應(yīng)用于飛行試驗(yàn)的無(wú)線光通信技術(shù)的探索及展望

尹川 劉鵬 陳新華

【摘要】 本文主要針對(duì)應(yīng)用于飛行試驗(yàn)中的無(wú)線光通信技術(shù)進(jìn)行探索及未來(lái)發(fā)展展望。詳細(xì)介紹機(jī)載無(wú)線光通信系統(tǒng)原理，對(duì)飛行試驗(yàn)中應(yīng)用無(wú)線光通信系統(tǒng)的方案進(jìn)行探討，并對(duì)展望該技術(shù)在試飛測(cè)試領(lǐng)域發(fā)展方向。相比于傳統(tǒng)的視距微波遙測(cè)技術(shù)，無(wú)線光通信技術(shù)以其突出的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越受到研究者的重視，在飛行試驗(yàn)領(lǐng)域應(yīng)予以探索。

【關(guān)鍵字】 飛行試驗(yàn) 無(wú)線光通信 遙測(cè)

隨著我國(guó)航空工業(yè)的發(fā)展，各種新型號(hào)飛機(jī)的機(jī)載系統(tǒng)發(fā)展突飛猛進(jìn)，這樣對(duì)試飛測(cè)試提出了更高的要求，測(cè)試參數(shù)和種類的增多直接導(dǎo)致數(shù)據(jù)量的膨脹，同時(shí)也對(duì)遙測(cè)系統(tǒng)形成考驗(yàn)。傳統(tǒng)遙測(cè)鏈路使用的是視距微波通信技術(shù)，可靠的數(shù)據(jù)傳輸速率在幾到幾十兆比特每秒量級(jí)。顯然，傳統(tǒng)遙測(cè)鏈路所能承載的數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)種類很有限，隨著試飛需求的增加，這將成為未來(lái)遙測(cè)方案設(shè)計(jì)的瓶頸，尤其針對(duì)高清視頻等高速率信號(hào)傳輸，帶寬不足的問(wèn)題會(huì)更為突顯。

為解決以上問(wèn)題，本文旨在探索將無(wú)線光通信技術(shù)應(yīng)用于飛行試驗(yàn)中。無(wú)線光通信技術(shù)以光波為載頻傳輸信息，相比于微波技術(shù)傳輸容量大的多，遠(yuǎn)距離傳輸可達(dá)Gbps級(jí)，將會(huì)給飛行試驗(yàn)遙測(cè)提供極大的靈活性，并且還具有高度保密，無(wú)需頻譜牌照等先天優(yōu)勢(shì)。

一、機(jī)載光通信技術(shù)

1.1 機(jī)載無(wú)線光通信技術(shù)應(yīng)用案例

國(guó)外科學(xué)家很早之前就開(kāi)始對(duì)機(jī)載光通信系統(tǒng)進(jìn)行研究，并且做了豐富的試驗(yàn)。

1980年在美國(guó)新墨西哥白沙導(dǎo)彈靶場(chǎng)進(jìn)行飛機(jī)與地面之間的激光通信試驗(yàn)，試驗(yàn)持續(xù)三個(gè)月，總計(jì)工作200小時(shí)，激光通信設(shè)備安裝在USAF-KC-135飛機(jī)上，圍繞地面站飛行，相距10～100km之間，完成了用窄光束進(jìn)行激光光束捕獲/跟蹤，對(duì)準(zhǔn)試驗(yàn)認(rèn)證，實(shí)現(xiàn)下行1000Mbps，上行200kbps的信息傳輸。

1996年12月美國(guó)Thermo Trex公司在San Diego進(jìn)行了飛機(jī)-地面站遠(yuǎn)距離的激光通信試驗(yàn)。機(jī)上的APT系統(tǒng)，粗跟蹤萬(wàn)向支架水平可在±180°、垂直+10°～-90°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，信標(biāo)光束散角為2mrad，信號(hào)光束散角為100urad。

1.2 機(jī)載無(wú)線光通信技術(shù)簡(jiǎn)介

機(jī)載光通信技術(shù)是以飛機(jī)為平臺(tái)，進(jìn)行空-地或空-天無(wú)線光通信。如圖1.1為機(jī)載無(wú)線光通信系統(tǒng)上行通信原理框圖。

地面站一般是可移動(dòng)式車載光端機(jī)及處理系統(tǒng)，根據(jù)飛行計(jì)劃在地面選取合適的區(qū)域駐扎。

信標(biāo)光用來(lái)進(jìn)行光端機(jī)之間的光束捕獲，即粗跟蹤，這項(xiàng)技術(shù)在大致方位（一般用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）系統(tǒng)引導(dǎo)到初始位置）掃描另一端光端機(jī)的信標(biāo)光從而實(shí)現(xiàn)光束捕獲，將接收到的光信號(hào)引導(dǎo)到定位探測(cè)器上進(jìn)行精跟蹤，最后調(diào)整收發(fā)端，使光束對(duì)準(zhǔn)。

位置誤差模塊為位置探測(cè)器，可以探測(cè)出光信號(hào)光斑投射到其檢測(cè)面的位置，根據(jù)既定規(guī)則得出的特定位置誤差傳送給計(jì)算機(jī)處理，進(jìn)而控制粗跟蹤系統(tǒng)和精跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行方位矯正，實(shí)現(xiàn)光束對(duì)準(zhǔn)。

二、飛行試驗(yàn)中應(yīng)用無(wú)線光通信技術(shù)的探討

2.1 飛行試驗(yàn)中的無(wú)線光通信技術(shù)

在飛行試驗(yàn)中應(yīng)用無(wú)線光通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，采集器所采集到的全部或所有需實(shí)時(shí)監(jiān)控的數(shù)據(jù)都可以和記錄器輸出的視頻數(shù)據(jù)或總線數(shù)據(jù)合路后，經(jīng)過(guò)電光調(diào)制，直接通過(guò)機(jī)載無(wú)線光通信系統(tǒng)光端機(jī)下發(fā)給地面站。地面站將接收到的光信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換還原，解復(fù)用各路數(shù)據(jù)流以待后續(xù)處理分析。該系統(tǒng)還具有上行傳輸能力，可以遠(yuǎn)程控制整個(gè)試飛測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遙控遙測(cè)能力。

因?yàn)闊o(wú)線光通信系統(tǒng)的傳輸速率很高，應(yīng)對(duì)目前飛行試驗(yàn)遙測(cè)的強(qiáng)度綽綽有余，未來(lái)的飛機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜，機(jī)載系統(tǒng)集成度以及交換信息量會(huì)越拉越大，再加上飛機(jī)航電系統(tǒng)的飛速發(fā)展，在未來(lái)飛行試驗(yàn)中有必要加大試飛實(shí)時(shí)監(jiān)控的力度，無(wú)線光通信技術(shù)應(yīng)由其發(fā)展的一席之地。

2.2 飛行試驗(yàn)中無(wú)線光通信技術(shù)的發(fā)展方向

飛行試驗(yàn)遙測(cè)系統(tǒng)引入無(wú)線光通信技術(shù)將有效緩解及應(yīng)對(duì)未來(lái)遙測(cè)數(shù)據(jù)量的增加，后期此項(xiàng)技術(shù)還可以繼續(xù)演進(jìn)。

1）微波/無(wú)線光通信復(fù)合式遙測(cè)技術(shù)

微波與光波可分別應(yīng)對(duì)不同的氣候狀況，若將微波技術(shù)與無(wú)線光通信技術(shù)結(jié)合使用，互為冗余，那么可靠性將極大的提高，確保遙測(cè)數(shù)據(jù)可靠下傳。

2）全光無(wú)線光通信技術(shù)

本文介紹的無(wú)線光通信系統(tǒng)整體為電-光-電類型，這種架構(gòu)為系統(tǒng)擴(kuò)容的瓶頸。所以本系統(tǒng)一個(gè)演進(jìn)方向?yàn)槿庑蜔o(wú)線光通信系統(tǒng)，光信號(hào)由光纖放大器放大后直接由光纖發(fā)射，通過(guò)光學(xué)天線的整形準(zhǔn)直發(fā)射出去，接收端由光學(xué)天線直接將光束耦合進(jìn)入光纖繼續(xù)傳輸。這樣，無(wú)線光通信即可稱為真正的“虛擬光纖”，可協(xié)議透明的傳輸?shù)墓庑盘?hào)。并且波分復(fù)用技術(shù)，可以使系統(tǒng)容量成倍的增加，不同種類的信號(hào)可以調(diào)制到不同波長(zhǎng)上同時(shí)傳輸。

三、總結(jié)

本文對(duì)無(wú)線光通信技術(shù)在飛行試驗(yàn)中的應(yīng)用進(jìn)行了初步的探索與展望。無(wú)線光通信技術(shù)以其突出的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越受到研究者的重視，在很多領(lǐng)域已經(jīng)商用，在飛行試驗(yàn)領(lǐng)域尚無(wú)應(yīng)用。今后，傳統(tǒng)的遙測(cè)技術(shù)會(huì)成為空地下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i，無(wú)線光通信技術(shù)不乏為一種備選方案。因?yàn)闊o(wú)線光通信系統(tǒng)受天氣影響非常嚴(yán)重，所以目前應(yīng)用受到一定限制，但是隨著技術(shù)的發(fā)展，我們有理由相信它的前途是光明的。