基于臨近空間飛行器的測控通信系統實現*

馮 偉，方 軼，孫 壘，高 磊

（上海航天電子技術研究所，上海 201109）

0 引 言

臨近空間（Nearspace）一般是指20～100 km的高空，包括大部分平流層、全部中間層和一部分電離層。臨近空間飛行器不屬于航空的范疇（20 km以下），也不屬于航天的范疇（100 km以上）。它在情報收集、通信保障、電子對抗、預警、民用通信等方面具有獨特的應用價值，極具發展潛力[1]。

臨近空間飛行器的通信與地面通信系統相比，其覆蓋范圍大、作用距離遠，可以長時間在高空駐留，通信距離可超過1 000 km，并且能夠超視距與地面站進行通信，具有不受地理條件限制等優勢。與衛星通信相比，它具有傳播距離短、傳播損耗少、延時小、所需發射功率低等優點，有利于實現寬帶傳輸和通信終端的小型化，且其快速靈活，可以用于建立應急通信網絡。近年來，隨著通信需求的與日俱增，臨近空間飛行器越來越受到人們的高度重視[2]。本文以體積小、重量輕、成本低以及性能高為設計目標，研制了一套基于臨近空間飛行器的天地圖傳測控通信系統，在工作于臨近空間的無人浮空飛艇上安裝艇載通信設備，搭配地測設備，實現了地面和飛艇之間的遙控、遙測和視頻圖像數據傳輸。

1 概述

臨近空間飛行器天地圖傳測控通信系統是將衛星領域測控通信技術、數據傳輸技術、視頻處理技術，和軍用領域的GPS自動跟蹤定位技術、高增益天線技術等應用于民用飛行器領域，實踐軍民融合發展。系統設計中將遙控遙測通道與圖傳通道分離，采用擴頻方式進行通信，以獲得較大的鏈路余量與抗干擾能力。考慮到帶寬資源的限制，為提高帶寬利用率，系統采用功率效率較高的QPSK調制和相干解調方式。圖傳通道在遙控遙測通道建立后再進行通信。該系統設計能夠使用高增益地面天線，減小艇上設備的發射功耗，大幅降低了艇上設備代價。

2 系統實現方案

天地圖傳測控通信系統用于臨近空間飛行器高空對地數據通信，是飛艇的重要組成部分。該系統硬件設備部分主要由艇載通信組件終端和地面通信組件終端組成，共同完成遙控、遙測及視頻圖像數據傳輸等功能。由圖1可知，飛艇與地面通信有3個通道，分別是上行遙控通道、下行遙測通道和下行視頻通道。

圖1 天地圖傳測控通信系統

艇載通信組件終端由艇載視頻壓縮器、艇載通信機、艇載固態放大器、艇載雙工器、艇載濾波器、艇載二次電源、艇載圖傳天線和艇載測控天線組成。地面通信組件終端由地面圖傳測控設備、地面天線、地面轉臺和地面控制計算機組成。地面通信終端通過RS422接收遙測信息，實時顯示飛艇狀態。在遙控遙測通道建立后，對飛艇下發的視頻數據進行解壓縮、實時播放和存儲。地面計算機根據接收到的飛艇GPS信息、采集到的本地GPS和電子羅盤等信息，計算二維轉臺轉動的方位及俯仰角，控制二維轉臺轉動，使得定向天線實時指向飛艇。

圖傳通道的碼速率約為10 Mb/s，遠高于遙控和遙測碼速率115.2 kb/s。因此，在艇載通信組件終端的設計上，遙控、遙測收發共用一副全向天線，圖傳通道單獨設計一副寬波束賦形天線，以保證通道上有足夠的余量。地面通信終端采用一副帶轉臺的拋物面天線，三個通道收發共用。艇上和地面設備組成框圖，分別如圖2、圖3所示。

圖2 艇載通信組件終端組成

3 系統信息流處理

天地圖傳測控通信系統的數據處理過程為：上電后，地面通信系統接收飛艇的GPS信息，計算出天線指向需求，輸出給定向天線轉臺，實現地面天線對飛艇的定向跟蹤；地面到飛艇的信息傳輸為上行通道，遙控指令進行擴頻、調制為中頻信號送給射頻發射模塊，經過變頻放大后，由定向天線發送給飛艇，艇載通信系統接收、放大、變頻、解擴和解調后將數據流送給控制設備。

飛艇到地面的信息傳輸為下行通道，其中一路將艇上狀態和設備狀態的遙測信息通過信道編碼、擴頻調制為中頻信號，再經過射頻發射模塊變頻放大后，通過測控天線發送給地面通信系統；另一路是通過HDMI接口接收的1 080 P視頻信號，并將視頻信號壓縮、編碼、QPSK調制和功率放大后通過圖傳通道發送。地面通信系統在接收到遙測數據后，將圖傳通道的視頻數據進行解壓、解碼和解調后得到視頻PCM信號，然后通過網口輸出給PC機。整個數據流處理過程如圖4所示。

圖3 地面通信組件終端組成

圖4 天地圖傳測控通信系統流程

3.1 擴頻通信

本文通過對遙控、遙測信號進行直接序列擴頻處理來降低發送信號的功率譜密度，降低飛艇在任務期間被發現的概率，實現了通信的隱蔽性，增加了鏈路的抗干擾和抗多徑能力[3]。此外，采用擴頻方式還可以實現多載波復用。當一個地面通信系統對多個飛艇通信時，多個飛艇的下行通道可通過采用不同的擴頻碼且占用相同的載波頻率，有效節省系統的占用帶寬。擴頻調制原理圖如圖5所示，即通過數據和偽碼進行模2相加（即異或）實現，對IQ兩路數據分別擴頻，再將調制后的信號串行輸出。用于調制的偽碼采用10.23 MHz時鐘驅動偽碼發生器產生。

圖5 擴頻調制原理

3.2 信道編碼

遙控遙測通道均采用Turbo編碼來提高鏈路增益并增強抗突發干擾能力。Turbo碼是一種并行級聯的卷積碼。Turbo碼的編碼器是由兩個分量編碼器通過一個交織器并行連接而成。編碼后的校驗位經過刪余矩陣，產生不同碼率的碼字。Turbo碼的譯碼器是由兩個軟輸入/軟輸出分量譯碼器串聯而成，而兩個分量譯碼器之間通過多次迭代實現偽隨機譯碼。迭代譯碼過程中，兩個分量譯碼器相互不斷傳遞外信息作為譯碼的先驗信息。Turbo碼的譯碼器性能會隨著迭代次數的增大而提高。當迭代達到一定次數后，外信息對提高分量譯碼器的性能作用變小，Turbo碼的性能趨近收斂[4]。

圖傳通道采用LDPC編碼，可以在帶寬有限的情況下提升鏈路增益。艇載通信系統由于體積和功耗受限、天線增益低、發射機輸出功率受限等因素，需采用高增益的糾錯編碼方式，以盡可能降低系統的解調門限載噪比。選用的LDPC碼全稱為低密度奇偶校驗碼，是一種稀疏線性分組碼，可以有效降低解調的門限，提高鏈路的傳輸性能。此外，LDPC編碼還具有譯碼速度快、吞吐率高的優點，本身還具有交織特性，能糾正突發錯誤。

3.3 視頻圖像數據壓縮

艇載通信終端采集到視頻信號后，對視頻信號采用H.264編碼進行壓縮處理[5]。H.264編碼又稱MPEG-4第十部分，是一種高性能的視頻編解碼技術。它的最大優勢是具有很高的數據壓縮比率，在同等圖像質量條件下，是MPEG-2編碼的2倍以上，是MPEG-4編碼的1.5倍，從而節省了傳輸數據量。

H.264圖像數據格式如圖6所示。視頻基帶處理機將視頻數據壓縮后打包，然后將圖像數據流以位流方式通過射頻發射模塊發送給地面。

圖6 H.264圖像壓縮編碼后數據格式

4 通信通用平臺設計

本文基于臨近空間飛行器（飛艇）設計的通信系統通用平臺，實現了飛艇與地面的遙控、遙測通信和圖像視頻傳輸。該平臺的核心是射頻發射機、測控基帶處理機和視頻基帶處理機。

4.1 射頻發射機

射頻發射機基于ADI公司的AD9364芯片實現。AD9364芯片大小僅為10 mm×10 mm×1.7 mm，減少了射頻發射機的體積。該芯片可以靈活配置參數，能完成上變頻、濾波、DA和放大功能，且各指標均滿足發射機的性能要求[6]。

4.2 測控基帶處理機

測控基帶處理機基于FPGA芯片實現，通過在FPGA中加載不同的算法模塊，實現擴頻調制解調、Turbo編解碼、LDPC編解碼、QPSK信號的調制解調功能。測控基帶處理機主要由FFT快捕電路、通道處理電路、主控電路和調制電路組成，如圖7所示。

本方案采用快捕方式實現偽碼和載波的捕獲。與其他捕獲方法相比，該方法有更短的平均捕獲時間，適用于對捕獲時間要求較嚴格的環境。通道信號處理電路由遙控信號通道處理電路構成，主要功能包括對遙控信號進行載波剝離、碼剝離、載波跟蹤與鎖定、偽碼跟蹤與鎖定、數據位跟蹤和鎖定等，且載波環、碼環和位同步環同時工作。在提取數據位同步脈沖后，完成數據解調并傳給主控電路，主控電路將遙控數據通過RS422接口輸出。此外，主控電路還將自身遙測通過RS422輸出，并接收來自RS422接口的下行遙測信號。調制電路主要完成遙測信號的調制，并將調制后的信號發送給射頻發射機。

圖7 測控基帶處理機組成

4.3 視頻基帶處理機

視頻基帶處理機是基于DSP芯片實現的，主要由HDMI視頻采集模塊、視頻編碼模塊和電源轉換模塊組成，如圖8所示。HDMI視頻采集模塊主要完成外部HDMI的數字量采集和量化。視頻編碼模塊主要由DSP及其配套外圍電路組成，實現了H.264格式的視頻圖像編碼和解碼操作。壓縮編碼完成后，輸出視頻數據速率約為8～10 Mb/s。

圖8 視頻基帶處理機組成原理

5 測試和聯調試驗情況

完成系統功能設計后，對天地圖傳通信系統進行室內有線聯調試驗和室外無線聯調試驗。室內有線聯調試驗通過射頻電纜將艇載系統和地面連接起來，設置可調衰減器衰減值，使用頻譜儀對發射天線的輸入電平和接收天線的輸出電平進行標定。

遙控遙測通道測試按圖9連接儀器和設備，先標定信號發端至測控通信機連接電纜的插入損耗，再設置可調衰減器衰減值，使測控通信機入口的功率電平為-108 dBm。信號發端計算機發送遙測或遙控數據，信號接收端計算機通過串口調試軟件接收數據，以計算遙控和遙測的誤碼率，如圖10所示。

圖9 遙控遙測通道測試框

圖傳通道測試按圖11連接儀器和設備，先標定信號發端至視頻基帶處理機連接電纜的插入損耗，再設置可調衰減器衰減值，使視頻通信機入口的功率電平為-95 dBm。如圖12所示，通過計算機觀察接收的圖像顯示，發現無馬賽克及拖尾現象。

圖10 遙控遙測通道誤碼率測試

圖12 圖傳通道測試結果

遙控通道按表1進行有線測試，接收天線輸出電平-105.27 dBm（鏈路衰減127.77 dB）時，遙控通道誤碼率滿足10-6。

表1 遙控通道測試結果

圖11 圖傳通道測試框

遙測通道按表2進行有線測試，接收天線輸出電平-97.5 dBm（鏈路衰減128.3 dB）時，遙測通道誤碼率滿足10-6。

表2 遙測通道測試結果

室外無線聯調是指將艇載通信系統依次連接功放和天線，地面通信系統也連接天線，以進一步驗證設計的正確性。地面通信系統固定，但艇載通信系統放置在一輛汽車上勻速行駛，車速為40 km/h，無線跑車測試框圖如圖13所示。試驗中，遙控遙測和圖傳通道均正常通信，地面通信系統實測誤碼率小于10-6，圖像傳輸正常，驗證了天地圖傳測控通信系統的有效性。

6 結 語

圖傳通道按表3進行有線測試，接收天線輸出電平-89.98 dBm（鏈路衰減124.48 dB）時，圖傳通道圖像清晰連貫，無馬賽克和拖尾現象，圖像時延1 s以內。

表3 遙控通道測試結果

本文設計的臨近空間飛行器天地圖傳測控通信系統，具有體積小、重量輕、成本低和性能高等特點。艇載通信組件終端實測重量不到5 kg，體積僅為480 mm×286 mm×67 mm，滿足了體積小和重量輕的要求，且裝機所有元器件成本都較低。該系統通過交織、信道編碼的方式保證了較強的糾錯能力，利用擴頻調制具有可靠性好、抗擾性強的優點。天地圖傳測控通信系統的聯調試驗測試結果表明，遙測通道、遙控通道和圖傳通道的通信鏈路均滿足半徑150km內臨近空間飛行器的通信需求。

圖13 無線跑車測試試驗