魏建新, 李妍生, 郭世偉

(中國飛行試驗研究院, 西安 710089)

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基于TDMA多目標遙測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

魏建新, 李妍生, 郭世偉

(中國飛行試驗研究院, 西安 710089)

遙測監(jiān)控是新機試飛提高試飛效率、保障試飛安全的重要手段，遙測數(shù)據(jù)的傳輸能力和傳輸質(zhì)量決定了遙測實時監(jiān)控性能的優(yōu)劣；隨著大量飛機同場次試飛任務的廣泛開展，現(xiàn)有飛行試驗單站點對應單目標的遙測體制存在一定的局限性，為了解決多個目標同時遙測數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾y題，文章在對常用的幾種多目標體制進行了比較的基礎上，設計了一套基于TDMA體制的多目標遙測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，對該系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸速率、距離進行了理論計算，并進行了飛行試驗驗證，能夠滿足任務需求，有著很好的應用前景。

TDMA； 遙測體制； 數(shù)據(jù)傳輸； 多目標

0 引言

遙測監(jiān)控作為飛行試驗過程中實時獲取數(shù)據(jù)的重要途徑，成為新機試飛檢驗試驗質(zhì)量、保障飛行安全，提高試飛效率的重要手段，在型號試飛中發(fā)揮著舉足輕重的作用。遙測數(shù)據(jù)傳輸作為實現(xiàn)遙測實時監(jiān)控的關鍵環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)傳輸能力和傳輸質(zhì)量，決定了遙測實時監(jiān)控性能的優(yōu)劣。隨著航空工業(yè)的不斷發(fā)展，新型號飛機的不斷涌現(xiàn)，我院每年進行飛行試驗的飛機數(shù)量、試飛架次不斷增加，利用現(xiàn)有遙測體制無論從地面站數(shù)量到頻譜資源的使用，已經(jīng)不能滿足我院日益增長的遙測監(jiān)控需求[1]。解決當前大量飛機同場次飛行時遙測數(shù)據(jù)傳輸問題，采用頻帶占用窄、使用地面站數(shù)量少、配置成本低的多目標的數(shù)據(jù)傳輸模式，完成多架飛機遙測數(shù)據(jù)的傳輸與處理，實現(xiàn)全面監(jiān)控是最佳的解決方案[2]。本文就現(xiàn)有遙測體制存在的局限性進行了分析，同時對幾種常用的多目標數(shù)據(jù)通訊體制進行了比較，結合我院實際使用情況，設計并研制了一套低成本，多目標遙測數(shù)據(jù)傳輸處理系統(tǒng)，并進行了飛行試驗驗證。

1 現(xiàn)有遙測體制的局限

目前我院使用的遙測系統(tǒng)采用以IRIG106為標準的單點對單點的連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸模式，地面上一個遙測站點對應空中的一個遙測跟蹤目標，具備發(fā)生即傳輸?shù)奶匦?，也就是?shù)據(jù)的實時性。現(xiàn)有遙測系統(tǒng)還具備傳輸數(shù)據(jù)量大，單個目標遙測傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量可達20 Mbps；以及傳輸距離遠，最遠可達300 km以上等優(yōu)越特性。因此在我院飛行試驗中得到大量應用。但是隨著大量飛機同場次試飛任務的廣泛開展，現(xiàn)有遙測系統(tǒng)也存在以下局限：

1)頻譜資源的限制。目前我院遙測數(shù)據(jù)傳輸采用PCM-FM體制，使用的頻段為S波段(2 200～2 400 MHz)[3]，2 200～2 300 MHz頻率部分用于PCM格式數(shù)據(jù)的傳輸，2 300～2 400 MHz用于視頻信號的傳輸。遙測過程中需要預先為每架飛機分配一個用以數(shù)據(jù)傳輸?shù)狞c頻，為保證遙測數(shù)據(jù)的正常接收，避免飛機間遙測信號的相互干擾，需要設置保護頻帶，通常情況下每架飛機占用10 M的帶寬。如果繼續(xù)使用現(xiàn)有體制，在目前頻譜資源范圍內(nèi)，最多能夠同時保證10架飛機的遙測監(jiān)控任務。而目前我院在飛飛機上百架，需要遙測監(jiān)控的數(shù)量與現(xiàn)有遙測資源的比例接近5：1，飛行試驗中無法實現(xiàn)對各類飛機進行遙測監(jiān)控保障，如配試的目標機、低成本的小型民用飛機等。同時國家已經(jīng)將2 300～2 400 MHz頻段分配給4G網(wǎng)絡，使可用的頻率資源更為緊張。

2)單站點對應單目標的遙測數(shù)據(jù)傳輸體制限制。目前我院建有8套地面遙測站，均采用點對點的傳輸模式，可以同時遙測跟蹤8架飛機，但隨著試飛飛機數(shù)量、架次的增多，需要建設更多的遙測站滿足遙測監(jiān)控需求，但受目前院內(nèi)基礎設施建設場地的限制，加上一套遙測系統(tǒng)配置成本較高，建設周期較長，不利于在較短的時間內(nèi)實現(xiàn)，存在一定的局限性。

2 系統(tǒng)的設計與研制

為了突破現(xiàn)有遙測體制的局限性，彌補現(xiàn)有遙測體制的不足，實現(xiàn)大量飛機同場次飛行時的實時監(jiān)控能力，需要設計一套可用于飛行試驗的多目標遙測數(shù)據(jù)傳輸處理系統(tǒng)，該套系統(tǒng)應該具備頻帶占用窄、結構相對簡單、成本較低、能夠滿足較遠距離遙測數(shù)據(jù)傳輸、且數(shù)據(jù)量滿足安全監(jiān)控的需要。

2.1 多目標遙測體制的選擇

在飛行試驗過程中要完成遙測目標與地面之間的通信，需要分配一個通信所用的頻譜資源，即描述了一個給定系統(tǒng)進行信號處理所能用的時間和帶寬。而對于多個目標的遙測信號的接收，需要對所分配的通信資源進行共享，如何更高效的分配通信資源，通常情況下有3種方式：頻分多址(FDMA)、時分多址(TDMA)、碼分多址(CDMA)。

2.1.1 頻分多址

如果把分配給飛行試驗的頻譜資源用頻率-時間平面描述，如圖1所示為FDMA的一個例子。它給每一路信號分配一個信道，整個頻譜資源中可以包含多個頻譜分離的信號。第一個頻帶內(nèi)信號的頻率范圍為f0與f1之間，第二個頻帶內(nèi)信號的頻率范圍為f2與f3之間。各個分配頻帶之間的區(qū)域成為稱為防護頻帶，其作用是作為減少相鄰頻道之間干擾的緩沖區(qū)。

2.1.2 時分多址

如果通信資源的共享是通過分配給多個目標不同的時隙來實現(xiàn)，稱為時分多址(見圖2)，時間被分割成一個個時間間隔，稱為幀。每幀可以進一步分為可供分配的用戶時隙，幀結構重復出現(xiàn)，TDMA系統(tǒng)分配給用戶一個或多個時隙[4]，它們周期性地在每幀時間里出現(xiàn)，時隙之間未使用的時間區(qū)域稱為防護時間，用以減少干擾。

圖1 頻分多路復用 圖2 時分多路復用

2.1.3 碼分多址

碼分多址(CDMA)是擴頻技術的一種應用，它將頻帶短期性地分配給不同的信號源，在每個相繼的時隙中，頻帶會被重新分配(見圖3)。在時隙1中，信號1占用了頻帶1，信號2占用了頻帶2，信號3占用了頻帶3。在時隙2種，信號1跳到了頻帶3，信號2跳到了頻帶1，信號3跳到了頻帶2。這樣整個通信頻帶可以被全部使用，而每個用戶的每個時隙都會被重新分配。

圖3 碼分多路復用

所有多路復用的關鍵是，各種信號在共享通信資源時，不會在監(jiān)測過程中產(chǎn)生難以處理的相互干擾，一個通信信道中傳輸?shù)男盘柌荒茱@著地增加另一個信道中傳輸信號的誤碼率[5]。對于FDMA模式，給每一個目標分配一個通信頻帶，雖然實現(xiàn)起來簡單，但需要設置一些防護頻帶，以便隔離各個通信通道，頻譜利用率不高，同時，從傳遞數(shù)據(jù)延遲角度來看，TDMA性能優(yōu)于FDMA。CDMA技術是將需要傳送的具有一定信號帶寬信息數(shù)據(jù)，用一個帶寬遠大于信號帶寬的高速偽隨機碼進行調(diào)制，使原數(shù)據(jù)信號的帶寬被擴展，再經(jīng)載波調(diào)制并發(fā)送出去。相比較TDMA而言，具有保密性高，抗干擾能力強、各個同時工作的發(fā)射機不需要精確地時間同步等優(yōu)點，但CDMA系統(tǒng)帶寬占用相對較高，且系統(tǒng)容量與所接收的干擾強度密切相關，系統(tǒng)允許的信道數(shù)取決于系統(tǒng)所能接受的總的干擾強度，每個信道的接入都會增加接收端的干擾，直接影響系統(tǒng)接入數(shù)量。TDMA系統(tǒng)的容量僅僅受到可用時隙總數(shù)的限制[6]，能能夠充分利用時間資源來實現(xiàn)多用戶訪問，更加容易實現(xiàn)時延控制，各用戶時間一致性要求也比較高，是飛行試驗多目標遙測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的合理化選擇。

2.2 頻帶選擇

在選擇合適的通訊體制的基礎上，還需要給多目標遙測數(shù)據(jù)傳輸與處理系統(tǒng)選擇合適的遙測頻帶，使該套系統(tǒng)能夠滿足飛行試驗遠距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰⒄諊姌恕哆b測標準：無線電信道》中規(guī)定的頻段，L波段(1 435～1 525 MHz)帶寬僅有90 MHz頻段較窄，并且與我院的440E雷達的頻率相距過近，地面站天線的防護極為困難；C波段(3 700～4 200 MHz)為衛(wèi)星數(shù)據(jù)下傳與遙測傳輸?shù)墓灿妙l段，不允許航空移動使用；X波段(8 400～8 500 MHz)為衛(wèi)星數(shù)據(jù)下傳頻段，不允許航空移動使用；Ku和Ka波段由于頻率過高，將使機載設備改裝難度大幅度增加，不宜選擇。較為可行的頻段有：1 GHz以下低頻遙測接收頻段、S波段(2 200～2 400 MHz)、C波段(5 000～5 350 MHz)。

對于S波段(2 200～2 400 MHz)，作為現(xiàn)有遙測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸使用的頻段，具備多目標遙測數(shù)據(jù)傳輸使用的條件。由于需要對多個目標進行遙測數(shù)據(jù)傳輸，接收天線應選擇全方位接收天線，滿足各個方向上遙測信號的接收與解調(diào)，與定向天線比較天線增益較低。假設機載發(fā)射功率為20 W，接收機靈敏度為-90 dBm，發(fā)射機天線增益為1 dBi，全向接收天線增益為15 dBi。通常條件下：

收發(fā)信機增益=發(fā)射機功率-接收機靈敏度+

發(fā)射天線增益+接收天線增益

(1)

計算收發(fā)信機的增益為126 dBm，忽略線纜、插頭上帶來的損耗，根據(jù)傳統(tǒng)無線信號衰減公式：

(2)

其中：LS為自由空間無遮擋傳輸條件下的路徑損耗，f為頻率(MHz)，d為距離(km)。假設收發(fā)信機的增益全部用來補償路徑損耗，選擇S波段2 250 MHz作為多目標遙測傳輸?shù)念l點，可以計算遙測傳輸距離約為23 km，遠遠小于通常條件下遙測監(jiān)控200 km距離的要求。

對于更高頻率點的C波段，由公式(2)可知傳輸產(chǎn)生的損耗更大，在全向接收天線增益一定的情況下，傳輸距離更短，不滿足多目標遙測數(shù)據(jù)在傳輸距離上的要求。因此，多目標遙測數(shù)據(jù)傳輸處理系統(tǒng)擬選擇小于1 GHz以下的低頻段，以實現(xiàn)遠距離遙測數(shù)據(jù)的傳輸。

2.3 速率的選擇

遙測數(shù)據(jù)的傳輸能力作為判定遙測系統(tǒng)性能優(yōu)劣的一個重要指標，通常情況下希望遙測系統(tǒng)有較高的傳輸帶寬，滿足大數(shù)據(jù)量的實時傳輸，但這也會增加系統(tǒng)設計難度，且使建設系統(tǒng)成本增加。通過對大量型號試飛任務遙測傳輸數(shù)據(jù)量的分析，通常情況下，滿足每架飛機安全監(jiān)控所用的數(shù)據(jù)量為2 Mbps。本系統(tǒng)設計總體傳輸帶寬為20 Mbps，能夠同時完成最多10架飛機的遙測數(shù)據(jù)傳輸，每架飛機預分配2 Mbps的數(shù)據(jù)流量，滿足飛行試驗基本安全監(jiān)控需要。

由圖4可見，上行鏈路包括一個多用戶共享時隙，上行鏈路時隙40 ms。下行鏈路包括十個時隙，每個時隙40 ms，為了實現(xiàn)靈活的時分多址方式，設計了四種子幀結構方式：

a)一個時隙一個子幀，每個子幀占用一個時隙，最多可以實現(xiàn)十個用戶；

b)兩個時隙一個子幀，每個子幀占用兩個時隙，最多可以實現(xiàn)五個用戶；

c)五個時隙一個子幀，每個子幀占用五個時隙，最多可以實現(xiàn)兩個用戶；

d)十個時隙一個子幀，每個子幀占用十個時隙，最多可以實現(xiàn)一個用戶。

圖4 遙測數(shù)據(jù)鏈路幀結構

時隙的大小應該包含數(shù)據(jù)處理的時間和無線路徑的傳輸延時，包括兩倍距離的時間延時，這就需要在40 ms的時隙長度內(nèi)，至少完成一幀數(shù)據(jù)上、下行鏈路的傳輸。

2.4 設備研制

多目標遙測數(shù)據(jù)傳輸處理系統(tǒng)區(qū)別于現(xiàn)有遙測接收系統(tǒng)，采用TDMA通訊體制，選擇300 MHz～1 GHz作為無線鏈路頻段(根據(jù)工作的頻率范圍選擇相應的天線和前端系統(tǒng)濾波器)，總體傳輸帶寬設計為20 Mbps，能夠同時滿足最多10架飛機的試驗數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)綜合處理分發(fā)，每架飛機預分配2 Mbps的數(shù)據(jù)流量，可滿足飛行試驗的基本安全監(jiān)控的需要。同時，地面采用小型化多目標全向天線，簡化天線設計，采用時分雙工技術，增加遙測上行鏈路，上行信號作為下行時分多址鏈路的同步信道，確保多個機載遙測設備不出現(xiàn)相互間的信號碰撞，并且具有控制信令的功能。

2.4.1 系統(tǒng)組成

飛行試驗多目標遙測數(shù)據(jù)傳輸處理系統(tǒng)由機載子系統(tǒng)和地面子系統(tǒng)組成，機載子系統(tǒng)采用一體化模式，將數(shù)據(jù)采集、編碼、發(fā)送集中在一臺設備中，能夠直接讀取飛機的數(shù)據(jù)進行編碼傳輸，并支持多種數(shù)據(jù)采集借口包括RS232/422、ARINC429、1553、CAN等總線接口，也可根據(jù)用戶需求定制各類采集接口。系統(tǒng)主要由機載數(shù)據(jù)傳輸收發(fā)機、GPS時統(tǒng)天線、機載發(fā)射天線組成(如圖5)。機載數(shù)據(jù)傳輸收發(fā)機對不同格式的數(shù)據(jù)進行采集，通過GPS時統(tǒng)進行授時，通過地面上傳的時標信息以TDMA的模式進行數(shù)據(jù)下傳，同時機載數(shù)據(jù)傳輸收發(fā)機也通過空地遙測鏈路，接收地面子系統(tǒng)上行傳輸?shù)目刂泼畹葦?shù)據(jù)。

圖5 機載子系統(tǒng)組成圖

地面子系統(tǒng)采用高性能的雙冗余數(shù)據(jù)服務器為核心處理設備，配置小型多目標天線和高速TDMA收發(fā)機，可支持10套機載子系統(tǒng)同時工作，并將多個目標的數(shù)據(jù)以網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包進行發(fā)送。系統(tǒng)主要包括小型多目標天線、高速TDMA收發(fā)機、GPS時統(tǒng)天線、數(shù)據(jù)處理服務器(見圖6)。利用多目標接收天線全方位接收機載子系統(tǒng)發(fā)射的遙測數(shù)據(jù)，通過高速TDMA收發(fā)機對數(shù)據(jù)進行解調(diào)和協(xié)議處理，傳輸給數(shù)據(jù)處理服務器進行二次處理和終端顯示，同時地面子系統(tǒng)也通過空地遙測鏈路，向機載子系統(tǒng)上行傳輸?shù)孛娓黝惪刂泼睢?/p>

圖6 地面子系統(tǒng)組成圖

2.4.2 飛機速度和距離評估

考慮到飛行試驗中空地遙測遙控數(shù)據(jù)鏈路具有大動態(tài)無線信道變化特性，因此建議采用傳統(tǒng)的差分調(diào)制解調(diào)方式，避免采用相干調(diào)制解調(diào)引起的大動態(tài)無線信道評估錯誤。接收機解調(diào)流程見圖7。

圖7 接收機解調(diào)流程圖

由圖7可見，由幀同步字實現(xiàn)載波同步。載波同步用于消除收發(fā)信機間的頻率偏差以及多普勒帶來的頻率偏差。如果將機載遙測遙控設備與地面遙測遙控設備的時統(tǒng)統(tǒng)一于GPS或者北斗，那么載波同步模塊測算出來的機載設備與地面設備間的頻率誤差可以表征成飛機的速度。此外，位同步模塊用于捕獲符號判決點，本系統(tǒng)采用鎖相環(huán)位同步模塊，由于鎖相環(huán)位同步模塊要求采樣率為符號率的兩倍，那么通過同步模塊檢驗幀同步字可以測算出飛機與地面站的距離，如果所獲得的信號為直徑信號，那么測算出來的距離精度為1/2個符號周期。

2.4.3 鏈路預算

假設多目標遙測數(shù)據(jù)傳輸處理系統(tǒng)下行鏈路參數(shù)如下。

1)工作頻率：350 MHz；

2)飛機遙測遙控設備發(fā)射功率：40 dBm(平均功率)；

3)調(diào)制方式：SOQPSK；

4)信號帶寬：10 MHz；

5)發(fā)射天線增益：0 dBi；

6)接收天線增益：15 dBi；

7)傳輸距離：200 km。

根據(jù)傳統(tǒng)無線信號衰減公式(2)：

LS(dBm)=32.45+20log(f)+20log(d)=

32.45+20log(350)+20log(200)=

32.45+50.88+46.02=129.35。

收發(fā)信機增益=發(fā)射機功率-接收機靈敏度+發(fā)射機天線增益+接收機天線增益=40 dBm-(-88 dBm)+0 dBi+15 dBi=143 dBm[7]。由此可知，多目標遙測數(shù)據(jù)傳輸處理系統(tǒng) 鏈路余量為13 dB，減去饋線及接頭的衰減，能夠保證200 km遙測傳輸距離條件下，遙測信號的正常接收與解調(diào)。圖8展示了多目標遙測數(shù)據(jù)傳輸處理系統(tǒng)下行鏈路接收靈敏度的計算。

圖8 接收靈敏度

3 飛行試驗

為驗證多目標遙測數(shù)據(jù)傳輸處理系統(tǒng)的功能與性能，在蒲城內(nèi)府機場進行了掛飛試驗，系統(tǒng)上、下行頻率為350 MHz，工作模式為TDD，每一路信號分配2 Mbps數(shù)據(jù)量，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)選擇流媒體，由于經(jīng)費條件等限制，本試驗僅模擬2路遙測數(shù)據(jù)源，選擇塞斯納飛機機翼下安裝一套遙測發(fā)射天線模擬其中一路數(shù)據(jù)源，利用地面架設一套固定遙測發(fā)射裝置模擬另一數(shù)據(jù)源(見圖9)。

圖9 多目標遙測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)原理框圖

地面接收系統(tǒng)采用小型多目標天線為接收天線，搭配高速TDMA收發(fā)機對數(shù)據(jù)進行解調(diào)，并在終端顯示設備上進行顯示。試驗結果見表1。

表1 試驗結果

實驗結果分析：由于飛行高度限制，試驗過程中，高度不能超過3 000 km。在0～100 km之內(nèi)，接收信號效果理想，能夠正常接收機上及地面兩個目標遙測信號，并能正常解調(diào)。由于100 km之后，飛機飛入渭南地區(qū)山區(qū)，信號遮擋嚴重，飛機與塔臺無線電臺通信中斷，遙測信道丟失。當飛機返回時，遙測信號與塔臺無線電通信同時恢復。

4 結束語

飛行試驗多目標遙測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用較低成本設計與實現(xiàn)，能夠同時滿足多架飛機試驗數(shù)據(jù)的遙測傳輸與處理，每架飛機預分配2 Mbps的數(shù)據(jù)量，滿足飛行試驗的基本安全監(jiān)控需要，后續(xù)數(shù)據(jù)量可擴展，同時具備雙工特性，使機載設備地面管理成為可能。經(jīng)過掛飛試驗驗證該套系統(tǒng)與無線對空電臺在傳輸距離上能夠?qū)崿F(xiàn)同步接收，滿足飛行試驗要求。隨著該套系統(tǒng)逐步的投入使用，能夠有效緩解遙測資源緊張的現(xiàn)狀，解決現(xiàn)有遙測系統(tǒng)占用資源多，配置成本高的問題，實現(xiàn)對各類飛機進行遙測監(jiān)控保障，成為現(xiàn)有遙測系統(tǒng)的有效補充，可廣泛應用于各種型號試飛任務中，有著較好的應用前景。

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Design and Implementation of Multi Target Telemetry Data Transmission System Based on TDMA

Wei Jianxin， Li Yansheng， Guo Shiwei

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

Telemetry monitoring is an important method to improve the efficiency of the new aircraft flight test, and to ensure the safety of flight test. The transmission capability and quality of the telemetry data determines the performance of the remote sensing monitoring. With a large number of aircraft in a flight test mission to carry out a wide range of performances, there are some limitations in the existing flight test single target telemetry system. In order to solve the problem of simultaneous telemetry data transmission, comparing of several common target system, this paper designs a system of multi - target telemetry data transmission system based on TDMA system. The data transmission rate and distance of the system are calculated.

TMDA; telemetry system; data transmission; multiple target

2015-11-23；

2016-01-15。

國防基礎科研項目(A0520132031)。

魏建新(1984-)，男，吉林白城人，工程師，碩士研究生，中國飛行試驗研究院，主要從事飛行試驗遙測與監(jiān)控技術方向的研究。

1671-4598(2016)03-0273-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.075

TP3

A