空地数据链系统（共4篇）
空地数据链系统 篇1
民航运输业在经济的推动下迅速发展。由于多方面的需要, 业务持续增多, 航线日益密集, 距离也越来越远, 安全性更受关注。为此, 必须加强空中与地面的联系, 实时保持通信畅通。以往飞机在空中飞行时, 多以电话通讯的方式与地面联系, 地面总控制台获取飞机飞行过程中的信息的途径较少, 且精确度低。随着计算机网络技术和无线电通讯技术的发展普及, 航空领域逐步实现了电子化、信息化和数字化, 为航空安全提供了技术上的保障。在当前各种高新技术相继出现的背景下, 空地数据链的作用更加突出, 相关研究也不断增加。
1 空地数据链
民航运输中需要和地面时刻保持联系, 受技术限制, 传统飞行时主要依赖于高频和甚高频的语音通信。此方法易受干扰, 导致航班被耽误, 甚至发生安全事故。在不断改善中, 引进了多种高新技术, 尤其是网络、通讯和计算机技术的应用, 将空中和地面连在一起, 形成了一张密集的数据网。这便是空地数据链, 利用无线网络通讯技术, 将航空器和地面信息管理系统连接, 实现彼此间的数据信息交换。从而有效提高了飞行效率, 安全程度也有所好转。
当前航线密集、运输任务较多, 空地数据链系统更加复杂。它涉及范围广, 如地面通讯网络、航空电子技术、飞机硬件系统、数字通讯技术等。从现状来看, 空地数据链中的地面计算机软件系统比较薄弱, 需加大相关研究力度。站在工程应用的角度, 空地数据链的构成部分包括机载硬件设备、ATN网络环境、报文生成体系、地面AOC应用系统。
2 空地数据链的组成部分
2.1 硬件系统
机载设备系统其实是一组设备群, 以通讯寻址报文系统的通讯管理组件为核心, 具体包括ARING总线系统、数据采集和输出、信号发送和接收等。
(1) 通讯管理组件。作为系统的核心, 其稳定性直接决定着数据链的稳定性, 主要负责搜索信道、接收消息等工作。该系统有3个层次, 其功能多通过软件实现, 且软件分布于不同的层次中。核心层的软件直接关系到组件的通信构型, 即在通讯中选择什么ARING协议。目前有两种协议占据着主导地位, 一是面向分段比特流的协议, 二是面向分段字符流的协议。应用层的软件直接关系到组件搜索信道的次序, 频率也受其影响较大。用户层的软件直接决定着地面AOC应用, 这些软件可按照实际需要进行更改。
(2) ARING总线系统。ARING协议簇在机载设备数据通信中占据着重要地位, 有两部分, 一是设备间总线, 二是设备内总线。
2.2 空地数据链网络环境
(1) ATN网络拓扑结构。整个数据链是以航空电信网 (即ATN网络) 为网络载体的, 包括空地通讯链路层和地地通讯链路层。在该网络中, 包括飞机在内的终端设备, 只要与飞机信息进行无线交互, 均被当做一个研究的节点。
(2) 路由管理。通信载体在传输数据的过程中都会有一定的覆盖区域, 超出此区域往往会影响到正常通信。而路由管理则是解决这一问题, 确保信息数据能够通畅的传递。管理过程较为复杂, 由两部分组成。一是组件的逻辑通道管理, 二是DSP地面路由管理。前者十分关键, 当组件发送一个包含了指定子网地址的下行消息, 通过确认应答的上行消息可建立一个逻辑通道, 此时, 全部信息中都有这个发送的子网地址。
2.3 报文体系
报文生成主要有3种生成方式:一是定时触发生成, 其种类较少, POS (飞机位置报文) 在当前较为常用, 航班号、风向风速、飞行高度、所处位置等信息都属于位置报文的内容。在实际飞行中, 为实时监控飞机状态, 设置位置报文时常设为每30min一次。若30min后报文信息没有更新, 飞机极有可能发生通讯异常, 或所在区域通讯质量较差。二是事件触发生成, 其种类最多。飞机飞行中存在着很大风险, 为确保其安全, 实时掌握飞行状态, 常将其状态变化事件和特定的报文生成逻辑绑定。如此出现异常时, 可获得更多的性能参数。在机载设备发生故障时, 中央维护系统能够自动检测, 并生成飞行故障报文, 以方便及时采取措施救援。三是人工触发生成。通常是应急组向地面系统请求或报告某信息时, 通过操作MCDU而生成的, 其中, 气象请求报及舱单请求报在实际中应用较多。
2.4 地面AOC应用系统
(1) 飞行运行控制AOC应用。在飞行中, 为保证飞机的安全飞行, 需要运行控制机构实时和飞机保持联系。同时根据监测状况提供各种信息和情报支援, 调整飞行计划, 或对其性能加以优化。气象对航班有着直接影响, 因此在飞行前, 必须掌握途中及目的地的气象情况。机组通过AOC页面会发送一个气象请求报文, 经DSP转发后最终被航空公司的AOC网关接收, 然后转发至气象应用服务器中。服务器接收后会自动进行相应的分析, 并得出相关数据, 以上行报文的形式提交AOC网关服务器, 由DSP上行到目标飞机。另外, 飞机飞行前需对舱单进行检验, 具体内容包括机载人数、客舱布局、油量、餐饮分配等。在空地数据链中, 只需将航班号输入舱单请求页面即可, 系统接收会后自动对所含信息进行读取, 然后同样以上行报文的形式提交AOC网关服务器, 由DSP上行到目标飞机。
(2) 机务维修工程AOC应用。该部分包含大量信息, 数据结构较为复杂, 彼此之间的交互性最强。在实际利用或分析数据信息时, 通常需要经历报文解码和再解析。此部分主要由解码服务器、远程终端服务器、工程应用服务器以及报文监视终端、web数据检索应用等模块构成。
3 民航空地数据链AOC数据处理系统的关键技术分析
3.1 AOC报文典型数据结构
3.1.1 数据结构化AOC报文
(1) 顺序数据结构化报文。AOC报文的结构有报头和正文两部分。ARINC620规范的地/地标准格式报文 (即SMT) 由报文和正文共同组成。正文是其主要内容, 和报头多用“-
(2) 循环数据结构化报文。只有故障报文一种, 其报文头结构和顺序数据结构相同, 但正文不同。IMI PLF在循环数据结构化报文中表示当前的航段故障报 (Present Leg Fault) 飞机发动机关车前出发, 同时注意到IEI FDE和MSG可能成对出现或MSG循环出现, 而且每个FDE行或MSG行具有相同的数据结构。根据这些特点, 将此结构的AOC报文称为循环数据结构化AOC报文。
3.1.2 数据非结构化AOC报文
这类报文比较少见, 如自由文本通讯报。其报文头结构与结构化报文相同, 正文却具有任意性。下面是一样本:
从中可知, 其正文的随意性体现在IMI可有可无, 难以解码。
3.2 解码数据库和解码表的建立
通常将为保存报文数据结构而定义的规则库称作解码表, 包括对数据库表名、控制符、字长度、字段名等的定义。解码表主要有两类, 即顺序数据和循环数据结构化报文解码表。对于标准ARINC620格式的ACARS报文来说, 因报头数据结构相同, 所以两类解码表的报头字段也应一致。
(1) 报头。报头的格式往往比较固定, 无较大变化。而且, 报头数据结构较为简单, 在处理时, 采用普通的方法加以处理即可。
(2) 解码表名。从上述分析中可知, SMI及IMI的主要用于标识报文的种类, 所以可将其用于定义解码表名。机型不同, 生成的报文也各有差异, 为了能够较好地区分, SMI+机型或IMI+机型就可以唯一定义一个解码表名。
(3) 报头字段。系统较为复杂, 随着数据挖掘技术的深入, 为满足实际工程中的需要, 解码表的报头字段通常包括以下信息:RAW_ID表示由ORACLE生成的唯一顺序序列号;ACNO表示由ANTEL解析出的飞机号;FLIGHTNO表示由FITEL解析出的航班号;TIMESTAMP表示由DSP处理时间戳解析出的DSP处理时间戳。
(4) 源报文的存储。ACARS报文被接收后可能会解码成功, 也可能不成功, 但只要与ARINC620规范相符, RAW_DWMSG表均会将其进行保留。该表在分析ACARS报文中非常重要, 工程师为掌握飞机状态, 就必须分析ACARS的通讯状况, 包括某一飞机报文通讯的连续性、某个DSP的通讯量以及某时段内的通讯量等, 获取这些信息都需要依赖于RAW_DWMSG表。
3.3 AOC报文解码器的进程控制设计
当数据链网关将下行报文传输至AOC报文解码器时, 由解码器接收, 并自动对报文进行分类、解码, 然后自行归档、发出广播, 并进行客户管理等任务。
(1) Decoder主进程。该主进程经常和其他三个子进程同时启动, 分别是:第一, 客户队列池监听进程。加载成功后, Decoder便监听在系统指定的UDP端口, 当有远程用户接入时, 系统会启动另一个Register Client, 用以用户注册。第二, 客户队列池广播进程。一旦Decoder解码成功, 会发送“解码消息广播”给用户, 客户接收后进行相应的处理。第三, 源报文监视进程。其作用主要在于扫描报文目录和进程的启动关闭过程。
(2) 客户队列池监听进程。从客户方面来讲, Decoder可接收多种客户机, 为区别其类型, 经常会用不同的状态字进行标识。在客户注册时, Client对象和Client List对象较为重要。监听进程启动后, Client List便被装入内存, 随着客户机不断被注册, 其成员Client也不断增加。
(3) 客户队列池广播。发送消息广播时, 对客户机活动状态的判断十分重要。当监听进程接收广播状态字后, 若客户机为老客户则更新迟滞时间。所以, 一旦last Rev POLLTIME与系统当前的时钟时间差值超出规定范围, 则该Client为非活动, 否则就是活动。
(4) 报文监视进程。主要任务包括Report Scanning和Report Decoding。
3.4 实时消息跟踪模块中的两个关键算法设计
(1) 消息剖面逆向检索算法。逆向检索是指通过给定的一条解码数据库中确定的解码报文, 反向定位到能够确定该报文的条件集。实时消息跟踪剖面定义表中的字段包括必选字段和可选字段两种, 其中参与数据库检索的有4个字段, 所以逆向检索的关键在于判断一个给定的消息符合定义表结果集中的哪个记录, 在此介绍一种模仿实际评选过程的“投票法”。将评委当做是参与检索的4个字段, 评选对象为所有数据集, 评选标准相当于一条ACARS报文。原理为:评委依据评选标准对所有评选对象进行投票, 持票数多者获胜, 否则淘汰。该方法的处理速度和执行效率较高, 值得推广使用。
(2) 大圆航线的生成算法。动态矢量地图是实时消息追踪模块中飞机实时位置显示的关键, 在编写矢量地图时, 最基础的便是大圆线的绘制。大圆航线是指地球上连接两点最短的航线, 即以地球球心为圆心, 以地球半径为半径的一段小弧。矢量地图中的大圆航线为理论大圆航线上的一系列连续的点, 服务器组件收到一条航线的起始或终止地点经纬度, 通过相关计算生成一个经纬度点序列向量, 返回客户端, 客户端将该向量在投影到地图上。利用各种投影仪均能生成大圆航线, 所以其实质是在给定投影模式下从起点到终点的逐点逼近过程, 其关键在于如何生成各个经纬坐标点。
摘要：AOC数据处理系统在民航空地数据链中发挥着重要作用, 首先介绍了空地数据链的定义和构成, 然后分析了AOC数据处理系统的几项关键技术。
关键词：空地数据链,AOC数据处理系统,AOC报文典型数据结构
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空地高速数据传输研究 篇2
无人侦察机和有人侦察机可以携带光电摄像机、红外摄像机和合成孔径雷达等任务载荷, 通过空地数据链把机载传感器数据传到地面。随着需求的不断提高, 任务载荷数量要增加, 各传感器的分辨率也不断增加, 需要传输的数据量越来越大, 要求实现空地高速的数据传输。在空地数据传输中, 有于存在地面反射, 产生信号衰落, 引起严重的码间干扰, 因此必须根据空地数据传播的特点, 研究合适的高速数据传输方式。
1 空地数据传播特性
在空地数据通信中, 传播方式除直射波和地面反射波以外, 还存在散射波、折射波和绕射波等。但由于无线电波主要是以地波反射形式传播的, 因此主要考虑直射波和地面反射波传播。
可以用镜象原理处理地面对电波传播的影响, 如图1所示。
在图1中, 地面站天线位于A点, 高度为Ha;飞机天线位于B点, 高度为Ht, 离地面站距离为R, 测控站和目标的地面距离为D。
通过计算可得直射波和反射波的路径差为:
Δ=2htha/D。 (1)
与这个差相关联的相位滞后
地表反射使幅度和相位都会发生变化, 用反射系数表示, 它是一个复数量Γ=ρe-jΨr。ρ表示反射的幅度变化, Ψr表示相移。
这样, 直射波和反射波总的相位差为:
在A点或B点接收到的信号是直射波和反射波叠加, 用反射衰落因子η表示地面反射对接收信号幅度的影响, 定义η为和信号幅度被自由空间时的信号幅度相除。经过近似计算, 得反射衰落因子η为:
η=[ (1+ρcosΨ) 2+ (ρsinΨ) 2]1/2=
[ (1+ρ2+2ρcosΨ) ]1/2。 (3)
由式 (2) 可以看出, 当地面站天线高度ha、飞机天线高度ht、地面站距飞机的水平距离D变化时, cosψ会发生变化, 也就是接收信号的幅度发生变化。由于地面反射的干涉, 天线在俯仰面上的辐射可被分成很多瓣, 在某些仰角上辐射的信号会增强, 某些仰角上信号会减弱, 这种现象被称为天线波瓣分裂。波瓣图的最大值和最小值分别相应于Ψ是π的偶数倍或奇数倍。通常, 水平极化地面反射系数相位近似为π弧度, 垂直极化地面反射系数相位低于π, 许多文献Ψr取π。这时:
当
产生最大值;
当
产生最小值。
波瓣图的最大值和最小值不仅取决于相位Ψ, 还取决于表面的反射系数。反射系数与表面粗糙度、介质特性、天线的极化形式、频率和入射角等有关。美国学者认为, 低入射角频率高于1 500 MHz情况下, 常规 (非光滑) 地面的反射系数为0.2～0.4, 很少大于0.5。而学者认为反射系数要高一些。表1是一些地区反射系数的测量结果。
由上面分析可以看出, 在空地数据通信中, 地面的反射产生反射波, 接收点收到的信号是直射波和反射波的叠加合成, 它们之间存在路程差变化就造成衰落。传输模型主要是二径模型。
当传输数据速率较低时, 路程差相对较小, 反射主要对接收信号幅度有影响, 这时的衰落属于平坦衰落;当数据速率较高时, 路程差相对较大, 反射波会造成接收信号波形时间展宽, 引起严重的码间干扰, 对解调信号的眼图产生较大影响, 这时衰落属于频率选择性衰落。
直射波和反射波路程差由式 (1) 表示, 通常情况下地面测控站天线比较低, 路程差产生的时延不超过10 ns。对中低速数据传输, 衰落的影响表现在接收信号幅度随着飞机高度、距离变化起伏变化, 抗信号幅度衰落的方法是增加信号强度的储备裕度;当传输数据高时, 衰落为选衰性衰落, 这时对数据传输的影响是非常严重的。
可以采用一些方法减少地面反射, 如采用窄波束宽度天线或使天线波束向上倾斜, 使照射地表面的辐射能量减少;适当减少地面站天线的高度可以减小直射波和反射波之间的路径差, 减少选择性衰落的影响;有一些文献提出在天线周围地面反射网, 防止信号照射到地面。
2 高速数据传输的调制方式
目前有多种高速调制解调的方法, 应该根据空地无线电传播特点采用合适的调制解调方式。
2.1 四相相移键控
在卫星传输系统中, 主要采用四相相移键控 (QPSK) 、偏移正交相移键控OQPSK等方式实现高速调制解调器。由于数据速率较高时, 采用传统的串行方式无法实现, 主要采用并行方式。在解调器中并行结构实现高速数字解调, 如美国JPL实验室提出的APRX结构。高速调制器也采用并行方式实现成型滤波、卷积运算、高速乘法器及加法器等。图2是一种并行结构高速调制解调器的实现框图。
采用并行结构的高速调制解调器, 不适合在衰落信道下应用。在地空传输链路, 当传输速率太高, 频率选择性衰落造成的时间扩展会产生严重的码间干扰。
2.2 正交幅度调制
多进制调制方式可以降低符号速率, 减少码间干扰。在多进制调制方式中, 正交幅度调制 (QAM) 是一种高效的数字调制解调方式, 在中、大容量的数字微波系统中被广泛采。
QAM是一种矢量调制, 它将输入比特先映射到一个复平面 (星座) 上, 形成复数调制符号, 然后将符号的I、Q分量 (对应复平面的实部和虚部) 采用幅度调制, 分别对应调制在相互正交 (时域正交) 的2个载波 (sin和cos) 上。QAM是幅度、相位联合调制的技术, 它同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特, 因此在最小距离相同的条件下可实现更高的频率利用率。调制阶数越高, 传输效率越高。对应16 QAM, 每个符号和周期传送4 bit。符号速率降低, 就可以减少码间干扰。
QAM有较高的频谱利用率, 理论上讲, QAM的调制节数越高, 频谱利用率也越高;同时也可以延长传输信号的周期, 增强抗多径能力。
在实际应用中, 频谱利用率往往达不到理论值, 特别是当QAM调制的阶数越高, 理论值和实用值之间的差距也越来越大。因为, 随着调制阶数的提高, 信号点之间的距离越来越小, 相差也越来越小, 码间干扰越来越大, 造成系统抗干扰能力下降, 解调难度增加;而且, 调制阶数的提高将使传输系统对多径衰落以及信道的非线性失真极为敏感, 因为多进制正交幅度技术会使键控信号的幅度上携带信息并产生起伏, 经过非线性信道以后造成频谱展宽及误码性能恶化, 因而降低了系统的频谱利用率和抗干扰性能。其他如传输信道的幅频畸变、群延时畸变以及调制误差、解调误差等对系统性能也会产生较大影响。
2.3 重叠时分复用
重叠时分复用 (OVTDM) 是李道本教授提出的一种高效调制方式, 用序列检测取代逐符号检测, 利用高速率的符号传输形成的符号间干扰来实现高频谱效率, 并证明OVTDM方式所需要的信噪比要低于相同传信率的无符号间干扰的高维调制信号传输方式。
采用二进制相移键控 (BPSK) 或者QPSK调制, 在传输符号间引入了编码约束关系, 接收端采用序列检测后, 可控的符号间干扰成为了系统抗干扰噪声的有利因素, 提高了传输的可靠性和频谱利用效率。
相邻K个符号互相重叠在一起, 信号频谱宽度不变。K个符号互相重叠的实质是在时间域内产生K个并行的相互干扰的传输信道, 各个并行传输的子信号流的频谱宽度相等, 并与符号周期T成反比。由叠加原理可知, 叠加后信号的频谱宽度保持不变, 仍等于叠加前各子信号流的频谱宽度。在时间域内多个符号叠加, 产生符号间的“干扰”, 而正是这种干扰使得所传输的符号之间有了“编码约束”关系, 并使得传输速率和频谱效率提高了K倍。
符号间在时间域的重叠虽然破坏了单个数据符号的波形本身, 破坏了数据符号与其时间波形之间的一一对应的关系, 但并未破坏传输数据符号序列与其时间波形之间的一一对应的关系, 因此检测可以使用最大似然序列检测算法。OVTDM原理图如图3所示。
文献[6,7,8]验证, 不管是在高斯信道、还是瑞利衰落信道, 采用重叠时分复用的波形重叠的调制技术和序列检测, 性能要明显优于采用高维调制的传输方式和逐符号检测。
3 仿真结果与分析
空地高速数据传输信道是二径模式, 通过模拟仿真, 利用眼图和波形来分析二径模式下的码间干扰问题。调制方式采用QPSK、16 QAM、两符号OVTDM。利用MATLAB软件进行仿真, 仿真原理框图如图4所示。图5 (a) 为调制方式采用QPSK无反射时I路信号输出的眼图, 图5 (b) 为调制方式采用16 QAM无反射时I路信号输出的眼图。2种调制方式符号宽度相同, 16 QAM是多电平传输, 信息速率是QPSK的2倍。但QPSK眼图的最大开启时间为整个符号宽度, 而16 QAM眼图的最大开启时间约为半个符号宽度。
图6 (a) 为经过地面反射后QPSK的眼图, 反射系数为0.5, 反射延时取0.5个符号宽度;图6 (b) 为经过地面反射后16 QAM的眼图, 反射系数为0.5, 反射延时取0.25个符号宽度。可以看出, 眼图发生显著变化, 将会对位时钟提取、采样判决产生影响, 造成误码。可以看出, 16 QAM调制下1/4宽度多径的影响与QPSK调制1/2宽度多径的影响相当。
加大反射延时, 反射延时取1.0个符号宽度, 这时QPSK眼图已经闭合;当反射延时为0.5个符号宽度, 16 QAM的眼图已经闭合。
经过对以上眼图的比较可以初步得出结论:虽然在符号宽度相同时16 QAM信息速率可以比QPSK提高一倍, 但抗多径能力没有增加。
由于OVTDM不适合用眼图进行表示, 通过信号波形图进行分析。图7 (a) 为OVTDM的信号示意波形图, 采用两符号QPSK叠加调制, 信息传输速率是QPSK的2倍, 无地面反射。图7 (b) 中OVTDM经过反射后的信号波形示意图, 反射系数为0.5, 反射延时相当于1个QPSK的符号宽度。从图7 (b) 可以看出, 信号有明显失真, 但可以正确解调出信息。对比QPSK, 当反射延时相当于1个QPSK的符号宽度时, QPSK眼图已经闭合, 而两符号叠加OVTDM信号波形基本形状还保留, 初步可以判断OVTDM抗多径能力优于QPSK。
4 结束语
空地数据传输模型主要是二径模型, 传输信道是衰落信道。当传输数据符号率速较低时属于平坦衰落;当传输数据符号速率较高时会出现频率选择性衰落, 产生码间干扰。通过对QPSK、16 QAM以及OVTDM等3种调制方式进行仿真、分析, OVTDM抗多径性能好、频谱利用率高, 是一种比较好的适用于空地高速传输的调制方式。
摘要：针对高速空地数据传输时由于地面反射产生信号衰落、引起码间干扰的问题, 阐述了空地数据传输的二径模型、信号衰落的模式及特点;在此基础上, 对QPSK、QAM和OVTDM 3种调制体制进行了分析;使用MATLAB对3种调制方式在二径模型下信号的码间干扰进行了仿真、比较, 并给出了一种2符号OVTDM的信号波形。仿真及分析结果表明, 2符号OVTDM的码间干扰和波形畸变小, 频谱利用率高, 性能优于QPSK和16QAM。
关键词：衰落信道,二径模型,QAM,OVTDM
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空地数据链系统 篇3
关键词：HLA,空地导弹,模拟训练,发射控制
0 引言
在现代战争中, 空地导弹往往发挥着决定性作用。例如在2011年发生的利比亚战争中, 多国部队利用空地导弹对卡扎菲政府军目标进行持续打击, 直接引导着战争局势的走向, 取得了显著效果。战时的高效完成任务, 取决于平时的大量训练。而在日常训练中, 空地导弹装备受费用、寿命、数量等因素制约, 难以快速提升战斗力。为了解决训练量与装备寿命等的矛盾, 可采用现代仿真技术开发出相应的模拟训练系统, 以较低的成本和较高的仿真度来满足空地导弹的日常训练需求[1]。
在当前仿真技术中, HLA以其良好的仿真应用的互操作性和仿真资源的可重用性已成为开发分布式仿真训练系统的首选方案, 是当前大型仿真训练系统的主要发展方向。据此本文采用基于HLA技术进行某型空地导弹模拟训练系统设计的开发研究。
1 高层体系结构HLA
高层体系结构HLA由美国国防部提出, 主要目的是促进仿真应用的互操作性和仿真资源的可重用性。HLA将实现某种特定仿真目的的仿真系统称为联邦。联邦由联邦对象模型、若干联邦成员和运行时间支撑系统RTI构成。
HLA显著的特点是通过RTI将仿真应用层同底层支撑环境功能分离开, 即将具体的仿真功能实现、仿真运行管理和底层传输三者分离, 隐蔽各自的实现细节, 从而使开发具有相对独立性, 同时实现应用系统的即插即用。因此, 利用RTI作为仿真支撑系统软件, 进行多领域建模及基于HLA的分布式协同仿真运行, 解决了空地导弹这样复杂系统综合仿真要求的仿真应用互操作性、可重用性、可扩展性和实时性等, 能够达到很好的效果。
2 仿真系统总体结构设计
仿真训练系统主要目的在于提供一个能够满足部队人员进行空地导弹模拟训练的仿真环境, 该系统基于HLA框架, 能够对各个部分进行相对独立的开发研究。系统以飞机、空地导弹和目标为仿真对象, 模拟导弹加载任务规划、飞机发射导弹、电视导引头开机并回传图像、识别并跟踪目标以及摧毁目标等过程。下面开始进行联邦设计。
2.1 设计联邦、确定联邦成员
联邦设计是在系统分析的基础上进行的, 并不需要将每一个仿真实体都作为一个联邦成员, 根据仿真的目的和应用, 每个联邦成员可以包含若干个仿真实体。据此系统可划分成以下几个联邦成员:仿真控制邦员、模型管理邦员、飞机邦员、空地导弹邦员、数据记录邦员以及视景仿真邦员等, 其主要组成如图1所示。
其中, 主要邦员所要完成的功能如下:
1) 模型管理邦员:负责制定仿真过程中的各种模型, 使得仿真以模型驱动的方式运行, 增加仿真的逼真程度, 提高模拟训练的效果。
2) 仿真控制邦员:负责推进仿真运行, 以及各联邦成员之间的同步控制。
3) 指控邦员:用户与系统的接口, 用户通过指控邦员进行模拟训练, 主要有航迹规划, 发射控制导弹, 控制导引头截获目标, 引导导弹打击目标等。
4) 飞机邦员:在模拟训练系统中用于模拟某型空地导弹系统的指挥控制枢纽, 规划导弹的航迹, 控制导弹的发射, 接收导弹回传的信息及视频信号。
5) 空地导弹邦员:模拟导弹的各种工作情况, 模拟导弹型号, 接收飞机邦员信息并反馈, 发送“导弹准备好”信息, 回传末制导视频, 识别目标并跟踪, 摧毁目标。
6) 视景仿真邦员:虚拟飞机座舱、战场环境、目标等。
2.2 系统FOM/SOM开发设计
联邦对象模型 (FOM) 和仿真对象模型 (SOM) 由仿真设计人员制定并颁布。设计对象类和交互类是FOM/SOM设计的最重要内容, 通过它们可实现联邦成员之间的信息交换和互操作。通过设计对象类和交互类, 从而确定各个联邦成员之间的数据流和控制流。系统根据功能需求, 设计了目标、导弹、飞机、环境、干扰和指挥等几个对象类, 控制仿真、指控信息、以及空地导弹四个交互类。对象类的基本属性、属性标识以及数据类型等具体如表1所示, 交互类的参数、参数标识以及数据类型等具体如表2所示。
2.3发布与订购
在HLA中, 系统通过每个邦员公布计划产生的对象类和交互类, 并订购感兴趣的对象类和交互类, 以此实现各个邦员之间的信息交换和互操作。模拟训练系统中各个邦员与对象类交互类的发布订购关系如表3所示:
3 系统实现
3.1 开发环境
系统采用Windows XP操作系统, 以协同仿真平台的高层建筑BH RTI 2.0软件为建模环境, 利用VC++6.0编程软件, 搭建一个集空地导弹通信指挥、发射控制、操作流程及系统教学为一体的仿真模拟训练平台。
3.2 仿真执行过程
仿真执行的具体步骤如下:
1) 仿真开始运行, 系统调用Initialize Federation () 初始化各个数据, 调用Fed.Create Federation () 创建空地导弹模拟训练系统联邦, 调用Fed.Join Federation () 使总控、指控、发控、导弹、数据记录等邦员加入联邦;
2) 系统调用Fed.Init RTI () 获取导弹、控制平台等对象类及其属性, 仿真控制、指控、发控、导弹等交互类及其参数的句柄值;
3) 调用Fed.Publish And Subscribe () 声明对象类、交互类以及各个邦员之间的发布/订购关系;
4) 调用Fed.Initialize Time Management () 声明本训练系统时间推进策略;
5) 调用Create Federation () 类下的派生类, 注册对象类;
6) 判断仿真是否结束, 如果条件不满足, 则进入循环, 继续仿真;如果满足条件, 则进入下一步骤;
7) 调用Fed.Resign Federation Execution () 和Fed.Destroy Federation Execution () 退出并注销联邦, 模拟训练仿真过程结束。
4 总结
本文首先简要讲述了高层体系结构HLA原理, 并重点研究了某型空地导弹模拟训练系统的具体设计开发过程。研究表明, 对模拟训练系统联邦的各个成员的定义及对象类、交互类的设计, 是整个系统设计实现的关键, 在整个设计中具有决定性作用。由于本系统基于HLA开发, 具有较高的兼容性及可扩展性, 可以在后续工作中继续进行空空导弹、火箭弹以及航空炸弹模块的开发, 也可以嵌入或者加载其它仿真训练系统, 构成庞大的仿真训练网络, 这对于未来空地导弹模拟训练系统的进一步开发设计具有一定的参考价值。
参考文献
[1]王利, 赵振南, 张亮.基于HLA的导弹仿真系统[J].信息技术, 2013 (6) :152-156.
[2]陈蕾, 姜允东.某型电视制导空地导弹仿真研究[J].系统仿真技术, 2012, 8 (3) :192-196.
空地数据链系统 篇4
高空的云有暖型云 (云内温度在0℃以上) 和冷型云 (云内温度在0℃以下) 。根据云的情况 (性质、高度、厚度、浓度、范围等) , 分别向云体播撒致冷剂 (如干冰等) 、结晶剂 (如碘化银等) 、吸湿剂 (食盐、尿素) 和水雾等, 以改变云滴的大小、分布和性质, 干扰云中气流, 加速其生长程, 达到降水之目的。对冷型云的人工增雨, 常常是播撒致冷剂和结晶剂, 增加云中冰晶浓度, 以弥补云中凝结核的不足, 达到降雨的目的, 对暖型云的人工增雨, 则通常是向云中播撒吸湿剂和水雾, 加强云中碰并, 促使云滴增大。人工增雨最理想的天气是作业区上空有水汽含量较丰富的积状云, 且云层较厚, 云顶高度在6 100~12 200 m之间, 地面有小于10 km/h的微风。
人工增雨的方法多种多样, 有高炮、火箭、气球播撒催化剂法, 有飞机播撒催化剂法, 还有地面烧烟法。飞机人工增雨作业是在适宜的云层条件下, 将催化粒子播入能使其核化、增长的云中, 经过冷雨和暖雨过程成为地面降水。要想取得好的增雨效果, 必须处理好作业区的确定、作业时机的选择、作业航线的设计等问题。
增雨飞机利用先进的空地信息传输系统进行空中和地面的通信指挥。有了这套系统, 在人影指挥中心的电脑显示屏幕上就能够实时监控到飞机的飞行轨迹, 工作人员通过雷达回波的显示, 判断容易降雨的区域, 通过语言传输系统直接指挥飞行员飞到哪里, 大大提高了作业指挥能力及作业效果。但是机载北斗天线需要飞机提供电源, 电源之间不能很好匹配。北斗地空通信指挥系统集作业航线设计、GPS跟踪定位、电子记录、数据传输及短信通讯等功能为一体, 可以叠加天气、卫星和新一代多普勒等资料。对该系统的功能、工作原理以及系统的应用、升级和存在的问题进行了详细分析。该系统实现了同时对多架作业飞机的实时监控和跟踪指挥, 强化了飞机人工增雨作业的分析和指挥技术, 提高了工作效率和作业效益。设计优良的机载用户机便携式电源是保障地空通信的基础条件[1,2,3]。
笔者通过反复实践, 成功设计了北斗机载用户机便携式电源, 本文旨在介绍增雨飞机北斗机载用户机便携式电源设计。
1 北斗定位通讯系统简介
1.1 北斗定位通讯系统组成
北斗定位系统是以我国的北斗卫星系统为基础, 利用北斗的定位、通信和授时三大功能, 整合移动通信和地理信息技术, 实现增雨飞机的GPS定位、地空通讯和飞机实时监控等功能的飞机增雨作业指挥系统。系统由北斗用户机、北斗管理机组成。
该产品是一款功能强大的北斗一代地面应用指挥终端。具有全方向高灵敏度信号捕捉能力、稳定高效率的信号发射能力, 实现对3颗北斗卫星6波束信号的实时跟踪处理。具有监视指挥调度等功能, 能实时将定位及导航信息在数字地图上进行标绘与监控, 支持历史信息查询、维护及导出等功能, 可实现对下属100个用户的指挥调度和多级分组组网功能。主机支持宽范围电源供电, 同时内置即充即用的高效大容量后备锂电池。设备安装方便, 适合在移动或固定指控中心内使用, 性能稳定可靠。图1为指挥型用户机的结构。指挥型用户机与便携计算机装载相应的系统软件及监控软件组成指挥监控中心系统。可以实时显示状态信息, 实现中心与下属用户以及下属用户间的通信, 完成指挥中心对下属用户的实时监控和指挥调度、信息管理功能。
北斗机载式用户机主要由主机、天线、显示控制器 (手柄) 、电池组件四大部分组成。本用户机所有接口及接头都具有防插反设计, 接反或误接都无法正常连接。图2为北斗机载式用户机组成。主机部分是整套用户机的心脏部分, 是用户机基带信号及信息处理的中心。供电电压9~32 V, 本用户机自带安全保护功能, 设备断开电源后具有内部数据掉电保护功能, 过流、过压、欠压或偶然极性接反时会自动保护设备。天线部分是用户机接收和发射信号的重要部件, 同时还兼顾了接收和发射信号的放大的工作。参数与设置如下:发射等效全向辐射功率15 d BW;发射和接收波束宽度, 水平方向为0~360°, 垂直方向为10~75°, 显示控制器 (手柄) 部分, 其作为用户机的人机交互接口, 是负责指令输入和信息输出的重要窗口;显示控制器屏幕的对比度以及背光显示参数可在菜单“8.显示功能设定中”进行设定;电池组件是用户机的备份电源, 是当车辆电源失效时的备用电源[4,5,6,7]。
1.2 北斗定位通讯系统主要功能
1.2.1 初始化参数、状态设定和整机监测功能。
开机自检和整机工作状况巡检, 在显示器上给出整机工作状况指示。设有初始化参数 (已知高程数据、天线高、坐标及坐标系选择等) 默认值和输入提示, 可方便更改。实时给出故障告警和功能状态提示 (信号失锁、信号被抑制、需换电池、设备故障类型等) 。
1.2.2 安全保护功能。
过流、过压、欠压或偶然极性反接时自动保护设备。设备断开电源后, 具有内部数据掉电保护功能。
1.2.3 数据接口功能 (RS-232接口) 。
通过数据接口接收外设输入的定位和通信申请等有关信息。通过数据接口向外设输出接收和发射的有关数据信息。
1.2.4 其他功能。
对响应波束的CRC和电源电量进行监测, 如果CRC出错或电源供电不足, 抑制信号入站, 给出相应的提示。用户机设有时钟 (年-月-日-时-分-秒) , 用系统出站信息进行校对。
1.3 北斗终端设备选型
北斗通讯系统在设计终端时, 依据设备的功能将终端设计为机载用户机 (双模) 和管理用户机2种。终端用户机具备定位、通讯和授时功能, 而管理型用户机则可以对隶属的所有的机载用户机终端进行通讯信息的监控。因此, 设计飞机增雨通讯系统时, 需要根据飞机端的容量进行科学的选型, 既满足需求, 又节约成本。
根据飞机增雨系统的特点, 飞机端配置机载型用户机 (双模) 。可以满足汉字80个/min (字符160个/min) 的通讯量, 可以满足GPS定位数据、机载温湿度数据、飞机飞行状态、文字通讯等信息的需求。
每个地面端对应1架飞机, 适合于分散指挥的模式。每个地面端可以和自己指挥的飞机之间实现点对点监控和通讯。管理型用户机可以同时对多架飞机和地面端进行消息群发, 可以接收所有用户机的信息。同时, 可以监控各个用户机之间的通信信息。为适应增雨作业飞机上震动大、温差大、电压不稳等相对条件恶劣的使用环境, 系统采用加固的笔记本计算机作为系统机载计算机配置。
2 北斗定位通讯系统在人影作业中的应用
2.1 北斗系统应用情况
目前, 甘肃省人工影响天气办公室的人工作业飞机为1架运-7型飞机, 起降机场设在兰州中川飞机增雨基地, 指挥部设在甘肃省人影业务中心。考虑到现中国北斗1号系统现已逐步在无人气象站、人工增雪推广等气象领域得到应用, 其优点是覆盖范围广、容量大、抗干扰强、安装维护简单、兼容性强。应用在作业飞机上, 使飞机作业时地面空中的相互联系更为简便、快捷, 极大地提高了飞机作业时通讯的现代化水平。因此, 决定采用基于北斗卫星的通信系统。系统采用中国北斗卫星进行1处地面和架空中作业飞机的通信 (不受距离限制) 。在作业飞机上安装工控机1台、北斗1号用户机1台、GPS接收机1台、空对地通信软件1套。空中飞机可以通过工控机实时采集GPS信息及温湿仪的数据存储, 可以按需定时把空中采集到的数据通过北斗1号用户机发送到地面指挥中心, 以方便地面指挥中心监控飞机作业时的路线;地面指挥中心安装北斗指挥机和中心服务软件通过加载雷达原始扫描数据和MICAPS云图和机上传送回的飞机位置及温湿信息进行分析, 通过短信方式向空中的作业飞机发送指令, 指挥其作业。地面服务软件可同时带有多个客户端, 客户端可以实时监控飞机轨迹和回放以前的轨迹功能。空中和地面可以通过短信方式进行文字通信。
2.2 系统实现的主要功能
2.2.1 实时作业轨迹显示。
主要应用在增雪作业飞机, 实现飞机的实时轨迹显示和实时通信指挥, 主要利用北斗的通信功能, 利用GPS进行实时定位, 由北斗系统回传信息, 在电子地图上显示飞机、车辆的实时轨迹并进行实时的短信互通, 实现大规模、大范围增雪作业飞机的实时调度指挥。
2.2.2 雷达原始数据体扫叠加。
通过调用雷达的原始数据, 进行解算, 并显示出PPI、CAPPI、RHI。其中, PPI、CAPPI要求显示其3个要素包括强度、速度、谱宽及3个要素在14个不同的仰角的具体信息;用不同的颜色在相应的位置标识出。当显示出PPI或CAPPI中的1个要素信息后, 同时可以查看RHI的信息。根据雷达的回波信息可以指挥飞机避开较强的回波, 以保证飞行机的安全。
2.2.3 航线设计。
根据天气情况、各地区缺水情况, 预报人员可以设计增雪飞机, 即将飞行的航线形成文档, 存档和上报航空管理部门。设计航线时, 可以根据情况修改航线, 同时上传给空中端, 空中端收到地面传送的航线时, 自动显示在空中端的电脑上, 监控作业中的飞机在空中飞行时是否按照设计的航线飞行。飞行作业完毕时, 自动生成1次作业记录。可以通过“历史回放”功能回放某一作业记录的数据 (包括轨迹、温湿等) , 按作业时间为文件名进行存储, 以方便查找。
3 北斗机载用户机便携式电源设计
3.1 电池组
选用便携式蓄电池, 同时可估算电池的容量, 诊断电池的健康状况。能对测试结果进行存储、查询等操作。还可以与PC机进行通讯, 利用功能强大的后台分析软件对数据进行操作分析处理, 为电池维护人员的后期维护提供依据。
3.2 充电电路
设计便携式充电器和便携式电源, 进行整体集成。便携式蓄电池检测仪可对蓄电池进行在线测量, 无需放电, 安全性高, 接线简单, 操作方便。解决了电池维护人员电池维护难度大和风险高的问题。充电电路采用桥式整流和滤波电路 (图3) 。
3.3 基本功能
可测量单体电池的电压、内阻, 连接条电阻、容量。通过故障报警及时发现电池运行故障。当所检测的内阻和电压超出设置的上限或低于下限时, 仪器进行声音和文字报警提示。功耗低, 充电电池供电, 屏幕显示供电电池电量, 可连续工作6 h。
4 结语
北斗地空通信指挥系统集作业航线设计、GPS跟踪定位、电子记录、数据传输及短信通讯等功能为一体, 可以叠加天气、卫星和新一代多普勒等资料, 笔者在此对该系统的功能、工作原理以及系统的应用、升级和存在的问题进行了详细分析。该系统实现了同时对多架作业飞机的实时监控和跟踪指挥, 强化了飞机人工增雨作业的分析和指挥技术, 提高了工作效率和作业效益。设计优良的机载用户机便携式电源是保障地空通信的基础条件。
参考文献
[1]张云平.河南省飞机人工影响天气空地数据传输系统的建设及应用[J].气象与环境科学, 2012 (4) :73-76.
[2]王小勇, 毛夏, 庄红波, 等.卫星通信在自动气象站数据传输中的应用[J].气象水文海洋仪器, 2009 (4) :91-94.
[3]陈农, 郑凯, 孙利民.黑龙江省飞机人工增雨空地传输系统业务化设计与研制[J].黑龙江气象, 2008 (2) :26-27.
[4]王文新, 王金民, 刘国进, 等.飞机人工增雪空地传输系统的研制及应用[J].科技创新导报, 2008 (6) :166-169.
[5]樊鹏, 陈保国, 郭强, 等.飞机人工增雨空地传输网络系统[J].气象科技, 2005 (3) :260-263.
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