升空平台（共3篇）
升空平台 篇1
摘要：为了解决山地、沙漠等各种特殊地域的无线通信问题,利用一种以小型气球或其他系留设备为搭载平台的UHF频段的有源转发器,部署在地面通信节点可视范围内合适的山顶或高地位置,位于山底或沙漠其他地域的多个通信节点依靠有源转发器实现电波的跨山与超视距传输,成为解决复杂山地条件下组网通信的有效解决方案,以满足复杂地域的应急通信或组网需要。
关键词：升空平台,转发器,时间分集
基于系留升空平台的宽带通信系统是升空平台通信系统的典型应用之一,与地面微波通信系统相比,它具有地形适应能力强、地域覆盖范围广、便于部署和机动作业等特点;与卫星通信系统比,除了具有路径损耗和通信延迟小、部署和回收方便、抗干扰能力强等特点外,还具有平台系统机动性能好、易于维护、布设方便快捷、研制成本低等特点,是除地面无线通信系统和卫星通信系统以外的又一重要的通信系统。
1系统设计
基于有源转发器的山区通信系统由空中有源转发器、多个地面通信节点、转发器载体(气球)等部分组成。有源转发器完成C波段电波的变频转发,具有轻便、长续航能力的特点。地面通信节点采用抗衰落时间分集技术,平滑气球随机漂移及遮挡所带来的电波衰落, 且具有组网通信功能。同时,地面通信节点具有控制空中有源转发器波道开关的功能,能够识别干扰,并对干扰进行屏蔽抑制。
本系统构成的空中转发组网通信系统具有工作时间长、覆盖面积大、能耗低、便于部署、机动性强的特点,从而解决各种复杂山体地形中的快速建链通信问题。该系统形成一个公共的、灵活的、可扩展平台,以有源中继站为中心,实现覆盖半径达15km的通信网络,用于满足在山区复杂地形条件下,地域之间的宽范围快速组网通信需求。
系统组成如图1所示,包括空中平台、地面通信设备和空中通信设备,其中空中通信设备主要由信道转发模块、空中交换模块和天线等组成;地面通信设备主要由微波设备、交换设备和天线等组成。
2主要技术
2.1时间分集抗多径技术
地面站散射通信设备采用“三单”体制——单天线、单发射机、 单接收机,该体制显著降低整个通信系统的设备成本,对近距离通信时采用微波模式,远距离时采用散射模式都具有良好的适用性。 时间分集技术可以克服单纯频率分集技术在信道出现带内平坦衰落时性能严重恶化的缺点[1],两种分集技术相结合,可以降低频谱占用宽度、在不降低信息传输速率情况下提高传播可靠度。
2.2抗频偏技术
散射信道存在严重的时间选择性衰落和频率选择性衰落[2],为解决信号的平稳传输,通常采用分集技术。收发设备的频率偏差对解调器性能有较大影响,通常的校频算法在衰落信道下往往存在较大误差,难以满足系统要求,因此散射通信设备通常使用频率稳定度和频率准确度都较高的恒温晶振或铷钟作为频率参考源,频率稳定度优于1×10-9。在设计中,有源转发器具有低功耗、体积受限等要求,频率参考源使用普通TCXO,频率稳定度在1×10-6量级,远不能满足现有散射通信设备对频率稳定度的要求。需要设计有效的衰落信道下频偏估计算法,以补偿有源转发器所引入的大频偏。
2.3气球载的小型化、低功耗转发器设计
设计具有体积小、重量轻和低功耗特点的气球载转发器。设计合理的变频及防干扰放大方案,应用射频芯片、多芯片组装以及微机电系统(MEMS)等技术,降低球载转发器的体积、重量和功耗将成为设计球载转发器的关键。
3主要应用
基于无系留升空平台的通信系统既可以实现覆盖半径达15km的通信网还可利用携带额外的中继组件的无人机升空平台作为网络中的地区节点,构建大容量、多用途的地-空、空-空基础通信平台,实现200Km半径范围内的互联互通以及几个地区间关键指挥控制信息的多跳中继及共享。该系统以无线传输和网络交换设备为核心,可满足以下需求:
(1)可提供平时和应急服务,能够快速部署和组网;
(2)具有强环境适应能力,可满足沙漠等恶劣环境的部署应用;
(3)支持单平台中继应用、多平台组网应用;
(4)支持话音、数据、视频、图像等综合业务接入、交换和转发,保证业务服务质量。
4结语
因此,基于系留升空平台无线通信系统技术,能够构建全维度和广域无缝覆盖的网络体系结构,对于解决应急条件下的实时移动宽带通信尤其是灾害应急图像传输进而最大限度发挥通信救援保障具有重要的意义。
参考文献
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[2]韩明钥,徐松毅,贾伟.LDPC码在对流层散射通信中的性能分析[J].无线电通信技术,2008(04).
升空平台 篇2
无人升空平台在电子信息装备试验中发挥着越来越重要的作用。在装备试验过程中任务设备所处环境的温湿度是一项重要的技术参数,影响着任务设备能否正常地进行工作。长期以来只能依靠地面的气象观测对其实施监测,无法对处在飞行状态的无人升空平台设备舱的温湿度进行实时而有效的监控,从而很难保证每次试验中所采集数据的有效性。
为了解决上述问题,本文设计了一种无人升空平台设备舱温湿度远程监控系统,由温湿度传感器对设备舱的温湿度进行测量经单片机计算处理并打包,通过通信模块经地空链路下传至地面指挥方舱,再经以太网传至指挥所。设备操作人员利用监控软件对设备舱的温湿度进行实时的监控,一旦设备舱的温湿度超出所许可的范围时,监控系统会发出报警信息提醒操作人员采取适当的措施,并自动调节舱内的温湿度至正常的范围之内,以确保所采集试验数据的有效性。
1 系统结构及总体设计
无人升空平台设备舱温湿度远程监控系统可分为机载和地面两部分,系统总体结构如图1所示。机载部分主要由电源模块、核心控制模块、温湿度传感器、数码管显示模块、键盘模块、温湿度调节系统及通信模块组成,地面部分由安装在地面指挥方舱和指挥所中的监控软件所构成。在本系统中,核心控制模块通过温湿度传感器实时采集并计算出无人升空平台设备舱的温湿度参数,通过数码管显示模块进行实时显示,将温湿度数据打包传送至通信模块,由通信模块通过地空链路下传至地面指挥方舱再经以太网将数据传送至指挥所,最终由操作人员在地面指挥方舱和指挥所通过地面监控软件对设备舱的温湿度参数进行实时的监控。
1.1 电源模块
电源模块为机载部分的核心控制模块、数码管显示模块、键盘模块、通信模块和温湿度调节系统的正常工作提供优质、稳定的电压。
1.2 核心控制模块
系统机载部分的核心控制模块采用STC89C52单片机。STC89C52单片机是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器,拥有灵巧的8位CPU和8 KB在系统可编程FLASH存储器,使得STC89C52可以为本系统的核心控制提供高灵活、超有效的解决方案[1,2,3]。
1.3 温湿度传感器
温湿度传感器主要负责采集设备舱实时变化的温湿度物理数据,并将其转换为电信号,传感器的性能直接决定了监控系统的精度、灵敏度和测量范围[4,5,6]。本系统采用1个SHT10数字温湿度传感器,其主要性能指标如下:湿度测量范围:0~100%RH;温度测量范围:-40~123.8℃;湿度测量精度:±4.5%RH;温度测量精度:±0.5℃;低功耗为80μW,满足系统的监控要求。
1.4 键盘模块
键盘模块为方便用户在地面联调时由设备操作人员手动设置设备舱的温湿度范围并实现系统自检、复位等功能。
1.5 数码管显示模块
数码管显示模块主要用于对设备舱的温湿度参数的显示,可以方便操作人员在对无人升空平台进行地面调试时,对温湿度进行实时的监视。该模块由驱动电路和数码管构成,驱动电路完成温湿度数据的锁存和数码管的段选和位选,数码管用于实现温湿度数据的实时显示。
1.6 通信模块
通信模块是核心控制模块与地空链路之间数据通信的接口,负责将核心控制模块打包发送来的温湿度数据传递至地空链路,还负责将地面监控软件的控制指令传递给核心控制模块。
1.7 温湿度调节系统[7,8,9]
当设备舱的温湿度超出设备操作人员预先设定的范围时温湿度调节系统在核心控制模块的控制下进行工作,自动将设备舱的温湿度调整为许可的范围,以确保任务设备在规定的温湿度条件下进行工作。
2 系统软件设计
2.1 机载核心控制模块软件设计
机载核心控制模块软件运行流程如图2所示,软件采用C语言编程实现各项功能。以STC89C52单片机为控制核心主要实现控制温湿度采集与处理、数码管显示、键盘输入、对温湿度调节系统进行控制以及将温湿度数据打包以便进行远程无线传输。一个完整的工作流程如下:当系统初始化后,核心控制模块读取由地空链路上传或由地面操作人员预先设置的温湿度参数范围,然后进行温度湿度参数测量,确认测量无误后计算温湿度值,并通过数码管进行实时显示。若设备舱的温湿度值超出地面操作人员所设定的范围,由核心控制模块发出指令启动温湿度调节系统实时调节设备舱的温湿度直至到所许可的范围之内。最后核心控制模块将所测量的设备舱温湿度值保存并发送至缓冲区,由通信模块将数据传递给地空链路再传输到地面指挥方舱。
2.2 地面监控软件设计
地面监控软件以LabVIEW为编程环境编写[10],监控计算机通过串口实时采集并以动态曲线的方式显示由地空链路下传的温湿度数据。一旦设备舱的温度或湿度值超出地面操作人员所设定的温湿度的范围时,监控软件中相应的报警灯会亮起,以提醒地面操作人员采取相应的措施,此时机载部分的温湿度调节系统在核心控制模块的控制下开始工作,自动调节设备舱内的温湿度直至到所许可的范围之内。该监控软件具有界面设计友好,操作简便的特点,软件设计界面如图3所示。
本系统利用LabVIEW提供的Web服务器技术,将地面指挥方舱VI程序前面板移植到指挥所计算机上,在指挥所计算机取得控制权后,操作人员就可以在指挥所对监控软件进行远程操作,从而实现试验指挥人员对无人升空平台设备舱温湿度参数信息的实时监控。
3 结语
本文设计了一个基于STC89C52单片机和LabVIEW的无人升空平台设备舱温湿度远程监控系统。该系统硬件组成简洁、紧凑,地面监控软件界面设计友好易操作。在装备试验过程中可实现对无人升空平台设备舱温湿度进行不间断的实时动态远程监控,有助于提高试验中所采集数据的有效性。
摘要：为了解决无法对无人升空平台设备舱温湿度进行实时监控的问题,采用STC89C52单片机为控制核心,以Lab VIEW为开发平台,提出了无人升空平台温湿度远程监控系统的设计方案。该系统可以对飞行任务过程中无人升空平台设备舱的温湿度进行实时的监控,当设备舱的温湿度超出所许可的范围时,系统会发出报警信息提醒操作员采取适当的措施,并能够自动调节舱内的温湿度,以保证舱内任务设备时刻处于良好的工作环境,确保试验中所采集数据的有效性。
关键词：LabVIEW,温湿度监控,无人升空平台,远程监控
参考文献
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升空平台 篇3
虚拟仿真训练是将虚拟显示、虚拟仿真、网络和信息技术与先进教育和训练理论相融合，通过营造一种逼真的“人工合成训练环境”，用于开展交互性的操作和训练，并能使训练人员产生一种身临其境的感受。它以安全、经济、可控、可多次重复、无风险、不受气候条件和场地空间限制，既能常规操作训练，又能培训处理各种事故(包括灾难性事故)的应变能力以及训练的高效率，高效益等独特优势，一直受到各国军方的高度重视。目前，虚拟仿真技术在军事领域的研究和应用比较先进的国家是美国、俄罗斯和西欧的一些国家。美国国防部“建模与仿真”M&S总计划的内容从开发用仿真到训练用仿真，从结构仿真、虚拟仿真到实物仿真，其中虚拟仿真涵盖了从主战坦克、导弹、战斗机、核潜艇到航母战斗群等一系列装备的仿真系统，已在士兵的训练中收到了很好的训练效果，形成了一套完整的模拟训练模式[1]。系留气球作为一种较为新型的航空器，以滞空时间长、覆盖范围广、侦察功能强、生存能力强和使用成本低等独有的优势受到了越来越多的关注，广泛应用于各个领域。然而，在系留气球的整个运行过程中，升空/回收操纵是一个风险性较大的过程，对主绞车操作员有着比较高的要求。为探索新的培训模式，提供更为先进、成本更低、效率更高的培训手段，本文基于仿真技术，采用模块化设计思想开发了系留气球升空/回收仿真训练系统。
1 训练系统功能
系留气球升空/回收训练仿真系统提供了以下四大功能[2]:
(1)模拟放飞场环境和系留气球实体特性的能力
系统能够模拟放飞场地形地貌、大气环境，也能够模拟系留气球实体的物理特性和升空/回收运动特性。
(2)仿真运行管理与训练效果评估能力
系统可实现运行状态信息显示与可视化、仿真过程的记录与再现，可对仿真过程进行实时监控，并能对模拟训练效果进行评估。
(3)模拟系留气球升空/回收系统工作过程及特情处置功能
包括模拟气球升空/回收基础操作、气球正常升空/回收操作、各种报警下的升空/回收规程以及特殊情况的处置等。
(4)较好的人机交互能力
系统实现了人在回路的系留气球升空/回收模拟训练，训练中可对训练系统的性能参数进行人工干预或修改，满足了系留气球主绞车操作员的训练需求。
2 训练系统组成
系留气球升空/回收仿真训练系统主要以Windows XP作为软件平台，以操作台和仿真计算机作为基本硬件结构来实现的。该仿真系统各模块之间构成见图1。
操作员通过仿真界面模拟指挥员指令对升空/回收训练软件系统进行启动，主要是进行一些升空/回收前的预设置，包括系统自检、通电和放飞场气象设置等。当训练开始时，操作人员操纵操作台上的电控手柄，产生操纵指令信息，实时传给升空/回收训练软件系统，仿真模型中的数字系留气球根据输入的电控手柄指令实时做出响应，以此来模拟真实环境下系留气球响应电控手柄输入的过程。仿真模型接收电控手柄输入的放缆、收揽行程等指令后，实时解算运动学和动力学方程得出系留气球位置、姿态等数据。视景驱动模块周期性从仿真模型获取数据并实时显示系留气球运行及场景运动的三维场景。操作员根据显示的放缆速度、升空高度、风速等相关数据和接收到的指挥员口令实时调整电控手柄的输入，保证系留气球按照预定任务要求进行运行，由此就构成了一个人机闭环的仿真训练系统。训练操作平台示意图如图2所示。
2.1 操作台
操作台是主绞车操作员的训练平台，采用真实件以构建与真实操作台一致的操作环境。操作员控制面板上可见的指示灯、开关、按钮和电控手柄，和它们的外观、尺寸、安装位置、指示标牌、功能及工作极限条件等与真实件一致;开关、按钮和电控手柄的操作方法、操纵特性、运动方向、力感及操纵响应与真实件一致，控制面板尺寸、布局、颜色与真实件一致。
2.2 仿真界面的设计
仿真界面的主要功能包括系留气球升空/回收训练开始前的升空/回收系统供电和自检、训练科目选择、环境参数设置以及参数显示等。根据以上功能，仿真界面的设计内容可分为五部分：
(1)训练开始前的系统通电和自检。训练开始前应对升空/回收系统进行通电检查和训练软件系统进行自检。通电检查是对操作台控制面板上指示灯状态的检测，是升空/回收系统工作的前提。自检为升空/回收训练软件系统的自检。
(2)训练科目选择。在训练开始前，通过对话框对当前的训练科目进行选择，包括基础操作、正常升空/回收操作、故障情况操作等选项。
(3)环境参数设置。环境参数设置主要是气象环境的设置，包括白天、黑夜、温度、风速以及加入风的时间等设置。
(4)缆绳张力、长度、气球姿态、缆绳收放速度以及风速的参数显示。各参数的显示画面、布局同实装软件相同。
(5)其他。包括音量调节、操作员信息等。
2.3 升空/回收训练软件系统
升空/回收训练软件系统是训练仿真系统的核心，其包括人机交互模块、视景驱动模块和仿真模型。
2.3.1 人机交互模块
人机交互模块的主要任务是通过虚拟界面完成软件与受训人员的交互，包括仿真训练控制、参数设置和训练总结管理：
(1)仿真训练控制
仿真训练控制用于训练过程控制，包括训练科目设置、重新设置、训练开始/停止、系统冻结/解冻、故障与处理、记录/重放等。
(2)仿真参数设置
主要包括系留气球运行参数的初始化、仿真时间和环境参数的设置。系统运行参数初始化包括系留气球的海拔高度、俯仰角角和滚转角的初始化设置。
(3)训练总结管理
完成受训人员各项参数操作的记录、保存、回放以及综合评价等功能。
2.3.2 视景驱动模块
视景驱动模块的主要任务是以声、光和三维视景动画的形式，直观的展现系留气球升空和回收操作过程中可能出现的各种地景、气象效果图像、气球的运行效果图以及各种声音，并通过显示装置显示给操作员，让操作员有身临其境的感觉。包括放飞场及气象条件建模、气球与锚泊车的建模、声音环境模拟和视景驱动。
(1)放飞场及气象条件建模
放飞场及气象条件建模分别采用了Multigen-Paradigm公司的Creator软件和Vega Prime软件。放飞场建模采用Creator建模工具，通过Creator提供的组件模块进行了三维放飞场的建模，包括放飞场的地形、地貌、空间、放飞场设施以及灯光等。通过Vegar Prime中LynX Prime的功能模块建立了具有白天和夜间的模式，具有云、雨雪、阴晴和昼夜等天气特征，用于复杂气象科目训练[4]。
(2)气球与锚泊车的建模
创建气球与锚泊车的三维模型几何表面不能过于精细，否则图形渲染负担过重，影响仿真的实时性。但模型也不能太粗糙，以免影响在外形上的逼真度。为了满足仿真训练系统的需要，利用三维软件Catia V5进行系留气球和锚泊车的几何建模。建立的气球和锚泊车模型在结构、外形等均与实装一致。在建模过程中，对模型进行了适当简化，并进行了材质、贴图处理。
(3)声音环境模拟
系留气球在升空/回收整个操作过程中的声音环境模拟包括环境噪音、指挥员下达指令音、操作员信息汇报音、设备和系统告警音等。声音环境模拟实现考虑了天气环境的特征，采用了数字式音响仿真方法。
其实现方法为：首先录制真实环境中的相关声音存储为声音文件，对于无法获得的声音文件，通过对相近的声音信号处理或者利用各种信号处理方法以及音效编辑软件生成，并建立声音文件库。然后在离线情况下根据真实升空/回收过程中各种声音的属性(包括频率、幅值、方位)对声音文件进行配置，再将配置好的声音文件存储为一个声音属性配置文件库。
在系统运行阶段，音响软件根据接收到气球当前的运行状态选择相应的声音播放，根据规则文件中保存的声音配置信息通过声卡设备进行声音播放[4]。
(4)视景驱动
利用Vega Prime提供的API函数进行编程驱动。该系统通过初始化Vega Prime并创建共享内存以及信号量、通过函数调用来创建三维模型和配置设置Vega系统等步骤来实现三维视景渲染驱动[5]。
2.3.3 仿真模型
仿真模型[6,7,8,9,10]用来完成系留气球的位置姿态计算和相关状态的解算，包括气球动力学模型、风场模型、故障模型和告警模型等。
(1)气球动力学模型
气球动力学模型是整个仿真训练系统的基础，为了创建一个接近于实装的模型，必须建立气球动力学模型。该仿真模型通过气球的几何布局、基本几何参数、质量、转动惯量、气动数据、氦气质量以及系留缆绳的相关参数等数据进行气球六自由度非线性运动方程的建立，完成气球位置和姿态的计算。
(2)风场(大气)模型
系留气球升空/回收运行受大气特性的变化影响较大，是一个不可忽略的重要因素。大气特性影响包括大气压力、温度的变化以及风的影响。为了较真实的模拟大气特性，根据系留气球的运行环境，建立了大气模型。
大气模型产生与标准ICAO大气模型对应的大气条件。模型支持温度和压力与标准大气条件的偏差，可以在三个高度上定义风的幅度和方向，在这些高度之间的风特性通过线性插值进行计算，在0～11 km高度范围内应用一个常值的温度梯度因子。仿真界面的环境参数项中可以对大气条件进行初始化，也可以在气球运行中进行大气条件的改变。
(3)故障模型
为了培养操作人员判断和处理事故的能力，训练系统针对实装系统在实际运行中可能出现的各种故障现象，进行了故障建模。故障建模时，按照真实操作逻辑进行故障模拟，确保故障指示、应急操作、故障排除的逻辑真实性，可以输出相应的故障原理，每一种故障对应一个训练任务。
(4)告警模型
音响警告系统通过音调向操作员提供警告和警戒音响告警。音响警告系统有一个测试开关以确保系统工作正常。
音响警告按时间先后顺序提供，但对于同时发生的音响警告，则按已编程的优先顺序发出。警告灯系统以告示灯的形式向操作员提供警告、警戒、提示和状态指示。告警分为在系统运行中直接产生和事先预设两种。
3 结论
系留气球升空/回收仿真训练系统的开发，取得了以下成果：
(1)系统具有良好的训练效果，在保障装备运行安全的基础上，提高了训练教学质量。
(2)系统有效解决了用户在实装训练中存在的损坏实装设备、缩短设备寿命周期、训练任务受限等问题，能大大消除系统在操作中的安全隐患，降低装备培训时间和训练费用。
(3)提高了装备保障训练工作的科学性和有效性，为浮空飞行器的训练提供了借鉴方法。
摘要：为了降低系留气球的使用风险,满足系留气球升空/回收主绞车操作员的训练需求,以仿真理论、计算机技术和自动控制原理为基础,结合训练系统的功能需求和组成特点,提出了训练系统的具体实现方案,并由此开发出一套交互式桌面型系留气球升空/回收训练系统。经测试,该系统能在预定的条件下完成预定的训练任务,具有训练的可重复性、无风险、不受气象条件限制和场地空间限制的特点,有效满足了用户的操作训练需要。
关键词：系留气球,升空/回收训练系统,虚拟仿真,操作训练
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