綜合模塊化浮空器中繼系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

臧蕓妍??（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

綜合模塊化浮空器中繼系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

臧蕓妍??
（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

通過(guò)剖析浮空器自身優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合它在通信中繼應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)及研究情況，對(duì)比傳統(tǒng)的通信中繼系統(tǒng)，提出一種浮空器中繼系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)。其硬件采用綜合模塊化設(shè)計(jì)，軟件采用分層設(shè)計(jì)。對(duì)設(shè)計(jì)中所需解決的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了可行性分析，同時(shí)，展望了其未來(lái)在提升空中平臺(tái)通信中繼能力方面的應(yīng)用。

通信中繼；浮空器；綜合模塊化航空電子；跨頻段；分層設(shè)計(jì)；軟件無(wú)線電

1 引言

浮空器（Aerostat）包括飛艇（Airship）和系留氣球（Tethered Balloon），飛艇是自帶動(dòng)力推進(jìn)裝置、可操控的無(wú)人浮空器，系留氣球則是通過(guò)纜繩固定在空中［7］。

眾所周知，浮空器具有留空時(shí)間長(zhǎng)、有效載荷大、體積大、飛行平穩(wěn)等特點(diǎn)，因而能夠?qū)崿F(xiàn)較大的任務(wù)載荷搭載能力，裝載的傳感器多樣化、通信對(duì)象多樣化、承載業(yè)務(wù)類型多樣化，是一種快速、可靠、低成本地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、寬帶、大容量的多媒體通信的方式，具有先天優(yōu)勢(shì)成為空中通信中繼平臺(tái)。

目前，國(guó)內(nèi)已有基于浮空器平臺(tái)通信中繼設(shè)計(jì)研究，可實(shí)現(xiàn)超短波頻段話音通信中繼轉(zhuǎn)發(fā)功能，但是，隨著無(wú)人平臺(tái)中繼載荷應(yīng)用的推廣，對(duì)中繼的需求不再局限于實(shí)現(xiàn)按最初的單路、單一頻段、單一業(yè)務(wù)的超短波話音中繼，無(wú)人平臺(tái)通信中繼載荷要求實(shí)現(xiàn)更多的中繼通道數(shù)量、跨越頻段中繼、異構(gòu)鏈中繼等，對(duì)射頻以及系統(tǒng)綜合的需求會(huì)越來(lái)越多。在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一種綜合模塊化中繼系統(tǒng)加裝于浮空器平臺(tái)，相比于其他中繼系統(tǒng)，體現(xiàn)出了通信距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍廣、中繼頻段寬、通信可靠性高等優(yōu)勢(shì)，大大加強(qiáng)了浮空器作為空中中繼平臺(tái)的通信能力，擴(kuò)展了其應(yīng)用前景。

2 浮空器通信中繼

2.1 浮空器通信中繼應(yīng)用

基于浮空器平臺(tái)的通信中繼應(yīng)用具備通信覆蓋范圍廣、通信技術(shù)先進(jìn)、部署機(jī)動(dòng)靈活、投資成本低等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于各類通信領(lǐng)域［1－3］。

（1）提供民用領(lǐng)域可靠通信措施

用于氣象預(yù)報(bào)、飛行器監(jiān)測(cè)、廣播通信、地形測(cè)繪、低空預(yù)警、邊海防的空中監(jiān)測(cè)以及反恐監(jiān)測(cè)等。

（2）作為公共突發(fā)事件應(yīng)急通信手段

用于“SARS”、“禽流感”等傳染性公共衛(wèi)生安全危機(jī)應(yīng)急，或是水災(zāi)、地震、海嘯及火山爆發(fā)等抗險(xiǎn)救災(zāi)類應(yīng)急通信保障。

（3）成為民用空中各類通信手段的有益補(bǔ)充

浮空器通信中繼平臺(tái)可以大幅度提升邊境山區(qū)、叢林中的通信距離，提升遠(yuǎn)程指揮能力，作為民用空中各類通信手段的有益補(bǔ)充。

2.2 浮空器通信中繼實(shí)例

（1）美軍試驗(yàn)近太空通信中繼平臺(tái)——HARREX氣球

據(jù)英國(guó)《防務(wù)新聞》2005年11月23日?qǐng)?bào)道，Raven公司當(dāng)年開(kāi)展了一項(xiàng)外場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證氣球用作通信基站進(jìn)行語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通信中繼。此項(xiàng)被稱為“高空中繼路由器實(shí)驗(yàn)”的項(xiàng)目，評(píng)估了自由飛行的近太空氣球平臺(tái)用于威脅環(huán)境中的通信支持。

（2）英國(guó)數(shù)據(jù)中繼高空氣球

據(jù)英國(guó)媒體2005年10月22日?qǐng)?bào)道，英國(guó)科學(xué)家測(cè)試了一個(gè)由同溫層氣球提供的超快速數(shù)據(jù)中繼，這種能提供通信的氣球其作用可以和衛(wèi)星相媲美。

（3）美國(guó)空軍的“V－飛艇”

美國(guó)空軍的近地空間飛行器（NSMY），即“V－飛艇”集衛(wèi)星和偵察機(jī)功能于一身，由地面遙控操縱，完成高空偵察、勘探，同時(shí)也可作為高空通信中繼站使用。

3 綜合化中繼系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 不同中繼系統(tǒng)對(duì)比

國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)［5－6］已有設(shè)計(jì)師提出基于浮空器的通信中繼系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但仍是以分離式架構(gòu)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。本文是基于綜合模塊化進(jìn)行通信中繼設(shè)計(jì)，無(wú)論從組成架構(gòu)，或是通信中繼功能方面都存在差異。

（1）組成架構(gòu)對(duì)比

圖1為分離式與綜合模塊化對(duì)照?qǐng)D。通過(guò)對(duì)比可看出：分離式架構(gòu)屬于傳統(tǒng)的航空電子，一個(gè)設(shè)備只能實(shí)現(xiàn)一種功能；而綜合模塊化航空電子（IMA）結(jié)構(gòu)，使用標(biāo)準(zhǔn)的硬件模塊，可以實(shí)現(xiàn)不同功能。

（2）實(shí)現(xiàn)方式對(duì)比

圖2為原中繼載荷與綜合化中繼系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式對(duì)比圖。由圖可知：原中繼載荷通過(guò)物理層線纜硬性連接實(shí)現(xiàn)接收音頻轉(zhuǎn)發(fā)，中繼鏈路構(gòu)建受限；綜合化中繼系統(tǒng)可支持中頻、基帶、信息層的不同層信號(hào)中繼，中繼鏈路構(gòu)建靈活。

（3）實(shí)現(xiàn)功能對(duì)比

實(shí)現(xiàn)功能對(duì)比如表1所示。

3.2 綜合化中繼系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

綜合化通信中繼載荷技術(shù)采用軟件無(wú)線電技術(shù)，設(shè)計(jì)一種開(kāi)放式架構(gòu)，支持多種通信功能軟件化設(shè)計(jì)，既可兼容傳統(tǒng)波形，也可支持新的通信波形功能升級(jí)。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

3.2.2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要從硬件平臺(tái)的通用化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化方面著手，盡量采用通用的硬件電路，采用開(kāi)放式總線結(jié)構(gòu)，以利于硬件模塊的不斷升級(jí)和擴(kuò)展，如圖4所示。

天線部分主要實(shí)現(xiàn)各種中繼功能無(wú)線電信號(hào)的發(fā)射和接收。按照傳統(tǒng)的分離式通信中繼設(shè)計(jì)方式，多通道中繼需要大量的天線，增加了天線布局難度及電磁兼容設(shè)計(jì)。綜合化通信中繼載荷根據(jù)各種通信功能對(duì)天線工作頻段、極化形式、覆蓋空域、天線隔離度等要求，進(jìn)行天線綜合、天線共孔徑、天線共形等設(shè)計(jì)。比如，開(kāi)展2 MHz～2 GHz寬頻段天線設(shè)計(jì)、L和Ku頻段共孔徑天線設(shè)計(jì)、L頻段天線和平臺(tái)共形設(shè)計(jì)等。并結(jié)合空中平臺(tái)外形，通過(guò)仿真進(jìn)行各種通信天線優(yōu)化布局設(shè)計(jì)等，以實(shí)現(xiàn)天線性能的最優(yōu)化。

射頻處理部分是一個(gè)復(fù)雜的射頻綜合處理子系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)射頻發(fā)射信號(hào)的放大、接收預(yù)處理、多通道共址濾波、天線選擇及校準(zhǔn)、射頻分配、多路耦合及分路、接收激勵(lì)等功能。根據(jù)各種通信功能對(duì)射頻處理資源工作頻段、信號(hào)帶寬、增益、噪聲系數(shù)、靈敏度要求、中頻要求、接收體制等需求，進(jìn)行綜合一體化設(shè)計(jì)。發(fā)射通道和接收通道寬開(kāi)通用設(shè)計(jì)，支持不同頻段、不同通信功能發(fā)射和接收，并通過(guò)小型化、模塊化的多路耦合器和多路對(duì)消器實(shí)現(xiàn)發(fā)射通道和接收通道的共址兼容工作，實(shí)現(xiàn)射頻處理資源的通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、資源共用、多通道共址兼容工作等設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)離散式通信中繼載荷相比，濾波器、功放、激勵(lì)器、射頻預(yù)處理器、調(diào)諧器等數(shù)量和種類大大減少，大大提高了系統(tǒng)頻率利用率，并且具有更好的擴(kuò)展升級(jí)能力。

后端數(shù)字處理部分主要實(shí)現(xiàn)中繼功能數(shù)字中頻預(yù)處理、核心處理、控制管理等功能。根據(jù)各種通信功能對(duì)數(shù)字處理資源需求分析，開(kāi)展內(nèi)部資源模塊化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，采用通用可重構(gòu)處理器實(shí)現(xiàn)各種通信功能的數(shù)字中頻預(yù)處理，通過(guò)通用CPU實(shí)現(xiàn)各種通信功能的核心數(shù)據(jù)處理、綜合控制管理等，采用基于RapidIO的硬總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各種處理資源的互聯(lián)，解決其高速、高可靠的數(shù)據(jù)交換需求，支持資源統(tǒng)一管理、軟件的動(dòng)態(tài)加載及功能重組等。

3.2.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)重點(diǎn)體現(xiàn)在軟件體系架構(gòu)的開(kāi)放性、軟件組件化、功能軟件化、支持多功能和多任務(wù)、軟件復(fù)用、有效利用商用現(xiàn)貨（COTS）技術(shù)等方面。

系統(tǒng)軟件架構(gòu)采用分層設(shè)計(jì)思想，各層通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行分隔，以實(shí)現(xiàn)層之間的獨(dú)立性，其中，應(yīng)用層軟件采用組件化設(shè)計(jì)，通信功能軟件組件采用SCA軟件架構(gòu)，如圖5所示。

軟件設(shè)計(jì)包括核心框架組件設(shè)計(jì)、波形組件設(shè)計(jì)、服務(wù)組件設(shè)計(jì)、控制管理組件設(shè)計(jì)、組件集成和部署、配置管理等。其中，核心框架組件設(shè)計(jì)主要包括基本應(yīng)用程序接口、框架控制接口、框架服務(wù)接口等定義和開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)各類軟件組件的集成協(xié)調(diào)工作；波形組件設(shè)計(jì)需要考慮現(xiàn)有通信波形，又要考慮未來(lái)新波形的嵌入，采用組件化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)軟件標(biāo)準(zhǔn)件基于類型進(jìn)行分類，建立軟件庫(kù)，可以不斷重復(fù)使用；服務(wù)組件設(shè)計(jì)和控制管理組件設(shè)計(jì)也按照軟件復(fù)用設(shè)計(jì)，方便日后升級(jí)擴(kuò)展。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)

為促進(jìn)該綜合化中繼系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于無(wú)人飛艇、氣球等空中平臺(tái)，發(fā)揮其預(yù)期效能，需要突破以下關(guān)鍵技術(shù)。

（1）開(kāi)放式體系架構(gòu)

綜合化中繼系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)多條通道、多種頻段、多種體制的通信鏈路，實(shí)現(xiàn)話音及數(shù)據(jù)中繼功能，內(nèi)部數(shù)據(jù)交互種類多、流量大、控制管理關(guān)系復(fù)雜，同時(shí)，為了滿足系統(tǒng)擴(kuò)展新功能、增加新的設(shè)備等需求，需要突破開(kāi)放式體系架構(gòu)研究，解決綜合集成難題，縮短開(kāi)發(fā)周期，降低成本，方便技術(shù)升級(jí)及未來(lái)功能擴(kuò)展。

可通過(guò)借鑒國(guó)內(nèi)外航空電子系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)一種開(kāi)放式架構(gòu)。軟件架構(gòu)采用一種基于分層軟件架構(gòu)概念的通用軟件模型，在這種模型內(nèi)，各層通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行分隔，以實(shí)現(xiàn)層之間的獨(dú)立性，其中應(yīng)用層軟件采用構(gòu)件化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)功能基于標(biāo)準(zhǔn)化的硬件和構(gòu)件化的軟件，具體功能由各軟件構(gòu)件實(shí)現(xiàn)。

（2）中繼轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)

綜合化中繼系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)同構(gòu)／異構(gòu)鏈路之間中繼轉(zhuǎn)發(fā)，包括話音中繼、數(shù)據(jù)中繼、不同類型鏈路之間的轉(zhuǎn)發(fā)等，需要突破相同頻段、不同頻段、同種體制、不同體制等各型通信數(shù)據(jù)鏈之間的中繼轉(zhuǎn)發(fā)處理技術(shù)。

可通過(guò)采用在鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層不同層次完成數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)處理技術(shù)，完成數(shù)據(jù)包在同構(gòu)／異構(gòu)鏈路之間的傳輸。

（3）多通道共址兼容工作技術(shù)

綜合化中繼系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多通道的中繼通信，集成的鏈路數(shù)量多、頻段寬，且需要多條通道同時(shí)共址兼容工作，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)電磁環(huán)境復(fù)雜，將面臨非常嚴(yán)重的共場(chǎng)地電磁兼容問(wèn)題以及綜合化系統(tǒng)內(nèi)部多通道并行工作的電磁干擾問(wèn)題。多通道共址兼容技術(shù)直接關(guān)系到其性能的發(fā)揮，甚至研制的成敗。

可采用天線優(yōu)化布局、多通道電磁濾波、信號(hào)對(duì)消、功率管理、頻率統(tǒng)一規(guī)劃與管理等技術(shù)手段，來(lái)實(shí)現(xiàn)多通道共址兼容工作。

4 空中通信中繼平臺(tái)能力提升

從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展看，通信中繼將是浮空器通信系統(tǒng)的一項(xiàng)重要應(yīng)用能力，持續(xù)增強(qiáng)中繼通信能力，將為日后空中平臺(tái)信息化建設(shè)提供高可靠、寬覆蓋、遠(yuǎn)距離的通信手段。

面對(duì)大范圍自然災(zāi)害或人為災(zāi)難，特別是發(fā)生在高山、高原、沙漠、海洋等特殊地域，通信中繼系統(tǒng)提供多條中繼通道、跨頻段中繼、更寬覆蓋范圍，提供災(zāi)區(qū)內(nèi)通信以及災(zāi)區(qū)外的無(wú)縫互聯(lián)，可支撐地面多個(gè)應(yīng)急部門(mén)的關(guān)鍵通信需求，實(shí)現(xiàn)不同部門(mén)之間的有效協(xié)同聯(lián)動(dòng)，能夠有效提升危機(jī)事件的快速反應(yīng)和處理能力［8］。民用應(yīng)急應(yīng)用場(chǎng)景如圖6（a）所示。

隨著現(xiàn)代信息化需求日益多樣化，利用浮空器作為通信中繼平臺(tái)，將通信中繼作為一種多任務(wù)載荷進(jìn)行發(fā)展，采用模塊化、尺寸大小可變?cè)O(shè)計(jì)，適應(yīng)多種平臺(tái)裝載需要，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)鏈的橋接和通信距離擴(kuò)展，為民用各類通信平臺(tái)提供廣泛的即時(shí)通信連接，如圖6（b）所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

浮空器通信平臺(tái)作為一種無(wú)線替代方式，可以彌補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的缺乏帶來(lái)的不足?；诟】掌髌脚_(tái)通信中繼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，可增強(qiáng)浮空器作為通信中繼節(jié)點(diǎn)的通信能力，當(dāng)通信設(shè)施遭到破壞時(shí)，可以提供快速、低成本手段恢復(fù)通信，它的研制成功將為應(yīng)急通信、對(duì)地觀測(cè)、民用高空通信等提供一種全新的技術(shù)手段。伴隨通信技術(shù)的發(fā)展及業(yè)務(wù)需求不斷擴(kuò)大，可深入研究浮空器平臺(tái)實(shí)現(xiàn)圖像、視頻等多媒體信息中繼轉(zhuǎn)發(fā)能力。

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ZANG Yun-yan was born in Jiangyin，Jiangsu Province，in 1978.She received the B.S.degree in 2002.She is now an engineer.Her research concerns avionics system.

Email：popcorn680＠sina.com

Design of an Integrated Modular Relay Communication SysteMBased on Aerostat

ZANG Yun-yan
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

Through analysis of the advantages and application situations of aerostat in relay communication system，and in comparison with traditional relay communication systems，the design architecture of a relay systeMbased on aerostat is proposed.The integratedmodular design is adopted in its hardware，and hierarchical design is used in its software.The feasibility of crucial technologies is analyzed.Its future applications in improving airborne relay communications are also discussed.

communication relay；aerostat；integratedmodular avionics（IMA）；cross frequency band；hierarchical design；software defined radio

date：2013－04－19；Revised date：2013－06－06

??通訊作者：popcorn680＠sina.coMCorresponding author：popcorn680＠sina.com

TN925

A

1001－893X（2013）06－0694－05

臧蕓妍（1978—），女，江蘇江陰人，2002年獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事航空通信設(shè)備和系統(tǒng)的研制。

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.06.003

2013－04－19；

2013－06－06