基于无线网络的机载数字视频遥测传输技术

张鲁滨，胡晋铭，范秉宇，李 宏

（1.海军驻阎良地区航空军事代表室；2.中国飞行试验研究院，西安 710089）

0 引言

飞行试验是在真实飞行环境下进行的各种试验，存在着极大的风险，需要进行实时遥测监控。由于视频信息能以直观、准确的形式显示飞机内部各系统的工作情况，特别是飞机平显和告警板画面能给技术人员和地面指挥员提供更加友好的视觉效果，对保证飞行安全、提高试飞效率具有其他形式所不可替代的作用。因此，试飞测试视频信息的实时遥测监控成为确保现代飞机试飞安全，缩短试飞数据处理周期的有效手段之一，在国内外飞行试验中起着重要的作用。近年来，飞机视频数据的采集与实时遥测传输逐渐成为各型号试飞的基本要求，广泛应用于新型号试飞任务中。

目前国内在飞行试验、靶场靶试和无人机侦察中视频画面的遥测传输监控采用对模拟CCIR 标准视频信号进行FM 直接调制后无线传输，遥测的实际上是模拟信号，相比数字信号的PCM 遥测传输，有很大的缺点：一是抗干扰能力差；二是传输带宽大，紧张的频点资源利用率低，目前飞行试验一架飞机只能监测一路视频信号；三是现行传输体制不便于保密。

同时由于遥测传输的是模拟制式视频，受CCIR视频信号6 MHz 带宽的限制，没有扩充的余地，无法满足目前在试新型号和未来型号试飞中，对高分辨率带宽高达100 MHz 以上的多功能平显信号的实时遥测需求。[1]

飞行试验对多目标的视频遥测目前采用的是频分体制，即对多个目标分配不同的射频点频。为防止多个频率信号互相干扰，通常相邻点频之间必须留有足够的保护间隔，随着飞行目标数的增加，需要占用的射频带宽成正比急剧增加。国际电联分配给遥测用S 频段频率范围是2 200～2 400 MHz，按照现有的频率划分体制，只能提供不超过8个PCM遥测频率点，不超过4个视频遥测频点使用。采用频分体制不仅在有限的频带内可支持的目标数有限，同时给飞行试验射频资源的合理分配带来极大困难。由于飞行任务多，遥测频率已成为多架飞机数据和视频实时监控的制约瓶颈。目前的遥测体制，难以满足未来型号联合试飞多架次，每架次多路视频的遥测监控需要。

近年来无线网络的发展和广泛应用，受到飞行试验遥测传输界的重视。国际遥测年会（ITC）从2003年开始，专门设了一个IEEE 802.11的专题。A380 等大型飞机机载航空总线采用了AFDX的网络总线，机载测试系统也通过网络进行联网和数据采集。飞行试验机载测试系统、地面数据处理系统均已朝网络化方向发展，机载测试数据和视频图像到地面的网络化传输，成为必然趋势。在网络化数据系统架构中，机载遥测是整个网络中的一个节点，该节点应能完成传统PCM、视频、1553B 总线等数据流记录功能外，并能以网络方式遥测传输其他节点采集的数据及状态，具有数据帧结构灵活的特点，减少了传统的PCM 遥测传输需要对网络数据重新编码和视频FM 调制等环节，可节省大量专用测试设备。[2-5]

为了在有限的无线网络带宽上实现多路数字视频的实时遥测传输，满足飞行试验遥测监控对实时性和视频质量的技术要求，需要解决以下几方面的技术问题。

1 无线局域网的单向传输发送的实现

目前飞行试验遥测设备是单向传输的，并不支持数据的双向传输，实际飞行试验遥测数据传输，也是从机载到地面的单向传输。而无线网是双向的，即使是UDP 方式，至少接收方要向发送方提交发送数据请求和收到数据的情况信息，实际上也是双向的。在物理链路不支持双向传输的情况下，要实现真正的单向传输，必须对UDP 协议进行相应的修改，形成新的协议，实现预定的远距离单向传输目标。作为单工系统的发送方，要把原有系统的接收功能给去掉，这时可能采取的方法有：

1）在硬件层把接收到的包丢掉；

2）修改Wlan 驱动层把包丢掉；

3）在网络层把包丢掉；

4）在应用层把包丢掉。

根据OSI网络模型的定义知道，要在网络层和应用层把接收到的数据包丢掉这是不可能的。所以最终采取在Wlan 驱动层把数据包给丢掉，在接收端必须把发送功能给屏蔽掉。但是由于在接收到数据后，硬件层会自动产生ACK 告知发送端已经接收到数据，这就违背了单向传输，变成双向，所以必须在硬件层把发送ACK的功能给屏蔽掉。由于没有了ACK 返回到发送端，这时如果不采取一定的措施将会导致发送端不断地重发数据包，导致系统不可用，所以还必须在发送端进行一定的处理。经过试验，把发送端等待ACK 超时重传的功能给屏蔽掉，这样单向无线网络系统就可以正常运行了。

理论和实践证明：单向无线网络系统具有如下优点：

1）单向网桥比双向网桥的信道利用率高，由于单向网桥接收端不发送数据，不可能产生功率对信道进行干扰；

2）由于单向网桥不需要在网桥之间预先建立物理关联，因此在数据中断、恢复中有较高的效率，适合广播式的数据传输；

3）单向网桥接收端不需要发送数据，可以降低接收端设备的功耗，适合电池供电。同时有较高的隐蔽性。

2 视频压缩技术

视频图像数字化后，如果不进行压缩，数据量极其巨大，每路D1分辨率的视频数据量将达到250 Mb/s，利用现有遥测和无线网络技术是无法实现数据实时通信的，因此，在传输前必须进行数据实时压缩。

传统的压缩编码建立在香农（shannon）信息论的基础上，它以经典的集合论为基础，用统计概率模型来描述信源，但是它未能考虑信息接收者的主观特性，以及事件本身的具体含义、重要程度和引起的后果。图像/视频编码的发展历程实际是以香农信息论为出发点不断完善的过程。长期以来，基于像素的方法一直是视频编码的主流方法。根据该编码技术（如预测编码、变换编码、熵编码以及运动补偿等）制定的压缩编码国际标准如 MPEG1、MPEG2 以及JPEG 等获得了举世公认的巨大成功。它从消除图像数据的相关冗余出发，没有考虑人眼视觉特性对编码图像的影响。20世纪80年代初人们就认识到这种基于数据统计的第一代编码技术的不足，特别是在低速率编码视频时有严重的局限性，因此称为低层压缩编码方法。

20世纪80年代中后期，相关学科的迅速发展和新学科的不断出现为视频编码的发展注入了新的活力，同时关于人类的视觉生理、心理特性的研究成果也拓宽了人们的视野。M.Kunt 于1985年提出了利用人眼视觉特性的第二代图像编码的思想，这时图像编码的实体不在是像素或像素块，而是按其内容进行全新的技术。由于将其内容与交互性作为MPEG4的中心，MPEG4 不在对低码率范围做出特别要求。

小波编码是近年来随着小波分析的研究而提出的一种具有很好发展前景的视频编码方法。作为一种多分辨率的分析方法，由于小波分析具有很好的时域和空域局部特性，特别适合按照人眼视觉系统特性设计图像/视频编码方案，也非常有利于图像/视频信号的分层传输。实验证明，图像的小波编码，在压缩比和编码质量方面优于传统的DCT变换编码。

目前常用的视频编码技术主要有 MJPEG、MPEG1/2、MPEG4（SP/ASP）、H.264/AVC 等几种。对于飞行试验视频监控来说最为关心的主要有：清晰度、带宽、稳定性。采用不同的压缩技术，将在很大程度影响以上几大要素。[6-8]

MJPEG（Motion JPEG）压缩技术，主要是基于静态视频压缩发展起来的技术，它的主要特点是基本不考虑视频流中不同帧之间的变化，只单独对某一帧进行压缩。MJPEG 压缩技术可以获取清晰度很高的视频图像，可以动态调整帧率、分辨率。但由于没有考虑到帧间变化，造成大量冗余信息被重复存储，因此单帧视频的占用空间较大。

MPEG1 标准主要针对CIF 标准分辨率（NTSC制为352×240；PAL 制为352×288）的视频进行压缩，压缩位率主要目标为1.5 Mb/s。较MJPEG技术，MPEG1 在实时压缩、每帧数据量、处理速度上有显著的提高。但MPEG1 也有较多不利地方：波特率还是过大、清晰度不够高和网络传输困难。MPEG2在MPEG1 基础上进行了扩充和提升，和MPEG1向下兼容，主要针对存储媒体、数字电视等应用领域。MPEG2 视频相对MPEG1 提升了分辨率，满足了用户高清晰的要求，但由于压缩性能没有多少提高，使得波特率还是太大，也不适和网络传输。

MPEG4 视频压缩算法相对于MPEG1/2 在低比特率压缩上有着显著提高，在CIF（352×288）或者更高清晰度（720×576）情况下的视频压缩，无论从清晰度还是从存储量上都比MPEG1/2 具有更大的优势，也更适合网络传输。另外MPEG4可以方便地动态调整帧率、比特率，以降低存储量。

H.264是ITU_T的视频编码专家组（VCEG）和ISO/IEC的活动图像专家组（MPEG）联合制定的新的视频编码标准，其目的是为了在低比特率下获得很好的图像压缩效果并能适应不同的网络环境。H.264 能提供比MPEG4 更高的压缩性能，使图像的数据量减少30%～50%，基本编码框架仍然采用基于块的运动补偿和变换编码的混合编码架构。继承了许多优秀的编码技术同时又采用了很多全新的编码技术：帧内预测，可变大小的图像分块，多预测参考帧，1/4 像素精度的运动估计，残差图像的整数变换编码等。H.264 压缩标准，不只是视频压缩效率比以往的标准有显著提高，其具备的分层编码技术、错误约束机制、错误掩盖技术及高效的比特流切换技术（bit-stream switching），也使得该标准特别适合应用于IP 网以及移动传输网。根据H.264的系列优点，在无线图像编码方案中采用H.264 编码方式。

3 无线传输环境下的编码技术

无线信道不同于有线信道，无线环境下，信道的多径干扰、衰落、带宽受限都会造成数据的出错和丢失。由于H.264 压缩算法在空间上进行压缩外，在时间上也有相关性，如果不对压缩后的数据包进行合理的编码后进行传输，就会造成误码扩散，视频编码的研究非常关键。如果传输的码流本身就具有一定的适应带宽变化的能力，有一定的抗错误能力（鲁棒性），那么整个系统的实现将变得相对简单了。因此，现代视频编码在寻求高压缩率的同时也考虑编码后码流的可扩展性（可伸缩性），使得编码视频流可以在带宽受限或者信道不可靠的情况下也能进行可靠有效的传输。

误码扩散问题可以在应用层和网络层来解决。在网络层，重传是一种常用的方法，但重传不仅需要反馈信道，还往往无法满足飞行试验对视频传输实时性的要求，同时由于在飞行试验中采用的是单向无线网络，通过重传方法是不现实的。在现有的很多基于MPEG4的实时视频传输系统中，往往通过自适应帧刷新（frame refresh）来防止误码的扩散，使得发生误码的码流具有自愈的能力，但是自适应帧刷新也需要反馈信道来支持，故而不能采取这项技术。

可扩展编码（scalable coding）被认为是在无线网络、因特网等异构的网络环境中传输视频的首选方案。可扩展编码又称为分级编码，是将视频信息编码成多个不同性质的码流，其中包括一个基本层和多个增强层。基本层提供的是视频信号的基本信息，可以独立解码恢复出基本质量的视频信号。而增强层提供的是视频信号细节信息，它不可以单独解码，与基本层结合起来可以增强视频的重建效果，如空间分辨率、质量、帧率等。

可扩展编码和传统编码的区别在传统的视频编码中，编码器只产生单一的压缩视频流，解码端对该视频流进行完整解码后可以获得原始视频流并进行回放。在可扩展分层编码中，编码器输出多层码流，不同层代表不同的时域分辨率、空间分辨率或者质量分辨率。这些不同层的码流在多个逻辑信道中传输，接收端依据具体的信道带宽、系统处理能力等接收不同数量、不同级别的描述符和分层码流以得到不同级别的重构图像。

4 解码器丢失检测和错误掩盖

解码器检测分组丢失的方法如下：整幅图像是否丢失通过检测每个片的帧号来确定，帧号在片头中传输。一方面，解码器跟踪视编码层，预先从编码器端接收到帧号；另一方面，在一幅图像开始的时候，解码器设置宏块解码映射表并且预置所有的宏块都被丢失。如果解出的片的帧号等于预期帧号，解码器解整个片并且更新映射表；如果解出的片的帧号大于预期帧号，可以推断出前一幅图像的所有片都已被解码。然后，分析宏块解码映射表，如果图像中的片并不全是正确的宏块，则有片的丢失，接着对丢失的片进行错误掩盖；如果解出的片的帧号大于预期帧号加1，推断出解码器丢失了一幅图像，需插入掩盖的图像到参考图像的缓冲区，然后解码器重置宏块解码映射表并解下一幅图像。

对错误的掩盖，采用帧内图像的平均加权像素值算法。如果一个宏块没有被正确接收，就用周围宏块像素值进行恢复，如果一个丢失的宏块有至少两个被正确解码的相邻宏块，则在掩盖过程中只使用这些宏块，否则，使用之前被掩盖的周围宏块。在一个宏块中，被掩盖的每个像素值是通过最佳相邻宏块的最近边缘像素值的加权和形成的。

5 试验验证

5.1 地面试验

试验地选择于通视性良好、中间无遮挡的空旷区域进行，采用了IEEE 802.11b 无线通信协议，单向无线网桥输出信号直接推动8 W 功率放大器，发射天线采用S波段发射天线（增益0 dB），搭建了一套车载活动节点，模拟飞机移动节点。接收端使用了成品高增益定向无线网天线（增益24 dB）和单向无线网桥，工作频率选择在靠近S波段的无线网1 信道（2 412 MHz），使用修改的单向UDP 协议和点到点传输方式，进行点到点单向远距离传输技术研究和地面传输试验。

试验共进行了两次，第一次试验是在数据发送和接收相距9 km的情况下进行的。在−15 dB 衰减的情况下，用24 dB 增益的定向天线，传输一路图像分辨率为720×576的数字彩色图像，传输质量良好。第二次试验则选择传输距离为24 km，在−4 dB衰减的情况下，传输两路相同分辨率的数字彩色图像，通信良好，图像连续清晰，无图像间断。

对无线网络的传输延迟也进行了测试，在发射和接收计算机上都插入GPS时码卡，通过在传输的每一个数据包上打上GPS时间标记，接收计算机收到网络数据包后，立即读取本机时码卡上的GPS时间，同数据包上的时间数据进行比较，计算数据传输延迟时间。通过试验和计算分析，网络延迟小于10 ms，完全满足机载实时监控对数据时间实时性的要求。

5.2 飞行试验

结合某型机试飞任务，我们对单向无线网传输方案进行了飞行试验搭载验证。把原地面试验设备改装到某运输机上，利用机上已改装在机体前下腹的S波段视频图像遥测发射天线，改发无线网数据信号。地面接收端设备和地面试验时使用的试验设备完全相同。

视频发送程序将被测飞机上的图像和声音经过采集编码后，通过无线网桥发送端发出，经过功率放大器放大后通过机载天线发射，视频接收程序接收到数据包后将视频图像和声音解码恢复并实时显示，同时将接收到的数据存盘。

在第一次飞行试验中，发现当飞机飞到8 km时，信号时段时续有，接收到片段数据后，无法解码还原出图像。通过分析研究，这是由于地面定向天线用的试验天线，采用的是人工跟踪，当飞机飞远以后，无法可靠稳定地把飞机跟踪到接收天线波束中心，造成数据丢失严重，当数据包过大时，网络无法有效地得到完整的数据包。把网络通信数据包的大小由4 kB 改为0.5 kB后，在第二次试验时，从飞机起飞到30 km 有效跟踪时，接收到完整数据包的能力大大提高，可解码恢复并显示出连续的图像信号，并在202 km时，得到一段连续稳定的图像信号，图像质量良好，并且声音和图像同步接收，取得了良好的飞行试验结果。

飞行试验结果与地面试验估算相吻合，只要接收天线能跟踪上飞机，中间无遮挡，通信链路良好，就可保证视频图像不丢帧，图像清楚，传输距离可以达到200 km 以上，可满足大多数飞行试验的距离要求。

6 结束语

采用单向无线网络进行遥测传输的技术，实现了飞行试验测试数据和多路视频图像从机上到地面监控指挥中心间的单向、远距离遥测传输，开创了一条网络化的、经济实用的新的遥测传输技术途径，大大简化遥测传输设备，降低遥测传输成本，使有限的频率资源得以充分利用。通过实时接收获得的测试数据和多路图像在地面对空中飞行进行实时监控和指挥，可以最大限度地减少试飞风险，提高试飞效率，节约试飞成本。同时在建立多机联合试飞、无人机试飞数据链等方面，均有广阔的应用前景，并将带来显著的经济效益和社会效益。

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