低空系留氣球通信系統設計

盧芳春，梁小玲

（1.中國人民解放軍駐荊州南湖機械廠軍事代表室 湖北 荊州 448035；2.中國特種飛行器研究所湖北 荊門 448035）

系留氣球通信平臺是近年來出現的一種新型通信平臺[1]，它利用系留氣球作為通信平臺，實現信息的傳輸或轉發，該系統距離地面高，覆蓋范圍比地面固定中繼站要大得多，并具有污染小，噪音低和低成本等優點。基于上述特點，系留氣球是作為通信中繼、對地面觀察與監視和干擾等功能的理想載體。然而，通信系統是系留氣球的關鍵系統之一，其設計至關重要。

文中采用系留纜繩中的光纖作為通信介質，通過球載光端機和地面光端機將球上數據或地面控制信息進行傳送，實現球上與地面的有線長距離傳輸能力。當光纖鏈路中某一環節出現故障時，通信系統自動切換到無線通信方式。實際使用證明，該系統具有通信效率高，可靠性強。

1 通信系統的組成及原理

系留氣球通信系統主要由光纖通信系統[2]和無線通信系統兩部分構成，數據的傳輸方式有兩種：

1）單模光纖+光端機+光電旋轉連接器組成的光通路。

2）由無線收/發數傳電臺構成的無線電通信鏈路。

在系留氣球正常工作模式下，采用光通路傳輸數據，無線通信作為備用。如果光通信系統任何鏈路出現故障，自動將通信鏈路切換到無線通信，信息通過數據解算、排序、打包后通過球載無線數傳電臺傳回地面，地面無線數傳電臺收到信息后，由地面綜合管理計算機對信息進行解包、存儲顯示和分析處理；地面指令信息通過地面無線數傳電臺發送給球載無線數傳電臺，通過球載計算機去完成相應的控制，功能結構如圖1所示。

2 通信系統設計

2.1 光通信系統的設計

光纖通信系統主要由光端機、單模光纖和旋轉連接器組成，錨泊車上中繼光端機需要對多個信號進行中繼、復制和交換，因此，采用ADM（分插復用型）類型完成業務傳輸和交換的目的。球載和通信車光端機主要用于光纖鏈路設備的末端，對信號進行處理和分配。

2.1.1 單芯雙向傳輸設計

采用單芯雙向來實現信號的雙向傳輸，由于光旋轉連接器[3]的透鏡是根據光通信的波長制定，要求雙向通信的波長不能相隔太遠，因此采用1 550 nm窗口的粗波分復用（CWDM）技術來實現單芯雙向傳輸[4]，下行方向模擬視頻、RS422和以太網公用一個波長為1 570 nm，由于4個波長之間的間隔非常小，都工作在1 550 nm窗口，克服了光旋轉連接器在寬窗口中損耗不均勻的問題。

2.1.2 RS422的傳輸

圖1 通信功能原理圖Fig.1 Schematics of Communication functions

對于RS422接口傳輸信號[5]，首先需要進行接口電平轉換處理，將轉換后的6位數字信號再送到CPLD進行鎖存及復用/解復用處理。

2.1.3 視頻模擬信號設計

對于模擬的復合視頻信號[6]，在發送端，首先通過視頻A/D進行采樣、數字化，然后送到CPLD進行復合處理；在接收端，經過CPLD解復用，再經視頻D/A轉換輸出模擬的復合視頻信號，CPLD用于對視頻信號、RS232、RS485等信號進行復用/解復用處理[7]。

2.1.4 光端機工作模式

2.1.4.1 球載光端機

1)對下行信號的變換和復用

①對任務系統信號進行采樣，實現數字轉換，然后形成數據信號流；

②對視頻信號輸入進行編碼，形成統一標準和易于識別的數據流；

③測控計算機1路RS422下行數據、任務設備1路RS422的下行數據信號與任務系統數據流進行復用，最后轉換成1路光信號輸出到ADM光端機。

2)對上行信號的變換和解復用

球載光端機將中繼光端機傳輸過來的上行信進行光/電變換，通過集成電路模塊分析判斷，分別提取輸出以下信號：

①解復用提取數據流中來自任務系統的RS422上行數據，輸出到球上任務設備；

②解復用提取出來自攝像系統控制器的RS485數據，輸出到球載攝像系統；

③解復用提取地面綜合管理計算機或監控計算機發送的控制指令，輸出到測控計算機。

圖2 球載光端機及通信車光端機原理圖Fig.2 Schematics of tethered balloon optical and optical communication vehicle

2.1.4.2 中繼光端機

1)ADM同步光端機接收來自球載光端機的雙向光纖信號，通過光纖環路器分解出需要下行傳輸的單波長光信號，進行光/電轉換，變成標準的數據電信號后輸入到FPGA解復用集成電路。

2），ADM光端機對于上行信號的處理主要是向球上球載光端機中繼傳輸由通信測控車光端機發送來的信號，其原理框圖如圖3所示。

圖3 ADM光端機原理圖Fig.3 Schematics of ADM optical

2.1.4.3 通信車光端機

1）通信車光端機把下行傳輸的光信號通過光纖環路器分離出來，直到解復用還原為各路信號數據流。

2）對綜合管理計算機上傳的遙控指令、攝像控制指令、任務設備控制指令等上行信號進行變換和復用。

2.2 無線通信設計

利用無線通訊設備進行信息傳輸，主要是為了在光纖通信系統出現故障時所采取的應急措施，這就要求無線通訊在任何緊急情況下都應保證數據能夠實時傳輸。無線信道在本系統中僅用作空地通信的備份通路，并且不用于任務系統數據傳輸。

無線傳輸通信系統由無線數傳電臺[8]和天線組成，球載無線數傳電臺通過RS422總線接口與球載測控計算機相連，地面無線電臺通過RS422總線接口與地面綜合管理計算機相連。無線信道中的球載無線數傳電臺在光纖通信正常時處于接收指令的狀態，地面數傳電臺則處于一種休眠模式，兩者都不需要頻繁地在收發狀態之間切換和消耗功率發射射頻信號。當光通路故障時或認為切換到無線通信時，球載測控計算機自動切換無線數傳電臺進行數據傳輸，地面綜合管理計算機通過地面無線數傳電臺接收測控系統傳下來的數據信息，并且將數據信息進行存儲記錄；同時，地面綜合管理計算機的有關控制指令信息通過地面無線數傳電臺上傳，球載無線數傳電臺將接收到的信號指令傳送給測控計算機，通過測控計算機控制輸出，從而實現對氣球系留狀態進行實時控制和調整。

3 軟件設計

有線/無線通信可進行自動切換和人工切換兩種模式，在錨泊車地面測控機箱上，通過開關設置“有線/無線”的切換功能，認為撥動該設置開關，進行通信模式的切換，其流程圖如圖4所示。

圖4 通信流程圖Fig.4 Communication diagram

4 結論

針對系留氣球的使用現狀，設計了系留氣球通信系統，采用系留纜繩中的光纖作為通信介質，通過球載光端機和地面光端機將球上數據或地面控制信息進行傳送，當光纖鏈路中某一環節出現故障時，通信系統自動切換到無線通信方式。該系統的設計結合了有線通信、無線通及波分復用等方面的技術，提高了系留氣球出勤時信息傳輸的效率。通過實際使用驗證，該系統具有通信效率高，可靠性強等優點。

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