霍建华

高原型移动式遥测监控系统的构建

霍建华

霍建华 刘 丹 郭世伟

中国飞行试验研究院测试所

在多年建设移动式遥测监控系统的经验基础上，结合高原试飞环境的特殊应用需求，以具有高原野战性能的车为载体，重新构建了一套高原型移动式遥测监控系统。对系统结构进行合理设计，选择高灵敏度和宽动态范围的遥测接收设备及高性能的数据处理设备，实现了遥测监控系统的全部功能。面对高原环境所带来的供电、缺氧等问题，增加了应急设备。经实践证明，该系统能够很好地满足高原试飞的遥测监控需求，并具有良好的通用性。

随着飞机的不断发展，性能的不断提高，飞机系统变得越来越复杂，飞行试验遥测监控成为保障飞行安全必不可少的手段之一。移动式遥测监控系统的使用，使多地多环境下飞行试验的遥测监控更加便利。现有的多套移动式遥测监控系统已圆满完成高温、高寒、高湿等多种环境下的试飞监控任务。但高原的太阳辐射强、地形环境复杂、气压低、昼夜温差大、空气密度低等特点，对移动式遥测监控系统提出新的要求。地形环境复杂要求遥测接收系统有良好的抗多径性能和必要的跟踪手段；大气中氧气的含量相对较低，对发动机动力影响较大，以及舱内参试人员面临缺氧等问题。现有系统不能满足高原特殊环境的这些应用，需要重新建设。

1 构建原则

高原型移动式遥测监控系统在满足高原试飞的前提条件下，结合遥测监控的实际需要，应满足以下几项设计原则。

（1）尽可能采用成熟技术，充分借鉴国内外各类先进技术，通过消化、移植、融合、创新，完成快速研制。

（2）需具备较高的技术性能，要充分考虑高原试飞环境遥测所面临的多径效应等问题，需要充分比较国内外各类遥测天线、接收机等的性能指标，以保证活动站达到最佳的配置效果。

（3）配套设备体积小、重量轻、功耗低、集成高、可折叠将作为系统设备的主要选择条件。并根据设备情况，在设备安装中进行减震处理，以达到快速、机动、灵活、方便展开工作的使用条件。

（4）选择具有高原野战性能的车载设备，针对高原试飞环境特点，配备适当的应急设备。

图1 遥测监控系统功能划分

2 系统功能及组成

高原型移动式遥测监控系统的设计目标是完成高原环境下飞行试验的遥测跟踪，并能够在舱内完成整个飞行试验的实时监控及数据处理。考虑到系统的可用性及扩展性，该系统应能够通过光缆将数据发送到其他的监控场所，完成更详细的试验结果的监测。另外它还应包括一些辅助设备，以更好地完成飞行试验的遥测监控。因此可以将它分为三部分，遥测跟踪系统、数据处理系统和辅助设备。

遥测跟踪系统主要完成飞机的遥测跟踪，并将飞机发射的信号实时接收、解调，将解调后的信号发送给数据处理系统。在有实时监控系统的地方，可以通过光传输设备将信号传输过去，在那里完成飞行试验的实时监控。

数据处理系统完成事先准备、实时处理和数据回放等功能。将收到的信号进行位同步、帧同步后，通过事先准备好的软件进行工程单位转换之后，将参数值发送给监控计算机，通过监控画面将需要检测的参数值进行显示，供研究人员监控。在处理的同时它可以将数据进行存储，用于事后进行实时重现。

辅助设备主要用于工作人员查看信号是否正常，或对系统设备进行检查时使用。另外还包括信号传输设备等，帮助参试人员更好地完成飞行试验的遥测监控。

高原型移动式遥测监控系统的详细结构如图2所示。

图2 遥测监控系统结构

3 关键技术

抗多径效应

高原环境对遥测接收系统主要是多径效应的影响。地形是影响电磁波传输的重要因素，高原山地地形对遥测信号的反射直接影响接收信号的质量。在遥测天线跟踪飞行目标的过程中，由于遥测信号受到山地环境的影响，时常会产生较严重的多径效应，导致遥测接收信号的场强发生剧烈的变化，易引起自跟踪天线丢失目标，大大降低遥测数据接收的可靠性。另外在飞行过程中，飞机的高度、姿态、距离一直在变化，其发射波的极化也会变化。因此，地面接收天线极化和机上发射天线极化不可能始终处于良好的匹配状态，极化匹配不好，其损失会很大。为改善接收端信号的瞬时信噪比和平均信噪比，提高遥测数据接收的可靠性，可采用分集接收技术，从而有效抑制多径效应对遥测信号的影响。

分集的目的是确保信号不中断，提高信道的可靠性和改善接收信号质量。常用的分集接收技术包括极化分集、空间分集和频率分集。空间分集需要两个天线并保持一定距离，不适合在移动式遥测监控系统中使用，频率分集需要两个及以上频率，考虑到遥测频段紧张等现状，不适合采用，因此选择极化分集接收技术较为合适。通常都将地面接收天线做成左右旋圆极化接收，再进行分集合成，以适应机上不同的极化型式及传播中的极化变化。

在系统构建中，选择具有双极化接收能力的遥测接收天线和具有抗多径效应的遥测接收机，保证系统在高原、山区等特殊地形遥测信号的接收质量。除天线性能外，还要考虑天线的使用及运输环境。典型的高原环境昼夜温差大，最大风速达35m/s，整个系统又以高原越野性能的车为载体，为方便安装、运输，且天线应有可靠的抗风及加温能力。以往系统多选用抛物面天线，对于高原如此大的风速不太合适，因此选取带有圆包型天线罩的COM’TRACK自跟踪天线较为合适。利用接收机的极化分集组合输出，可以获得大于3dB的改善，明显提高遥测信号质量，从而更好地克服高原山地环境下的多径效应。

图3 遥测接收极化分集组合

数字引导

为了解决高原山地环境对遥测跟踪的影响，更好地完成飞行试验的遥测监控任务，采取多种跟踪方式相结合的方式进行，包括自动跟踪、手动跟踪、数字引导跟踪等多种方式。

天线的数字引导功能通过RS232接口来实现。通过该接口将跟踪的目标信息输入到控制软件中，软件可以根据这些信息来控制天线进行跟踪，使得跟踪更将准确且不容易丢失目标。这就要求被跟踪目标发射的信号中包含位置信息（如GPS定位信息或北斗定位信息），主要是目标的经度、纬度和高度信息。通过对接收到得信号进行处理，提取位置信息，并将这些信息组合成软件可以识别的帧格式，发送给控制软件，从而实现天线的数据引导。另外，最新的RTR接收机可以将位、帧同步后的数据进行网络输出。可以编辑第三方软件从RTR处获取网络数据，通过处理提取所需的位置信息，并将这些信息按照天线控制软件接口的要求进行重组，发送给天线控制软件，从而实现天线的数据引导。

由于天线配套的控制软件对接收的位置信息直接接收并计算，而不进行数据判断，这就使得在信号出现跳点或变差时，天线可能会出现大幅摆动。这不仅对天线设备造成损害，也更容易丢失目标，因此，在开发接口软件时，需要考虑坏点的剔除。

在实际飞行监控中，飞机飞行速度都低于2.5马赫。因此在软件设计中，当两次数值相差大于0.007度时，即提示数据超标，并将上一次的数值发送给天线控制器，使天线保持上一位置状态，从而更好地完成飞行试验的遥测监控任务。

4 车载特性

整个系统以高原野战性能的车为载体，所以在系统设计时，如何使系统更适于运输，便于人员操作是必须考虑的问题。另外还需考虑设备的工作环境要求以及人员缺氧等问题。整个方舱的设备安置如图4所示。

图4 方舱安置示意图

（1）天线的安装及运输。 整个系统以车为载体，在运输过程中难免会出现剧烈的颠簸。这种振动会对天线产生很大的损害。尽量减少由于振动引起的系统故障是必须考虑的一个问题。而选用的COM'TRACK天线体积小、重量轻、连线简单，因此对天线采取装箱运输，到达目的地进行安装的方式，从而更好地减小振动对天线的影响。

另外，天线使用时应升至舱外，须采用升降结构，采用电动方式进行升降。天线升起后，天线底座与舱顶紧密结合，保证了舱的密封性。

（2）设备安装。遥测设备的安装不仅要考虑运输的问题，同时还要考虑人员操作的方便。设备安装的高度及安置方向是最重要的两个方面。舱内所有设备都安装在机柜上加以固定，并对机柜进行防震处理。机柜安置方向为垂直与仓体，这样使得工作人员检查连线比较方便。舱内除安装设备外，还得留有一定的剩余空间供人员活动及应急设备安放。

（3）环境要求。一方面是指设备对环境温度的要求。环境温度过低会出现设备无法启动，过高则可能出现死机等现象，舱内必须配备空调来调节温度。在高寒环境下，只用空调无法快速达到设备的温度需求，还需增加热风机，以更快地调节温度。另外舱内配备必要的照明设备、通风设备。另一方面，舱内空间有限，参试人员多，考虑到高原环境可能带来的缺氧问题，车内应配备简易应急供氧装置。

（4）供电需求。高原试飞可能会遇到遥测方舱停放位置供电不便的问题，需要配备小型汽油发电机，其供电时间应能达到6小时以上。

5 结束语

高原型移动式遥测监控系统以高原野战性能的车为载体，主要用于保障高原区域外场科研试飞工作，为外场试飞工程师提供一个较舒适的工作环境和应急救护。目前，高原型移动式遥测监控系统已完成了一系列的任务，验证了该系统在高原环境下飞行试验领域的实用性。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.01.002