平流层飞艇视距及卫通一体化数据传输系统设计

陈庆锋， 林 广， 李申阳

(航天恒星科技有限公司 北京 100086)

前 言

平流层飞艇是开发临近空间资源的重要技术手段之一，是目前国内外重点研究的临近空间飞行器。平流层飞艇处于航天和航空高度之间的临近空间，依靠平流层无空气对流状态、无恶劣天气等特性，具有长期驻空、机动或定点飞行，以及全天候实时工作的能力，可广泛用于空间探测、遥感、气象、空中中继等领域，具有无可替代的军事和民用价值[1]。随着平流层飞艇平台技术的不断发展，利用平流层飞艇建设天地一体化测控网络逐渐成为一个新的应用领域，平流层飞艇作为一种新型空中平台，也将成为我国天基和空基测控网络的有益补充[2]。

1 需求分析

由于平流层飞艇驻空时间长、巡航距离远，特别是针对海上目标的远程测控，作用距离可达一千公里以上，因此，飞艇测控与信息传输系统不但需要满足视距范围内的通信要求，同时还要具备超视距下的测控与信息传输能力。

平流层飞艇最佳工作高度一般在20km～30km，当地面天线仰角为0°时，其最大可视距离约为619km。飞艇测控与信息传输系统采用视距通信时的作用距离指标，一般设计为400km左右，能满足地面天线3°仰角下近程测控与高速遥感信息传输的使用需求。

为了实现飞艇超视距测控与信息传输，一般采用地球同步通信卫星作为空中中继平台，充分利用卫星波束的有效覆盖范围，转发飞艇的测控数据和遥感信息。

本文针对平流层飞艇视距和超视距的使用需求，从链路设计的角度，提出一种视距及卫通一体化的数据传输系统[3]，通过C频段、UHF频段和Ku频段卫通三条链路的联合使用，实现了飞艇视距传输模式下近程测控与高速遥感信息传输、超视距模式下远程测控与中速遥感信息传输的功能。

图1 视距及卫通一体化数据传输系统构成

2 系统设计

2.1 频段选择

作为一种较新的无线电测控应用系统，高空飞艇测控频段的选择与其它无线电系统一样，受多种因素制约，要综合考虑电波传输特性、与频率有关的天线增益、噪声影响，以及和其它系统相互干扰等问题。本系统中，视距链路选择C频段作为主链路，主要原因是C频段拥有较宽的频带，可以传输高速信息，并且C频段受雨衰影响较小;选择UHF频段作为备份链路，主要原因是UHF频率较低，绕射能力较强，多径效应不太严重，因而能够提高系统测控链路传输的可靠性;卫通链路使用Ku频段作为传输链路，能够覆盖现有主要通信卫星频段，但受卫星技术参数和机载设备功耗及重量的限制，卫通链路一般用于中、低速遥感信息传输。本系统选择的C频段、UHF频段和Ku频段均为数据传输的常用频段，技术和设备比较成熟。

2.2 系统构成

本系统采用模块化的设计思想，将视距链路设备和卫通链路设备设计为两套独立的设备，实际应用时可根据需要选择其中一种或两种进行配置。当同时使用两套链路设备时，即实现视距及卫通一体化数据传输系统。视距链路设备和卫通链路设备均包括艇载设备和地面设备两部分，其系统构成如图1所示。

艇载设备由视距收发信机、卫通收发信机、艇载数据终端处理机和天线等组成。艇载数据终端处理机的主要功能是接收视距和卫通两路遥控数据，选择一路发送至艇载飞控计算机或载荷平台;接收艇载飞控计算机或载荷平台的遥测或图像数据，同时发送至视距收发信机和卫通收发信机。

地面设备由视距收发信机、卫通收发信机、地面数据终端处理机和天线等组成。地面数据终端处理机的主要功能是接收视距和卫通两路遥测或图像数据，选择一路发送至地面指挥控制站;接收地面指挥控制站的遥控数据，同时发送至视距收发信机和卫通收发信机。

艇载视距收发信机和艇载卫通收发信机之间进行了交叉组合，能够相互转发链路设备的遥测和遥控数据，且优先执行从本链路接收到的链路遥控指令，只有当检测到本链路断连时，才执行对方链路发来的链路遥控指令。

视距C链路、视距UHF链路和卫通链路互为热备，三条链路可同时收发数据，但仅有一条链路作为工作链路。

2.3 工作模式

2.3.1 视距传输模式

视距传输模式指优先选择视距链路进行通信的工作模式。视距传输模式下C频段为主链路，且C频段主链路具备高、中传输速率可配置能力，通过设置多档传输速率，能够增强远距离、低仰角时的抗多径能力;UHF作为遥测、遥控的备份链路，大大提高了测控链路传输的可靠性;卫通作为备份链路，具有中、低速数据传输能力，也进一步提高了测控和数传链路传输的可靠性。

实际应用中，当飞艇起飞和降落时，视距C链路和UHF链路均保持通信正常，且系统使用C链路作为工作链路;为了保证卫通设备的安全性，卫通链路一般在起降阶段处于关闭状态，待飞艇升空稳定后再开启。链路优先级一般设置为视距链路高于卫通链路，优先级可由地面指控站通过软件进行实时切换。

2.3.2 超视距传输模式

超视距传输模式指优先选择卫通链路进行通信的工作模式。超视距传输模式下使用Ku频段作为主链路，C链路和UHF链路作为遥测、遥控的备份链路，可在一定范围内提高测控链路传输的可靠性。

由于艇载视距链路设备和艇载卫通链路设备之间进行了交叉组合，当卫通链路发生故障时，如艇地频点不匹配、艇载伺服天线指向偏差等，可通过视距链路进行纠正控制。反之，当视距链路发生故障时也可通过卫通链路进行纠正控制。

图2 视距链路主、备切换流程

2.4 工作流程

2.4.1 视距链路主、备切换流程

视距链路的C频段主链路和UHF频段备份链路均始终处于开机状态。对于遥控，地面设备通过主、备两路同时发送遥控信号，艇载设备优先使用主链路接收遥控信号;对于遥测，艇载设备通过主、备两路同时发送遥测信号，地面设备优先使用主链路接收遥测信号;对于图像，只能通过主链路传输，不用切换。遥控和遥测切换原理相同，如图2所示。

2.4.2 视距、卫通链路切换流程

视距链路和卫通链路均始终处于开机状态。对于遥控，地面设备通过视距、卫通两条链路同时发送遥控信号;对于遥测或图像，艇载设备通过视距、卫通两条链路同时发送遥测或图像信号。艇载设备和地面设备均根据设置的优先级，使用较高优先级的链路接收数据，仅当优先链路断连时，才使用另一链路的数据。遥控、遥测和图像的切换原理类似，如图3所示，该图可同时适用于遥控和遥测、图像切换，区别在于遥控针对艇载设备描述，遥测和图像则针对地面设备描述。

图3 视距、卫通链路切换流程

图4 两径干扰对消原理框图

2.5 关键技术

2.5.1 抗多径设计

由于无线电波传输会受到地形的影响，地面测控站将接收到不同路径到达的信号，这些信号由于路程不同而存在相位及振幅的差异，因此对地面测控站产生了多径的影响。根据飞艇测控与数传信道的特点，其多径干涉效应可以采用电波二径模型[4]来进行衰落值的计算，链路的直反时延差典型值为数十纳秒，当系统传输速率为64Mb/s时，经过编码后的数据码片宽度约为11ns，因此，下行链路会出现平衰落和频率选择性衰落。

对抗平衰落的手段只有保留足够的链路余量。同时，遥控、遥测信号进行直接序列扩频，具有一定的分集效果;遥控、遥测、遥感信号都采用编译码处理，纠正多径带来的误码。

对抗频率选择性衰落不能靠电平贮备来解决，本系统选择均衡技术作为主要手段。由于两径链路中，反射径的强度一般不会大于直射径的强度，利用遥控、遥测信号的扩频特性，两径判决反馈模型如图4所示。

原理框图包括信道估计和信道反馈两个部分。信道估计时，首先对接收到的基带信号进行伪码匹配滤波，确定系统中是否存在多径干扰、多径时延以及多径的幅度;然后将不同相位的伪码与基带信号进行相关后再进行载波同步，比较两个载波同步的相位可获取直射径与反射径的相位差。信道反馈时，首先对接收基带信号进行缓存，然后通过多径的幅度、时延与相差，计算出各时延尺度上的滤波系数，将滤波系数与各时延缓存数据相乘后求和反馈。将反馈值与基带信号作差后，多径的影响便得到了消除，此时的信号可用于解调处理。

2.5.2 捷变频设计

捷变频系统要求能够对通信信道进行快速、准确的检测，当发现信道不能满足使用要求时，需要选择新的信道进行通信。本系统采用基于双向链路的自适应信道检测与捷变频技术，在实现上包括干扰检测、自适应信道选择、频率捷变与稳定通信三个技术难点。

干扰检测是指通过频谱分析技术判断干扰信号在频率上的位置。本系统中的干扰检测为无源检测，通过在频域上设置一个滑动窗，然后对窗内某一频谱参数与设定的门限值进行比较，如果高于门限值则认为存在干扰，否则认为不存在干扰，门限的判决变量设置为频带内采样点频谱均值的平方与方差的比值，避免了传统判决变量的缺陷。干扰检测还需要对信道干扰情况进行统计和评估，从而判断该信道是否可用，统计内容包括检测频带内干扰信号出现的频率、能量、持续时间等，如果干扰信号出现的频率低，能量低，并且持续时间短，则该频段在频谱紧张的情况下也可作为暂时的可用频段。可用频段需要进行优劣排队，当有变频需求时，优先使用最好的频段。干扰检测的原理如图5所示。

自适应信道选择的目的在于避开干扰信号，确保通信可靠，干扰检测是这一工作的前提。由于系统采用了扩频方式，因此带宽比较宽。本系统设计了一个专门的模块对可工作的全频段进行实时搜索，对满足通信要求的频点进行存储，同时设定计时器，当超过设定的时间时需要对该频段重新进行审核，保证频点的有效性和可靠性。这样当发现存在干扰时，双向链路两端可以迅速跳到安全的频段，从而保证通信的连续性。

由于系统在工作过程中随时可能切换频点，为了保证工作的连续性，射频通道应是宽带、捷变频的通道，频点在切换后能快速稳定，因此，捷变频频综源要求具有低杂散、低相噪特性，并且输出信号频谱纯度高、频带宽，频率变换迅速而且要求能实现多点频率捷变。捷变频频率合成器的设计是捷变频通信的关键之一，本系统采用一个单锁相环+直接数字频率合成(DDS)来实现捷变频频率合成，其原理示于图6。

图5 干扰检测原理

此频率合成器可以看成是由一个高阶环和一个低阶环组成的二环频率合成器。由单锁相环充当高位环，提供频率间隔较大的较高频率输出;由DDS充当低位环，提供频率间隔较小的较低频率输出，DDS的特性可以实现快速变频的功能;混频器实现加法环功能，将两部分加起来，从而使合成信号输出获得较高的工作频率和较高的频率分辨率，并且能够快速转换频率。

图6 捷变频频率合成器原理

2.6 工程系统组成

工程系统由艇载视距数据终端、艇载卫通数据终端和地面测控站组成。其中，地面测控站由通信设备车、卫通天线车、指挥处理车组成一套机动测控站。

艇载视距数据终端完成与通信设备车上的地面视距数据终端之间的信息交互。艇载视距数据链设备主要由C波段全向天线、UHF波段全向天线、C波段微波前端、UHF波段微波前端、收发信机、艇载数据终端处理机组成。

艇载卫通数据终端通过卫星中继转发，完成与通信设备车上的地面卫通数据终端及卫通天线车之间的信息交互。艇载卫通数据链设备主要由天伺馈、Ku波段微波前端和收发信机组成。

通信设备车用于完成对飞艇的遥控数据发送和遥测、图像数据接收。通信设备车部署了地面视距数据链和地面卫通数据链的相关接收设备，主要包括地面视距数据终端、地面卫通数据终端、C波段定向天线、C波段全向天线、UHF波段全向天线、功放、低噪放、跟踪信道设备等。

卫通天线车部署了卫通天线和手控单元，与通信设备车上的地面卫通数据链设备一起完成对卫星的遥控数据发送和遥测、图像数据接收。

图7 平流层飞艇测控与信息传输系统组成

指挥处理车部署了飞行监控、任务监控和链路监控等席位，用于完成飞艇的飞行监控、任务监控、链路监控、任务规划、航迹显示、态势图生成、记录与回放、数据管理与分发等功能。

3 结束语

本文针对平流层飞艇视距和超视距的使用需求，设计了一种视距及卫通一体化的数据传输系统，该系统能够较好地实现飞艇近程测控与高速遥感信息传输、远程超视距测控与中速遥感信息传输的功能。为了进一步提高系统的可靠性和使用性能，未来还可以考虑为卫通配置应急测控链路，如利用“北斗1号”导航定位卫星的通信功能，传输飞艇的低速率测控信息;为视距配置多波束天线阵，使系统具备扩展至多站同时接收或接力接收的组网建设能力[5]。

[1]吴 潜，金炜东，李华超，等.高空军用飞艇测控与信息传输关键技术[J].电讯技术，2007，47(2):18～22.

[2]李树国，李 进，朱晓峰，等.天基地基一体化测控系统研究及应用[J].无线电工程，2010，40(12):48～50.

[3]孟立峰.无人机系统的卫星中继数据链[J].飞行器测控学报，2007，31(5):24～27.

[4]习 靖，习 强，郑淑梅.地空信道二径模型及仿真[J].无线电工程，2007，37(7):58～60.

[5]刘嘉兴.临近空间飞行器测控系统的特点和主要技术问题[J].飞行器测控学报，2008，27(2):1～7.