一種基于升空平臺的圖像中繼傳輸系統(tǒng)設(shè)計

華陰兵器試驗中心 周天敬 陳岳承 傅慶豐

本文針對機(jī)動裝備試驗中需要快速建立可覆蓋全試驗場的現(xiàn)場檢控圖像傳輸需求，提出建立采用頻域均衡技術(shù)的高速視頻中繼傳輸體制的圖像中繼傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)各關(guān)鍵部位現(xiàn)場試驗監(jiān)控圖像與指揮控制中心之間的遠(yuǎn)距離實時傳輸。

1 引言

實時圖像在很多情況是一種直接的決策參考依據(jù)，因此在開展試驗、大型活動時，圖像傳輸都是通信保障必備的選項。國內(nèi)大型靶場經(jīng)過多年建設(shè)均已形成較完備的通信傳輸體制，通常采取線纜、光纖、衛(wèi)通、微波等多種通信方式將各處的測量設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備、保障設(shè)備等與指揮控制中心緊密聯(lián)系起來，試驗中監(jiān)控圖像傳輸保障能力能夠滿足相應(yīng)武器試驗決策指揮的要求。但是隨著武器裝備信息化的普及以及戰(zhàn)場打擊的范圍不斷擴(kuò)大，武器裝備的試驗與測試范圍越來越大，類似于高海拔、低氣壓、山區(qū)叢林、荒漠戈壁以及特殊環(huán)境、特種靶標(biāo)中靶情況等，必須在特定的區(qū)域才能完成，需進(jìn)行外場試驗。為了掌控進(jìn)程，新試驗方式對現(xiàn)場監(jiān)控圖像的遠(yuǎn)距離傳輸能力提出了新要求。武器系統(tǒng)外場機(jī)動試驗具有任務(wù)多樣、地址隨機(jī)、布站靈活、自然環(huán)境惡劣以及電磁環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，考慮總體成本和維護(hù)難度，在外場建設(shè)大型固定通信設(shè)施是不可行的。

本文提出一種基于升空平臺的圖像中繼傳輸新方法，能覆蓋一定規(guī)模的特種試驗場，有效擴(kuò)大視頻監(jiān)控信息的傳輸距離，實現(xiàn)機(jī)動測試中，同時對不同區(qū)域、多個監(jiān)控圖像的遠(yuǎn)距離連續(xù)監(jiān)控。

圖1 圖像中繼傳輸系統(tǒng)組成示意圖

2 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)主要由空中中繼傳輸設(shè)備、指揮控制中心通信終端、多個測量站通信終端、被試裝備通信終端和升空平臺組成，以空中中繼傳輸設(shè)備為中心形成一個公共、靈活、可擴(kuò)展平臺，實現(xiàn)覆蓋一定區(qū)域的通信網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)組成如圖1所示。其中升空平臺是整個系統(tǒng)的支撐基礎(chǔ)，空中中繼傳輸設(shè)備是系統(tǒng)的核心。目前國內(nèi)技術(shù)成熟的升空平臺主要有氣球、飛艇、無人機(jī)、直升機(jī)等。由于外場試驗持續(xù)時間、保障地域的不確定，以及費(fèi)用、安全性等方面的考慮，可采用的升空平臺主要有氣球或飛艇?？罩兄欣^傳輸設(shè)備需要具有工作時間長、覆蓋面積大、能耗低、滿足電磁兼容性要求和便于部署等特點(diǎn)?？罩型ㄐ旁O(shè)備主要由小型化的高速數(shù)據(jù)中繼傳輸模塊、擴(kuò)頻中繼傳輸模塊、交換模塊和天線等組成。當(dāng)采用飛艇、無人機(jī)、直升機(jī)等具有復(fù)雜電路設(shè)計的裝備作為升空平臺時，為保證系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可靠性，空中通信設(shè)備還需要考慮和平臺的通信、控制設(shè)備的電磁兼容性。地面測量站、指揮控制中心、被試裝備處的通信終端包括高速數(shù)據(jù)收發(fā)信機(jī)和擴(kuò)頻收發(fā)信機(jī)以及天線等組成。

3 工作原理

系統(tǒng)通過空中通信中繼傳輸設(shè)備將不同位置的地面測量站通信終端、被試裝備通信終端與指揮控制中心組成一個內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)。其中，指揮控制中心的控制指令數(shù)據(jù)通過中繼傳輸設(shè)備中的擴(kuò)頻中繼傳輸設(shè)備向地面各測量站、被試裝備發(fā)送控制指令數(shù)據(jù)，建立TDMA高速無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，彩用時隙分配的方式工作。各測量站、被試裝備的監(jiān)控圖像通過高速數(shù)據(jù)中繼傳輸設(shè)備傳回指揮控制中心為試驗指揮決策人員提供直觀的依據(jù)。為減輕中繼設(shè)備重量，高速中繼設(shè)備采用收發(fā)共用天線的模式，控制指令和試驗圖像采用不同的通信頻率。當(dāng)通信帶寬滿足多路視頻傳輸要求時，圖像傳輸設(shè)備工作在同一頻點(diǎn)，當(dāng)所需傳輸?shù)囊曨l圖像較多通信帶寬不夠時，需將監(jiān)控圖像分成不同組別，地面各測量站與被試裝備等分別采用各自分配的通信頻率工作。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 升空平臺選擇

為適應(yīng)不同試驗靈活選址要求，升空平臺應(yīng)選擇可快速轉(zhuǎn)移、搭建和拆收的成熟設(shè)備，綜合平衡試驗成本、升空高度、載荷量、滯空時間和系統(tǒng)兼容性等因素?？梢钥紤]采用充氦氣飛艇，飛艇利用氣體產(chǎn)生浮力，動力裝置保障水平飛行和轉(zhuǎn)向，消耗能源少、載重能力強(qiáng)、滯空時間長。

4.2 中繼傳輸技術(shù)體制

視頻圖像信號的數(shù)據(jù)速率高，信號帶寬寬，在各測量站到指揮控制中心的無線傳輸過程中多徑干擾嚴(yán)重，通過中繼平臺組成的無線通信網(wǎng)絡(luò)后，系統(tǒng)技術(shù)體制選擇受到的制約因素多，需要綜合考慮電波傳輸特性、與頻率有關(guān)的天線增益、噪聲的影響以及系統(tǒng)和平臺其他系統(tǒng)的相互干擾等問題。在系統(tǒng)設(shè)計過程中，需考慮總體組成結(jié)構(gòu)、寬帶無線數(shù)據(jù)組網(wǎng)協(xié)議、信號傳輸波形的影響等，可以采用TDMA無線組網(wǎng)體制，簡化系統(tǒng)設(shè)計，增強(qiáng)系統(tǒng)的電磁兼容性。鏈路建立后還需要考慮鏈路的動態(tài)保持。由于被試裝備節(jié)點(diǎn)處通信終端的快速移動會引起網(wǎng)絡(luò)時延的變化，這需要在TDMA網(wǎng)絡(luò)同步、時隙分配、信號幀結(jié)構(gòu)設(shè)計方面進(jìn)行預(yù)先設(shè)計。中繼傳輸需要多個天線在不同頻段工作，受升空平臺空間限制，天線的電磁兼容性要求高，可采用相控陣天線，通過程控方式實現(xiàn)多波束協(xié)同工作。

4.3 抗干擾高效編碼擴(kuò)頻技術(shù)

正交編碼擴(kuò)頻技術(shù)是在編碼擴(kuò)頻的基礎(chǔ)上，利用載波的正交性，采用多載波方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本文采用PN碼與WALSH碼復(fù)合使用，將PN碼優(yōu)良的相關(guān)特性和WALSH碼的正交性相結(jié)合，組成多進(jìn)制復(fù)合編碼擴(kuò)頻系統(tǒng)，可在不降低系統(tǒng)抗干擾能力的情況下，減少擴(kuò)頻信號帶寬占用，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。為了得到足夠大的處理增益，擴(kuò)頻因子應(yīng)盡可能大，但是隨著擴(kuò)頻因子的增大，系統(tǒng)占用的帶寬也隨之增大，在頻譜資源十分緊張的情況下，要占用過寬的頻帶往往是不現(xiàn)實的。為了解決擴(kuò)頻系統(tǒng)占用頻帶過寬、減小外部干擾影響與增加信息傳輸速率的矛盾，可以采用多進(jìn)制編碼擴(kuò)頻技術(shù)。圖2是多進(jìn)制編碼擴(kuò)頻原理框圖。

圖2 多進(jìn)制編碼擴(kuò)頻原理框圖

4.4 頻域均衡技術(shù)

對于高速監(jiān)視圖像信號的傳輸，多路監(jiān)視視頻數(shù)據(jù)傳輸需要較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，但是無線接入和傳輸?shù)乃俾侍岣咝枰^大的傳輸帶寬，會造成嚴(yán)重的時間色散，電波在空間傳輸過程中衰落大，多徑干擾影響圖像的有效傳輸距離。采用基帶頻率均衡算法，可在頻域調(diào)理信號，達(dá)到頻域分集信號能量的作用，減少多徑效應(yīng)引起的頻率選擇性衰落，有效擴(kuò)大傳輸距離。頻域均衡技術(shù)在發(fā)射端主要是數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過設(shè)計專門的信號序列組合，使信號中包含多種信息，有利于接收端完成信號的捕獲、同步跟蹤、FFT運(yùn)算、信道估計等，能有效減弱碼間干擾與多徑干擾。圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過采集后先進(jìn)行分塊處理，然后與信號到達(dá)檢測、定時捕獲與信道估計的數(shù)據(jù)輔助塊一起進(jìn)行數(shù)據(jù)組幀，形成在信道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在接收端，只考慮基帶頻域均衡處理。首先是檢測信號能量，獲取到達(dá)時刻，完成同步操作，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后經(jīng)過時頻變換得到接收信息。由于數(shù)據(jù)帶寬有限，目前單天線模式下僅能支持3路視頻數(shù)據(jù)中繼傳輸，當(dāng)監(jiān)視視頻圖像較多時，需要采用多天線的模式擴(kuò)展系統(tǒng)的圖像傳輸能力。

4.5 小型低功耗中繼設(shè)備設(shè)計

由于升空平臺在體積、重量、功耗、電磁兼容性等方面對載荷要求較為嚴(yán)格，同時為減小系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度，可以采用FDM體制分頻工作，控制指令數(shù)據(jù)與圖像中繼相互獨(dú)立，分別采用擴(kuò)頻抗干擾技術(shù)和頻域均衡技術(shù)，收發(fā)分時工作，簡化射頻單元。其次印刷電路板（PCB）布線設(shè)計需要預(yù)先進(jìn)行仿真設(shè)計。數(shù)據(jù)速率較低時，印刷電路板布線的時延、串?dāng)_等寄生效應(yīng)相對于信號而言是可以忽略不計的，同時數(shù)字器件之間一般也不存在阻抗匹配的問題。然而當(dāng)數(shù)據(jù)或時鐘速率超過50MHz時，這些影響都變得十分可觀而不容忽視。在布局布線前進(jìn)行信號完整性仿真，并生成控制布局布線的各種限制規(guī)則；然后按仿真生成的規(guī)則進(jìn)行細(xì)致反復(fù)的布局；布線完成后還需進(jìn)行信號完整性驗證。

5 結(jié)束語

基于升空平臺的圖像中繼傳輸系統(tǒng)，以中繼設(shè)備為中心，形成了一個公共靈活可擴(kuò)展的體系，能實現(xiàn)覆蓋特定范圍的網(wǎng)絡(luò)通信，滿足復(fù)雜地形、特殊地域的大范圍快速組網(wǎng)通信要求。系統(tǒng)除應(yīng)用于無固定通信設(shè)施的裝備試驗區(qū)試驗監(jiān)控圖像傳輸，還可以為各類搶險救災(zāi)、長距離演練、大范圍集體活動等提供應(yīng)急通信保障。