基于COFDM无线网桥的航空器遥测系统实现

邓　辉，杨海清，孙云鹏

(中国人民解放军92853部队，辽宁 兴城 125109)



基于COFDM无线网桥的航空器遥测系统实现

邓辉，杨海清，孙云鹏

(中国人民解放军92853部队，辽宁 兴城 125109)

摘要针对目前国内航空器飞行试验现行的PCM /FM遥测系统传输体制特点，提出了基于编码正交频分复用(Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing，COFDM)传输体制的无线网桥航空器遥测系统技术方案。介绍了系统方案的总体构成及功能，对系统软、硬件进行了设计，并阐述了系统设计中需要解决的问题。通过系统仿真(测试)进行了可行验证试验，试验结果表明，系统具备同时传输多路视频和监控多目标航空器飞行的能力。

关键词网络采集编码；COFDM调制；无线网桥；遥测系统

0引言

航空器飞行试验是在真实飞行条件下对其进行空中物理试验的过程。由于飞行试验具有风险大、周期长和测试数据量大等特点，因此，对航空器进行遥测与实时监控是确保试飞安全、提高试飞效率和缩短试飞周期的重要手段。无线电遥测系统可以远距离传输航空器上的测试数据和视频图像，是国内外航空、航天试验领域研究的关键技术之一。传统航空器无线电遥测系统基本上是采用PCM/FM体制的单目标、单数据流传输方式。随着多目标飞行试验科目的出现，要求测试的系统关键参数和视频图像不断增加，遥测传输速率需不断提高，传统PCM/M遥测传输方式已不能满足日益增长的多目标航空器飞行试验要求[1]。

针对国内航空器飞行试验现行的PCM /FM遥测体制，提出了一种基于COFDM传输体制的无线网桥的航空器遥测系统方案。COFDM是近年来以正交频分复用(Orthogonal Frequency Divided Multiplex，OFDM)为代表的多载波发射技术基础上发展起来的调制传输技术，除具有多载波调制功能外，还拥有强大的编码纠错、抗多径衰落、抗码间干扰(ISI)，以及抗多普勒频移的能力，真正实现了有阻挡、非通视和高速移动条件下的宽带传输，是目前世界上最先进和最具发展潜力的调制传输技术[2]。相比传统的PCM-FM传输体制架构，该方案可实现地面同时跟踪和监控多目标航空器，解决了飞行试验中普遍存在的遥测频带资源有限(传输速率低和传输图像路数少)、抗干扰能力和数据保密性差等技术问题。

1系统总体方案

基于COFDM无线网桥(LAN型)的遥测系统方案分为空中和地面2部分。空中部分包括网络采集记录分系统、COFDM无线网桥发射分系统和GPS/北斗定位分系统，地面部分包括地面遥测接收分系统、GPS/北斗基站、实时多目标显示与监控分析分系统[3]。系统组成框图如图1所示。

图1　系统总体方案

1.1　网络采集记录分系统

由网络信息IP采集编码器、数据下载器及数据处理器等组成。主要完成航空器上的视频信号以及抽引出的总线数据、模拟量、GPS/北斗定位分系统输出的定位数据等信息的采集，并按照设定的格式进行复合编码，形成以太网数据包输出至COFDM无线网桥发射分系统；同时，可接收地面上传的控制指令，完成设备状态自检、功能参数设置等操作[4]。

1.2　COFDM无线网桥发射分系统

由COFDM无线网桥发射机、功放和发射天线等组成。主要完成测试数据流的下行传输；上传地面GPS/北斗基站实时信息，实现航空器上差分定位；上传地面控制命令，实现对测试设备的状态控制等[5]。

1.3　GPS/北斗定位分系统

由GPS/北斗接收天线、GPS/北斗采集定位器2部分组成。主要完成GPS/北斗二代卫星信号的接收，通过无线数据链和地面站通信，实现实时差分定位解算，输出航空器飞行高度、纬度及速度等航迹信息，产生秒脉冲(IRIG-B)码[6]。

1.4　地面遥测接收分系统

由COFDM无线网桥接收子系统、GPS/北斗基站、控制子系统3部分组成。主要接收COFDM无线网桥发射机发射的网络遥测数据信号并实时处理，通过网络传送到控制指挥中心[7]。通过一套地面接收系统可接收3个以上飞行目标的遥测参数和视频图像信号。

1.5　实时多目标显示与监控分系统

由数据实时接收软件、监控软件、显示软件、记录与回放软件、硬件平台(大屏液晶显示器、计算机和网络交换机)等组成。主要完成航空器理论轨迹与真实飞行轨迹的实时显示，以及航空器实时视频、系统关键参数的显示等[5]。

2系统设计

2.1　硬件设计

2.1.1网络采集记录分系统

采用模块化设计，板卡规划为：视频采集板、ARINC-429总线采集板、RS422总线采集板、模拟量采集板、频率量和离散量采集板、集成主控板(主控模块、PCM编码模块、以太网模块及IRIG-B AC时码模块等)和电源板[4]。机体为密闭结构，采用后出线方式，所有操作、采集和输出接口设计在右侧面板上。

2.1.2COFDM无线网桥发射分系统

每架航空器上安装一台COFDM无线网桥发射机作为普通节点，通过连接2个远程的LAN设备来实现高速LAN数据的实时双向传输[5]。多个节点组成无线网状网结构，数据可以以点对点、点对多点的方式交换，节点也可以通过中继传输增加传输距离。

2.1.3GPS/北斗定位分系统

采用GPS/北斗卫星双频接收模块，以接收GPS的L1、l3频率信号及北斗B1、B2和北斗L1、L3的双星四频信号。系统硬件主要包括BD2卫星接收模块、FPGA时码产生部分、高速DA部分、数据存储与显示等[6]。

2.1.4地面遥测接收分系统

设计为2套COFDM无线网桥接收机和4副全向天线作为中心节点，其他节点通过中心节点转发信息实现双向通信及一点对多点控制。控制子系统采用一点对多点模式，在满足遥测目标不少于6个的情况下，在地面建设两套以上设备单元，每套地面接收系统按照3个目标设计[7]。

2.1.5实时多目标显示与监控分系统

基于系统硬件平台(大屏液晶显示器、计算机、网络交换机)的系统软件，不但要求测试参数的实时处理与显示，还要求实现实时动态飞行效果分析功能。

2.2　软件设计

2.2.1控制子系统管理软件

控制子系统管理软件是控制子系统核心，主要实现串口查询判优、命令数据编码与发送、遥测数据接收，以及设备自检、参数设置和控制等。程序按照3个模块进行设计，分别是初始化模块、编码与发送模块、遥测数据接收模块。控制子系统管理软件流程如图2所示。

图2　控制子系统管理软件流程

2.2.2数据显示与监控软件

多目标数据显示与监控分系统软件是以Window XP为开发平台，除能把接收到的遥测数据与图像实时处理与显示出来外，还具有航线生成、飞控参数及航线装定、数据存盘与回放等功能。数据实时显示部分用于将接收到的数据以一定格式或图形的形式显示出来，图像显示及实时更新部分是程序设计的重点[8]。数据实时显示与监控软件流程如图3所示。

图3　数据实时显示与监控软件流程

3需要解决的问题

3.1　无线网桥的远距离双向数据传输问题

由于系统通过无线网桥将以太网数据包传输到地面的同时，还需要将地面控制指令、GPS/北斗基站的基准信息上传到机载机载测试设备，完成设备状态控制和差分定位，这就要求系统物理链路支持双向传输的能力。COFDM的无线网桥传输系统采用的用户数据包协议(UDP)是基于IEEE.802.11b协议标准的成熟产品，无线网本身具有支持物理链路双向传输的功能[6]。只是为了增大传输距离和减少试验场附近的其他干扰，将无线协议规定的频段(2 400～2 483 MHz)修改为目前的300～470 MHz，并通过机载无线网桥后端加装一个5 W的功率放大器，采用定制的刀型全向天线 ，实现真正的大功率远距离双向传输。

3.2　多目标的跟踪与监控问题

系统通过无线宽带接入设备，采用点对多点方式组成一个多节点的自组织、自愈合的无线网状网(Mesh)。每个航空器加装一台COFDM无线网桥发射机作为普通远程监控节点(远端站)，地面遥测接收分系统安装2套COFDM无线网桥接收机和4根全向天线作为中心节点(中心站)。一个中心点连接若干分布接入点，各分布接入点以共享方式分享中心点提供的信道带宽[9]。网络总带宽54 Mbps，有效带宽22 Mbps，所以每个中心站设备连接的远程监控节点为3～5个，各分布接入点有效带宽为3.5 Mbps(可选)，满足多目标跟踪条件。另外，系统通过中心点转发信息实现双向通信及一点对多点控制，从而实现一套系统至少显示与监控3～5个目标的能力。

3.3　数据传输的安全保密问题

系统通过使用AES128或AES256加密(可选项)来保证对已部署的节点设备状态的控制[10]，通过内置网页浏览器或PC 版的综合控制程序，实现各节点参数状态配置并监测网状网。

4系统仿真(测试)与结果分析

4.1　地面仿真试验

为验证系统方案的可行性，在地面搭建了一个车载活动节点，模拟飞行器移动节点。接收端使用了成品高增益全向无线网天线(增益≥17 dB)和COFDM无线网桥接收设备，进行点到点远距离地面传输试验[11]。试验进行了3次：第1次是在数据发送和接收相距9 km，信号衰减-15 dB的情况下进行的，传输一路分辨率为720×576 的数字彩色图像，结果接收图像质量良好；第2次试验选择传输距离为24 km，信号衰减-4 dB的情况下，传输2路相同分辨率的数字彩色图像，结果图像连续清晰，无图像间断；第3次为验证数据包传输和传输延迟测试，在发射机和接收机上插入GPS 时码卡，并在传输的每一个数据包上打上GPS 时间标记进行传输，结果接收机接收到完整网络数据包，系统软件把时码卡上的GPS 时间与同数据包上的时间标记进行比较，计算出数据传输延迟时间<10 ms，满足实时监控对数据时间实时性的要求。

4.2　飞行试验

系统设备在加改装航空器完成后，进行了系列测试检查，在满足放飞试验条件下进行多次飞行试验。试验从起飞到30 km有效跟踪阶段，均接收到完整数据包，可解码恢复并显示出连续的数据和视频图像，试验结果与地面试验估算相吻合。后续的远距离飞行中，只要中间无遮挡，通信链路良好，系统均能有效接收到连续稳定的数据和图像信号，图像质量良好，声音和图像接收同步，取得了良好的飞行试验结果。

4.3　测试结果分析

经过系统仿真(测试)和飞行试验可以得出，基于COFDM体制无线网桥的航空器遥测系统方案是可行的，相比传统的PCM-FM传输体制架构具有明显的优势。

① 真正实现多目标的跟踪与监控。由于系统采用的是点对多点方式组成无线网状网(Mesh)架构，地面采用表面波全向360°的接收机天线，从而真正实现了地面一套接收设备接收和监控多个目标的能力[11]。试验结果为：跟踪与监控目标数量不小于3个，有效作用距离>30 km(非通视条件下)；实时处理参数不小于100个。而传统的PCM-FM传输体制架构基本都是一套机载遥测系统，产生一路数据流，对应一套地面遥测站接收。地面遥测站天线伺服系统的方向性，也不可能同时跟踪接收多个飞行目标的数据。

② 实现了机载测试数据和视频图像的数字化网络遥测传输。目前国内航空器在飞行试验中，视频图像的遥测传输采用的是对模拟 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，相比数字化网络传输存在着抗干扰能力差、传输带宽大(只能传输一路视频图像)、传输体制不便于保密等缺点。由于本系统机载测试数据和视频图像的实行的是数字化网络传输架构，视频图像经数字压缩(压缩编码方式：H.264)后[12]，其速率可以降低到与PCM速率相当，这样就可以减小射频信号带宽，增加视频信号传输的数量。试验结果：一个节点可同时传输两路相同分辨率的数字彩色图像，图像连续清晰。

5结束语

基于COFDM体制的无线网桥遥测系统技术方案，实现了飞行试验测试数据和视频图像的远距离遥测传输，满足了地面遥测系统同时接收和监控多个目标的需求，开创了一条网络化、经济实用的航空器遥测传输技术新途径，简化了传输设备，使有限的频率资源得以充分利用。通过上行数据链实现了空地一体化测试，该方案在多目标联合试飞、无人机试飞数据链等方面有着广阔的应用前景。

参考文献

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邓辉男，(1972—)，工程师。主要研究方向：飞行器测控技术研究。

杨海清男，(1984—)，工程师。主要研究方向：飞行器测控技术研究。

Realization of Aircraft Telemetry System Based on

COFDM Wireless Bridge

DENG Hui,YANG Hai-qing,SUN Yun-peng

(Unit92853,PLA,XingchengLiaoning125106,China)

AbstractBased on the characteristics of PCM /FM telemetry system of the current aircraft flight test in China,a design scheme of telemetry system is proposed which uses the technique of wireless bridge based on COFDM transmission system.The overall structure and function of the scheme are introduced,the software and hardware are designed,the problems to be solved in the system design are described,and the system viability verification test is conducted through simulation(test).The test results show that the system is capable of simultaneous transmission of multi-channel video and multi-target aircraft flight surveillance.

Key wordsnetwork collection coding;COFDM modulation;wireless bridge;telemetry system

作者简介

收稿日期：2015-03-16

中图分类号TN827+.2

文献标识码A

文章编号1003-3106(2015)06-0016-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.06.05

引用格式：邓辉，杨海清，孙云鹏.基于COFDM无线网桥的航空器遥测系统实现[J].无线电工程，2015，45(6)：16-19.