水面靶標(biāo)綜合遙測(cè)遙控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王海濤，刁世倫

(中國(guó)人民解放軍91550部隊(duì)43分隊(duì)，遼寧 大連 116023)

水面靶標(biāo)[1]為反艦武器海上試驗(yàn)提供模擬艦船目標(biāo)，靶標(biāo)上的靶載測(cè)控設(shè)備完成海上實(shí)時(shí)位置、姿態(tài)等實(shí)時(shí)信息以及武器過(guò)靶段的觀測(cè)、測(cè)量任務(wù)。隨著新型反艦武器射程增加和過(guò)靶段速度的增大，試驗(yàn)危險(xiǎn)區(qū)域相應(yīng)增大，使得海上布靶點(diǎn)距離地面遙控站越來(lái)越遠(yuǎn)；隨著靶標(biāo)上觀測(cè)和測(cè)量數(shù)據(jù)增加，特別是高清過(guò)靶視頻的實(shí)時(shí)傳輸，通信容量的要求也越來(lái)越大，依靠現(xiàn)有遙控遙測(cè)設(shè)備，已無(wú)法滿足遠(yuǎn)距離遙測(cè)遙控要求[2]。

以往靶載設(shè)備數(shù)量和種類較少，其遙控遙測(cè)功能均由各設(shè)備獨(dú)立實(shí)現(xiàn)。隨著靶載設(shè)備的發(fā)展，此方式帶來(lái)很多弊端：重復(fù)研制和投資問(wèn)題，試驗(yàn)損耗問(wèn)題，靶載設(shè)備使用和維護(hù)問(wèn)題，電磁兼容問(wèn)題。建設(shè)一套水面靶標(biāo)通用遙控遙測(cè)系統(tǒng)，完成水面靶標(biāo)遙控遙測(cè)系統(tǒng)的集成化和標(biāo)準(zhǔn)化，是靶場(chǎng)信息化建設(shè)的必由之路。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

按照遙測(cè)遙控系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)各分系統(tǒng)安裝的具體位置，主要包括地面站和靶載站兩部分[3]。具體組成如附圖1所示，下文中的靶載設(shè)備不包括在本系統(tǒng)中,是指其他安裝在水面靶標(biāo)上的脫靶量測(cè)量、過(guò)靶實(shí)況等其他現(xiàn)有測(cè)控裝備。

圖1 系統(tǒng)總體原理框圖

1.1.1 遙測(cè)遙控靶載站

靶載站安裝在水面靶標(biāo)上，與地面站保持海上通視，工作時(shí)無(wú)人值守，其工作狀態(tài)的設(shè)置由地面站遙控操管人員通過(guò)遙控操作。由于反艦武器不帶戰(zhàn)斗部，攻擊靶標(biāo)時(shí)高度可以設(shè)定，一般不會(huì)造成損失。靶載站由天饋分系統(tǒng)、靶載站遙測(cè)遙控基帶、圖像編碼器、無(wú)線網(wǎng)橋、數(shù)傳電臺(tái)[4]、北斗用戶機(jī)、IP語(yǔ)音電話、位置與航向測(cè)量裝置、簡(jiǎn)易氣象站和天線等組成。由于是通過(guò)電池組供電，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)靶載站只有北斗用戶機(jī)、數(shù)傳電臺(tái)和加電控制單元加電，北斗和數(shù)傳電臺(tái)均可執(zhí)行遙控加電指令。天饋分系統(tǒng)完成遙控信號(hào)接收、發(fā)阻濾波、低噪聲放大；對(duì)下行遙測(cè)信號(hào)功率放大并發(fā)射。

1.1.2 遙測(cè)遙控地面站

地面站為車載方艙式遙測(cè)遙控站，位于岸邊海拔較高的遙控站點(diǎn)，主要由C頻段天伺饋分系統(tǒng)、遙測(cè)分系統(tǒng)、遙控分系統(tǒng)、時(shí)頻分系統(tǒng)、載車位置與航向測(cè)量裝置、北斗分系統(tǒng)、圖像分系統(tǒng)及軟件組成。遙測(cè)基帶和遙控基帶采用軟件無(wú)線電技術(shù)，將變頻信道集成到基帶設(shè)備中，提高系統(tǒng)集成度。地面遙測(cè)分系統(tǒng)由低噪聲放大器、遙測(cè)下變頻、遙測(cè)基帶、遙測(cè)終端等組成；地面遙控分系統(tǒng)由靶載設(shè)備遙控終端、遙控指令采編、遙控基帶、遙控上變頻器、遙控發(fā)射機(jī)和小環(huán)接收機(jī)等組成[5]。

1.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)

1.2.1 海面信號(hào)傳輸多徑衰落問(wèn)題

系統(tǒng)完成地面站與海上靶載站之間遠(yuǎn)程無(wú)線通信，距離在50 km～80 km，上行遙控?cái)?shù)據(jù)速率為96 kbps，下行遙測(cè)數(shù)據(jù)速率為10 Mbps。地面站的定向天線指向靶載站，始終處于0°～-1°。靶載站安裝平臺(tái)為船體，可作為固定靶或機(jī)動(dòng)靶使用。由于海雜波以及多徑反射波的環(huán)境下，采用傳統(tǒng)的遙測(cè)遙控體制，比如上行鏈路采用L頻段的PCM-DPSK-FM信號(hào)波形傳輸遙控指令[6]，下行鏈路采用S頻段PCM-FM信號(hào)波形，海面引起的多徑衰落對(duì)遙測(cè)遙控的實(shí)現(xiàn)會(huì)有較大影響。

1.2.2 靶標(biāo)多路異源數(shù)據(jù)接入與分發(fā)

靶載站接入的靶載設(shè)備，和地面站的靶載設(shè)備遙控終端之間的信息交互是本系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。靶載設(shè)備的種類不同，研制廠家各異，導(dǎo)致靶載設(shè)備的遙測(cè)遙控軟件與接口不統(tǒng)一。綜合遙測(cè)遙控系統(tǒng)需要滿足水面靶標(biāo)上不同類型數(shù)據(jù)對(duì)雙向傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、可靠性，同時(shí)具備通用性、可擴(kuò)展性，在兼容原靶載設(shè)備遙測(cè)遙控軟件的前提下，實(shí)現(xiàn)在地面站和靶載站之間的靶載設(shè)備即插即用。在應(yīng)用中，靶載設(shè)備接口分為六類：RS232串口、RS422雙工異步串口、IP語(yǔ)音接口、IP視頻接口、IP數(shù)據(jù)接口和 PAL 制式視頻接口。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 系統(tǒng)遙測(cè)遙控調(diào)制體制選擇

由于系統(tǒng)為上行遙控和下行遙測(cè)不對(duì)稱的傳輸鏈路，上行數(shù)據(jù)量較小，下行數(shù)據(jù)量較大，因此，上下行鏈路一般采用不同的調(diào)制體制。系統(tǒng)地面站天線工作始終在負(fù)仰角狀態(tài)，海面的多徑干擾對(duì)遙測(cè)遙控傳輸?shù)挠绊懽顬閲?yán)重。所以，系統(tǒng)上行遙控與下行遙測(cè)信道的傳輸體制應(yīng)該采用有針對(duì)性的設(shè)計(jì)。

2.1.1 上行遙控信道

上行信道采用BPSK直接序列擴(kuò)頻技術(shù)[7]，直擴(kuò)中偽隨機(jī)碼尖銳的相關(guān)性使得多徑衰落完全獨(dú)立，當(dāng)多徑的傳播時(shí)延大于偽碼碼元寬度時(shí)，直擴(kuò)能夠?qū)⒍鄰接绊懽髟肼曁幚?；?dāng)多徑的傳播時(shí)延小于偽碼碼元寬度時(shí)，接收端才會(huì)發(fā)生輕度的衰落，只要合理選擇碼元寬度就能獲得較好的抗多徑效果。地面站遙控基帶信息進(jìn)行加密、信道編碼、擴(kuò)頻等處理后采取BPSK調(diào)制，同時(shí)采用高效的糾錯(cuò)編碼方式，以降低誤指令概率和虛指令概率。

如圖2所示，上行數(shù)據(jù)包含遙控?cái)?shù)據(jù)、語(yǔ)音數(shù)據(jù)和鏈路數(shù)據(jù)。三類數(shù)據(jù)首先進(jìn)行信源組幀，再經(jīng)過(guò)信道編碼、擴(kuò)頻調(diào)制后發(fā)射出去。

圖2 上行信號(hào)流程

2.1.2 下行遙測(cè)信道

遙測(cè)下行高速信號(hào)傳輸抗多徑選擇的體制是OFDM技術(shù)[8]。無(wú)線通信中為了減少多徑傳輸引起的信號(hào)失真，通常要求在傳輸過(guò)程中采取一定的技術(shù)措施，基于時(shí)域均衡的抗多徑衰落技術(shù)雖然很成熟，但是用于寬帶通信時(shí)存在一個(gè)嚴(yán)重弱點(diǎn)，那就是其復(fù)雜度和均衡系數(shù)精度的要求，隨著多徑時(shí)延擴(kuò)展的增大而增大，很難達(dá)到理想目的。OFDM技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)[9]：把高速的數(shù)據(jù)流通過(guò)串并轉(zhuǎn)換降為低速數(shù)據(jù)，可以有效消除ISI(碼間串?dāng)_)的影響；與普通調(diào)制系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)可以最大限度地利用頻譜資源；可以有效抵抗頻率選擇性衰落和時(shí)間選擇性衰落；OFDM符號(hào)的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于單載波系統(tǒng)的符號(hào)長(zhǎng)度，因此，比單載波具有更強(qiáng)的抗窄帶干擾能力。在OFDM符號(hào)之間插入保護(hù)間隔，令保護(hù)間隔大于無(wú)線信道的最大時(shí)延擴(kuò)展，這樣就可以最大限度地消除由于多徑而帶來(lái)的符號(hào)間干擾(ISI)[10]。

靶載站下行數(shù)據(jù)包括語(yǔ)音數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、靶載設(shè)備的測(cè)量和遙控回應(yīng)數(shù)據(jù)、鏈路數(shù)據(jù)，在接口及協(xié)議管控分機(jī)中組幀為傳輸幀，經(jīng)過(guò)OFDM調(diào)制后，在進(jìn)行中頻調(diào)制，最后上變頻發(fā)射。圖3為靶載站OFDM發(fā)射機(jī)原理框圖，主要分為四個(gè)模塊：編碼調(diào)制、峰均比抑制、帶外泄露抑制和多采樣率信號(hào)處理。

圖3 靶載站OFDM發(fā)射機(jī)原理框圖

最后，在NCO控制下，按照所需的采樣率通過(guò)ROM表中的插值濾波器對(duì)OFDM符號(hào)xw(n)進(jìn)行插值濾波，得到采樣率等于數(shù)模轉(zhuǎn)換工作時(shí)鐘的高速數(shù)據(jù)xu(m)，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換后得到OFDM發(fā)射機(jī)基帶信號(hào)x(t)。

由于OFDM體制對(duì)于多普勒偏移敏感，不具備自跟蹤功能，通過(guò)兩種解決方案：靶載站包括1臺(tái)北斗/GPS航向位置裝置，分別通過(guò)北斗和微波信道，傳送到地面站，引導(dǎo)地面站天線始終指向船體；或者在下行遙測(cè)體制保留FM和QPSK體制，作為備份，應(yīng)用在機(jī)動(dòng)靶場(chǎng)合。

2.2 靶標(biāo)多路異源數(shù)據(jù)接入與分發(fā)解決方案

靶載站接入的靶載設(shè)備，和地面站的靶載設(shè)備遙控終端之間的信息交互是本系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，系統(tǒng)需要滿足水面靶標(biāo)上不同類型數(shù)據(jù)對(duì)雙向傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、可靠性，同時(shí)具備通用性、可擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)在地面站和靶載站之間的靶載設(shè)備即插即用。

圖4 地面站和靶載站之間無(wú)線通信等效工作模式

2.2.1 靶載設(shè)備遙控分發(fā)與遙測(cè)采編

在應(yīng)用中，靶載設(shè)備接口分為三類：RS422雙工異步串口、IP網(wǎng)絡(luò)接口(包括視頻和音頻)和 PAL 制式視頻接口。

靶載站內(nèi)部信息交互以靶載局域網(wǎng)[11]為中心，接收綜合遙測(cè)遙控基帶輸出的來(lái)自地面站的上行數(shù)據(jù)幀，經(jīng)載波捕獲跟蹤及解擴(kuò)和載波鎖相解調(diào)送出遙控信息，經(jīng)解調(diào)、指令判決等處理后輸出數(shù)據(jù)流，按照復(fù)接表進(jìn)行解復(fù)接操作之后，根據(jù)IP地址的不同分別通過(guò)對(duì)應(yīng)的端口發(fā)到相應(yīng)的靶載設(shè)備[12]。同時(shí)接收靶載協(xié)議模塊采集的各種來(lái)自靶載設(shè)備需要下傳的遙控回應(yīng)數(shù)據(jù)，按照下行數(shù)據(jù)幀的格式定義進(jìn)行復(fù)接之后，發(fā)送給遙測(cè)發(fā)射機(jī)進(jìn)行調(diào)制發(fā)送。

靶載站下行遙測(cè)借鑒彈上采編器實(shí)現(xiàn)技術(shù)，將多路來(lái)自靶載設(shè)備的數(shù)據(jù)插入遙測(cè)幀后發(fā)射，經(jīng)地面站接收、解調(diào)、挑路后還原為各個(gè)靶載設(shè)備的原始數(shù)據(jù)，其中，視頻數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)送入圖像解壓?jiǎn)卧M(jìn)行解壓縮，并輸出顯示；網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)經(jīng)交換機(jī)送給對(duì)應(yīng)的靶載設(shè)備遙控終端；串口數(shù)據(jù)則通過(guò)接口處理模塊形成的虛擬串口服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)至對(duì)應(yīng)的靶載設(shè)備遙控終端，供各個(gè)靶載設(shè)備的遙控軟件使用。

遙測(cè)幀協(xié)議。下行傳輸?shù)倪b測(cè)數(shù)據(jù)包含鏈路管理數(shù)據(jù)、靶標(biāo)GPS與航向數(shù)據(jù)、氣象站數(shù)據(jù)、語(yǔ)音數(shù)據(jù)、靶載設(shè)備遙控回應(yīng)數(shù)據(jù)、靶載設(shè)備測(cè)量與視頻數(shù)據(jù)等。下行傳輸鏈路管理數(shù)據(jù)長(zhǎng)度固定為8個(gè)字節(jié)，為了保證不同模式下鏈路管理數(shù)據(jù)的兼容和統(tǒng)一，對(duì)下行鏈路管理數(shù)據(jù)采取固定復(fù)接方式，即下行鏈路管理數(shù)據(jù)固定復(fù)接于鏈路層報(bào)頭。遙測(cè)信息包含多種靶載設(shè)備數(shù)據(jù)，不同靶載設(shè)備數(shù)據(jù)的速率相差很大，考慮到復(fù)接效率和不同用戶端口間速率的差異，復(fù)接采用基于固定復(fù)接單元長(zhǎng)度的動(dòng)態(tài)復(fù)接方案。因此，鏈路層之上的格式層需完成用戶數(shù)據(jù)分段/重組和適配的操作，即通過(guò)應(yīng)用層傳下來(lái)的數(shù)據(jù)在格式層拆成固定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)幀，并按照數(shù)據(jù)來(lái)源將數(shù)據(jù)封裝成不同的格式。

在幀格式設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)多個(gè)短復(fù)接單元以及多個(gè)長(zhǎng)復(fù)接單元，其中，短復(fù)接單元用于傳輸數(shù)據(jù)包較短、數(shù)據(jù)量少、實(shí)時(shí)性要求高的語(yǔ)音數(shù)據(jù)、遙控回應(yīng)數(shù)據(jù)、靶位航向和氣象站輸出數(shù)據(jù)等；長(zhǎng)復(fù)接單元用于傳輸數(shù)據(jù)包長(zhǎng)、數(shù)據(jù)量大的靶載設(shè)備視頻和測(cè)量信息。

2.2.2 地面站遙測(cè)分發(fā)與遙控采編

系統(tǒng)地面站內(nèi)部信息交互以地面站局域網(wǎng)為中心，控制終端采集各種需要上傳的數(shù)據(jù)，按照上行數(shù)據(jù)幀的格式定義進(jìn)行復(fù)接操作之后，生成上行數(shù)據(jù)幀發(fā)送給遙控基帶進(jìn)行調(diào)制發(fā)送；同時(shí)，接收遙測(cè)基帶輸出的下行數(shù)據(jù)幀，按照復(fù)接表解復(fù)接之后，根據(jù)數(shù)據(jù)類型的不同分別通過(guò)對(duì)應(yīng)的IP地址發(fā)到相應(yīng)的處理設(shè)備。

地面站上行遙控，是來(lái)自遙控終端上執(zhí)行的靶載設(shè)備遙控軟件的遙控指令，經(jīng)虛擬串口送至遙控基帶組合，和其他控制軟件的指令一起組幀、調(diào)制后發(fā)射，經(jīng)靶載站的遙控接收機(jī)接收、解調(diào)并挑路還原為串口數(shù)據(jù)，經(jīng)對(duì)應(yīng)的串口輸出至靶載設(shè)備。為保證系統(tǒng)使用的靈活性，采用了虛擬串口服務(wù)器技術(shù)，保證所有 4 臺(tái)靶載設(shè)備遙控終端上均可運(yùn)行任意靶載設(shè)備的現(xiàn)有遙控軟件，即通過(guò)遙測(cè)遙控地面站和遙測(cè)遙控靶載站，所有靶載設(shè)備的串行數(shù)據(jù)接口都映射到了每臺(tái)靶載設(shè)備遙控終端上，極大增加了使用的靈活性和便利性。網(wǎng)絡(luò)接口則通過(guò)直接端口映射進(jìn)行上下行數(shù)據(jù)的交互。

遙控幀協(xié)議。上行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包含鏈路管理數(shù)據(jù)和上行用戶數(shù)據(jù)，其中，上行用戶數(shù)據(jù)可能包含靶載遙控?cái)?shù)據(jù)和語(yǔ)音數(shù)據(jù)。上行鏈路管理數(shù)據(jù)長(zhǎng)度固定為8個(gè)字節(jié)，對(duì)上行鏈路管理數(shù)據(jù)采取固定復(fù)接方式，即上行鏈路管理數(shù)據(jù)固定復(fù)接于報(bào)頭中。由于上行數(shù)據(jù)速率較低，且不同上行用戶數(shù)據(jù)的更新頻率不同，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不同，為了盡可能提高傳輸效率，用戶數(shù)據(jù)采用動(dòng)態(tài)復(fù)接方案，該模式下數(shù)據(jù)區(qū)包含的用戶數(shù)據(jù)的類型以及用戶數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度全部不固定，需要通過(guò)報(bào)頭中的復(fù)接表來(lái)判別數(shù)據(jù)區(qū)中包含的數(shù)據(jù)的類型和各種類型數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度，由于通過(guò)復(fù)接表既可完成對(duì)數(shù)據(jù)的判別處理，與下行復(fù)接幀不同，不需要設(shè)計(jì)專門的格式層頭，可以提高傳輸效率。

2.3 鏈路計(jì)算結(jié)果

在C頻段帶寬10 M的情況下，地面站為1.8 m拋物面高增益天線，表1給出遙測(cè)遙控鏈路的計(jì)算結(jié)果[13]，都有大于18 dB的儲(chǔ)備裕量。

表1 遙測(cè)遙控?zé)o線鏈路電平計(jì)算

3 結(jié)束語(yǔ)

本文綜合遙測(cè)遙控系統(tǒng)對(duì)地面站和靶載站進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，在陸地與海面目標(biāo)之間利用C頻段的微波鏈路在上行遙控信道采用BPSK直接序列擴(kuò)頻和下行遙測(cè)信道選擇OFDM正交頻分復(fù)用技術(shù)，在靶載站與地面站兩個(gè)異地局域網(wǎng)之間完成遙測(cè)遙控視頻、語(yǔ)音和測(cè)量數(shù)據(jù)的交互，解決了海上遠(yuǎn)距離大容量靶載設(shè)備多路異源數(shù)據(jù)在靶載站接入與地面站分發(fā)難題。系統(tǒng)在10 M碼率下作用距離可達(dá)到80 km以上，已應(yīng)用于反艦武器系統(tǒng)海上試驗(yàn)，結(jié)果表明性能指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期目的，具有良好的推廣應(yīng)用前景。