艦基遙測綜合解調控制系統設計

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(中國飛行試驗研究院測試所，西安 710089)

艦基遙測綜合解調控制系統設計

宋揚，霍建華，孫偉

(中國飛行試驗研究院測試所，西安710089)

遙測實時監控是保障試飛安全、提高試飛效率的重要手段；針對艦上特殊的試飛環境限制，現有遙測系統不能適應其任務需求，為完成某型號飛機艦上試飛任務，需要對現有遙測接收系統進行改進，以應對特殊試飛科目下對遙測信號的需求；采用跟蹤接收機模塊，并開發相應的解調模塊，對系統設備進行遠程控制解決了遠距離數據傳輸的信號衰減問題；對遙測系統的自動溫度控制大大提高了系統設備的環境適應性；通過接口轉換實現模擬圖像的網絡輸出、接收機模塊和天線的網絡串口轉換，簡化了信號接口類型，降低了信號傳輸的難度；從而實現小型化的艦基遙測綜合解調控制系統設計。

艦基遙測；遠程控制；小型化；自動溫度控制；接口轉換

0 引言

遙測是通過對試驗對象的各項參數進行感知、采集、記錄與控制，經過遠距離傳輸到接收端并進行處理分析的一種測量技術[1]。遙測接收系統的主要功能是通過地面天線接收機載天線下發的遙測信號，實現對飛機的遙測跟蹤，將接收到的機載遙測信號傳送給接收機進行信號實時解調處理，并將已解調信號發送給后端數據處理系統進行實時數據處理與安全監控。遙測系統是飛行試驗中不可缺少的重要組成部分，遙測數據為試飛實時跟蹤與安全監控、風險科目的安全保障、試飛故障診斷與分析等提供了重要依據。

圖1為典型遙測地面接收系統的示意圖，地面遙測天線接收到機載天線發射的遙測信號，并傳輸至遙測接收機和視頻接收機，視頻接收機可以通過顯示終端顯示機載模擬視頻信號，對于數字視頻信號和遙測PCM信號，通過光端機傳輸至監控大廳，再進行數據處理，并將所需參數和視頻進行顯示，從而實現安全監控工作。遙測接收機能通過AGC和AM信號實現對天線上遙測接收數據的控制，同時控制單元(即天線控制單元ACU)可以實現對遙測天線的控制[4]。接收系統的鏈路復雜，在實際的外場工作中，遙測專業技術人員在地面遙測接收系統的搭建和調試工作，往往任務重，時間緊，對于保障飛行試驗是很大的挑戰。

某型號飛機在艦上執行科研試飛任務，為保障遙測實時監控的順利展開，需要構建相應的遙測接收解調系統。由于艦上空間狹小、濕度大、鹽霧腐蝕、低溫環境等客觀條件限制，且遙測天線距離地面控制單元較遠，需要對現有的遙測接收系統進行以下特殊改進，以適應艦上的遙測信號接收、解調及傳輸需求。

1)利用現有的跟蹤接收機模塊，通過開發相應的解調模塊，實現PCM流和模擬圖像的接收及解調功能；

2)天線與綜合解調控制系統在甲板上，距離控制終端距離較遠，這里需要對系統設備進行遠程的供電管理與控制；

3)天線與接收機遠程控制的實現，多信號的遠距離傳輸需要將網絡控制信號轉換為各設備專用接口控制信號，同時模擬圖像需要轉換為網絡信號輸出；

4)需要定制特殊材料的箱體來克服船上濕度大、鹽霧腐蝕等惡劣自然環境；

5)需要溫度控制系統來實時監測系統設備溫度，并在低溫環境下自動給設備加溫。

1 系統設計

1.1 功能設計

1)射頻信號接收與解調功能。

設計初期只有1臺跟蹤接收機模塊，跟蹤接收機是根據信號場強大小及變化來實現目標跟蹤的。這里的跟蹤接收機模塊不具備信號解調功能，必須通過開發相應的解調模塊，實現PCM流和模擬圖像的接收及解調功能。跟蹤接收機模塊輸出的調頻(FM)信號為70 MHz中頻信號，由于該中頻信號振幅是恒定不變的，故無法通過振幅檢波器(即包絡檢波器)進行直接解調輸出。鑒于二極管峰值振幅檢波器電路簡單且性能穩定，這里將等幅度調頻信號通過線性網絡變換電路變換為振幅也隨頻率變化、既調幅又調頻的調幅調頻波(AM-FM波)，這樣就可以通過振幅檢波器來獲得解調信號了。

圖2 鑒頻電路原理

如圖2所示為鑒頻電路的實現原理。調頻波通過線性網絡后輸出的AM-FM波，其振幅與調頻波的瞬時頻率成正比，通過振幅檢波器就可以獲得解調信號。

2)遠程控制與電源管理。

地面遙測接收及解調系統是實時數據處理與安全監控的前端，是飛行試驗中必不可少的一環。由于艦上特殊環境的限制，需要將遙測接收與解調系統與天線共同置于甲板上，而天線控制終端與數據處理、實時監控設備置于甲板下的工作艙室內，因此需要對天線和接收解調系統進行遠程控制。

遠程控制中電源管理是一項關鍵問題。針對各設備的供電需求，引入以太網絡的通信方式，并選用相應的智能管理控制模塊和控制芯片，構成了可遠程控制和計劃管理的電源分配單元。開發了相應的電源控制管理軟件。通過輸入設備地址和端口號，便可以實時獲取所有遠程電源控制器下聯用電設備的當前工作狀態，通過遠端網路控制技術，可以實現對設備電源的帶外遠程控制。

如圖3為電源控制軟件的界面。 其中天線電源是通過網絡電源模塊實現對天線加電、斷電的遠程控制；天線輔助是溫度控制器根據天線溫度的變化，在低溫環境下自動進行加熱，避免低溫環境下天線死機故障；機箱電源是對整個遙測解調控制系統的機箱進行加電、斷電控制；備份電源是整個解調控制系統的電源的備份，實現供電系統的穩定性，避免緊急停電造成的遙測系統工作中斷，提高了系統的穩定性。

圖3 電源控制軟件

3)多類型信號的遠距離傳輸。

實現艦基遙測的遠程控制功能，需要解決多類型信號的遠距離傳輸難題，包括接收機的網絡輸出信號、天線的控制信號及模擬視頻信號[2-3]。

接收機模塊和天線的控制信號是串口信號，天線控制單元輸出的控制信號采用網絡形式，網絡信號較串口信號有較大的傳輸距離，這里將天線控制終端發出的控制信號以網絡形式進行遠距離傳輸，并在綜合解調控制系統中采用串口服務器進行網絡串口的轉換，實現對天線控制信號的遠距離傳輸及信號類型的轉換。

針對機載模擬視頻信號，典型的地面遙測接收系統需要一對光端機進行傳輸，為了便于模擬視頻的傳輸并減小系統體積，通過視頻轉換模塊將模擬圖像轉換為圖像網絡數據包的形式并對外傳輸，這樣就可以與網絡控制信號共用一根網線，減少線纜數量。

4)抗惡劣環境。

防水防鹽霧腐蝕是對艦上遙測系接收統設備的特殊要求，通過定制專門的鋁制箱體，使得系統實現該功能。系統內集成了溫度控制器、加熱器與風扇，實現對溫度的實時檢測，并在低溫環境下對系統進行自動加溫，使系統在低溫環境下仍可以正常工作。圖5中給出了自動溫度控制系統與整個解調控制系統中其它設備的連接方式。

1.2 結構設計

為了讓綜合解調控制系統適用于艦上的狹小空間，需要對設備進行高度集成化，同時為了提高設備的可維護性，這里采用模塊設計思路，系統分為3個模塊。圖4為解調控制系統結構設計3D模型圖，結構設計中為了實現系統集成以及后期維護的高效性，將3個模塊設計到三層電路板上。圖5展示的是結構設計的設備連接圖。

圖4 解調控制系統結構設計3D模型圖

圖5 解調控制系統結構設計連接圖

底層為電源與溫控系統模塊，包括網絡開關、DC+5 V、DC+12 V、DC+15 V電源適配器，AC+220 V電源接口，以及溫控器、風扇、加熱器，主要完成對系統各設備的供電和環境溫度控制。由于綜合解調控制系統的設備多，不同的設備對電源的需求有所不同，因此在底層集成了多種電源適配器，便于給各設備供電。網絡開關是對綜合解調控制系統供電的開關，正常情況下網絡開關是一直處于加電狀態的，通過遠程控制系統對網絡開關進行控制，從而實現綜合解調控制系統的加電與斷電。

中間層是接口轉換模塊，包括網絡光端機、網絡交換機、視頻轉換器、串口服務器等。在綜合解調控制系統正常工作的情況下，接收機將解調輸出的模擬視頻信號通過視頻服務器將其轉換為網絡信號，該網絡視頻信號通過網絡交換機連接到網絡光端機上，從網絡光端機輸出的視頻信號為網絡光信號，可以降低信號衰減并用于遠距離傳輸。天線控制終端通過串口服務器將天線控制信號由RS232信號轉換成網絡信號，便于信號的遠程控制與傳輸。

頂層為接收解調模塊，跟蹤接收機與開發的解調模塊，實現PCM流與模擬圖像的解調。天線接收到兩路射頻信號分別傳送給接收機的兩個射頻輸入端口，通過接收機與解調模塊實現兩路中頻PCM流的信號輸出，同時還有兩路AGC信號和兩路AM信號從接收機輸出，并反饋給天線伺服，從而實現對天線信號的控制。

圖6是改進后的艦基遙測接收、解調與傳輸系統，該系統將接收機、光端機、視頻服務器、網絡交換機、網絡電源等設備進行了系統集成，得到遙測綜合解調控制系統，使得遙測接收系統得到極大的簡化，減小了技術人員地面布站的工作量，降低了系統調試的復雜性。如圖6所示，中間的箱體即為遙測綜合解調控制系統，系統預留了豐富的輸入輸出接口，可以直接與天線、天線控制終端、數據處理系統相連，進行天線的操作和數據的實時處理分析。

圖6 艦基遙測接收、解調與傳輸系統

2 系統測試

對于艦基遙測綜合解調控制系統，要測試其性能，就要對其進行系統測試。系統測試是在飛行環境下進行的。測試過程中需要使用艦基遙測綜合解調控制系統和平板天線，來完成遙測信號的接收、解調、傳輸，從而驗證系統功能的完整性及有效性。

2.1 飛行試驗環境下的系統測試

在飛行試驗測試階段，首先將艦基遙測綜合解調控制系統室外建站，將艦基遙測綜合解調控制系統和平板天線進行固定，控制終端搭建在機房，建站完成后對系統設置進行調試；相關飛機的遙測參數設置為：信號碼速率為4 915 200 bps，信號輸入碼型為NRZ-L碼，信號遙測頻點為2 350 MHz，子幀長度為512 Byte，同步字為FE6B2840，同步字長為32。

對該型號飛機進行遙測跟蹤，通過對其飛行距離、信號場強的實時記錄，對系統在飛行試驗中的性能指標進行分析。在飛行試驗中，由于飛機航線規劃等諸多因素的影響，綜合解調控制系統實際最遠跟蹤距離為150 km，且在150 km以內的跟蹤范圍內，接收機信號同步效果較好，同步指示燈很少出現閃爍的情況。表1記錄的的是飛機距離地面遙測天線100 km時的相關數據信息。

表1 飛行環境下的測試參數

如表1所示，在某次飛行試驗中，某型機的遙測距離為100 km，其接收信號強度約為-80 dBm ，可以驗證該系統具備遙測信號的接收、解調及傳輸功能。結合無線電空間傳輸損耗衰減公式如下：

Lbf=32.5+20lgF+20lgD

其Lbf為自由空間損耗(dB)，D為距離(km),F為頻率(MHz)，且20lg(2350)約為67.5 dB，20 lg(100)為40 dB，那么空間損耗總計為140 dB ，信號發射功率與地面天線增益的和總計為62.8 dBm，信號發射功率與地面天線增益的和減去信號衰減為-77.2 dBm為理論接收到的信號強度，考慮到信號通過電纜與各種接線頭時存在一定的衰減，其信號接收效果比較理想。

針對上述飛行試驗中的實測結果，可知該綜合解調控制系統具備了遙測信號的接收及解調功能，同時其跟蹤作用距離滿足艦上試驗機試飛需求；遙測綜合解調控制系統在信號跟蹤過程中，信號穩定、同步效果好，表明系統具備較強的信號跟蹤能力。

2.2 部分技術指標對比

為了對艦基遙測綜合解調控制系統的艦上環境適應性進行評估，這里對艦基系統與普通遙測地面接收系統的部分指標進行比較。

表2 部分參數對比

如表2所示，是遙測地面接收系統與艦基綜合解調控制系統的部分參數對比，可見艦基綜合解調控制系統的體積僅僅是地面接收系統中的一臺RTR接收機體積，艦基綜合解調控制系統實現了小型化，更能適應于艦上狹小的工作環境；相比于地面遙測系統的工作溫度范圍，艦基綜合解調控制系統的能夠在更寬的溫度范圍進行工作，尤其對于艦上的低溫環境具有更強的適應能力；普通的地面接收系統在室內工作，往往具備更好的工作環境，并不具備防水防鹽霧等功能，而艦基綜合解調控制系統由于選用了特種材料來做箱體，具備較好的防水防鹽霧功能，適應艦上的惡劣環境，提高使用壽命和性能的穩定性；同時艦基綜合解調控制系統傳輸的最大碼速率與典型遙測地面接收系統持平，能夠滿足當前主流試驗機的試飛需求。

3 結束語

艦基遙測綜合解調控制系統通過將遙測信號的接收解調模塊、接口轉換模塊、電源與環控模塊集成在定制箱體內，并與便攜式遙測天線相配套，形成了小型化遙測地面站的配套模式。目前，該系統已成功應用于科研試飛任務中，實現艦上遙測信號高質量的接收解調與控制，保障試飛安全。

艦基遙測綜合解調控制系統具有小型化與便攜式的特點，具備快速布站的功能，能夠節省大量的地面站搭建和系統調試時間。艦基綜合解調控制系統具備防水防塵防鹽霧的特點，同時具備溫度控制系統，滿足艦上特殊環境下的遙測任務需求。艦基遙測綜合解調控制系統在滿足當前主流試驗機試飛需求的同時，具有明顯的價格優勢，因此具有較好的推廣前景。

[1] 楊廷梧．航空飛行試驗遙測理論與方法[M]． 北京：國防工業出版社，2017.

[2] 霍建華，郭世偉，李銘三．遙測接收系統的遠程控制[J]． 電子設計工程，2013，21(24)：84-86.

[3] 白效賢， 任樸舟， 張建琳， 李宏.飛行試驗數據與圖像遠程傳輸系統方案設計[J]. 計算機工程，2005,31(17),177-181.

[4] 郭世偉, 王建軍, 魏建新.C波段無線網絡通信技術及在飛行試驗遙測中應用構想[J].計算機測量與控制,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 揚(1988-)，男，河南省永城市人，碩士，工程師，主要從事航空遙測技術方向的研究。

1671-4598(2017)11-0099-04

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

TN82

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