平流層飛艇視距及衛(wèi)通一體化數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計

陳慶鋒， 林 廣， 李申陽

(航天恒星科技有限公司 北京 100086)

前 言

平流層飛艇是開發(fā)臨近空間資源的重要技術(shù)手段之一，是目前國內(nèi)外重點研究的臨近空間飛行器。平流層飛艇處于航天和航空高度之間的臨近空間，依靠平流層無空氣對流狀態(tài)、無惡劣天氣等特性，具有長期駐空、機動或定點飛行，以及全天候?qū)崟r工作的能力，可廣泛用于空間探測、遙感、氣象、空中中繼等領(lǐng)域，具有無可替代的軍事和民用價值[1]。隨著平流層飛艇平臺技術(shù)的不斷發(fā)展，利用平流層飛艇建設(shè)天地一體化測控網(wǎng)絡(luò)逐漸成為一個新的應(yīng)用領(lǐng)域，平流層飛艇作為一種新型空中平臺，也將成為我國天基和空基測控網(wǎng)絡(luò)的有益補充[2]。

1 需求分析

由于平流層飛艇駐空時間長、巡航距離遠(yuǎn)，特別是針對海上目標(biāo)的遠(yuǎn)程測控，作用距離可達(dá)一千公里以上，因此，飛艇測控與信息傳輸系統(tǒng)不但需要滿足視距范圍內(nèi)的通信要求，同時還要具備超視距下的測控與信息傳輸能力。

平流層飛艇最佳工作高度一般在20km～30km，當(dāng)?shù)孛嫣炀€仰角為0°時，其最大可視距離約為619km。飛艇測控與信息傳輸系統(tǒng)采用視距通信時的作用距離指標(biāo)，一般設(shè)計為400km左右，能滿足地面天線3°仰角下近程測控與高速遙感信息傳輸?shù)氖褂眯枨蟆?/p>

為了實現(xiàn)飛艇超視距測控與信息傳輸，一般采用地球同步通信衛(wèi)星作為空中中繼平臺，充分利用衛(wèi)星波束的有效覆蓋范圍，轉(zhuǎn)發(fā)飛艇的測控數(shù)據(jù)和遙感信息。

本文針對平流層飛艇視距和超視距的使用需求，從鏈路設(shè)計的角度，提出一種視距及衛(wèi)通一體化的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[3]，通過C頻段、UHF頻段和Ku頻段衛(wèi)通三條鏈路的聯(lián)合使用，實現(xiàn)了飛艇視距傳輸模式下近程測控與高速遙感信息傳輸、超視距模式下遠(yuǎn)程測控與中速遙感信息傳輸?shù)墓δ堋?/p>

圖1 視距及衛(wèi)通一體化數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)構(gòu)成

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 頻段選擇

作為一種較新的無線電測控應(yīng)用系統(tǒng)，高空飛艇測控頻段的選擇與其它無線電系統(tǒng)一樣，受多種因素制約，要綜合考慮電波傳輸特性、與頻率有關(guān)的天線增益、噪聲影響，以及和其它系統(tǒng)相互干擾等問題。本系統(tǒng)中，視距鏈路選擇C頻段作為主鏈路，主要原因是C頻段擁有較寬的頻帶，可以傳輸高速信息，并且C頻段受雨衰影響較小;選擇UHF頻段作為備份鏈路，主要原因是UHF頻率較低，繞射能力較強，多徑效應(yīng)不太嚴(yán)重，因而能夠提高系統(tǒng)測控鏈路傳輸?shù)目煽啃?衛(wèi)通鏈路使用Ku頻段作為傳輸鏈路，能夠覆蓋現(xiàn)有主要通信衛(wèi)星頻段，但受衛(wèi)星技術(shù)參數(shù)和機載設(shè)備功耗及重量的限制，衛(wèi)通鏈路一般用于中、低速遙感信息傳輸。本系統(tǒng)選擇的C頻段、UHF頻段和Ku頻段均為數(shù)據(jù)傳輸?shù)某Ｓ妙l段，技術(shù)和設(shè)備比較成熟。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計思想，將視距鏈路設(shè)備和衛(wèi)通鏈路設(shè)備設(shè)計為兩套獨立的設(shè)備，實際應(yīng)用時可根據(jù)需要選擇其中一種或兩種進(jìn)行配置。當(dāng)同時使用兩套鏈路設(shè)備時，即實現(xiàn)視距及衛(wèi)通一體化數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。視距鏈路設(shè)備和衛(wèi)通鏈路設(shè)備均包括艇載設(shè)備和地面設(shè)備兩部分，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

艇載設(shè)備由視距收發(fā)信機、衛(wèi)通收發(fā)信機、艇載數(shù)據(jù)終端處理機和天線等組成。艇載數(shù)據(jù)終端處理機的主要功能是接收視距和衛(wèi)通兩路遙控數(shù)據(jù)，選擇一路發(fā)送至艇載飛控計算機或載荷平臺;接收艇載飛控計算機或載荷平臺的遙測或圖像數(shù)據(jù)，同時發(fā)送至視距收發(fā)信機和衛(wèi)通收發(fā)信機。

地面設(shè)備由視距收發(fā)信機、衛(wèi)通收發(fā)信機、地面數(shù)據(jù)終端處理機和天線等組成。地面數(shù)據(jù)終端處理機的主要功能是接收視距和衛(wèi)通兩路遙測或圖像數(shù)據(jù)，選擇一路發(fā)送至地面指揮控制站;接收地面指揮控制站的遙控數(shù)據(jù)，同時發(fā)送至視距收發(fā)信機和衛(wèi)通收發(fā)信機。

艇載視距收發(fā)信機和艇載衛(wèi)通收發(fā)信機之間進(jìn)行了交叉組合，能夠相互轉(zhuǎn)發(fā)鏈路設(shè)備的遙測和遙控數(shù)據(jù)，且優(yōu)先執(zhí)行從本鏈路接收到的鏈路遙控指令，只有當(dāng)檢測到本鏈路斷連時，才執(zhí)行對方鏈路發(fā)來的鏈路遙控指令。

視距C鏈路、視距UHF鏈路和衛(wèi)通鏈路互為熱備，三條鏈路可同時收發(fā)數(shù)據(jù)，但僅有一條鏈路作為工作鏈路。

2.3 工作模式

2.3.1 視距傳輸模式

視距傳輸模式指優(yōu)先選擇視距鏈路進(jìn)行通信的工作模式。視距傳輸模式下C頻段為主鏈路，且C頻段主鏈路具備高、中傳輸速率可配置能力，通過設(shè)置多檔傳輸速率，能夠增強遠(yuǎn)距離、低仰角時的抗多徑能力;UHF作為遙測、遙控的備份鏈路，大大提高了測控鏈路傳輸?shù)目煽啃?衛(wèi)通作為備份鏈路，具有中、低速數(shù)據(jù)傳輸能力，也進(jìn)一步提高了測控和數(shù)傳鏈路傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

實際應(yīng)用中，當(dāng)飛艇起飛和降落時，視距C鏈路和UHF鏈路均保持通信正常，且系統(tǒng)使用C鏈路作為工作鏈路;為了保證衛(wèi)通設(shè)備的安全性，衛(wèi)通鏈路一般在起降階段處于關(guān)閉狀態(tài)，待飛艇升空穩(wěn)定后再開啟。鏈路優(yōu)先級一般設(shè)置為視距鏈路高于衛(wèi)通鏈路，優(yōu)先級可由地面指控站通過軟件進(jìn)行實時切換。

2.3.2 超視距傳輸模式

超視距傳輸模式指優(yōu)先選擇衛(wèi)通鏈路進(jìn)行通信的工作模式。超視距傳輸模式下使用Ku頻段作為主鏈路，C鏈路和UHF鏈路作為遙測、遙控的備份鏈路，可在一定范圍內(nèi)提高測控鏈路傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

由于艇載視距鏈路設(shè)備和艇載衛(wèi)通鏈路設(shè)備之間進(jìn)行了交叉組合，當(dāng)衛(wèi)通鏈路發(fā)生故障時，如艇地頻點不匹配、艇載伺服天線指向偏差等，可通過視距鏈路進(jìn)行糾正控制。反之，當(dāng)視距鏈路發(fā)生故障時也可通過衛(wèi)通鏈路進(jìn)行糾正控制。

圖2 視距鏈路主、備切換流程

2.4 工作流程

2.4.1 視距鏈路主、備切換流程

視距鏈路的C頻段主鏈路和UHF頻段備份鏈路均始終處于開機狀態(tài)。對于遙控，地面設(shè)備通過主、備兩路同時發(fā)送遙控信號，艇載設(shè)備優(yōu)先使用主鏈路接收遙控信號;對于遙測，艇載設(shè)備通過主、備兩路同時發(fā)送遙測信號，地面設(shè)備優(yōu)先使用主鏈路接收遙測信號;對于圖像，只能通過主鏈路傳輸，不用切換。遙控和遙測切換原理相同，如圖2所示。

2.4.2 視距、衛(wèi)通鏈路切換流程

視距鏈路和衛(wèi)通鏈路均始終處于開機狀態(tài)。對于遙控，地面設(shè)備通過視距、衛(wèi)通兩條鏈路同時發(fā)送遙控信號;對于遙測或圖像，艇載設(shè)備通過視距、衛(wèi)通兩條鏈路同時發(fā)送遙測或圖像信號。艇載設(shè)備和地面設(shè)備均根據(jù)設(shè)置的優(yōu)先級，使用較高優(yōu)先級的鏈路接收數(shù)據(jù)，僅當(dāng)優(yōu)先鏈路斷連時，才使用另一鏈路的數(shù)據(jù)。遙控、遙測和圖像的切換原理類似，如圖3所示，該圖可同時適用于遙控和遙測、圖像切換，區(qū)別在于遙控針對艇載設(shè)備描述，遙測和圖像則針對地面設(shè)備描述。

圖3 視距、衛(wèi)通鏈路切換流程

圖4 兩徑干擾對消原理框圖

2.5 關(guān)鍵技術(shù)

2.5.1 抗多徑設(shè)計

由于無線電波傳輸會受到地形的影響，地面測控站將接收到不同路徑到達(dá)的信號，這些信號由于路程不同而存在相位及振幅的差異，因此對地面測控站產(chǎn)生了多徑的影響。根據(jù)飛艇測控與數(shù)傳信道的特點，其多徑干涉效應(yīng)可以采用電波二徑模型[4]來進(jìn)行衰落值的計算，鏈路的直反時延差典型值為數(shù)十納秒，當(dāng)系統(tǒng)傳輸速率為64Mb/s時，經(jīng)過編碼后的數(shù)據(jù)碼片寬度約為11ns，因此，下行鏈路會出現(xiàn)平衰落和頻率選擇性衰落。

對抗平衰落的手段只有保留足夠的鏈路余量。同時，遙控、遙測信號進(jìn)行直接序列擴頻，具有一定的分集效果;遙控、遙測、遙感信號都采用編譯碼處理，糾正多徑帶來的誤碼。

對抗頻率選擇性衰落不能靠電平貯備來解決，本系統(tǒng)選擇均衡技術(shù)作為主要手段。由于兩徑鏈路中，反射徑的強度一般不會大于直射徑的強度，利用遙控、遙測信號的擴頻特性，兩徑判決反饋模型如圖4所示。

原理框圖包括信道估計和信道反饋兩個部分。信道估計時，首先對接收到的基帶信號進(jìn)行偽碼匹配濾波，確定系統(tǒng)中是否存在多徑干擾、多徑時延以及多徑的幅度;然后將不同相位的偽碼與基帶信號進(jìn)行相關(guān)后再進(jìn)行載波同步，比較兩個載波同步的相位可獲取直射徑與反射徑的相位差。信道反饋時，首先對接收基帶信號進(jìn)行緩存，然后通過多徑的幅度、時延與相差，計算出各時延尺度上的濾波系數(shù)，將濾波系數(shù)與各時延緩存數(shù)據(jù)相乘后求和反饋。將反饋值與基帶信號作差后，多徑的影響便得到了消除，此時的信號可用于解調(diào)處理。

2.5.2 捷變頻設(shè)計

捷變頻系統(tǒng)要求能夠?qū)νㄐ判诺肋M(jìn)行快速、準(zhǔn)確的檢測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)信道不能滿足使用要求時，需要選擇新的信道進(jìn)行通信。本系統(tǒng)采用基于雙向鏈路的自適應(yīng)信道檢測與捷變頻技術(shù)，在實現(xiàn)上包括干擾檢測、自適應(yīng)信道選擇、頻率捷變與穩(wěn)定通信三個技術(shù)難點。

干擾檢測是指通過頻譜分析技術(shù)判斷干擾信號在頻率上的位置。本系統(tǒng)中的干擾檢測為無源檢測，通過在頻域上設(shè)置一個滑動窗，然后對窗內(nèi)某一頻譜參數(shù)與設(shè)定的門限值進(jìn)行比較，如果高于門限值則認(rèn)為存在干擾，否則認(rèn)為不存在干擾，門限的判決變量設(shè)置為頻帶內(nèi)采樣點頻譜均值的平方與方差的比值，避免了傳統(tǒng)判決變量的缺陷。干擾檢測還需要對信道干擾情況進(jìn)行統(tǒng)計和評估，從而判斷該信道是否可用，統(tǒng)計內(nèi)容包括檢測頻帶內(nèi)干擾信號出現(xiàn)的頻率、能量、持續(xù)時間等，如果干擾信號出現(xiàn)的頻率低，能量低，并且持續(xù)時間短，則該頻段在頻譜緊張的情況下也可作為暫時的可用頻段?？捎妙l段需要進(jìn)行優(yōu)劣排隊，當(dāng)有變頻需求時，優(yōu)先使用最好的頻段。干擾檢測的原理如圖5所示。

自適應(yīng)信道選擇的目的在于避開干擾信號，確保通信可靠，干擾檢測是這一工作的前提。由于系統(tǒng)采用了擴頻方式，因此帶寬比較寬。本系統(tǒng)設(shè)計了一個專門的模塊對可工作的全頻段進(jìn)行實時搜索，對滿足通信要求的頻點進(jìn)行存儲，同時設(shè)定計時器，當(dāng)超過設(shè)定的時間時需要對該頻段重新進(jìn)行審核，保證頻點的有效性和可靠性。這樣當(dāng)發(fā)現(xiàn)存在干擾時，雙向鏈路兩端可以迅速跳到安全的頻段，從而保證通信的連續(xù)性。

由于系統(tǒng)在工作過程中隨時可能切換頻點，為了保證工作的連續(xù)性，射頻通道應(yīng)是寬帶、捷變頻的通道，頻點在切換后能快速穩(wěn)定，因此，捷變頻頻綜源要求具有低雜散、低相噪特性，并且輸出信號頻譜純度高、頻帶寬，頻率變換迅速而且要求能實現(xiàn)多點頻率捷變。捷變頻頻率合成器的設(shè)計是捷變頻通信的關(guān)鍵之一，本系統(tǒng)采用一個單鎖相環(huán)+直接數(shù)字頻率合成(DDS)來實現(xiàn)捷變頻頻率合成，其原理示于圖6。

圖5 干擾檢測原理

此頻率合成器可以看成是由一個高階環(huán)和一個低階環(huán)組成的二環(huán)頻率合成器。由單鎖相環(huán)充當(dāng)高位環(huán)，提供頻率間隔較大的較高頻率輸出;由DDS充當(dāng)?shù)臀画h(huán)，提供頻率間隔較小的較低頻率輸出，DDS的特性可以實現(xiàn)快速變頻的功能;混頻器實現(xiàn)加法環(huán)功能，將兩部分加起來，從而使合成信號輸出獲得較高的工作頻率和較高的頻率分辨率，并且能夠快速轉(zhuǎn)換頻率。

圖6 捷變頻頻率合成器原理

2.6 工程系統(tǒng)組成

工程系統(tǒng)由艇載視距數(shù)據(jù)終端、艇載衛(wèi)通數(shù)據(jù)終端和地面測控站組成。其中，地面測控站由通信設(shè)備車、衛(wèi)通天線車、指揮處理車組成一套機動測控站。

艇載視距數(shù)據(jù)終端完成與通信設(shè)備車上的地面視距數(shù)據(jù)終端之間的信息交互。艇載視距數(shù)據(jù)鏈設(shè)備主要由C波段全向天線、UHF波段全向天線、C波段微波前端、UHF波段微波前端、收發(fā)信機、艇載數(shù)據(jù)終端處理機組成。

艇載衛(wèi)通數(shù)據(jù)終端通過衛(wèi)星中繼轉(zhuǎn)發(fā)，完成與通信設(shè)備車上的地面衛(wèi)通數(shù)據(jù)終端及衛(wèi)通天線車之間的信息交互。艇載衛(wèi)通數(shù)據(jù)鏈設(shè)備主要由天伺饋、Ku波段微波前端和收發(fā)信機組成。

通信設(shè)備車用于完成對飛艇的遙控數(shù)據(jù)發(fā)送和遙測、圖像數(shù)據(jù)接收。通信設(shè)備車部署了地面視距數(shù)據(jù)鏈和地面衛(wèi)通數(shù)據(jù)鏈的相關(guān)接收設(shè)備，主要包括地面視距數(shù)據(jù)終端、地面衛(wèi)通數(shù)據(jù)終端、C波段定向天線、C波段全向天線、UHF波段全向天線、功放、低噪放、跟蹤信道設(shè)備等。

衛(wèi)通天線車部署了衛(wèi)通天線和手控單元，與通信設(shè)備車上的地面衛(wèi)通數(shù)據(jù)鏈設(shè)備一起完成對衛(wèi)星的遙控數(shù)據(jù)發(fā)送和遙測、圖像數(shù)據(jù)接收。

圖7 平流層飛艇測控與信息傳輸系統(tǒng)組成

指揮處理車部署了飛行監(jiān)控、任務(wù)監(jiān)控和鏈路監(jiān)控等席位，用于完成飛艇的飛行監(jiān)控、任務(wù)監(jiān)控、鏈路監(jiān)控、任務(wù)規(guī)劃、航跡顯示、態(tài)勢圖生成、記錄與回放、數(shù)據(jù)管理與分發(fā)等功能。

3 結(jié)束語

本文針對平流層飛艇視距和超視距的使用需求，設(shè)計了一種視距及衛(wèi)通一體化的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠較好地實現(xiàn)飛艇近程測控與高速遙感信息傳輸、遠(yuǎn)程超視距測控與中速遙感信息傳輸?shù)墓δ?。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性和使用性能，未來還可以考慮為衛(wèi)通配置應(yīng)急測控鏈路，如利用“北斗1號”導(dǎo)航定位衛(wèi)星的通信功能，傳輸飛艇的低速率測控信息;為視距配置多波束天線陣，使系統(tǒng)具備擴展至多站同時接收或接力接收的組網(wǎng)建設(shè)能力[5]。

[1]吳 潛，金煒東，李華超，等.高空軍用飛艇測控與信息傳輸關(guān)鍵技術(shù)[J].電訊技術(shù)，2007，47(2):18～22.

[2]李樹國，李 進(jìn)，朱曉峰，等.天基地基一體化測控系統(tǒng)研究及應(yīng)用[J].無線電工程，2010，40(12):48～50.

[3]孟立峰.無人機系統(tǒng)的衛(wèi)星中繼數(shù)據(jù)鏈[J].飛行器測控學(xué)報，2007，31(5):24～27.

[4]習(xí) 靖，習(xí) 強，鄭淑梅.地空信道二徑模型及仿真[J].無線電工程，2007，37(7):58～60.

[5]劉嘉興.臨近空間飛行器測控系統(tǒng)的特點和主要技術(shù)問題[J].飛行器測控學(xué)報，2008，27(2):1～7.