基于臨近空間飛行器的測控通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)*

馮 偉，方 軼，孫 壘，高 磊

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109）

0 引 言

臨近空間（Nearspace）一般是指20～100 km的高空，包括大部分平流層、全部中間層和一部分電離層。臨近空間飛行器不屬于航空的范疇（20 km以下），也不屬于航天的范疇（100 km以上）。它在情報(bào)收集、通信保障、電子對(duì)抗、預(yù)警、民用通信等方面具有獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值，極具發(fā)展?jié)摿1]。

臨近空間飛行器的通信與地面通信系統(tǒng)相比，其覆蓋范圍大、作用距離遠(yuǎn)，可以長時(shí)間在高空駐留，通信距離可超過1 000 km，并且能夠超視距與地面站進(jìn)行通信，具有不受地理?xiàng)l件限制等優(yōu)勢。與衛(wèi)星通信相比，它具有傳播距離短、傳播損耗少、延時(shí)小、所需發(fā)射功率低等優(yōu)點(diǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)寬帶傳輸和通信終端的小型化，且其快速靈活，可以用于建立應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)。近年來，隨著通信需求的與日俱增，臨近空間飛行器越來越受到人們的高度重視[2]。本文以體積小、重量輕、成本低以及性能高為設(shè)計(jì)目標(biāo)，研制了一套基于臨近空間飛行器的天地圖傳測控通信系統(tǒng)，在工作于臨近空間的無人浮空飛艇上安裝艇載通信設(shè)備，搭配地測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了地面和飛艇之間的遙控、遙測和視頻圖像數(shù)據(jù)傳輸。

1 概述

臨近空間飛行器天地圖傳測控通信系統(tǒng)是將衛(wèi)星領(lǐng)域測控通信技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、視頻處理技術(shù)，和軍用領(lǐng)域的GPS自動(dòng)跟蹤定位技術(shù)、高增益天線技術(shù)等應(yīng)用于民用飛行器領(lǐng)域，實(shí)踐軍民融合發(fā)展。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將遙控遙測通道與圖傳通道分離，采用擴(kuò)頻方式進(jìn)行通信，以獲得較大的鏈路余量與抗干擾能力?？紤]到帶寬資源的限制，為提高帶寬利用率，系統(tǒng)采用功率效率較高的QPSK調(diào)制和相干解調(diào)方式。圖傳通道在遙控遙測通道建立后再進(jìn)行通信。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠使用高增益地面天線，減小艇上設(shè)備的發(fā)射功耗，大幅降低了艇上設(shè)備代價(jià)。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

天地圖傳測控通信系統(tǒng)用于臨近空間飛行器高空對(duì)地?cái)?shù)據(jù)通信，是飛艇的重要組成部分。該系統(tǒng)硬件設(shè)備部分主要由艇載通信組件終端和地面通信組件終端組成，共同完成遙控、遙測及視頻圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋Ｓ蓤D1可知，飛艇與地面通信有3個(gè)通道，分別是上行遙控通道、下行遙測通道和下行視頻通道。

圖1 天地圖傳測控通信系統(tǒng)

艇載通信組件終端由艇載視頻壓縮器、艇載通信機(jī)、艇載固態(tài)放大器、艇載雙工器、艇載濾波器、艇載二次電源、艇載圖傳天線和艇載測控天線組成。地面通信組件終端由地面圖傳測控設(shè)備、地面天線、地面轉(zhuǎn)臺(tái)和地面控制計(jì)算機(jī)組成。地面通信終端通過RS422接收遙測信息，實(shí)時(shí)顯示飛艇狀態(tài)。在遙控遙測通道建立后，對(duì)飛艇下發(fā)的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓縮、實(shí)時(shí)播放和存儲(chǔ)。地面計(jì)算機(jī)根據(jù)接收到的飛艇GPS信息、采集到的本地GPS和電子羅盤等信息，計(jì)算二維轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的方位及俯仰角，控制二維轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得定向天線實(shí)時(shí)指向飛艇。

圖傳通道的碼速率約為10 Mb/s，遠(yuǎn)高于遙控和遙測碼速率115.2 kb/s。因此，在艇載通信組件終端的設(shè)計(jì)上，遙控、遙測收發(fā)共用一副全向天線，圖傳通道單獨(dú)設(shè)計(jì)一副寬波束賦形天線，以保證通道上有足夠的余量。地面通信終端采用一副帶轉(zhuǎn)臺(tái)的拋物面天線，三個(gè)通道收發(fā)共用。艇上和地面設(shè)備組成框圖，分別如圖2、圖3所示。

圖2 艇載通信組件終端組成

3 系統(tǒng)信息流處理

天地圖傳測控通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理過程為：上電后，地面通信系統(tǒng)接收飛艇的GPS信息，計(jì)算出天線指向需求，輸出給定向天線轉(zhuǎn)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)地面天線對(duì)飛艇的定向跟蹤；地面到飛艇的信息傳輸為上行通道，遙控指令進(jìn)行擴(kuò)頻、調(diào)制為中頻信號(hào)送給射頻發(fā)射模塊，經(jīng)過變頻放大后，由定向天線發(fā)送給飛艇，艇載通信系統(tǒng)接收、放大、變頻、解擴(kuò)和解調(diào)后將數(shù)據(jù)流送給控制設(shè)備。

飛艇到地面的信息傳輸為下行通道，其中一路將艇上狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)的遙測信息通過信道編碼、擴(kuò)頻調(diào)制為中頻信號(hào)，再經(jīng)過射頻發(fā)射模塊變頻放大后，通過測控天線發(fā)送給地面通信系統(tǒng)；另一路是通過HDMI接口接收的1 080 P視頻信號(hào)，并將視頻信號(hào)壓縮、編碼、QPSK調(diào)制和功率放大后通過圖傳通道發(fā)送。地面通信系統(tǒng)在接收到遙測數(shù)據(jù)后，將圖傳通道的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓、解碼和解調(diào)后得到視頻PCM信號(hào)，然后通過網(wǎng)口輸出給PC機(jī)。整個(gè)數(shù)據(jù)流處理過程如圖4所示。

圖3 地面通信組件終端組成

圖4 天地圖傳測控通信系統(tǒng)流程

3.1 擴(kuò)頻通信

本文通過對(duì)遙控、遙測信號(hào)進(jìn)行直接序列擴(kuò)頻處理來降低發(fā)送信號(hào)的功率譜密度，降低飛艇在任務(wù)期間被發(fā)現(xiàn)的概率，實(shí)現(xiàn)了通信的隱蔽性，增加了鏈路的抗干擾和抗多徑能力[3]。此外，采用擴(kuò)頻方式還可以實(shí)現(xiàn)多載波復(fù)用。當(dāng)一個(gè)地面通信系統(tǒng)對(duì)多個(gè)飛艇通信時(shí)，多個(gè)飛艇的下行通道可通過采用不同的擴(kuò)頻碼且占用相同的載波頻率，有效節(jié)省系統(tǒng)的占用帶寬。擴(kuò)頻調(diào)制原理圖如圖5所示，即通過數(shù)據(jù)和偽碼進(jìn)行模2相加（即異或）實(shí)現(xiàn)，對(duì)IQ兩路數(shù)據(jù)分別擴(kuò)頻，再將調(diào)制后的信號(hào)串行輸出。用于調(diào)制的偽碼采用10.23 MHz時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)偽碼發(fā)生器產(chǎn)生。

圖5 擴(kuò)頻調(diào)制原理

3.2 信道編碼

遙控遙測通道均采用Turbo編碼來提高鏈路增益并增強(qiáng)抗突發(fā)干擾能力。Turbo碼是一種并行級(jí)聯(lián)的卷積碼。Turbo碼的編碼器是由兩個(gè)分量編碼器通過一個(gè)交織器并行連接而成。編碼后的校驗(yàn)位經(jīng)過刪余矩陣，產(chǎn)生不同碼率的碼字。Turbo碼的譯碼器是由兩個(gè)軟輸入/軟輸出分量譯碼器串聯(lián)而成，而兩個(gè)分量譯碼器之間通過多次迭代實(shí)現(xiàn)偽隨機(jī)譯碼。迭代譯碼過程中，兩個(gè)分量譯碼器相互不斷傳遞外信息作為譯碼的先驗(yàn)信息。Turbo碼的譯碼器性能會(huì)隨著迭代次數(shù)的增大而提高。當(dāng)?shù)_(dá)到一定次數(shù)后，外信息對(duì)提高分量譯碼器的性能作用變小，Turbo碼的性能趨近收斂[4]。

圖傳通道采用LDPC編碼，可以在帶寬有限的情況下提升鏈路增益。艇載通信系統(tǒng)由于體積和功耗受限、天線增益低、發(fā)射機(jī)輸出功率受限等因素，需采用高增益的糾錯(cuò)編碼方式，以盡可能降低系統(tǒng)的解調(diào)門限載噪比。選用的LDPC碼全稱為低密度奇偶校驗(yàn)碼，是一種稀疏線性分組碼，可以有效降低解調(diào)的門限，提高鏈路的傳輸性能。此外，LDPC編碼還具有譯碼速度快、吞吐率高的優(yōu)點(diǎn)，本身還具有交織特性，能糾正突發(fā)錯(cuò)誤。

3.3 視頻圖像數(shù)據(jù)壓縮

艇載通信終端采集到視頻信號(hào)后，對(duì)視頻信號(hào)采用H.264編碼進(jìn)行壓縮處理[5]。H.264編碼又稱MPEG-4第十部分，是一種高性能的視頻編解碼技術(shù)。它的最大優(yōu)勢是具有很高的數(shù)據(jù)壓縮比率，在同等圖像質(zhì)量條件下，是MPEG-2編碼的2倍以上，是MPEG-4編碼的1.5倍，從而節(jié)省了傳輸數(shù)據(jù)量。

H.264圖像數(shù)據(jù)格式如圖6所示。視頻基帶處理機(jī)將視頻數(shù)據(jù)壓縮后打包，然后將圖像數(shù)據(jù)流以位流方式通過射頻發(fā)射模塊發(fā)送給地面。

圖6 H.264圖像壓縮編碼后數(shù)據(jù)格式

4 通信通用平臺(tái)設(shè)計(jì)

本文基于臨近空間飛行器（飛艇）設(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)通用平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了飛艇與地面的遙控、遙測通信和圖像視頻傳輸。該平臺(tái)的核心是射頻發(fā)射機(jī)、測控基帶處理機(jī)和視頻基帶處理機(jī)。

4.1 射頻發(fā)射機(jī)

射頻發(fā)射機(jī)基于ADI公司的AD9364芯片實(shí)現(xiàn)。AD9364芯片大小僅為10 mm×10 mm×1.7 mm，減少了射頻發(fā)射機(jī)的體積。該芯片可以靈活配置參數(shù)，能完成上變頻、濾波、DA和放大功能，且各指標(biāo)均滿足發(fā)射機(jī)的性能要求[6]。

4.2 測控基帶處理機(jī)

測控基帶處理機(jī)基于FPGA芯片實(shí)現(xiàn)，通過在FPGA中加載不同的算法模塊，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)、Turbo編解碼、LDPC編解碼、QPSK信號(hào)的調(diào)制解調(diào)功能。測控基帶處理機(jī)主要由FFT快捕電路、通道處理電路、主控電路和調(diào)制電路組成，如圖7所示。

本方案采用快捕方式實(shí)現(xiàn)偽碼和載波的捕獲。與其他捕獲方法相比，該方法有更短的平均捕獲時(shí)間，適用于對(duì)捕獲時(shí)間要求較嚴(yán)格的環(huán)境。通道信號(hào)處理電路由遙控信號(hào)通道處理電路構(gòu)成，主要功能包括對(duì)遙控信號(hào)進(jìn)行載波剝離、碼剝離、載波跟蹤與鎖定、偽碼跟蹤與鎖定、數(shù)據(jù)位跟蹤和鎖定等，且載波環(huán)、碼環(huán)和位同步環(huán)同時(shí)工作。在提取數(shù)據(jù)位同步脈沖后，完成數(shù)據(jù)解調(diào)并傳給主控電路，主控電路將遙控?cái)?shù)據(jù)通過RS422接口輸出。此外，主控電路還將自身遙測通過RS422輸出，并接收來自RS422接口的下行遙測信號(hào)。調(diào)制電路主要完成遙測信號(hào)的調(diào)制，并將調(diào)制后的信號(hào)發(fā)送給射頻發(fā)射機(jī)。

圖7 測控基帶處理機(jī)組成

4.3 視頻基帶處理機(jī)

視頻基帶處理機(jī)是基于DSP芯片實(shí)現(xiàn)的，主要由HDMI視頻采集模塊、視頻編碼模塊和電源轉(zhuǎn)換模塊組成，如圖8所示。HDMI視頻采集模塊主要完成外部HDMI的數(shù)字量采集和量化。視頻編碼模塊主要由DSP及其配套外圍電路組成，實(shí)現(xiàn)了H.264格式的視頻圖像編碼和解碼操作。壓縮編碼完成后，輸出視頻數(shù)據(jù)速率約為8～10 Mb/s。

圖8 視頻基帶處理機(jī)組成原理

5 測試和聯(lián)調(diào)試驗(yàn)情況

完成系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)后，對(duì)天地圖傳通信系統(tǒng)進(jìn)行室內(nèi)有線聯(lián)調(diào)試驗(yàn)和室外無線聯(lián)調(diào)試驗(yàn)。室內(nèi)有線聯(lián)調(diào)試驗(yàn)通過射頻電纜將艇載系統(tǒng)和地面連接起來，設(shè)置可調(diào)衰減器衰減值，使用頻譜儀對(duì)發(fā)射天線的輸入電平和接收天線的輸出電平進(jìn)行標(biāo)定。

遙控遙測通道測試按圖9連接儀器和設(shè)備，先標(biāo)定信號(hào)發(fā)端至測控通信機(jī)連接電纜的插入損耗，再設(shè)置可調(diào)衰減器衰減值，使測控通信機(jī)入口的功率電平為-108 dBm。信號(hào)發(fā)端計(jì)算機(jī)發(fā)送遙測或遙控?cái)?shù)據(jù)，信號(hào)接收端計(jì)算機(jī)通過串口調(diào)試軟件接收數(shù)據(jù)，以計(jì)算遙控和遙測的誤碼率，如圖10所示。

圖9 遙控遙測通道測試框

圖傳通道測試按圖11連接儀器和設(shè)備，先標(biāo)定信號(hào)發(fā)端至視頻基帶處理機(jī)連接電纜的插入損耗，再設(shè)置可調(diào)衰減器衰減值，使視頻通信機(jī)入口的功率電平為-95 dBm。如圖12所示，通過計(jì)算機(jī)觀察接收的圖像顯示，發(fā)現(xiàn)無馬賽克及拖尾現(xiàn)象。

圖10 遙控遙測通道誤碼率測試

圖12 圖傳通道測試結(jié)果

遙控通道按表1進(jìn)行有線測試，接收天線輸出電平-105.27 dBm（鏈路衰減127.77 dB）時(shí)，遙控通道誤碼率滿足10-6。

表1 遙控通道測試結(jié)果

圖11 圖傳通道測試框

遙測通道按表2進(jìn)行有線測試，接收天線輸出電平-97.5 dBm（鏈路衰減128.3 dB）時(shí)，遙測通道誤碼率滿足10-6。

表2 遙測通道測試結(jié)果

室外無線聯(lián)調(diào)是指將艇載通信系統(tǒng)依次連接功放和天線，地面通信系統(tǒng)也連接天線，以進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。地面通信系統(tǒng)固定，但艇載通信系統(tǒng)放置在一輛汽車上勻速行駛，車速為40 km/h，無線跑車測試框圖如圖13所示。試驗(yàn)中，遙控遙測和圖傳通道均正常通信，地面通信系統(tǒng)實(shí)測誤碼率小于10-6，圖像傳輸正常，驗(yàn)證了天地圖傳測控通信系統(tǒng)的有效性。

6 結(jié) 語

圖傳通道按表3進(jìn)行有線測試，接收天線輸出電平-89.98 dBm（鏈路衰減124.48 dB）時(shí)，圖傳通道圖像清晰連貫，無馬賽克和拖尾現(xiàn)象，圖像時(shí)延1 s以內(nèi)。

表3 遙控通道測試結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的臨近空間飛行器天地圖傳測控通信系統(tǒng)，具有體積小、重量輕、成本低和性能高等特點(diǎn)。艇載通信組件終端實(shí)測重量不到5 kg，體積僅為480 mm×286 mm×67 mm，滿足了體積小和重量輕的要求，且裝機(jī)所有元器件成本都較低。該系統(tǒng)通過交織、信道編碼的方式保證了較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，利用擴(kuò)頻調(diào)制具有可靠性好、抗擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。天地圖傳測控通信系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)試驗(yàn)測試結(jié)果表明，遙測通道、遙控通道和圖傳通道的通信鏈路均滿足半徑150km內(nèi)臨近空間飛行器的通信需求。

圖13 無線跑車測試試驗(yàn)