舰基遥测综合解调控制系统设计

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(中国飞行试验研究院测试所，西安 710089)

舰基遥测综合解调控制系统设计

宋扬，霍建华，孙伟

(中国飞行试验研究院测试所，西安710089)

遥测实时监控是保障试飞安全、提高试飞效率的重要手段；针对舰上特殊的试飞环境限制，现有遥测系统不能适应其任务需求，为完成某型号飞机舰上试飞任务，需要对现有遥测接收系统进行改进，以应对特殊试飞科目下对遥测信号的需求；采用跟踪接收机模块，并开发相应的解调模块，对系统设备进行远程控制解决了远距离数据传输的信号衰减问题；对遥测系统的自动温度控制大大提高了系统设备的环境适应性；通过接口转换实现模拟图像的网络输出、接收机模块和天线的网络串口转换，简化了信号接口类型，降低了信号传输的难度；从而实现小型化的舰基遥测综合解调控制系统设计。

舰基遥测；远程控制；小型化；自动温度控制；接口转换

0 引言

遥测是通过对试验对象的各项参数进行感知、采集、记录与控制，经过远距离传输到接收端并进行处理分析的一种测量技术[1]。遥测接收系统的主要功能是通过地面天线接收机载天线下发的遥测信号，实现对飞机的遥测跟踪，将接收到的机载遥测信号传送给接收机进行信号实时解调处理，并将已解调信号发送给后端数据处理系统进行实时数据处理与安全监控。遥测系统是飞行试验中不可缺少的重要组成部分，遥测数据为试飞实时跟踪与安全监控、风险科目的安全保障、试飞故障诊断与分析等提供了重要依据。

图1为典型遥测地面接收系统的示意图，地面遥测天线接收到机载天线发射的遥测信号，并传输至遥测接收机和视频接收机，视频接收机可以通过显示终端显示机载模拟视频信号，对于数字视频信号和遥测PCM信号，通过光端机传输至监控大厅，再进行数据处理，并将所需参数和视频进行显示，从而实现安全监控工作。遥测接收机能通过AGC和AM信号实现对天线上遥测接收数据的控制，同时控制单元(即天线控制单元ACU)可以实现对遥测天线的控制[4]。接收系统的链路复杂，在实际的外场工作中，遥测专业技术人员在地面遥测接收系统的搭建和调试工作，往往任务重，时间紧，对于保障飞行试验是很大的挑战。

某型号飞机在舰上执行科研试飞任务，为保障遥测实时监控的顺利展开，需要构建相应的遥测接收解调系统。由于舰上空间狭小、湿度大、盐雾腐蚀、低温环境等客观条件限制，且遥测天线距离地面控制单元较远，需要对现有的遥测接收系统进行以下特殊改进，以适应舰上的遥测信号接收、解调及传输需求。

1)利用现有的跟踪接收机模块，通过开发相应的解调模块，实现PCM流和模拟图像的接收及解调功能；

2)天线与综合解调控制系统在甲板上，距离控制终端距离较远，这里需要对系统设备进行远程的供电管理与控制；

3)天线与接收机远程控制的实现，多信号的远距离传输需要将网络控制信号转换为各设备专用接口控制信号，同时模拟图像需要转换为网络信号输出；

4)需要定制特殊材料的箱体来克服船上湿度大、盐雾腐蚀等恶劣自然环境；

5)需要温度控制系统来实时监测系统设备温度，并在低温环境下自动给设备加温。

1 系统设计

1.1 功能设计

1)射频信号接收与解调功能。

设计初期只有1台跟踪接收机模块，跟踪接收机是根据信号场强大小及变化来实现目标跟踪的。这里的跟踪接收机模块不具备信号解调功能，必须通过开发相应的解调模块，实现PCM流和模拟图像的接收及解调功能。跟踪接收机模块输出的调频(FM)信号为70 MHz中频信号，由于该中频信号振幅是恒定不变的，故无法通过振幅检波器(即包络检波器)进行直接解调输出。鉴于二极管峰值振幅检波器电路简单且性能稳定，这里将等幅度调频信号通过线性网络变换电路变换为振幅也随频率变化、既调幅又调频的调幅调频波(AM-FM波)，这样就可以通过振幅检波器来获得解调信号了。

图2 鉴频电路原理

如图2所示为鉴频电路的实现原理。调频波通过线性网络后输出的AM-FM波，其振幅与调频波的瞬时频率成正比，通过振幅检波器就可以获得解调信号。

2)远程控制与电源管理。

地面遥测接收及解调系统是实时数据处理与安全监控的前端，是飞行试验中必不可少的一环。由于舰上特殊环境的限制，需要将遥测接收与解调系统与天线共同置于甲板上，而天线控制终端与数据处理、实时监控设备置于甲板下的工作舱室内，因此需要对天线和接收解调系统进行远程控制。

远程控制中电源管理是一项关键问题。针对各设备的供电需求，引入以太网络的通信方式，并选用相应的智能管理控制模块和控制芯片，构成了可远程控制和计划管理的电源分配单元。开发了相应的电源控制管理软件。通过输入设备地址和端口号，便可以实时获取所有远程电源控制器下联用电设备的当前工作状态，通过远端网路控制技术，可以实现对设备电源的带外远程控制。

如图3为电源控制软件的界面。 其中天线电源是通过网络电源模块实现对天线加电、断电的远程控制；天线辅助是温度控制器根据天线温度的变化，在低温环境下自动进行加热，避免低温环境下天线死机故障；机箱电源是对整个遥测解调控制系统的机箱进行加电、断电控制；备份电源是整个解调控制系统的电源的备份，实现供电系统的稳定性，避免紧急停电造成的遥测系统工作中断，提高了系统的稳定性。

图3 电源控制软件

3)多类型信号的远距离传输。

实现舰基遥测的远程控制功能，需要解决多类型信号的远距离传输难题，包括接收机的网络输出信号、天线的控制信号及模拟视频信号[2-3]。

接收机模块和天线的控制信号是串口信号，天线控制单元输出的控制信号采用网络形式，网络信号较串口信号有较大的传输距离，这里将天线控制终端发出的控制信号以网络形式进行远距离传输，并在综合解调控制系统中采用串口服务器进行网络串口的转换，实现对天线控制信号的远距离传输及信号类型的转换。

针对机载模拟视频信号，典型的地面遥测接收系统需要一对光端机进行传输，为了便于模拟视频的传输并减小系统体积，通过视频转换模块将模拟图像转换为图像网络数据包的形式并对外传输，这样就可以与网络控制信号共用一根网线，减少线缆数量。

4)抗恶劣环境。

防水防盐雾腐蚀是对舰上遥测系接收统设备的特殊要求，通过定制专门的铝制箱体，使得系统实现该功能。系统内集成了温度控制器、加热器与风扇，实现对温度的实时检测，并在低温环境下对系统进行自动加温，使系统在低温环境下仍可以正常工作。图5中给出了自动温度控制系统与整个解调控制系统中其它设备的连接方式。

1.2 结构设计

为了让综合解调控制系统适用于舰上的狭小空间，需要对设备进行高度集成化，同时为了提高设备的可维护性，这里采用模块设计思路，系统分为3个模块。图4为解调控制系统结构设计3D模型图，结构设计中为了实现系统集成以及后期维护的高效性，将3个模块设计到三层电路板上。图5展示的是结构设计的设备连接图。

图4 解调控制系统结构设计3D模型图

图5 解调控制系统结构设计连接图

底层为电源与温控系统模块，包括网络开关、DC+5 V、DC+12 V、DC+15 V电源适配器，AC+220 V电源接口，以及温控器、风扇、加热器，主要完成对系统各设备的供电和环境温度控制。由于综合解调控制系统的设备多，不同的设备对电源的需求有所不同，因此在底层集成了多种电源适配器，便于给各设备供电。网络开关是对综合解调控制系统供电的开关，正常情况下网络开关是一直处于加电状态的，通过远程控制系统对网络开关进行控制，从而实现综合解调控制系统的加电与断电。

中间层是接口转换模块，包括网络光端机、网络交换机、视频转换器、串口服务器等。在综合解调控制系统正常工作的情况下，接收机将解调输出的模拟视频信号通过视频服务器将其转换为网络信号，该网络视频信号通过网络交换机连接到网络光端机上，从网络光端机输出的视频信号为网络光信号，可以降低信号衰减并用于远距离传输。天线控制终端通过串口服务器将天线控制信号由RS232信号转换成网络信号，便于信号的远程控制与传输。

顶层为接收解调模块，跟踪接收机与开发的解调模块，实现PCM流与模拟图像的解调。天线接收到两路射频信号分别传送给接收机的两个射频输入端口，通过接收机与解调模块实现两路中频PCM流的信号输出，同时还有两路AGC信号和两路AM信号从接收机输出，并反馈给天线伺服，从而实现对天线信号的控制。

图6是改进后的舰基遥测接收、解调与传输系统，该系统将接收机、光端机、视频服务器、网络交换机、网络电源等设备进行了系统集成，得到遥测综合解调控制系统，使得遥测接收系统得到极大的简化，减小了技术人员地面布站的工作量，降低了系统调试的复杂性。如图6所示，中间的箱体即为遥测综合解调控制系统，系统预留了丰富的输入输出接口，可以直接与天线、天线控制终端、数据处理系统相连，进行天线的操作和数据的实时处理分析。

图6 舰基遥测接收、解调与传输系统

2 系统测试

对于舰基遥测综合解调控制系统，要测试其性能，就要对其进行系统测试。系统测试是在飞行环境下进行的。测试过程中需要使用舰基遥测综合解调控制系统和平板天线，来完成遥测信号的接收、解调、传输，从而验证系统功能的完整性及有效性。

2.1 飞行试验环境下的系统测试

在飞行试验测试阶段，首先将舰基遥测综合解调控制系统室外建站，将舰基遥测综合解调控制系统和平板天线进行固定，控制终端搭建在机房，建站完成后对系统设置进行调试；相关飞机的遥测参数设置为：信号码速率为4 915 200 bps，信号输入码型为NRZ-L码，信号遥测频点为2 350 MHz，子帧长度为512 Byte，同步字为FE6B2840，同步字长为32。

对该型号飞机进行遥测跟踪，通过对其飞行距离、信号场强的实时记录，对系统在飞行试验中的性能指标进行分析。在飞行试验中，由于飞机航线规划等诸多因素的影响，综合解调控制系统实际最远跟踪距离为150 km，且在150 km以内的跟踪范围内，接收机信号同步效果较好，同步指示灯很少出现闪烁的情况。表1记录的的是飞机距离地面遥测天线100 km时的相关数据信息。

表1 飞行环境下的测试参数

如表1所示，在某次飞行试验中，某型机的遥测距离为100 km，其接收信号强度约为-80 dBm ，可以验证该系统具备遥测信号的接收、解调及传输功能。结合无线电空间传输损耗衰减公式如下：

Lbf=32.5+20lgF+20lgD

其Lbf为自由空间损耗(dB)，D为距离(km),F为频率(MHz)，且20lg(2350)约为67.5 dB，20 lg(100)为40 dB，那么空间损耗总计为140 dB ，信号发射功率与地面天线增益的和总计为62.8 dBm，信号发射功率与地面天线增益的和减去信号衰减为-77.2 dBm为理论接收到的信号强度，考虑到信号通过电缆与各种接线头时存在一定的衰减，其信号接收效果比较理想。

针对上述飞行试验中的实测结果，可知该综合解调控制系统具备了遥测信号的接收及解调功能，同时其跟踪作用距离满足舰上试验机试飞需求；遥测综合解调控制系统在信号跟踪过程中，信号稳定、同步效果好，表明系统具备较强的信号跟踪能力。

2.2 部分技术指标对比

为了对舰基遥测综合解调控制系统的舰上环境适应性进行评估，这里对舰基系统与普通遥测地面接收系统的部分指标进行比较。

表2 部分参数对比

如表2所示，是遥测地面接收系统与舰基综合解调控制系统的部分参数对比，可见舰基综合解调控制系统的体积仅仅是地面接收系统中的一台RTR接收机体积，舰基综合解调控制系统实现了小型化，更能适应于舰上狭小的工作环境；相比于地面遥测系统的工作温度范围，舰基综合解调控制系统的能够在更宽的温度范围进行工作，尤其对于舰上的低温环境具有更强的适应能力；普通的地面接收系统在室内工作，往往具备更好的工作环境，并不具备防水防盐雾等功能，而舰基综合解调控制系统由于选用了特种材料来做箱体，具备较好的防水防盐雾功能，适应舰上的恶劣环境，提高使用寿命和性能的稳定性；同时舰基综合解调控制系统传输的最大码速率与典型遥测地面接收系统持平，能够满足当前主流试验机的试飞需求。

3 结束语

舰基遥测综合解调控制系统通过将遥测信号的接收解调模块、接口转换模块、电源与环控模块集成在定制箱体内，并与便携式遥测天线相配套，形成了小型化遥测地面站的配套模式。目前，该系统已成功应用于科研试飞任务中，实现舰上遥测信号高质量的接收解调与控制，保障试飞安全。

舰基遥测综合解调控制系统具有小型化与便携式的特点，具备快速布站的功能，能够节省大量的地面站搭建和系统调试时间。舰基综合解调控制系统具备防水防尘防盐雾的特点，同时具备温度控制系统，满足舰上特殊环境下的遥测任务需求。舰基遥测综合解调控制系统在满足当前主流试验机试飞需求的同时，具有明显的价格优势，因此具有较好的推广前景。

[1] 杨廷梧．航空飞行试验遥测理论与方法[M]． 北京：国防工业出版社，2017.

[2] 霍建华，郭世伟，李铭三．遥测接收系统的远程控制[J]． 电子设计工程，2013，21(24)：84-86.

[3] 白效贤， 任朴舟， 张建琳， 李宏.飞行试验数据与图像远程传输系统方案设计[J]. 计算机工程，2005,31(17),177-181.

[4] 郭世伟, 王建军, 魏建新.C波段无线网络通信技术及在飞行试验遥测中应用构想[J].计算机测量与控制,2015,23(12):3913-3916.

DesignofShip-basedTelemetryIntegratedDemodulationControlSystem

Song Yang,Huo Jianhua, Sun Wei

(Chinese Flight Test Establishment, Xi’an 710089,China)

Telemetry real-time monitoring is an important means to ensure the safety of flight test and improve flight efficiency. For the task requirements of flight test on the ship, the existing telemetry system can not meet the mission requirements. In order to complete the flight test mission of a certain type of aircraft, it is necessary to improve the existing telemetry receiving system to meet the demand of telemetry signals under special test subjects. By using the tracking receiver module, and the development of the corresponding demodulation module, the remote control of the system equipment solves the long-distance data transmission signal attenuation problem; the automatic temperature control of telemetry system greatly improves environmental adaptability of the system equipment,; Interface conversion makes it come true that analog image transforms the network output , receiver module and antenna network convert serial data flow,simplifying the signal interface type and reducing the difficulty of signal transmission; achieving design of miniaturized ship-based telemetry integrated demodulation control system.

Ship-based telemetry; remote control; miniaturization; automatic temperature control; interface conversion;

2017-08-15；

2017-10-10。

宋 扬(1988-)，男，河南省永城市人，硕士，工程师，主要从事航空遥测技术方向的研究。

1671-4598(2017)11-0099-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.026

TN82

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