高原型移動式遙測監控系統的構建

霍建華

高原型移動式遙測監控系統的構建

霍建華

霍建華 劉 丹 郭世偉

中國飛行試驗研究院測試所

在多年建設移動式遙測監控系統的經驗基礎上，結合高原試飛環境的特殊應用需求，以具有高原野戰性能的車為載體，重新構建了一套高原型移動式遙測監控系統。對系統結構進行合理設計，選擇高靈敏度和寬動態范圍的遙測接收設備及高性能的數據處理設備，實現了遙測監控系統的全部功能。面對高原環境所帶來的供電、缺氧等問題，增加了應急設備。經實踐證明，該系統能夠很好地滿足高原試飛的遙測監控需求，并具有良好的通用性。

隨著飛機的不斷發展，性能的不斷提高，飛機系統變得越來越復雜，飛行試驗遙測監控成為保障飛行安全必不可少的手段之一。移動式遙測監控系統的使用，使多地多環境下飛行試驗的遙測監控更加便利。現有的多套移動式遙測監控系統已圓滿完成高溫、高寒、高濕等多種環境下的試飛監控任務。但高原的太陽輻射強、地形環境復雜、氣壓低、晝夜溫差大、空氣密度低等特點，對移動式遙測監控系統提出新的要求。地形環境復雜要求遙測接收系統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較低，對發動機動力影響較大，以及艙內參試人員面臨缺氧等問題。現有系統不能滿足高原特殊環境的這些應用，需要重新建設。

1 構建原則

高原型移動式遙測監控系統在滿足高原試飛的前提條件下，結合遙測監控的實際需要，應滿足以下幾項設計原則。

（1）盡可能采用成熟技術，充分借鑒國內外各類先進技術，通過消化、移植、融合、創新，完成快速研制。

（2）需具備較高的技術性能，要充分考慮高原試飛環境遙測所面臨的多徑效應等問題，需要充分比較國內外各類遙測天線、接收機等的性能指標，以保證活動站達到最佳的配置效果。

（3）配套設備體積小、重量輕、功耗低、集成高、可折疊將作為系統設備的主要選擇條件。并根據設備情況，在設備安裝中進行減震處理，以達到快速、機動、靈活、方便展開工作的使用條件。

（4）選擇具有高原野戰性能的車載設備，針對高原試飛環境特點，配備適當的應急設備。

圖1 遙測監控系統功能劃分

2 系統功能及組成

高原型移動式遙測監控系統的設計目標是完成高原環境下飛行試驗的遙測跟蹤，并能夠在艙內完成整個飛行試驗的實時監控及數據處理。考慮到系統的可用性及擴展性，該系統應能夠通過光纜將數據發送到其他的監控場所，完成更詳細的試驗結果的監測。另外它還應包括一些輔助設備，以更好地完成飛行試驗的遙測監控。因此可以將它分為三部分，遙測跟蹤系統、數據處理系統和輔助設備。

遙測跟蹤系統主要完成飛機的遙測跟蹤，并將飛機發射的信號實時接收、解調，將解調后的信號發送給數據處理系統。在有實時監控系統的地方，可以通過光傳輸設備將信號傳輸過去，在那里完成飛行試驗的實時監控。

數據處理系統完成事先準備、實時處理和數據回放等功能。將收到的信號進行位同步、幀同步后，通過事先準備好的軟件進行工程單位轉換之后，將參數值發送給監控計算機，通過監控畫面將需要檢測的參數值進行顯示，供研究人員監控。在處理的同時它可以將數據進行存儲，用于事后進行實時重現。

輔助設備主要用于工作人員查看信號是否正常，或對系統設備進行檢查時使用。另外還包括信號傳輸設備等，幫助參試人員更好地完成飛行試驗的遙測監控。

高原型移動式遙測監控系統的詳細結構如圖2所示。

圖2 遙測監控系統結構

3 關鍵技術

抗多徑效應

高原環境對遙測接收系統主要是多徑效應的影響。地形是影響電磁波傳輸的重要因素，高原山地地形對遙測信號的反射直接影響接收信號的質量。在遙測天線跟蹤飛行目標的過程中，由于遙測信號受到山地環境的影響，時常會產生較嚴重的多徑效應，導致遙測接收信號的場強發生劇烈的變化，易引起自跟蹤天線丟失目標，大大降低遙測數據接收的可靠性。另外在飛行過程中，飛機的高度、姿態、距離一直在變化，其發射波的極化也會變化。因此，地面接收天線極化和機上發射天線極化不可能始終處于良好的匹配狀態，極化匹配不好，其損失會很大。為改善接收端信號的瞬時信噪比和平均信噪比，提高遙測數據接收的可靠性，可采用分集接收技術，從而有效抑制多徑效應對遙測信號的影響。

分集的目的是確保信號不中斷，提高信道的可靠性和改善接收信號質量。常用的分集接收技術包括極化分集、空間分集和頻率分集。空間分集需要兩個天線并保持一定距離，不適合在移動式遙測監控系統中使用，頻率分集需要兩個及以上頻率，考慮到遙測頻段緊張等現狀，不適合采用，因此選擇極化分集接收技術較為合適。通常都將地面接收天線做成左右旋圓極化接收，再進行分集合成，以適應機上不同的極化型式及傳播中的極化變化。

在系統構建中，選擇具有雙極化接收能力的遙測接收天線和具有抗多徑效應的遙測接收機，保證系統在高原、山區等特殊地形遙測信號的接收質量。除天線性能外，還要考慮天線的使用及運輸環境。典型的高原環境晝夜溫差大，最大風速達35m/s，整個系統又以高原越野性能的車為載體，為方便安裝、運輸，且天線應有可靠的抗風及加溫能力。以往系統多選用拋物面天線，對于高原如此大的風速不太合適，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，明顯提高遙測信號質量，從而更好地克服高原山地環境下的多徑效應。

圖3 遙測接收極化分集組合

數字引導

為了解決高原山地環境對遙測跟蹤的影響，更好地完成飛行試驗的遙測監控任務，采取多種跟蹤方式相結合的方式進行，包括自動跟蹤、手動跟蹤、數字引導跟蹤等多種方式。

天線的數字引導功能通過RS232接口來實現。通過該接口將跟蹤的目標信息輸入到控制軟件中，軟件可以根據這些信息來控制天線進行跟蹤，使得跟蹤更將準確且不容易丟失目標。這就要求被跟蹤目標發射的信號中包含位置信息（如GPS定位信息或北斗定位信息），主要是目標的經度、緯度和高度信息。通過對接收到得信號進行處理，提取位置信息，并將這些信息組合成軟件可以識別的幀格式，發送給控制軟件，從而實現天線的數據引導。另外，最新的RTR接收機可以將位、幀同步后的數據進行網絡輸出。可以編輯第三方軟件從RTR處獲取網絡數據，通過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行重組，發送給天線控制軟件，從而實現天線的數據引導。

由于天線配套的控制軟件對接收的位置信息直接接收并計算，而不進行數據判斷，這就使得在信號出現跳點或變差時，天線可能會出現大幅擺動。這不僅對天線設備造成損害，也更容易丟失目標，因此，在開發接口軟件時，需要考慮壞點的剔除。

在實際飛行監控中，飛機飛行速度都低于2.5馬赫。因此在軟件設計中，當兩次數值相差大于0.007度時，即提示數據超標，并將上一次的數值發送給天線控制器，使天線保持上一位置狀態，從而更好地完成飛行試驗的遙測監控任務。

4 車載特性

整個系統以高原野戰性能的車為載體，所以在系統設計時，如何使系統更適于運輸，便于人員操作是必須考慮的問題。另外還需考慮設備的工作環境要求以及人員缺氧等問題。整個方艙的設備安置如圖4所示。

圖4 方艙安置示意圖

（1）天線的安裝及運輸。 整個系統以車為載體，在運輸過程中難免會出現劇烈的顛簸。這種振動會對天線產生很大的損害。盡量減少由于振動引起的系統故障是必須考慮的一個問題。而選用的COM'TRACK天線體積小、重量輕、連線簡單，因此對天線采取裝箱運輸，到達目的地進行安裝的方式，從而更好地減小振動對天線的影響。

另外，天線使用時應升至艙外，須采用升降結構，采用電動方式進行升降。天線升起后，天線底座與艙頂緊密結合，保證了艙的密封性。

（2）設備安裝。遙測設備的安裝不僅要考慮運輸的問題，同時還要考慮人員操作的方便。設備安裝的高度及安置方向是最重要的兩個方面。艙內所有設備都安裝在機柜上加以固定，并對機柜進行防震處理。機柜安置方向為垂直與倉體，這樣使得工作人員檢查連線比較方便。艙內除安裝設備外，還得留有一定的剩余空間供人員活動及應急設備安放。

（3）環境要求。一方面是指設備對環境溫度的要求。環境溫度過低會出現設備無法啟動，過高則可能出現死機等現象，艙內必須配備空調來調節溫度。在高寒環境下，只用空調無法快速達到設備的溫度需求，還需增加熱風機，以更快地調節溫度。另外艙內配備必要的照明設備、通風設備。另一方面，艙內空間有限，參試人員多，考慮到高原環境可能帶來的缺氧問題，車內應配備簡易應急供氧裝置。

（4）供電需求。高原試飛可能會遇到遙測方艙停放位置供電不便的問題，需要配備小型汽油發電機，其供電時間應能達到6小時以上。

5 結束語

高原型移動式遙測監控系統以高原野戰性能的車為載體，主要用于保障高原區域外場科研試飛工作，為外場試飛工程師提供一個較舒適的工作環境和應急救護。目前，高原型移動式遙測監控系統已完成了一系列的任務，驗證了該系統在高原環境下飛行試驗領域的實用性。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.01.002