基于TDMA多目标遥测数据传输系统设计与实现

魏建新, 李妍生, 郭世伟

(中国飞行试验研究院, 西安 710089)



基于TDMA多目标遥测数据传输系统设计与实现

魏建新, 李妍生, 郭世伟

(中国飞行试验研究院, 西安 710089)

遥测监控是新机试飞提高试飞效率、保障试飞安全的重要手段，遥测数据的传输能力和传输质量决定了遥测实时监控性能的优劣；随着大量飞机同场次试飞任务的广泛开展，现有飞行试验单站点对应单目标的遥测体制存在一定的局限性，为了解决多个目标同时遥测数据传输的难题，文章在对常用的几种多目标体制进行了比较的基础上，设计了一套基于TDMA体制的多目标遥测数据传输系统，对该系统数据的传输速率、距离进行了理论计算，并进行了飞行试验验证，能够满足任务需求，有着很好的应用前景。

TDMA； 遥测体制； 数据传输； 多目标

0 引言

遥测监控作为飞行试验过程中实时获取数据的重要途径，成为新机试飞检验试验质量、保障飞行安全，提高试飞效率的重要手段，在型号试飞中发挥着举足轻重的作用。遥测数据传输作为实现遥测实时监控的关键环节，数据传输能力和传输质量，决定了遥测实时监控性能的优劣。随着航空工业的不断发展，新型号飞机的不断涌现，我院每年进行飞行试验的飞机数量、试飞架次不断增加，利用现有遥测体制无论从地面站数量到频谱资源的使用，已经不能满足我院日益增长的遥测监控需求[1]。解决当前大量飞机同场次飞行时遥测数据传输问题，采用频带占用窄、使用地面站数量少、配置成本低的多目标的数据传输模式，完成多架飞机遥测数据的传输与处理，实现全面监控是最佳的解决方案[2]。本文就现有遥测体制存在的局限性进行了分析，同时对几种常用的多目标数据通讯体制进行了比较，结合我院实际使用情况，设计并研制了一套低成本，多目标遥测数据传输处理系统，并进行了飞行试验验证。

1 现有遥测体制的局限

目前我院使用的遥测系统采用以IRIG106为标准的单点对单点的连续数据传输模式，地面上一个遥测站点对应空中的一个遥测跟踪目标，具备发生即传输的特性，也就是数据的实时性。现有遥测系统还具备传输数据量大，单个目标遥测传输的数据量可达20 Mbps；以及传输距离远，最远可达300 km以上等优越特性。因此在我院飞行试验中得到大量应用。但是随着大量飞机同场次试飞任务的广泛开展，现有遥测系统也存在以下局限：

1)频谱资源的限制。目前我院遥测数据传输采用PCM-FM体制，使用的频段为S波段(2 200～2 400 MHz)[3]，2 200～2 300 MHz频率部分用于PCM格式数据的传输，2 300～2 400 MHz用于视频信号的传输。遥测过程中需要预先为每架飞机分配一个用以数据传输的点频，为保证遥测数据的正常接收，避免飞机间遥测信号的相互干扰，需要设置保护频带，通常情况下每架飞机占用10 M的带宽。如果继续使用现有体制，在目前频谱资源范围内，最多能够同时保证10架飞机的遥测监控任务。而目前我院在飞飞机上百架，需要遥测监控的数量与现有遥测资源的比例接近5：1，飞行试验中无法实现对各类飞机进行遥测监控保障，如配试的目标机、低成本的小型民用飞机等。同时国家已经将2 300～2 400 MHz频段分配给4G网络，使可用的频率资源更为紧张。

2)单站点对应单目标的遥测数据传输体制限制。目前我院建有8套地面遥测站，均采用点对点的传输模式，可以同时遥测跟踪8架飞机，但随着试飞飞机数量、架次的增多，需要建设更多的遥测站满足遥测监控需求，但受目前院内基础设施建设场地的限制，加上一套遥测系统配置成本较高，建设周期较长，不利于在较短的时间内实现，存在一定的局限性。

2 系统的设计与研制

为了突破现有遥测体制的局限性，弥补现有遥测体制的不足，实现大量飞机同场次飞行时的实时监控能力，需要设计一套可用于飞行试验的多目标遥测数据传输处理系统，该套系统应该具备频带占用窄、结构相对简单、成本较低、能够满足较远距离遥测数据传输、且数据量满足安全监控的需要。

2.1 多目标遥测体制的选择

在飞行试验过程中要完成遥测目标与地面之间的通信，需要分配一个通信所用的频谱资源，即描述了一个给定系统进行信号处理所能用的时间和带宽。而对于多个目标的遥测信号的接收，需要对所分配的通信资源进行共享，如何更高效的分配通信资源，通常情况下有3种方式：频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)。

2.1.1 频分多址

如果把分配给飞行试验的频谱资源用频率-时间平面描述，如图1所示为FDMA的一个例子。它给每一路信号分配一个信道，整个频谱资源中可以包含多个频谱分离的信号。第一个频带内信号的频率范围为f0与f1之间，第二个频带内信号的频率范围为f2与f3之间。各个分配频带之间的区域成为称为防护频带，其作用是作为减少相邻频道之间干扰的缓冲区。

2.1.2 时分多址

如果通信资源的共享是通过分配给多个目标不同的时隙来实现，称为时分多址(见图2)，时间被分割成一个个时间间隔，称为帧。每帧可以进一步分为可供分配的用户时隙，帧结构重复出现，TDMA系统分配给用户一个或多个时隙[4]，它们周期性地在每帧时间里出现，时隙之间未使用的时间区域称为防护时间，用以减少干扰。

图1 频分多路复用 图2 时分多路复用

2.1.3 码分多址

码分多址(CDMA)是扩频技术的一种应用，它将频带短期性地分配给不同的信号源，在每个相继的时隙中，频带会被重新分配(见图3)。在时隙1中，信号1占用了频带1，信号2占用了频带2，信号3占用了频带3。在时隙2种，信号1跳到了频带3，信号2跳到了频带1，信号3跳到了频带2。这样整个通信频带可以被全部使用，而每个用户的每个时隙都会被重新分配。

图3 码分多路复用

所有多路复用的关键是，各种信号在共享通信资源时，不会在监测过程中产生难以处理的相互干扰，一个通信信道中传输的信号不能显著地增加另一个信道中传输信号的误码率[5]。对于FDMA模式，给每一个目标分配一个通信频带，虽然实现起来简单，但需要设置一些防护频带，以便隔离各个通信通道，频谱利用率不高，同时，从传递数据延迟角度来看，TDMA性能优于FDMA。CDMA技术是将需要传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。相比较TDMA而言，具有保密性高，抗干扰能力强、各个同时工作的发射机不需要精确地时间同步等优点，但CDMA系统带宽占用相对较高，且系统容量与所接收的干扰强度密切相关，系统允许的信道数取决于系统所能接受的总的干扰强度，每个信道的接入都会增加接收端的干扰，直接影响系统接入数量。TDMA系统的容量仅仅受到可用时隙总数的限制[6]，能能够充分利用时间资源来实现多用户访问，更加容易实现时延控制，各用户时间一致性要求也比较高，是飞行试验多目标遥测数据传输系统的合理化选择。

2.2 频带选择

在选择合适的通讯体制的基础上，还需要给多目标遥测数据传输与处理系统选择合适的遥测频带，使该套系统能够满足飞行试验远距离数据传输的需要。参照国军标《遥测标准：无线电信道》中规定的频段，L波段(1 435～1 525 MHz)带宽仅有90 MHz频段较窄，并且与我院的440E雷达的频率相距过近，地面站天线的防护极为困难；C波段(3 700～4 200 MHz)为卫星数据下传与遥测传输的共用频段，不允许航空移动使用；X波段(8 400～8 500 MHz)为卫星数据下传频段，不允许航空移动使用；Ku和Ka波段由于频率过高，将使机载设备改装难度大幅度增加，不宜选择。较为可行的频段有：1 GHz以下低频遥测接收频段、S波段(2 200～2 400 MHz)、C波段(5 000～5 350 MHz)。

对于S波段(2 200～2 400 MHz)，作为现有遥测系统数据传输使用的频段，具备多目标遥测数据传输使用的条件。由于需要对多个目标进行遥测数据传输，接收天线应选择全方位接收天线，满足各个方向上遥测信号的接收与解调，与定向天线比较天线增益较低。假设机载发射功率为20 W，接收机灵敏度为-90 dBm，发射机天线增益为1 dBi，全向接收天线增益为15 dBi。通常条件下：

收发信机增益=发射机功率-接收机灵敏度+

发射天线增益+接收天线增益

(1)

计算收发信机的增益为126 dBm，忽略线缆、插头上带来的损耗，根据传统无线信号衰减公式：

(2)

其中：LS为自由空间无遮挡传输条件下的路径损耗，f为频率(MHz)，d为距离(km)。假设收发信机的增益全部用来补偿路径损耗，选择S波段2 250 MHz作为多目标遥测传输的频点，可以计算遥测传输距离约为23 km，远远小于通常条件下遥测监控200 km距离的要求。

对于更高频率点的C波段，由公式(2)可知传输产生的损耗更大，在全向接收天线增益一定的情况下，传输距离更短，不满足多目标遥测数据在传输距离上的要求。因此，多目标遥测数据传输处理系统拟选择小于1 GHz以下的低频段，以实现远距离遥测数据的传输。

2.3 速率的选择

遥测数据的传输能力作为判定遥测系统性能优劣的一个重要指标，通常情况下希望遥测系统有较高的传输带宽，满足大数据量的实时传输，但这也会增加系统设计难度，且使建设系统成本增加。通过对大量型号试飞任务遥测传输数据量的分析，通常情况下，满足每架飞机安全监控所用的数据量为2 Mbps。本系统设计总体传输带宽为20 Mbps，能够同时完成最多10架飞机的遥测数据传输，每架飞机预分配2 Mbps的数据流量，满足飞行试验基本安全监控需要。

由图4可见，上行链路包括一个多用户共享时隙，上行链路时隙40 ms。下行链路包括十个时隙，每个时隙40 ms，为了实现灵活的时分多址方式，设计了四种子帧结构方式：

a)一个时隙一个子帧，每个子帧占用一个时隙，最多可以实现十个用户；

b)两个时隙一个子帧，每个子帧占用两个时隙，最多可以实现五个用户；

c)五个时隙一个子帧，每个子帧占用五个时隙，最多可以实现两个用户；

d)十个时隙一个子帧，每个子帧占用十个时隙，最多可以实现一个用户。

图4 遥测数据链路帧结构

时隙的大小应该包含数据处理的时间和无线路径的传输延时，包括两倍距离的时间延时，这就需要在40 ms的时隙长度内，至少完成一帧数据上、下行链路的传输。

2.4 设备研制

多目标遥测数据传输处理系统区别于现有遥测接收系统，采用TDMA通讯体制，选择300 MHz～1 GHz作为无线链路频段(根据工作的频率范围选择相应的天线和前端系统滤波器)，总体传输带宽设计为20 Mbps，能够同时满足最多10架飞机的试验数据传输和数据综合处理分发，每架飞机预分配2 Mbps的数据流量，可满足飞行试验的基本安全监控的需要。同时，地面采用小型化多目标全向天线，简化天线设计，采用时分双工技术，增加遥测上行链路，上行信号作为下行时分多址链路的同步信道，确保多个机载遥测设备不出现相互间的信号碰撞，并且具有控制信令的功能。

2.4.1 系统组成

飞行试验多目标遥测数据传输处理系统由机载子系统和地面子系统组成，机载子系统采用一体化模式，将数据采集、编码、发送集中在一台设备中，能够直接读取飞机的数据进行编码传输，并支持多种数据采集借口包括RS232/422、ARINC429、1553、CAN等总线接口，也可根据用户需求定制各类采集接口。系统主要由机载数据传输收发机、GPS时统天线、机载发射天线组成(如图5)。机载数据传输收发机对不同格式的数据进行采集，通过GPS时统进行授时，通过地面上传的时标信息以TDMA的模式进行数据下传，同时机载数据传输收发机也通过空地遥测链路，接收地面子系统上行传输的控制命令等数据。

图5 机载子系统组成图

地面子系统采用高性能的双冗余数据服务器为核心处理设备，配置小型多目标天线和高速TDMA收发机，可支持10套机载子系统同时工作，并将多个目标的数据以网络数据包进行发送。系统主要包括小型多目标天线、高速TDMA收发机、GPS时统天线、数据处理服务器(见图6)。利用多目标接收天线全方位接收机载子系统发射的遥测数据，通过高速TDMA收发机对数据进行解调和协议处理，传输给数据处理服务器进行二次处理和终端显示，同时地面子系统也通过空地遥测链路，向机载子系统上行传输地面各类控制命令。

图6 地面子系统组成图

2.4.2 飞机速度和距离评估

考虑到飞行试验中空地遥测遥控数据链路具有大动态无线信道变化特性，因此建议采用传统的差分调制解调方式，避免采用相干调制解调引起的大动态无线信道评估错误。接收机解调流程见图7。

图7 接收机解调流程图

由图7可见，由帧同步字实现载波同步。载波同步用于消除收发信机间的频率偏差以及多普勒带来的频率偏差。如果将机载遥测遥控设备与地面遥测遥控设备的时统统一于GPS或者北斗，那么载波同步模块测算出来的机载设备与地面设备间的频率误差可以表征成飞机的速度。此外，位同步模块用于捕获符号判决点，本系统采用锁相环位同步模块，由于锁相环位同步模块要求采样率为符号率的两倍，那么通过同步模块检验帧同步字可以测算出飞机与地面站的距离，如果所获得的信号为直径信号，那么测算出来的距离精度为1/2个符号周期。

2.4.3 链路预算

假设多目标遥测数据传输处理系统下行链路参数如下。

1)工作频率：350 MHz；

2)飞机遥测遥控设备发射功率：40 dBm(平均功率)；

3)调制方式：SOQPSK；

4)信号带宽：10 MHz；

5)发射天线增益：0 dBi；

6)接收天线增益：15 dBi；

7)传输距离：200 km。

根据传统无线信号衰减公式(2)：

LS(dBm)=32.45+20log(f)+20log(d)=

32.45+20log(350)+20log(200)=

32.45+50.88+46.02=129.35。

收发信机增益=发射机功率-接收机灵敏度+发射机天线增益+接收机天线增益=40 dBm-(-88 dBm)+0 dBi+15 dBi=143 dBm[7]。由此可知，多目标遥测数据传输处理系统 链路余量为13 dB，减去馈线及接头的衰减，能够保证200 km遥测传输距离条件下，遥测信号的正常接收与解调。图8展示了多目标遥测数据传输处理系统下行链路接收灵敏度的计算。

图8 接收灵敏度

3 飞行试验

为验证多目标遥测数据传输处理系统的功能与性能，在蒲城内府机场进行了挂飞试验，系统上、下行频率为350 MHz，工作模式为TDD，每一路信号分配2 Mbps数据量，传输的数据选择流媒体，由于经费条件等限制，本试验仅模拟2路遥测数据源，选择塞斯纳飞机机翼下安装一套遥测发射天线模拟其中一路数据源，利用地面架设一套固定遥测发射装置模拟另一数据源(见图9)。

图9 多目标遥测数据传输系统原理框图

地面接收系统采用小型多目标天线为接收天线，搭配高速TDMA收发机对数据进行解调，并在终端显示设备上进行显示。试验结果见表1。

表1 试验结果

实验结果分析：由于飞行高度限制，试验过程中，高度不能超过3 000 km。在0～100 km之内，接收信号效果理想，能够正常接收机上及地面两个目标遥测信号，并能正常解调。由于100 km之后，飞机飞入渭南地区山区，信号遮挡严重，飞机与塔台无线电台通信中断，遥测信道丢失。当飞机返回时，遥测信号与塔台无线电通信同时恢复。

4 结束语

飞行试验多目标遥测数据传输系统采用较低成本设计与实现，能够同时满足多架飞机试验数据的遥测传输与处理，每架飞机预分配2 Mbps的数据量，满足飞行试验的基本安全监控需要，后续数据量可扩展，同时具备双工特性，使机载设备地面管理成为可能。经过挂飞试验验证该套系统与无线对空电台在传输距离上能够实现同步接收，满足飞行试验要求。随着该套系统逐步的投入使用，能够有效缓解遥测资源紧张的现状，解决现有遥测系统占用资源多，配置成本高的问题，实现对各类飞机进行遥测监控保障，成为现有遥测系统的有效补充，可广泛应用于各种型号试飞任务中，有着较好的应用前景。

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[7] 拉帕波特.无线通信原理与应用[M]. 北京：电子工业出版社，2004.

Design and Implementation of Multi Target Telemetry Data Transmission System Based on TDMA

Wei Jianxin， Li Yansheng， Guo Shiwei

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

Telemetry monitoring is an important method to improve the efficiency of the new aircraft flight test, and to ensure the safety of flight test. The transmission capability and quality of the telemetry data determines the performance of the remote sensing monitoring. With a large number of aircraft in a flight test mission to carry out a wide range of performances, there are some limitations in the existing flight test single target telemetry system. In order to solve the problem of simultaneous telemetry data transmission, comparing of several common target system, this paper designs a system of multi - target telemetry data transmission system based on TDMA system. The data transmission rate and distance of the system are calculated.

TMDA; telemetry system; data transmission; multiple target

2015-11-23；

2016-01-15。

国防基础科研项目(A0520132031)。

魏建新(1984-)，男，吉林白城人，工程师，硕士研究生，中国飞行试验研究院，主要从事飞行试验遥测与监控技术方向的研究。

1671-4598(2016)03-0273-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.075

TP3

A