基于C波段無線網(wǎng)的模擬飛行視頻遙測傳輸技術(shù)研究

劉汝媚

摘 要： 針對目前遙測頻率資源緊張與飛行試驗需求不斷增長之間的矛盾，對C波段無線網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行研究。在比較IRIG 106遙測標(biāo)準(zhǔn)和iNET遙測網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的各自特點的基礎(chǔ)上，根據(jù)iNET遙測網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，提出基于C波段無線網(wǎng)的模擬飛行視頻遙測傳輸技術(shù)方案，實現(xiàn)C波段雙向傳輸功能。通過增加C波段網(wǎng)絡(luò)收/發(fā)器、LNA和功放等關(guān)鍵設(shè)備，實現(xiàn)C波段網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，極大地提高了遙測數(shù)據(jù)傳輸速率，緩解了遙測頻率資源緊張的現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞： C波段無線網(wǎng)； 模擬飛行； 遙測傳輸； 雙向傳輸

中圖分類號： TN926?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）09?0117?04

Abstract： To solve the current contradiction between telemetry frequency resource shortage and increasing flight test demand， the C?band wireless network technology is researched. On the basis of comparing the characteristics of IRIG 106 Telemetry Standard and iNET Telemetry Network Standard， the simulation flight video telemetry transmission technology scheme based on C?band wireless network is proposed according to iNET Telemetry Network Standard to realize the two?way transmission in C?band. The key devices of the network transceiver in C?band， LNA and power amplifier are increased to realize the two?way transmission of C?band network data， which can greatly improve the transmission rate of telemetry data， and alleviate the current situation of the telemetry frequency resource shortage.

Keywords： C?band wireless network； flight simulation； telemetry transmission； two?way transmission

0 引 言

如今，無論是在國外還是在國內(nèi)，遙測在航空、航天以及軍工等領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用，它是獲取試驗數(shù)據(jù)、保證試驗順利進(jìn)行、確保試驗安全的重要手段之一。而遙測標(biāo)準(zhǔn)則是遙測設(shè)備設(shè)計和改進(jìn)的準(zhǔn)則，相同遙測標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用實施，可以保證不同試驗設(shè)備的兼容，做到遙測頻譜資源的有效利用，并且可以避免干擾。

試驗?zāi)M飛行的機載測試視頻傳輸技術(shù)，一直是作為國內(nèi)外航空飛行領(lǐng)域的核心技術(shù)而存在。在過去很長一段時間內(nèi)，國際間的飛行試驗一直都采用美國的IRIG 106遙測標(biāo)準(zhǔn)，利用S或L波段無線網(wǎng)進(jìn)行PCM（Pulse Code Modulation）格式數(shù)據(jù)的遙測傳輸。經(jīng)過多年的實踐發(fā)現(xiàn)，IRIG 106遙測標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)繁雜，實驗的價格花費昂貴，并且傳輸速率受到極大的限制，經(jīng)濟性和實用性差，難以滿足試驗?zāi)M飛行機載測試視頻的傳輸發(fā)展要求。近年來，隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，模擬飛行試驗遙測傳輸網(wǎng)絡(luò)化趨勢愈發(fā)明顯，“增強遙測綜合網(wǎng)”（Integrated Network Enhanced Telemetry，iNET）概念的提出，明確了這一趨勢，本文依據(jù)iNET概念及標(biāo)準(zhǔn)開展了相關(guān)研究。

1 兩個遙測標(biāo)準(zhǔn)的對比

1.1 IRIG 106遙測標(biāo)準(zhǔn)

2001年，IRIG把IRIG 106遙測標(biāo)準(zhǔn)分成傳統(tǒng)的遙測標(biāo)準(zhǔn)和遙測網(wǎng)絡(luò)兩個部分。傳統(tǒng)的遙測標(biāo)準(zhǔn)概括了許多信息和多年的遙測標(biāo)準(zhǔn)；遙測網(wǎng)絡(luò)則是結(jié)合目前的技術(shù)和模式變革，力圖制定一個新的遙測網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)。

到了2004年，IRIG 106標(biāo)準(zhǔn)中新增了SOQPSK和CPM兩種調(diào)制方式。SOQPSK調(diào)制方式是異型偏移四相相移鍵控調(diào)制方式，它是在OQPSK的基礎(chǔ)上進(jìn)一步升級，使其具有了特別出色的頻譜效率和恒包絡(luò)特性，無論在軍用還是民用領(lǐng)域都發(fā)揮著巨大的作用，是美軍標(biāo)中的一種常用的高效率恒包絡(luò)調(diào)制方式，并且它自身具有極好的頻譜效率，帶寬優(yōu)于傳輸位速率的0.78倍，被廣泛地應(yīng)用于民用無線通信領(lǐng)域中。CPM調(diào)制方式目前還在發(fā)展中，該調(diào)制方式具有更為優(yōu)秀的頻譜效率，帶寬則是傳輸位速率的0.56倍。

1.2 iNET遙測網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)

2004年10月，美國啟動了iNET項目開發(fā)計劃，該項目具有明確的發(fā)展目標(biāo)，致力于評估范圍內(nèi)和各類試驗的遙測系統(tǒng)的升級換代，完善這些系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為此制定出一種可行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

隨著時間的推移，iNET項目不斷取得新成果。2009年12月發(fā)布iNET標(biāo)準(zhǔn)的航空推薦或試用版，即V0.5版，這一版本的iNET標(biāo)準(zhǔn)包括了測試標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)管理標(biāo)準(zhǔn)、RF網(wǎng)絡(luò)單元標(biāo)準(zhǔn)和元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。這個項目不斷發(fā)展，開始有越來越多的方面參與，其中包括了設(shè)備的用戶以及供應(yīng)商，符合本項目標(biāo)準(zhǔn)的遙測設(shè)備也開始井噴式出現(xiàn)，大有超過前標(biāo)準(zhǔn)的趨勢。

隨著試驗環(huán)境的逐步升級以及現(xiàn)代航空模擬飛行試驗規(guī)模的不斷擴大，對遙測的標(biāo)準(zhǔn)要求越來越高，比如要規(guī)范服務(wù)質(zhì)量，及時調(diào)整測試系統(tǒng)，對于實驗進(jìn)行靈活的管理，提高遙測范圍和遙測通信的能力，進(jìn)而使得傳輸活動公平合理，實驗周期短且效率高，并且多個實驗對象間的通信、遠(yuǎn)距離區(qū)域和實驗對象的訪問交流能力的提高實現(xiàn)了動態(tài)頻譜資源共享，滿足了動態(tài)遙測資源的多方面需求，加快了iNET遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)建設(shè)。

1.3 比較

IRIG 106遙測標(biāo)準(zhǔn)是一個優(yōu)秀的、成功的標(biāo)準(zhǔn)。它的傳輸方式是點到點的單向串行傳輸，具有堅實的可靠性和實時性等技術(shù)特點。IRIG 106遙測標(biāo)準(zhǔn)從提出到成熟，經(jīng)歷了多次的修改、不斷地補充，在這一系列的完善措施下，使其在不同的時期都能適應(yīng)滿足不同飛行的試驗需求。然而，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，遙測需求和飛行試驗?zāi)Ｊ竭M(jìn)行了巨大的發(fā)展變革，IRIG 106遙測標(biāo)準(zhǔn)的問題開始慢慢凸顯出來，這些問題中比較突出的問題主要有單向性、頻譜資源利用率低等，這些問題和矛盾極大地限制了IRIG 106遙測標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步發(fā)展和創(chuàng)新。另一方面，IRIG 106遙測標(biāo)準(zhǔn)自身的機構(gòu)體系繁瑣，不靈活也影響了使用成熟技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)來降低自身成本的發(fā)展道路，使得該標(biāo)準(zhǔn)更加不能應(yīng)對技術(shù)的發(fā)展和裝備采購置辦程序的改變。

而iNET遙測網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)是在傳統(tǒng)PCM遙測鏈路上進(jìn)行了發(fā)展和創(chuàng)新，在鏈路外新增了上下行的雙向無線網(wǎng)絡(luò)鏈路，使得遙測系統(tǒng)本身兼具串行PCM下行功能和遙測數(shù)據(jù)的上下行功能，而且遙測傳輸是在寬帶、雙向RF網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的一種遙測傳輸能力具有實時性和準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)錯誤具有恢復(fù)能力、動態(tài)頻譜資源具有管理能力的一種可動態(tài)組網(wǎng)的遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以實現(xiàn)飛行試驗遙測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和空地一體化。

IRIG 106和iNET遙測網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)主要技術(shù)屬性的對比如表1所示。

2 C波段無線網(wǎng)的遙測傳輸

iNET標(biāo)準(zhǔn)是在傳統(tǒng)的PCM遙測鏈路外新增上下行的雙向無線網(wǎng)絡(luò)鏈路，進(jìn)而使遙測系統(tǒng)既能具有串行PCM下行功能，也可以具有遙測數(shù)據(jù)的上下行功能，實現(xiàn)了飛行試驗遙測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和空地一體化。本研究中通過增加C波段網(wǎng)絡(luò)收/發(fā)器、LNA和功放等關(guān)鍵設(shè)備，實現(xiàn)C波段網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，地面站C波段無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸原理框圖如圖1所示。

LNA模塊安裝在接近饋源端口位置，減小饋源輸出和功放接口間的饋纜損耗能直接降低系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。如果饋纜損耗由1 dB降低至0.5 dB，那么整個系統(tǒng)的噪聲系數(shù)就變好0.5 dB，即最小接收靈敏度提高了0.5 dB，也相當(dāng)于間接增大信號的覆蓋范圍。LNA盒安裝在饋源盒頂部，并通過低損射頻饋纜與C波段饋源聯(lián)接，最大限度縮短該射頻饋纜長度，能夠提高系統(tǒng)靈敏度。將無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器和功放安裝在天線底座內(nèi)，高速數(shù)據(jù)匯流環(huán)的上方，通過高速數(shù)據(jù)匯流環(huán)實現(xiàn)高速網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的通信，可以減少電纜傳輸?shù)膿p耗，提高寬帶雙向鏈路的靈敏度。

3 技術(shù)實現(xiàn)方案

機載和地面兩部分組成了C波段無線網(wǎng)的模擬飛行視頻遙測傳輸技術(shù)方案。機載部分由數(shù)據(jù)采集器、圖像采集器、C波段無線網(wǎng)網(wǎng)橋、功放和天線等部分組成，其中數(shù)據(jù)、圖像采集器具有網(wǎng)絡(luò)輸出功能；地面部分由定向的天線、無線網(wǎng)網(wǎng)橋、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器以及各個工作站等設(shè)備組成。技術(shù)實現(xiàn)方案框圖如圖2所示。

基于C波段無線網(wǎng)的模擬飛行視頻遙測傳輸技術(shù)方案的設(shè)計理念是依據(jù)PCM遙測系統(tǒng)，然后引入成熟的商用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，進(jìn)而使模擬飛行視頻遙測傳輸系統(tǒng)向著網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，它極大地提高了遙測傳輸帶寬。單向無線網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸挒? MB/s，范圍為方圓200 km，可以滿足模擬飛行視頻遙測傳輸?shù)男枰欢p向無線網(wǎng)則更為方便快捷，它可以讓遠(yuǎn)距離的試驗機和地面站實現(xiàn)長遠(yuǎn)范圍內(nèi)的雙向通信，使得模擬飛行從單一實驗慢慢發(fā)展為天空和地面協(xié)同一體的模式。基于C波段無線網(wǎng)的模擬飛行視頻遙測傳輸技術(shù)方案在傳統(tǒng)PCM的基礎(chǔ)上新增加了上下行的雙向無線網(wǎng)絡(luò)鏈路，使得該模擬飛行視頻遙測傳輸系統(tǒng)得到了進(jìn)一步的發(fā)展創(chuàng)新，它既有串行功能，也具有遙測視頻上下傳輸?shù)墓δ堋?/p>

圖2所示的基于C波段無線網(wǎng)的模擬飛行視頻遙測傳輸技術(shù)方案其實就是一個計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它與通常意義的無線網(wǎng)系統(tǒng)一樣，都是簡單的點到點的傳輸。但它與通常的無線網(wǎng)也有許多的不同之處，主要有三點：一是修正了協(xié)議，基于C波段無線網(wǎng)的模擬飛行視頻遙測傳輸技術(shù)方案對無線網(wǎng)橋和UDP協(xié)議進(jìn)行了修改；二是增加了一個功放，仔細(xì)觀察基于C波段無線網(wǎng)的模擬飛行視頻遙測傳輸技術(shù)方案可以看到，為保證傳輸?shù)木嚯x，在機載C波段無線網(wǎng)網(wǎng)橋后安裝了一個功率放大器，而發(fā)射天線使用的是C波段機載遙測發(fā)射天線，地面接收部分也更換成C波段無線網(wǎng)高增益的定向天線；三是工作頻段使用C波段無線網(wǎng)。

圖2所示方案與IRIG 106遙測傳輸系統(tǒng)從遙測系統(tǒng)的角度來看，最顯著的差別在于：數(shù)據(jù)沒有使用PCM格式，因而數(shù)據(jù)和圖像采集器就不需要進(jìn)行PCM編碼的輸出，地面接收和地面站也不需要安裝價格昂貴的PCM前端設(shè)備，降低了成本，模擬飛行視頻遙測數(shù)據(jù)格式符合網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，僅僅使用通用的計算機網(wǎng)絡(luò)和一些專用數(shù)據(jù)處理軟件，就能實現(xiàn)模擬飛行視頻數(shù)據(jù)和多路視頻圖像的遠(yuǎn)距離傳輸和處理。

4 關(guān)鍵技術(shù)

要實現(xiàn)試驗機高速飛行時與地面站的無線網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，必須解決以下關(guān)鍵技術(shù)：

（1） 帶寬問題。雙向的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以采用擴頻通信技術(shù)，采取直序擴頻調(diào)制技術(shù)，把頻帶分成許多的通信信道，每一個信道帶寬為22 MHz。進(jìn)行硬件優(yōu)化瘦身，除去現(xiàn)有產(chǎn)品中適應(yīng)多種無線網(wǎng)協(xié)議的功能，提升射頻模塊自身的選頻功能，把有限的硬件資源充分地發(fā)揮在協(xié)議上。另一方面，要提升軟件的控制功能，例如網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包長度控制和信標(biāo)幀間隔控制等。

（2） 天線跟蹤問題。雙向無線網(wǎng)工作頻段選擇的是C波段，IRIG 106遙測標(biāo)準(zhǔn)選擇的是S波段，這兩者之間是可以兼容的。因此，可以把雙向無線網(wǎng)接收天線安裝在PCM遙測跟蹤天線上，進(jìn)而利用PCM遙測跟蹤伺服系統(tǒng)實現(xiàn)地面無線網(wǎng)天線對試驗機的跟蹤。

（3） 雙向傳輸問題。由于C波段無線網(wǎng)是雙向的，接收端在UDP方式下要向發(fā)送端提交發(fā)送數(shù)據(jù)請求和收到數(shù)據(jù)的情況信息，因此也是雙向的。但是在物理鏈路上不支持雙向傳輸情況，要真正實現(xiàn)雙向傳輸，就必須對UDP協(xié)議進(jìn)行相應(yīng)的改變和修改。在UDP協(xié)議進(jìn)行修改后的試驗和測試表明，其可以真正地實現(xiàn)雙向傳輸。

5 結(jié) 論

綜上所述，基于C波段無線網(wǎng)的模擬飛行視頻遙測傳輸技術(shù)，通過在地面的多次試驗和多次空中模擬飛行，證實其在技術(shù)上是可行的，而且該模擬飛行視頻遙測傳輸方案的傳輸速率和距離等主要技術(shù)指標(biāo)也完全可以達(dá)到實用的技術(shù)要求，另外，在工程化的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的技術(shù)壁壘也可以解決。

基于C波段無線網(wǎng)的模擬飛行視頻遙測傳輸技術(shù)為模擬飛行機載測試數(shù)據(jù)和視頻圖像的遠(yuǎn)距離傳輸?shù)陌l(fā)展起到了巨大的推動作用，具有里程碑式的意義。和傳統(tǒng)的PCM遙測傳輸技術(shù)方案相比，基于C波段無線網(wǎng)的模擬飛行視頻遙測傳輸方案的設(shè)備可以大大的“瘦身”，從而極大地降低了試驗的成本，這樣可以更加有力于模擬飛行試驗的展開，尤其對一些大型運輸機和機上已經(jīng)配備了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的飛機模擬飛行試驗機載測試數(shù)據(jù)和圖像的傳輸更加有利，為其提供了更為便捷的服務(wù)。同時，更加振奮人心的是同頻點、多點到一點的傳輸方式在試驗中已經(jīng)證實是可以實現(xiàn)的，這讓單頻點、實現(xiàn)多架飛機試飛數(shù)據(jù)的同時傳輸看到了希望的曙光。筆者相信，隨著基于C波段無線網(wǎng)的模擬飛行視頻遙測傳輸技術(shù)的進(jìn)一步工程化，將有利于推動新的飛行試驗遙測傳輸體系和標(biāo)準(zhǔn)的誕生，為未來新機模擬飛行試驗提供全新的頻段，這一套技術(shù)方案具有廣闊的應(yīng)用前景，也必將為未來的新機產(chǎn)生帶來巨大的經(jīng)濟與社會效益。

另外，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在各個領(lǐng)域都起著關(guān)鍵的主導(dǎo)作用，同樣對于新機的模擬飛行試驗也是如此。

在地面，實現(xiàn)了遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化，機載測試系統(tǒng)也一定會朝著這一網(wǎng)絡(luò)化趨勢去發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化是機載測試數(shù)據(jù)和視頻圖像到地面?zhèn)鬏數(shù)谋厝灰螅谴髣菟叄强萍及l(fā)展的必然要求。隨著近年來經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們的需求也快速擴張，遙測頻率資源被占用是發(fā)展的必然結(jié)果，這些情況雖然對科研試飛任務(wù)帶來了不利影響，但也是提高技術(shù)效率、提升頻率資源利用率的一個關(guān)鍵時期。投入力量來重新的規(guī)范遙測系統(tǒng)資源，自主研發(fā)遙測系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)備，改進(jìn)原有系統(tǒng)的不足，并實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備的國產(chǎn)化替代，為提高測試能力提供支持。

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