鄧　輝，楊海清，孫云鵬

(中國人民解放軍92853部隊，遼寧 興城 125109)

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基于COFDM無線網橋的航空器遙測系統(tǒng)實現(xiàn)

鄧輝，楊海清，孫云鵬

(中國人民解放軍92853部隊，遼寧 興城 125109)

摘要針對目前國內航空器飛行試驗現(xiàn)行的PCM /FM遙測系統(tǒng)傳輸體制特點，提出了基于編碼正交頻分復用(Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing，COFDM)傳輸體制的無線網橋航空器遙測系統(tǒng)技術方案。介紹了系統(tǒng)方案的總體構成及功能，對系統(tǒng)軟、硬件進行了設計，并闡述了系統(tǒng)設計中需要解決的問題。通過系統(tǒng)仿真(測試)進行了可行驗證試驗，試驗結果表明，系統(tǒng)具備同時傳輸多路視頻和監(jiān)控多目標航空器飛行的能力。

關鍵詞網絡采集編碼；COFDM調制；無線網橋；遙測系統(tǒng)

0引言

航空器飛行試驗是在真實飛行條件下對其進行空中物理試驗的過程。由于飛行試驗具有風險大、周期長和測試數(shù)據(jù)量大等特點，因此，對航空器進行遙測與實時監(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)可以遠距離傳輸航空器上的測試數(shù)據(jù)和視頻圖像，是國內外航空、航天試驗領域研究的關鍵技術之一。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、單數(shù)據(jù)流傳輸方式。隨著多目標飛行試驗科目的出現(xiàn)，要求測試的系統(tǒng)關鍵參數(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航空器飛行試驗要求[1]。

針對國內航空器飛行試驗現(xiàn)行的PCM /FM遙測體制，提出了一種基于COFDM傳輸體制的無線網橋的航空器遙測系統(tǒng)方案。COFDM是近年來以正交頻分復用(Orthogonal Frequency Divided Multiplex，OFDM)為代表的多載波發(fā)射技術基礎上發(fā)展起來的調制傳輸技術，除具有多載波調制功能外，還擁有強大的編碼糾錯、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和最具發(fā)展?jié)摿Φ恼{制傳輸技術[2]。相比傳統(tǒng)的PCM-FM傳輸體制架構，該方案可實現(xiàn)地面同時跟蹤和監(jiān)控多目標航空器，解決了飛行試驗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)保密性差等技術問題。

1系統(tǒng)總體方案

基于COFDM無線網橋(LAN型)的遙測系統(tǒng)方案分為空中和地面2部分?？罩胁糠职ňW絡采集記錄分系統(tǒng)、COFDM無線網橋發(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、實時多目標顯示與監(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　網絡采集記錄分系統(tǒng)

由網絡信息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，并按照設定的格式進行復合編碼，形成以太網數(shù)據(jù)包輸出至COFDM無線網橋發(fā)射分系統(tǒng)；同時，可接收地面上傳的控制指令，完成設備狀態(tài)自檢、功能參數(shù)設置等操作[4]。

1.2　COFDM無線網橋發(fā)射分系統(tǒng)

由COFDM無線網橋發(fā)射機、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/北斗基站實時信息，實現(xiàn)航空器上差分定位；上傳地面控制命令，實現(xiàn)對測試設備的狀態(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，實現(xiàn)實時差分定位解算，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無線網橋發(fā)射機發(fā)射的網絡遙測數(shù)據(jù)信號并實時處理，通過網絡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個以上飛行目標的遙測參數(shù)和視頻圖像信號。

1.5　實時多目標顯示與監(jiān)控分系統(tǒng)

由數(shù)據(jù)實時接收軟件、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、計算機和網絡交換機)等組成。主要完成航空器理論軌跡與真實飛行軌跡的實時顯示，以及航空器實時視頻、系統(tǒng)關鍵參數(shù)的顯示等[5]。

2系統(tǒng)設計

2.1　硬件設計

2.1.1網絡采集記錄分系統(tǒng)

采用模塊化設計，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、以太網模塊及IRIG-B AC時碼模塊等)和電源板[4]。機體為密閉結構，采用后出線方式，所有操作、采集和輸出接口設計在右側面板上。

2.1.2COFDM無線網橋發(fā)射分系統(tǒng)

每架航空器上安裝一臺COFDM無線網橋發(fā)射機作為普通節(jié)點，通過連接2個遠程的LAN設備來實現(xiàn)高速LAN數(shù)據(jù)的實時雙向傳輸[5]。多個節(jié)點組成無線網狀網結構，數(shù)據(jù)可以以點對點、點對多點的方式交換，節(jié)點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)

設計為2套COFDM無線網橋接收機和4副全向天線作為中心節(jié)點，其他節(jié)點通過中心節(jié)點轉發(fā)信息實現(xiàn)雙向通信及一點對多點控制?？刂谱酉到y(tǒng)采用一點對多點模式，在滿足遙測目標不少于6個的情況下，在地面建設兩套以上設備單元，每套地面接收系統(tǒng)按照3個目標設計[7]。

2.1.5實時多目標顯示與監(jiān)控分系統(tǒng)

基于系統(tǒng)硬件平臺(大屏液晶顯示器、計算機、網絡交換機)的系統(tǒng)軟件，不但要求測試參數(shù)的實時處理與顯示，還要求實現(xiàn)實時動態(tài)飛行效果分析功能。

2.2　軟件設計

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，以及設備自檢、參數(shù)設置和控制等。程序按照3個模塊進行設計，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，圖像顯示及實時更新部分是程序設計的重點[8]。數(shù)據(jù)實時顯示與監(jiān)控軟件流程如圖3所示。

圖3　數(shù)據(jù)實時顯示與監(jiān)控軟件流程

3需要解決的問題

3.1　無線網橋的遠距離雙向數(shù)據(jù)傳輸問題

由于系統(tǒng)通過無線網橋將以太網數(shù)據(jù)包傳輸?shù)降孛娴耐瑫r，還需要將地面控制指令、GPS/北斗基站的基準信息上傳到機載機載測試設備，完成設備狀態(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)議標準的成熟產品，無線網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，并通過機載無線網橋后端加裝一個5 W的功率放大器，采用定制的刀型全向天線 ，實現(xiàn)真正的大功率遠距離雙向傳輸。

3.2　多目標的跟蹤與監(jiān)控問題

系統(tǒng)通過無線寬帶接入設備，采用點對多點方式組成一個多節(jié)點的自組織、自愈合的無線網狀網(Mesh)。每個航空器加裝一臺COFDM無線網橋發(fā)射機作為普通遠程監(jiān)控節(jié)點(遠端站)，地面遙測接收分系統(tǒng)安裝2套COFDM無線網橋接收機和4根全向天線作為中心節(jié)點(中心站)。一個中心點連接若干分布接入點，各分布接入點以共享方式分享中心點提供的信道帶寬[9]。網絡總帶寬54 Mbps，有效帶寬22 Mbps，所以每個中心站設備連接的遠程監(jiān)控節(jié)點為3～5個，各分布接入點有效帶寬為3.5 Mbps(可選)，滿足多目標跟蹤條件。另外，系統(tǒng)通過中心點轉發(fā)信息實現(xiàn)雙向通信及一點對多點控制，從而實現(xiàn)一套系統(tǒng)至少顯示與監(jiān)控3～5個目標的能力。

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)來保證對已部署的節(jié)點設備狀態(tài)的控制[10]，通過內置網頁瀏覽器或PC 版的綜合控制程序，實現(xiàn)各節(jié)點參數(shù)狀態(tài)配置并監(jiān)測網狀網。

4系統(tǒng)仿真(測試)與結果分析

4.1　地面仿真試驗

為驗證系統(tǒng)方案的可行性，在地面搭建了一個車載活動節(jié)點，模擬飛行器移動節(jié)點。接收端使用了成品高增益全向無線網天線(增益≥17 dB)和COFDM無線網橋接收設備，進行點到點遠距離地面?zhèn)鬏斣囼瀃11]。試驗進行了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的情況下進行的，傳輸一路分辨率為720×576 的數(shù)字彩色圖像，結果接收圖像質量良好；第2次試驗選擇傳輸距離為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，結果圖像連續(xù)清晰，無圖像間斷；第3次為驗證數(shù)據(jù)包傳輸和傳輸延遲測試，在發(fā)射機和接收機上插入GPS 時碼卡，并在傳輸?shù)拿恳粋€數(shù)據(jù)包上打上GPS 時間標記進行傳輸，結果接收機接收到完整網絡數(shù)據(jù)包，系統(tǒng)軟件把時碼卡上的GPS 時間與同數(shù)據(jù)包上的時間標記進行比較，計算出數(shù)據(jù)傳輸延遲時間<10 ms，滿足實時監(jiān)控對數(shù)據(jù)時間實時性的要求。

4.2　飛行試驗

系統(tǒng)設備在加改裝航空器完成后，進行了系列測試檢查，在滿足放飛試驗條件下進行多次飛行試驗。試驗從起飛到30 km有效跟蹤階段，均接收到完整數(shù)據(jù)包，可解碼恢復并顯示出連續(xù)的數(shù)據(jù)和視頻圖像，試驗結果與地面試驗估算相吻合。后續(xù)的遠距離飛行中，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，圖像質量良好，聲音和圖像接收同步，取得了良好的飛行試驗結果。

4.3　測試結果分析

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

① 真正實現(xiàn)多目標的跟蹤與監(jiān)控。由于系統(tǒng)采用的是點對多點方式組成無線網狀網(Mesh)架構，地面采用表面波全向360°的接收機天線，從而真正實現(xiàn)了地面一套接收設備接收和監(jiān)控多個目標的能力[11]。試驗結果為：跟蹤與監(jiān)控目標數(shù)量不小于3個，有效作用距離>30 km(非通視條件下)；實時處理參數(shù)不小于100個。而傳統(tǒng)的PCM-FM傳輸體制架構基本都是一套機載遙測系統(tǒng)，產生一路數(shù)據(jù)流，對應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的數(shù)據(jù)。

② 實現(xiàn)了機載測試數(shù)據(jù)和視頻圖像的數(shù)字化網絡遙測傳輸。目前國內航空器在飛行試驗中，視頻圖像的遙測傳輸采用的是對模擬 CCIR標準視頻信號進行FM直接調制后無線傳輸，遙測的實際上是模擬信號，相比數(shù)字化網絡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。由于本系統(tǒng)機載測試數(shù)據(jù)和視頻圖像的實行的是數(shù)字化網絡傳輸架構，視頻圖像經數(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，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。試驗結果：一個節(jié)點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結束語

基于COFDM體制的無線網橋遙測系統(tǒng)技術方案，實現(xiàn)了飛行試驗測試數(shù)據(jù)和視頻圖像的遠距離遙測傳輸，滿足了地面遙測系統(tǒng)同時接收和監(jiān)控多個目標的需求，開創(chuàng)了一條網絡化、經濟實用的航空器遙測傳輸技術新途徑，簡化了傳輸設備，使有限的頻率資源得以充分利用。通過上行數(shù)據(jù)鏈實現(xiàn)了空地一體化測試，該方案在多目標聯(lián)合試飛、無人機試飛數(shù)據(jù)鏈等方面有著廣闊的應用前景。

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鄧輝男，(1972—)，工程師。主要研究方向：飛行器測控技術研究。

楊海清男，(1984—)，工程師。主要研究方向：飛行器測控技術研究。

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

文獻標識碼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無線網橋的航空器遙測系統(tǒng)實現(xiàn)[J].無線電工程，2015，45(6)：16-19.