低空系留气球通信系统设计

卢芳春，梁小玲

（1.中国人民解放军驻荆州南湖机械厂军事代表室 湖北 荆州 448035；2.中国特种飞行器研究所湖北 荆门 448035）

系留气球通信平台是近年来出现的一种新型通信平台[1]，它利用系留气球作为通信平台，实现信息的传输或转发，该系统距离地面高，覆盖范围比地面固定中继站要大得多，并具有污染小，噪音低和低成本等优点。基于上述特点，系留气球是作为通信中继、对地面观察与监视和干扰等功能的理想载体。然而，通信系统是系留气球的关键系统之一，其设计至关重要。

文中采用系留缆绳中的光纤作为通信介质，通过球载光端机和地面光端机将球上数据或地面控制信息进行传送，实现球上与地面的有线长距离传输能力。当光纤链路中某一环节出现故障时，通信系统自动切换到无线通信方式。实际使用证明，该系统具有通信效率高，可靠性强。

1 通信系统的组成及原理

系留气球通信系统主要由光纤通信系统[2]和无线通信系统两部分构成，数据的传输方式有两种：

1）单模光纤+光端机+光电旋转连接器组成的光通路。

2）由无线收/发数传电台构成的无线电通信链路。

在系留气球正常工作模式下，采用光通路传输数据，无线通信作为备用。如果光通信系统任何链路出现故障，自动将通信链路切换到无线通信，信息通过数据解算、排序、打包后通过球载无线数传电台传回地面，地面无线数传电台收到信息后，由地面综合管理计算机对信息进行解包、存储显示和分析处理；地面指令信息通过地面无线数传电台发送给球载无线数传电台，通过球载计算机去完成相应的控制，功能结构如图1所示。

2 通信系统设计

2.1 光通信系统的设计

光纤通信系统主要由光端机、单模光纤和旋转连接器组成，锚泊车上中继光端机需要对多个信号进行中继、复制和交换，因此，采用ADM（分插复用型）类型完成业务传输和交换的目的。球载和通信车光端机主要用于光纤链路设备的末端，对信号进行处理和分配。

2.1.1 单芯双向传输设计

采用单芯双向来实现信号的双向传输，由于光旋转连接器[3]的透镜是根据光通信的波长制定，要求双向通信的波长不能相隔太远，因此采用1 550 nm窗口的粗波分复用（CWDM）技术来实现单芯双向传输[4]，下行方向模拟视频、RS422和以太网公用一个波长为1 570 nm，由于4个波长之间的间隔非常小，都工作在1 550 nm窗口，克服了光旋转连接器在宽窗口中损耗不均匀的问题。

2.1.2 RS422的传输

图1 通信功能原理图Fig.1 Schematics of Communication functions

对于RS422接口传输信号[5]，首先需要进行接口电平转换处理，将转换后的6位数字信号再送到CPLD进行锁存及复用/解复用处理。

2.1.3 视频模拟信号设计

对于模拟的复合视频信号[6]，在发送端，首先通过视频A/D进行采样、数字化，然后送到CPLD进行复合处理；在接收端，经过CPLD解复用，再经视频D/A转换输出模拟的复合视频信号，CPLD用于对视频信号、RS232、RS485等信号进行复用/解复用处理[7]。

2.1.4 光端机工作模式

2.1.4.1 球载光端机

1)对下行信号的变换和复用

①对任务系统信号进行采样，实现数字转换，然后形成数据信号流；

②对视频信号输入进行编码，形成统一标准和易于识别的数据流；

③测控计算机1路RS422下行数据、任务设备1路RS422的下行数据信号与任务系统数据流进行复用，最后转换成1路光信号输出到ADM光端机。

2)对上行信号的变换和解复用

球载光端机将中继光端机传输过来的上行信进行光/电变换，通过集成电路模块分析判断，分别提取输出以下信号：

①解复用提取数据流中来自任务系统的RS422上行数据，输出到球上任务设备；

②解复用提取出来自摄像系统控制器的RS485数据，输出到球载摄像系统；

③解复用提取地面综合管理计算机或监控计算机发送的控制指令，输出到测控计算机。

图2 球载光端机及通信车光端机原理图Fig.2 Schematics of tethered balloon optical and optical communication vehicle

2.1.4.2 中继光端机

1)ADM同步光端机接收来自球载光端机的双向光纤信号，通过光纤环路器分解出需要下行传输的单波长光信号，进行光/电转换，变成标准的数据电信号后输入到FPGA解复用集成电路。

2），ADM光端机对于上行信号的处理主要是向球上球载光端机中继传输由通信测控车光端机发送来的信号，其原理框图如图3所示。

图3 ADM光端机原理图Fig.3 Schematics of ADM optical

2.1.4.3 通信车光端机

1）通信车光端机把下行传输的光信号通过光纤环路器分离出来，直到解复用还原为各路信号数据流。

2）对综合管理计算机上传的遥控指令、摄像控制指令、任务设备控制指令等上行信号进行变换和复用。

2.2 无线通信设计

利用无线通讯设备进行信息传输，主要是为了在光纤通信系统出现故障时所采取的应急措施，这就要求无线通讯在任何紧急情况下都应保证数据能够实时传输。无线信道在本系统中仅用作空地通信的备份通路，并且不用于任务系统数据传输。

无线传输通信系统由无线数传电台[8]和天线组成，球载无线数传电台通过RS422总线接口与球载测控计算机相连，地面无线电台通过RS422总线接口与地面综合管理计算机相连。无线信道中的球载无线数传电台在光纤通信正常时处于接收指令的状态，地面数传电台则处于一种休眠模式，两者都不需要频繁地在收发状态之间切换和消耗功率发射射频信号。当光通路故障时或认为切换到无线通信时，球载测控计算机自动切换无线数传电台进行数据传输，地面综合管理计算机通过地面无线数传电台接收测控系统传下来的数据信息，并且将数据信息进行存储记录；同时，地面综合管理计算机的有关控制指令信息通过地面无线数传电台上传，球载无线数传电台将接收到的信号指令传送给测控计算机，通过测控计算机控制输出，从而实现对气球系留状态进行实时控制和调整。

3 软件设计

有线/无线通信可进行自动切换和人工切换两种模式，在锚泊车地面测控机箱上，通过开关设置“有线/无线”的切换功能，认为拨动该设置开关，进行通信模式的切换，其流程图如图4所示。

图4 通信流程图Fig.4 Communication diagram

4 结论

针对系留气球的使用现状，设计了系留气球通信系统，采用系留缆绳中的光纤作为通信介质，通过球载光端机和地面光端机将球上数据或地面控制信息进行传送，当光纤链路中某一环节出现故障时，通信系统自动切换到无线通信方式。该系统的设计结合了有线通信、无线通及波分复用等方面的技术，提高了系留气球出勤时信息传输的效率。通过实际使用验证，该系统具有通信效率高，可靠性强等优点。

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