公用通訊網(wǎng)絡(luò)中遙測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)的研究

吳 悠,李銘三,郭世偉

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 陜西 西安710089)

隨著新型飛機(jī)的試飛空域不斷擴(kuò)大和試飛科目的復(fù)雜性風(fēng)險(xiǎn)性不斷增加，對(duì)遙測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的要求也越來越高。對(duì)于某型飛機(jī)的試飛，由于其大空域范圍的特點(diǎn)，遙測(cè)信號(hào)的傳輸距離在數(shù)百公里以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了單遙測(cè)站能滿足的最大遙測(cè)傳輸距離[1]；同時(shí)，由于其試飛科目的復(fù)雜性和高風(fēng)險(xiǎn)性，單遙測(cè)站的信號(hào)質(zhì)量無法完全保證試飛安全，因此設(shè)計(jì)了一套能夠覆蓋廣闊空域范圍的遙測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將相距數(shù)百公里以上的3個(gè)遙測(cè)站點(diǎn)組成遙測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括一個(gè)主遙測(cè)站和兩個(gè)分遙測(cè)站。主站和分站之間的數(shù)據(jù)通信使用公用光纖網(wǎng)絡(luò)SDH來構(gòu)建。該技術(shù)傳輸速率穩(wěn)定，安全性高，在長(zhǎng)距離實(shí)時(shí)傳輸上很有優(yōu)勢(shì)[2-3]。通過對(duì)遙測(cè)傳輸標(biāo)準(zhǔn)和SDH標(biāo)準(zhǔn)的融合，完成接口的轉(zhuǎn)換匹配，建立通信鏈路，進(jìn)行遙測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3個(gè)遙測(cè)站點(diǎn)，包括一個(gè)主遙測(cè)站，即遙測(cè)監(jiān)控指揮中心站，和兩個(gè)分遙測(cè)站A和B[4-5]。其中主遙測(cè)站需要具備遙測(cè)數(shù)據(jù)的綜合處理顯示，控制分節(jié)點(diǎn)對(duì)空電臺(tái)，并完成對(duì)空通訊指揮的主監(jiān)控功能。分遙測(cè)站需要具備遙測(cè)數(shù)據(jù)接收轉(zhuǎn)發(fā)，對(duì)空通訊鏈路保障等功能[6-7]。三站之間的遙測(cè)數(shù)據(jù)綜合處理和對(duì)空通訊數(shù)據(jù)的傳輸是相對(duì)獨(dú)立，但又相互聯(lián)系的，這里分別說明。

1.1 遙測(cè)數(shù)據(jù)綜合處理系統(tǒng)

3個(gè)站點(diǎn)的3套遙測(cè)天線系統(tǒng)接收飛機(jī)下傳的遙測(cè)PCM信號(hào)和視頻圖像信號(hào)。遙測(cè)站A和B的PCM數(shù)據(jù)及視頻圖像信號(hào)經(jīng)過信號(hào)傳輸設(shè)備傳送到主站。

圖1 遙測(cè)數(shù)據(jù)綜合處理系統(tǒng)框圖Fig.1 Diagram of the telemetry data integrated processing system

1.2 對(duì)空通訊指揮系統(tǒng)

對(duì)空通訊指揮系統(tǒng)傳輸專線系統(tǒng)如圖2所示，電臺(tái)收發(fā)語音信號(hào)、控制信號(hào)均通過信號(hào)傳輸設(shè)備傳輸?shù)街行恼?，中心站點(diǎn)可通過對(duì)應(yīng)遙控箱進(jìn)行電臺(tái)的遙控使用。

1.3 傳輸需求

圖2 對(duì)空通訊指揮系統(tǒng)框圖Fig.2 Diagram of the air command and communication system

考慮到新機(jī)試飛的高風(fēng)險(xiǎn)性，需要同時(shí)保持3地對(duì)空通信及機(jī)載遙測(cè)PCM數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互，確保遙測(cè)監(jiān)控指揮中心站與各分站之間的通信暢通。根據(jù)傳輸需求，要在分站A與主站、分站B與主站之間傳輸2路視頻、2路PCM、2路電臺(tái)、2路以太網(wǎng)、1路可撥號(hào)互相通話及3個(gè)站點(diǎn)的網(wǎng)管信息等6種信號(hào)。這些信號(hào)的傳輸需要構(gòu)建專用的通信信道來完成。

2 應(yīng)用SDH技術(shù)建立通信鏈路

2.1 以太網(wǎng)技術(shù)和SDH技術(shù)的比較

目前通信領(lǐng)域的主導(dǎo)技術(shù)有兩種，用于內(nèi)部商業(yè)通信的局域網(wǎng) （LAN）中的以太網(wǎng)和廣域網(wǎng) （WAN）中的SONET/SDH。這兩者的格式和封裝都不太一樣，所以有著各自的作用和適應(yīng)范圍。

以太網(wǎng)是局域網(wǎng)協(xié)議，利用IP協(xié)議組成網(wǎng)絡(luò)，可以是點(diǎn)到點(diǎn)，也可以是點(diǎn)到多點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)復(fù)用，存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，主要工作在ISO的OSI模型的第一到三層 （物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層）。以太網(wǎng)由于使用IP協(xié)議，傳輸通道穩(wěn)定性和安全性稍差，但管理和使用比較簡(jiǎn)單。

而SDH是點(diǎn)到點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，同步復(fù)用，實(shí)時(shí)傳輸，主要工作在ISO的OSI模型的第一層（物理層）。SDH專線由于使用SDH固定的幀格式傳送，傳輸速率穩(wěn)定，安全性高。SDH由于其自身的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，在語音業(yè)務(wù)和實(shí)時(shí)性要求比較高的業(yè)務(wù)上有很大的優(yōu)勢(shì)，因此在廣域網(wǎng)領(lǐng)域和專用網(wǎng)領(lǐng)域得到了巨大的發(fā)展。電信、聯(lián)通、廣電等電信運(yùn)營(yíng)商都已經(jīng)大規(guī)模建設(shè)了基于SDH的骨干光傳輸網(wǎng)絡(luò)。

2.2 應(yīng)用SDH技術(shù)

如果將PCM數(shù)據(jù)和視頻圖像通過遙測(cè)解調(diào)和視頻采集設(shè)備變換為以太網(wǎng)形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，雖然鏈路資費(fèi)和組網(wǎng)靈活性具有優(yōu)勢(shì)，但由于以太網(wǎng)采用帶寬共享模式，該模式存在傳送速率不能確定的問題，特別是遙測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)由于測(cè)試和監(jiān)控顯示的參數(shù)量的多少，產(chǎn)生較大的變化，給接口轉(zhuǎn)換設(shè)備的定制、使用的通用性以及通訊光纜的租用帶來困難?？赡艹霈F(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸遲延變化，因此傳輸速率波動(dòng)較大，無法滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控的需求。

參照電信運(yùn)營(yíng)商內(nèi)部骨干網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸方式，主節(jié)點(diǎn)與分節(jié)點(diǎn)應(yīng)使用中國(guó)電信的公用光纜網(wǎng)絡(luò)，租用SDH專線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，用以保證遙測(cè)數(shù)據(jù)和對(duì)空通訊的實(shí)時(shí)性和可靠性，構(gòu)成遙測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)試飛空域的遙測(cè)覆蓋。

同時(shí)主站通過PCM數(shù)據(jù)融合處理設(shè)備對(duì)3套遙測(cè)天線系統(tǒng)送入的遙測(cè)PCM數(shù)據(jù)進(jìn)行最佳源選擇處理，選擇最佳數(shù)據(jù)送入遙測(cè)前端處理器進(jìn)行遙測(cè)數(shù)據(jù)處理，使用六臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)對(duì)處理的遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。3套遙測(cè)天線系統(tǒng)接收的視頻圖像信號(hào)，在主站通過3臺(tái)視頻顯示器進(jìn)行直接顯示。

3 具體實(shí)現(xiàn)方案

3.1 信道分配情況

SDH服務(wù)業(yè)務(wù)使用G.703接口標(biāo)準(zhǔn)，為定速率傳輸模式，包括：64 Kbps、2.048Mbps。由以上可知信道分配情況：視頻占用1個(gè)2Ms信道、PCM占用1個(gè)2M信道、以太網(wǎng)占用1個(gè)2M信道、電臺(tái)+電話及網(wǎng)管信息占用1個(gè)2M信道，分站A與主站、分站B與主站各需要4個(gè)2M信道。按照目前的信道分配，將采用10M帶寬，最終帶寬值還需經(jīng)過組網(wǎng)測(cè)試確定。

因此，將遙測(cè)下傳的PCM數(shù)據(jù)信號(hào)，經(jīng)過位同步器進(jìn)行整型和同步處理，通過接口轉(zhuǎn)換模塊，將整型后的串行PCM數(shù)據(jù)流直接變換為G.703接口標(biāo)準(zhǔn)完成高速數(shù)據(jù)通信。同時(shí)對(duì)所傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)進(jìn)行加密處理且經(jīng)加密后的數(shù)據(jù)均為2M接口數(shù)據(jù)。輸入信號(hào)經(jīng)接口匹配變換、信號(hào)處理、加密、2M封裝，變成HDB3碼、經(jīng)光電變換后傳輸至電信租用的信道，經(jīng)電信光傳輸至遠(yuǎn)端，遠(yuǎn)端經(jīng)過相應(yīng)的逆處理過程后恢復(fù)出原始信號(hào)。

3.2 具體實(shí)現(xiàn)方案

綜合信息接入設(shè)備的實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖3所示，輸入信號(hào)經(jīng)接口匹配變換、信號(hào)處理、加密、2M封裝，變成HDB3碼、經(jīng)光電變換后傳輸至電信租用的信道，經(jīng)電信光鏈路傳輸至遠(yuǎn)端，遠(yuǎn)端經(jīng)過相應(yīng)的逆處理過程后恢復(fù)出原始信號(hào)。其中電話信號(hào)在主站節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)字程控交換處理，使其可實(shí)現(xiàn)三方撥號(hào)互相通話；網(wǎng)管信息在主站節(jié)點(diǎn)進(jìn)行匯聚處理，可對(duì)3個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行可靠有效監(jiān)測(cè)管理。

圖3 綜合信息接入設(shè)備的原理框圖Fig.3 diagram of the integrated information access device

4 保密措施

對(duì)于保密級(jí)別較低的商用機(jī)型，用偽碼加擾的方式就可以實(shí)現(xiàn)。其原理框圖如圖4所示，本端加擾器使用偽隨機(jī)序列加擾傳輸明文，這些偽隨機(jī)序列由用戶使用口令控制字作為偽隨機(jī)序列產(chǎn)生器的輸入；并使用密鑰加密口令，形成加密口令消息。然后已加擾的密文和加密口令消息數(shù)據(jù)經(jīng)2M復(fù)用器復(fù)用后從光鏈路信號(hào)處理單元單向?qū)Χ藗鬏?，?duì)端光鏈路信號(hào)處理單元單回復(fù)出2M信號(hào)，2M信號(hào)解復(fù)用,得到加擾的密文和加密口令等數(shù)據(jù)，設(shè)備根據(jù)內(nèi)部存儲(chǔ)的密碼對(duì)加密口令解密得到明文口令，再用明文口令產(chǎn)生得到解擾所需的偽隨機(jī)序列碼。經(jīng)解擾器解擾后得到所傳的明文數(shù)據(jù)。

圖4 系統(tǒng)加擾器框圖Fig.4 Diagram of the system scrambler

而對(duì)于軍機(jī)試飛，由于其高保密性要求，單靠偽碼加擾無法滿足要求，因此需要在飛機(jī)上發(fā)射端加入加密機(jī)進(jìn)行加密，然后直接在主站點(diǎn)加入解密機(jī)進(jìn)行解密，分站A和B直接傳輸已加密的數(shù)據(jù)信息。

5 結(jié)論

通過對(duì)該系統(tǒng)的研究，形成遙測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的配置框架，使系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理能力達(dá)到監(jiān)控要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)中多個(gè)遙測(cè)站數(shù)據(jù)的融合處理、擇優(yōu)選擇和統(tǒng)一分發(fā)，使多站點(diǎn)的數(shù)據(jù)綜合具備通用特性，使配套成本合理，使數(shù)據(jù)傳輸符合保密規(guī)范，可為其他型號(hào)的軍機(jī)、民機(jī)試飛提供支持。

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