基于C波段無(wú)線網(wǎng)的模擬飛行視頻遙測(cè)傳輸技術(shù)研究

劉汝媚

摘 要： 針對(duì)目前遙測(cè)頻率資源緊張與飛行試驗(yàn)需求不斷增長(zhǎng)之間的矛盾，對(duì)C波段無(wú)線網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行研究。在比較IRIG 106遙測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和iNET遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的各自特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)iNET遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，提出基于C波段無(wú)線網(wǎng)的模擬飛行視頻遙測(cè)傳輸技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)C波段雙向傳輸功能。通過(guò)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(shí)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(cè)數(shù)據(jù)傳輸速率，緩解了遙測(cè)頻率資源緊張的現(xiàn)狀。

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

中圖分類號(hào)： TN926?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(wú)論是在國(guó)外還是在國(guó)內(nèi)，遙測(cè)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(yàn)數(shù)據(jù)、保證試驗(yàn)順利進(jìn)行、確保試驗(yàn)安全的重要手段之一。而遙測(cè)標(biāo)準(zhǔn)則是遙測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)和改進(jìn)的準(zhǔn)則，相同遙測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用實(shí)施，可以保證不同試驗(yàn)設(shè)備的兼容，做到遙測(cè)頻譜資源的有效利用，并且可以避免干擾。

試驗(yàn)?zāi)M飛行的機(jī)載測(cè)試視頻傳輸技術(shù)，一直是作為國(guó)內(nèi)外航空飛行領(lǐng)域的核心技術(shù)而存在。在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，國(guó)際間的飛行試驗(yàn)一直都采用美國(guó)的IRIG 106遙測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，利用S或L波段無(wú)線網(wǎng)進(jìn)行PCM（Pulse Code Modulation）格式數(shù)據(jù)的遙測(cè)傳輸。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，IRIG 106遙測(cè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)繁雜，實(shí)驗(yàn)的價(jià)格花費(fèi)昂貴，并且傳輸速率受到極大的限制，經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性差，難以滿足試驗(yàn)?zāi)M飛行機(jī)載測(cè)試視頻的傳輸發(fā)展要求。近年來(lái)，隨著無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，模擬飛行試驗(yàn)遙測(cè)傳輸網(wǎng)絡(luò)化趨勢(shì)愈發(fā)明顯，“增強(qiáng)遙測(cè)綜合網(wǎng)”（Integrated Network Enhanced Telemetry，iNET）概念的提出，明確了這一趨勢(shì)，本文依據(jù)iNET概念及標(biāo)準(zhǔn)開展了相關(guān)研究。

1 兩個(gè)遙測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比

1.1 IRIG 106遙測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

2001年，IRIG把IRIG 106遙測(cè)標(biāo)準(zhǔn)分成傳統(tǒng)的遙測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)部分。傳統(tǒng)的遙測(cè)標(biāo)準(zhǔn)概括了許多信息和多年的遙測(cè)標(biāo)準(zhǔn)；遙測(cè)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(gè)新的遙測(cè)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(jí)，使其具有了特別出色的頻譜效率和恒包絡(luò)特性，無(wú)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(wú)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(cè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)

2004年10月，美國(guó)啟動(dòng)了iNET項(xiàng)目開發(fā)計(jì)劃，該項(xiàng)目具有明確的發(fā)展目標(biāo)，致力于評(píng)估范圍內(nèi)和各類試驗(yàn)的遙測(cè)系統(tǒng)的升級(jí)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(shí)間的推移，iNET項(xiàng)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(cè)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(gè)項(xiàng)目不斷發(fā)展，開始有越來(lái)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(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)的遙測(cè)設(shè)備也開始井噴式出現(xiàn)，大有超過(guò)前標(biāo)準(zhǔn)的趨勢(shì)。

隨著試驗(yàn)環(huán)境的逐步升級(jí)以及現(xiàn)代航空模擬飛行試驗(yàn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)遙測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)要求越來(lái)越高，比如要規(guī)范服務(wù)質(zhì)量，及時(shí)調(diào)整測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)于實(shí)驗(yàn)進(jìn)行靈活的管理，提高遙測(cè)范圍和遙測(cè)通信的能力，進(jìn)而使得傳輸活動(dòng)公平合理，實(shí)驗(yàn)周期短且效率高，并且多個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象間的通信、遠(yuǎn)距離區(qū)域和實(shí)驗(yàn)對(duì)象的訪問(wèn)交流能力的提高實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)頻譜資源共享，滿足了動(dòng)態(tài)遙測(cè)資源的多方面需求，加快了iNET遙測(cè)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(cè)標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)優(yōu)秀的、成功的標(biāo)準(zhǔn)。它的傳輸方式是點(diǎn)到點(diǎn)的單向串行傳輸，具有堅(jiān)實(shí)的可靠性和實(shí)時(shí)性等技術(shù)特點(diǎn)。IRIG 106遙測(cè)標(biāo)準(zhǔn)從提出到成熟，經(jīng)歷了多次的修改、不斷地補(bǔ)充，在這一系列的完善措施下，使其在不同的時(shí)期都能適應(yīng)滿足不同飛行的試驗(yàn)需求。然而，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，遙測(cè)需求和飛行試驗(yàn)?zāi)Ｊ竭M(jìn)行了巨大的發(fā)展變革，IRIG 106遙測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題開始慢慢凸顯出來(lái)，這些問(wèn)題中比較突出的問(wèn)題主要有單向性、頻譜資源利用率低等，這些問(wèn)題和矛盾極大地限制了IRIG 106遙測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步發(fā)展和創(chuàng)新。另一方面，IRIG 106遙測(cè)標(biāo)準(zhǔn)自身的機(jī)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(lái)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(duì)技術(shù)的發(fā)展和裝備采購(gòu)置辦程序的改變。

而iNET遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)是在傳統(tǒng)PCM遙測(cè)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)鏈路，使得遙測(cè)系統(tǒng)本身兼具串行PCM下行功能和遙測(cè)數(shù)據(jù)的上下行功能，而且遙測(cè)傳輸是在寬帶、雙向RF網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的一種遙測(cè)傳輸能力具有實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)錯(cuò)誤具有恢復(fù)能力、動(dòng)態(tài)頻譜資源具有管理能力的一種可動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)飛行試驗(yàn)遙測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和空地一體化。

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

2 C波段無(wú)線網(wǎng)的遙測(cè)傳輸

iNET標(biāo)準(zhǔn)是在傳統(tǒng)的PCM遙測(cè)鏈路外新增上下行的雙向無(wú)線網(wǎng)絡(luò)鏈路，進(jìn)而使遙測(cè)系統(tǒng)既能具有串行PCM下行功能，也可以具有遙測(cè)數(shù)據(jù)的上下行功能，實(shí)現(xiàn)了飛行試驗(yàn)遙測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和空地一體化。本研究中通過(guò)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(shí)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(wú)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(gè)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(hào)的覆蓋范圍。LNA盒安裝在饋源盒頂部，并通過(guò)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(zhǎng)度，能夠提高系統(tǒng)靈敏度。將無(wú)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(guò)高速數(shù)據(jù)匯流環(huán)實(shí)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(shí)現(xiàn)方案

機(jī)載和地面兩部分組成了C波段無(wú)線網(wǎng)的模擬飛行視頻遙測(cè)傳輸技術(shù)方案。機(jī)載部分由數(shù)據(jù)采集器、圖像采集器、C波段無(wú)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(wú)線網(wǎng)網(wǎng)橋、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器以及各個(gè)工作站等設(shè)備組成。技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案框圖如圖2所示。

基于C波段無(wú)線網(wǎng)的模擬飛行視頻遙測(cè)傳輸技術(shù)方案的設(shè)計(jì)理念是依據(jù)PCM遙測(cè)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(cè)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(cè)傳輸帶寬。單向無(wú)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(cè)傳輸?shù)男枰欢p向無(wú)線網(wǎng)則更為方便快捷，它可以讓遠(yuǎn)距離的試驗(yàn)機(jī)和地面站實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)遠(yuǎn)范圍內(nèi)的雙向通信，使得模擬飛行從單一實(shí)驗(yàn)慢慢發(fā)展為天空和地面協(xié)同一體的模式?；贑波段無(wú)線網(wǎng)的模擬飛行視頻遙測(cè)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)鏈路，使得該模擬飛行視頻遙測(cè)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(cè)視頻上下傳輸?shù)墓δ堋?/p>

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

圖2所示方案與IRIG 106遙測(cè)傳輸系統(tǒng)從遙測(cè)系統(tǒng)的角度來(lái)看，最顯著的差別在于：數(shù)據(jù)沒(méi)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(jià)格昂貴的PCM前端設(shè)備，降低了成本，模擬飛行視頻遙測(cè)數(shù)據(jù)格式符合網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，僅僅使用通用的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和一些專用數(shù)據(jù)處理軟件，就能實(shí)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(shí)現(xiàn)試驗(yàn)機(jī)高速飛行時(shí)與地面站的無(wú)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(wèn)題。雙向的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以采用擴(kuò)頻通信技術(shù)，采取直序擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，把頻帶分成許多的通信信道，每一個(gè)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(wú)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(zhǎng)度控制和信標(biāo)幀間隔控制等。

（2） 天線跟蹤問(wèn)題。雙向無(wú)線網(wǎng)工作頻段選擇的是C波段，IRIG 106遙測(cè)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(wú)線網(wǎng)接收天線安裝在PCM遙測(cè)跟蹤天線上，進(jìn)而利用PCM遙測(cè)跟蹤伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)地面無(wú)線網(wǎng)天線對(duì)試驗(yàn)機(jī)的跟蹤。

（3） 雙向傳輸問(wèn)題。由于C波段無(wú)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(qǐng)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(shí)現(xiàn)雙向傳輸，就必須對(duì)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(yàn)和測(cè)試表明，其可以真正地實(shí)現(xiàn)雙向傳輸。

5 結(jié) 論

綜上所述，基于C波段無(wú)線網(wǎng)的模擬飛行視頻遙測(cè)傳輸技術(shù)，通過(guò)在地面的多次試驗(yàn)和多次空中模擬飛行，證實(shí)其在技術(shù)上是可行的，而且該模擬飛行視頻遙測(cè)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(shí)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(wú)線網(wǎng)的模擬飛行視頻遙測(cè)傳輸技術(shù)為模擬飛行機(jī)載測(cè)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(dòng)作用，具有里程碑式的意義。和傳統(tǒng)的PCM遙測(cè)傳輸技術(shù)方案相比，基于C波段無(wú)線網(wǎng)的模擬飛行視頻遙測(cè)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(yàn)的成本，這樣可以更加有力于模擬飛行試驗(yàn)的展開，尤其對(duì)一些大型運(yùn)輸機(jī)和機(jī)上已經(jīng)配備了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的飛機(jī)模擬飛行試驗(yàn)機(jī)載測(cè)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(shí)，更加振奮人心的是同頻點(diǎn)、多點(diǎn)到一點(diǎn)的傳輸方式在試驗(yàn)中已經(jīng)證實(shí)是可以實(shí)現(xiàn)的，這讓單頻點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)多架飛機(jī)試飛數(shù)據(jù)的同時(shí)傳輸看到了希望的曙光。筆者相信，隨著基于C波段無(wú)線網(wǎng)的模擬飛行視頻遙測(cè)傳輸技術(shù)的進(jìn)一步工程化，將有利于推動(dòng)新的飛行試驗(yàn)遙測(cè)傳輸體系和標(biāo)準(zhǔn)的誕生，為未來(lái)新機(jī)模擬飛行試驗(yàn)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(lái)的新機(jī)產(chǎn)生帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

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

在地面，實(shí)現(xiàn)了遙測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化，機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)也一定會(huì)朝著這一網(wǎng)絡(luò)化趨勢(shì)去發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化是機(jī)載測(cè)試數(shù)據(jù)和視頻圖像到地面?zhèn)鬏數(shù)谋厝灰?，是大?shì)所趨，是科技發(fā)展的必然要求。隨著近年來(lái)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的需求也快速擴(kuò)張，遙測(cè)頻率資源被占用是發(fā)展的必然結(jié)果，這些情況雖然對(duì)科研試飛任務(wù)帶來(lái)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(gè)關(guān)鍵時(shí)期。投入力量來(lái)重新的規(guī)范遙測(cè)系統(tǒng)資源，自主研發(fā)遙測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)備，改進(jìn)原有系統(tǒng)的不足，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化替代，為提高測(cè)試能力提供支持。

參考文獻(xiàn)

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