǒng)不能適應(yīng)其任務(wù)需求，為完成某型號飛機艦上試飛任務(wù)，需要對現(xiàn)有遙測接收系統(tǒng)進行改進，以應(yīng)對特殊試飛科目下對遙測信號的需求；采用跟蹤接收機模塊，并開發(fā)相應(yīng)的解調(diào)模塊，對系統(tǒng)設(shè)備進行遠程控制解決了遠距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘査p問題；對遙測系統(tǒng)的自動溫度控制大大提高了系統(tǒng)設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性；通過接口轉(zhuǎn)換實現(xiàn)模擬圖像的網(wǎng)絡(luò)輸出、接收機模塊和天線的網(wǎng)絡(luò)串口轉(zhuǎn)換，簡化了信號接口類型，降低了信號傳輸?shù)碾y度；從而實現(xiàn)小型化的艦基遙測綜合解調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計。

艦基遙測；遠程控制；小型化；自動溫度控制；接口轉(zhuǎn)換

0 引言

遙測是通過對試驗對象的各項參數(shù)進行感知、采集、記錄與控制，經(jīng)過遠距離傳輸?shù)浇邮斩瞬⑦M行處理分析的一種測量技術(shù)[1]。遙測接收系統(tǒng)的主要功能是通過地面天線接收機載天線下發(fā)的遙測信號，實現(xiàn)對飛機的遙測跟蹤，將接收到的機載遙測信號傳送給接收機進行信號實時解調(diào)處理，并將已解調(diào)信號發(fā)送給后端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行實時數(shù)據(jù)處理與安全監(jiān)控。遙測系統(tǒng)是飛行試驗中不可缺少的重要組成部分，遙測數(shù)據(jù)為試飛實時跟蹤與安全監(jiān)控、風險科目的安全保障、試飛故障診斷與分析等提供了重要依據(jù)。

圖1為典型遙測地面接收系統(tǒng)的示意圖，地面遙測天線接收到機載天線發(fā)射的遙測信號，并傳輸至遙測接收機和視頻接收機，視頻接收機可以通過顯示終端顯示機載模擬視頻信號，對于數(shù)字視頻信號和遙測PCM信號，通過光端機傳輸至監(jiān)控大廳，再進行數(shù)據(jù)處理，并將所需參數(shù)和視頻進行顯示，從而實現(xiàn)安全監(jiān)控工作。遙測接收機能通過AGC和AM信號實現(xiàn)對天線上遙測接收數(shù)據(jù)的控制，同時控制單元(即天線控制單元ACU)可以實現(xiàn)對遙測天線的控制[4]。接收系統(tǒng)的鏈路復雜，在實際的外場工作中，遙測專業(yè)技術(shù)人員在地面遙測接收系統(tǒng)的搭建和調(diào)試工作，往往任務(wù)重，時間緊，對于保障飛行試驗是很大的挑戰(zhàn)。

某型號飛機在艦上執(zhí)行科研試飛任務(wù)，為保障遙測實時監(jiān)控的順利展開，需要構(gòu)建相應(yīng)的遙測接收解調(diào)系統(tǒng)。由于艦上空間狹小、濕度大、鹽霧腐蝕、低溫環(huán)境等客觀條件限制，且遙測天線距離地面控制單元較遠，需要對現(xiàn)有的遙測接收系統(tǒng)進行以下特殊改進，以適應(yīng)艦上的遙測信號接收、解調(diào)及傳輸需求。

1)利用現(xiàn)有的跟蹤接收機模塊，通過開發(fā)相應(yīng)的解調(diào)模塊，實現(xiàn)PCM流和模擬圖像的接收及解調(diào)功能；

2)天線與綜合解調(diào)控制系統(tǒng)在甲板上，距離控制終端距離較遠，這里需要對系統(tǒng)設(shè)備進行遠程的供電管理與控制；

3)天線與接收機遠程控制的實現(xiàn)，多信號的遠距離傳輸需要將網(wǎng)絡(luò)控制信號轉(zhuǎn)換為各設(shè)備專用接口控制信號，同時模擬圖像需要轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)信號輸出；

4)需要定制特殊材料的箱體來克服船上濕度大、鹽霧腐蝕等惡劣自然環(huán)境；

5)需要溫度控制系統(tǒng)來實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備溫度，并在低溫環(huán)境下自動給設(shè)備加溫。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 功能設(shè)計

1)射頻信號接收與解調(diào)功能。

設(shè)計初期只有1臺跟蹤接收機模塊，跟蹤接收機是根據(jù)信號場強大小及變化來實現(xiàn)目標跟蹤的。這里的跟蹤接收機模塊不具備信號解調(diào)功能，必須通過開發(fā)相應(yīng)的解調(diào)模塊，實現(xiàn)PCM流和模擬圖像的接收及解調(diào)功能。跟蹤接收機模塊輸出的調(diào)頻(FM)信號為70 MHz中頻信號，由于該中頻信號振幅是恒定不變的，故無法通過振幅檢波器(即包絡(luò)檢波器)進行直接解調(diào)輸出。鑒于二極管峰值振幅檢波器電路簡單且性能穩(wěn)定，這里將等幅度調(diào)頻信號通過線性網(wǎng)絡(luò)變換電路變換為振幅也隨頻率變化、既調(diào)幅又調(diào)頻的調(diào)幅調(diào)頻波(AM-FM波)，這樣就可以通過振幅檢波器來獲得解調(diào)信號了。

圖2 鑒頻電路原理

如圖2所示為鑒頻電路的實現(xiàn)原理。調(diào)頻波通過線性網(wǎng)絡(luò)后輸出的AM-FM波，其振幅與調(diào)頻波的瞬時頻率成正比，通過振幅檢波器就可以獲得解調(diào)信號。

2)遠程控制與電源管理。

地面遙測接收及解調(diào)系統(tǒng)是實時數(shù)據(jù)處理與安全監(jiān)控的前端，是飛行試驗中必不可少的一環(huán)。由于艦上特殊環(huán)境的限制，需要將遙測接收與解調(diào)系統(tǒng)與天線共同置于甲板上，而天線控制終端與數(shù)據(jù)處理、實時監(jiān)控設(shè)備置于甲板下的工作艙室內(nèi)，因此需要對天線和接收解調(diào)系統(tǒng)進行遠程控制。

遠程控制中電源管理是一項關(guān)鍵問題。針對各設(shè)備的供電需求，引入以太網(wǎng)絡(luò)的通信方式，并選用相應(yīng)的智能管理控制模塊和控制芯片，構(gòu)成了可遠程控制和計劃管理的電源分配單元。開發(fā)了相應(yīng)的電源控制管理軟件。通過輸入設(shè)備地址和端口號，便可以實時獲取所有遠程電源控制器下聯(lián)用電設(shè)備的當前工作狀態(tài)，通過遠端網(wǎng)路控制技術(shù)，可以實現(xiàn)對設(shè)備電源的帶外遠程控制。

如圖3為電源控制軟件的界面。 其中天線電源是通過網(wǎng)絡(luò)電源模塊實現(xiàn)對天線加電、斷電的遠程控制；天線輔助是溫度控制器根據(jù)天線溫度的變化，在低溫環(huán)境下自動進行加熱，避免低溫環(huán)境下天線死機故障；機箱電源是對整個遙測解調(diào)控制系統(tǒng)的機箱進行加電、斷電控制；備份電源是整個解調(diào)控制系統(tǒng)的電源的備份，實現(xiàn)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免緊急停電造成的遙測系統(tǒng)工作中斷，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖3 電源控制軟件

3)多類型信號的遠距離傳輸。

實現(xiàn)艦基遙測的遠程控制功能，需要解決多類型信號的遠距離傳輸難題，包括接收機的網(wǎng)絡(luò)輸出信號、天線的控制信號及模擬視頻信號[2-3]。

接收機模塊和天線的控制信號是串口信號，天線控制單元輸出的控制信號采用網(wǎng)絡(luò)形式，網(wǎng)絡(luò)信號較串口信號有較大的傳輸距離，這里將天線控制終端發(fā)出的控制信號以網(wǎng)絡(luò)形式進行遠距離傳輸，并在綜合解調(diào)控制系統(tǒng)中采用串口服務(wù)器進行網(wǎng)絡(luò)串口的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)對天線控制信號的遠距離傳輸及信號類型的轉(zhuǎn)換。

針對機載模擬視頻信號，典型的地面遙測接收系統(tǒng)需要一對光端機進行傳輸，為了便于模擬視頻的傳輸并減小系統(tǒng)體積，通過視頻轉(zhuǎn)換模塊將模擬圖像轉(zhuǎn)換為圖像網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的形式并對外傳輸，這樣就可以與網(wǎng)絡(luò)控制信號共用一根網(wǎng)線，減少線纜數(shù)量。

4)抗惡劣環(huán)境。

防水防鹽霧腐蝕是對艦上遙測系接收統(tǒng)設(shè)備的特殊要求，通過定制專門的鋁制箱體，使得系統(tǒng)實現(xiàn)該功能。系統(tǒng)內(nèi)集成了溫度控制器、加熱器與風扇，實現(xiàn)對溫度的實時檢測，并在低溫環(huán)境下對系統(tǒng)進行自動加溫，使系統(tǒng)在低溫環(huán)境下仍可以正常工作。圖5中給出了自動溫度控制系統(tǒng)與整個解調(diào)控制系統(tǒng)中其它設(shè)備的連接方式。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了讓綜合解調(diào)控制系統(tǒng)適用于艦上的狹小空間，需要對設(shè)備進行高度集成化，同時為了提高設(shè)備的可維護性，這里采用模塊設(shè)計思路，系統(tǒng)分為3個模塊。圖4為解調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計3D模型圖，結(jié)構(gòu)設(shè)計中為了實現(xiàn)系統(tǒng)集成以及后期維護的高效性，將3個模塊設(shè)計到三層電路板上。圖5展示的是結(jié)構(gòu)設(shè)計的設(shè)備連接圖。

圖4 解調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計3D模型圖

圖5 解調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計連接圖

底層為電源與溫控系統(tǒng)模塊，包括網(wǎng)絡(luò)開關(guān)、DC+5 V、DC+12 V、DC+15 V電源適配器，AC+220 V電源接口，以及溫控器、風扇、加熱器，主要完成對系統(tǒng)各設(shè)備的供電和環(huán)境溫度控制。由于綜合解調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)備多，不同的設(shè)備對電源的需求有所不同，因此在底層集成了多種電源適配器，便于給各設(shè)備供電。網(wǎng)絡(luò)開關(guān)是對綜合解調(diào)控制系統(tǒng)供電的開關(guān)，正常情況下網(wǎng)絡(luò)開關(guān)是一直處于加電狀態(tài)的，通過遠程控制系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)開關(guān)進行控制，從而實現(xiàn)綜合解調(diào)控制系統(tǒng)的加電與斷電。

中間層是接口轉(zhuǎn)換模塊，包括網(wǎng)絡(luò)光端機、網(wǎng)絡(luò)交換機、視頻轉(zhuǎn)換器、串口服務(wù)器等。在綜合解調(diào)控制系統(tǒng)正常工作的情況下，接收機將解調(diào)輸出的模擬視頻信號通過視頻服務(wù)器將其轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)信號，該網(wǎng)絡(luò)視頻信號通過網(wǎng)絡(luò)交換機連接到網(wǎng)絡(luò)光端機上，從網(wǎng)絡(luò)光端機輸出的視頻信號為網(wǎng)絡(luò)光信號，可以降低信號衰減并用于遠距離傳輸。天線控制終端通過串口服務(wù)器將天線控制信號由RS232信號轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)信號，便于信號的遠程控制與傳輸。

頂層為接收解調(diào)模塊，跟蹤接收機與開發(fā)的解調(diào)模塊，實現(xiàn)PCM流與模擬圖像的解調(diào)。天線接收到兩路射頻信號分別傳送給接收機的兩個射頻輸入端口，通過接收機與解調(diào)模塊實現(xiàn)兩路中頻PCM流的信號輸出，同時還有兩路AGC信號和兩路AM信號從接收機輸出，并反饋給天線伺服，從而實現(xiàn)對天線信號的控制。

圖6是改進后的艦基遙測接收、解調(diào)與傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)將接收機、光端機、視頻服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機、網(wǎng)絡(luò)電源等設(shè)備進行了系統(tǒng)集成，得到遙測綜合解調(diào)控制系統(tǒng)，使得遙測接收系統(tǒng)得到極大的簡化，減小了技術(shù)人員地面布站的工作量，降低了系統(tǒng)調(diào)試的復雜性。如圖6所示，中間的箱體即為遙測綜合解調(diào)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)預留了豐富的輸入輸出接口，可以直接與天線、天線控制終端、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相連，進行天線的操作和數(shù)據(jù)的實時處理分析。

圖6 艦基遙測接收、解調(diào)與傳輸系統(tǒng)

2 系統(tǒng)測試

對于艦基遙測綜合解調(diào)控制系統(tǒng)，要測試其性能，就要對其進行系統(tǒng)測試。系統(tǒng)測試是在飛行環(huán)境下進行的。測試過程中需要使用艦基遙測綜合解調(diào)控制系統(tǒng)和平板天線，來完成遙測信號的接收、解調(diào)、傳輸，從而驗證系統(tǒng)功能的完整性及有效性。

2.1 飛行試驗環(huán)境下的系統(tǒng)測試

在飛行試驗測試階段，首先將艦基遙測綜合解調(diào)控制系統(tǒng)室外建站，將艦基遙測綜合解調(diào)控制系統(tǒng)和平板天線進行固定，控制終端搭建在機房，建站完成后對系統(tǒng)設(shè)置進行調(diào)試；相關(guān)飛機的遙測參數(shù)設(shè)置為：信號碼速率為4 915 200 bps，信號輸入碼型為NRZ-L碼，信號遙測頻點為2 350 MHz，子幀長度為512 Byte，同步字為FE6B2840，同步字長為32。

對該型號飛機進行遙測跟蹤，通過對其飛行距離、信號場強的實時記錄，對系統(tǒng)在飛行試驗中的性能指標進行分析。在飛行試驗中，由于飛機航線規(guī)劃等諸多因素的影響，綜合解調(diào)控制系統(tǒng)實際最遠跟蹤距離為150 km，且在150 km以內(nèi)的跟蹤范圍內(nèi)，接收機信號同步效果較好，同步指示燈很少出現(xiàn)閃爍的情況。表1記錄的的是飛機距離地面遙測天線100 km時的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

表1 飛行環(huán)境下的測試參數(shù)

如表1所示，在某次飛行試驗中，某型機的遙測距離為100 km，其接收信號強度約為-80 dBm ，可以驗證該系統(tǒng)具備遙測信號的接收、解調(diào)及傳輸功能。結(jié)合無線電空間傳輸損耗衰減公式如下：

Lbf=32.5+20lgF+20lgD

其Lbf為自由空間損耗(dB)，D為距離(km),F為頻率(MHz)，且20lg(2350)約為67.5 dB，20 lg(100)為40 dB，那么空間損耗總計為140 dB ，信號發(fā)射功率與地面天線增益的和總計為62.8 dBm，信號發(fā)射功率與地面天線增益的和減去信號衰減為-77.2 dBm為理論接收到的信號強度，考慮到信號通過電纜與各種接線頭時存在一定的衰減，其信號接收效果比較理想。

針對上述飛行試驗中的實測結(jié)果，可知該綜合解調(diào)控制系統(tǒng)具備了遙測信號的接收及解調(diào)功能，同時其跟蹤作用距離滿足艦上試驗機試飛需求；遙測綜合解調(diào)控制系統(tǒng)在信號跟蹤過程中，信號穩(wěn)定、同步效果好，表明系統(tǒng)具備較強的信號跟蹤能力。

2.2 部分技術(shù)指標對比

為了對艦基遙測綜合解調(diào)控制系統(tǒng)的艦上環(huán)境適應(yīng)性進行評估，這里對艦基系統(tǒng)與普通遙測地面接收系統(tǒng)的部分指標進行比較。

表2 部分參數(shù)對比

如表2所示，是遙測地面接收系統(tǒng)與艦基綜合解調(diào)控制系統(tǒng)的部分參數(shù)對比，可見艦基綜合解調(diào)控制系統(tǒng)的體積僅僅是地面接收系統(tǒng)中的一臺RTR接收機體積，艦基綜合解調(diào)控制系統(tǒng)實現(xiàn)了小型化，更能適應(yīng)于艦上狹小的工作環(huán)境；相比于地面遙測系統(tǒng)的工作溫度范圍，艦基綜合解調(diào)控制系統(tǒng)的能夠在更寬的溫度范圍進行工作，尤其對于艦上的低溫環(huán)境具有更強的適應(yīng)能力；普通的地面接收系統(tǒng)在室內(nèi)工作，往往具備更好的工作環(huán)境，并不具備防水防鹽霧等功能，而艦基綜合解調(diào)控制系統(tǒng)由于選用了特種材料來做箱體，具備較好的防水防鹽霧功能，適應(yīng)艦上的惡劣環(huán)境，提高使用壽命和性能的穩(wěn)定性；同時艦基綜合解調(diào)控制系統(tǒng)傳輸?shù)淖畲蟠a速率與典型遙測地面接收系統(tǒng)持平，能夠滿足當前主流試驗機的試飛需求。

3 結(jié)束語

艦基遙測綜合解調(diào)控制系統(tǒng)通過將遙測信號的接收解調(diào)模塊、接口轉(zhuǎn)換模塊、電源與環(huán)控模塊集成在定制箱體內(nèi)，并與便攜式遙測天線相配套，形成了小型化遙測地面站的配套模式。目前，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于科研試飛任務(wù)中，實現(xiàn)艦上遙測信號高質(zhì)量的接收解調(diào)與控制，保障試飛安全。

艦基遙測綜合解調(diào)控制系統(tǒng)具有小型化與便攜式的特點，具備快速布站的功能，能夠節(jié)省大量的地面站搭建和系統(tǒng)調(diào)試時間。艦基綜合解調(diào)控制系統(tǒng)具備防水防塵防鹽霧的特點，同時具備溫度控制系統(tǒng)，滿足艦上特殊環(huán)境下的遙測任務(wù)需求。艦基遙測綜合解調(diào)控制系統(tǒng)在滿足當前主流試驗機試飛需求的同時，具有明顯的價格優(yōu)勢，因此具有較好的推廣前景。

[1] 楊廷梧．航空飛行試驗遙測理論與方法[M]． 北京：國防工業(yè)出版社，2017.

[2] 霍建華，郭世偉，李銘三．遙測接收系統(tǒng)的遠程控制[J]． 電子設(shè)計工程，2013，21(24)：84-86.

[3] 白效賢， 任樸舟， 張建琳， 李宏.飛行試驗數(shù)據(jù)與圖像遠程傳輸系統(tǒng)方案設(shè)計[J]. 計算機工程，2005,31(17),177-181.

[4] 郭世偉, 王建軍, 魏建新.C波段無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及在飛行試驗遙測中應(yīng)用構(gòu)想[J].計算機測量與控制,2015,23(12):3913-3916.

DesignofShip-basedTelemetryIntegratedDemodulationControlSystem

Song Yang,Huo Jianhua, Sun Wei

(Chinese Flight Test Establishment, Xi’an 710089,China)

Telemetry real-time monitoring is an important means to ensure the safety of flight test and improve flight efficiency. For the task requirements of flight test on the ship, the existing telemetry system can not meet the mission requirements. In order to complete the flight test mission of a certain type of aircraft, it is necessary to improve the existing telemetry receiving system to meet the demand of telemetry signals under special test subjects. By using the tracking receiver module, and the development of the corresponding demodulation module, the remote control of the system equipment solves the long-distance data transmission signal attenuation problem; the automatic temperature control of telemetry system greatly improves environmental adaptability of the system equipment,; Interface conversion makes it come true that analog image transforms the network output , receiver module and antenna network convert serial data flow,simplifying the signal interface type and reducing the difficulty of signal transmission; achieving design of miniaturized ship-based telemetry integrated demodulation control system.

Ship-based telemetry; remote control; miniaturization; automatic temperature control; interface conversion;

2017-08-15；

2017-10-10。

宋 揚(1988-)，男，河南省永城市人，碩士，工程師，主要從事航空遙測技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2017)11-0099-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.026

TN82

A