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飛行器通信鏈路關鍵技術 版權信息
- ISBN：9787030706799
- 條形碼：9787030706799 ; 978-7-03-070679-9
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
飛行器通信鏈路關鍵技術 內容簡介
通信鏈路是無人機和導彈等飛行器安全飛行、完成任務的重要保障和重要功能，是飛行器測控通信的熱點和難點技術之一。本書針對飛行器高效、可靠通信這個重要現實問題，凝練多年飛行器通信理論研究與工程實踐成果，首先探討飛行器通信鏈路總體設計問題，包括系統設計、信道分析、高速率/抗干擾通信體制等。然后逐項深入分析飛行器通信鏈路關鍵技術，包括高效調制解調、高動態同步、信道均衡等。主要內容包括飛行器通信鏈路概述、飛行器高速率通信體制、飛行器抗干擾通信體制、飛行器通信鏈高效調制解調技術、飛行器通信鏈路信號同步技術、飛行器通信鏈路自適應均衡技術。本書系統性、創新性強，既具有一定理論深度，又具備一定的工程實用價值。 本書可作為信息與通信工程、電子科學與技術等專業的高年級本科生及相關專業碩士研究生、博士研究生的教學用書或參考書，也可為測控通信、信號處理等領域的技術和科研人員提供參考。
飛行器通信鏈路關鍵技術 目錄
目錄Contents
前言
第1章 飛行器通信鏈路概述 1
1.1 飛行器通信鏈路需求 1
1.1.1 功能需求 1
1.1.2 性能需求 2
1.2 飛行器通信鏈路系統 4
1.2.1 系統構成 4
1.2.2 前向鏈路設計 7
1.2.3 返向鏈路設計 9
1.3 飛行器通信鏈路信道 11
1.3.1 信道對飛行器通信的影響 11
1.3.2 飛行器通信鏈路信道模型 13
第2章 飛行器高速率通信體制 19
2.1 高速率通信體制優選分析 19
2.1.1 OFDM 19
2.1.2 SCFDE 20
2.1.3 OFDM和SCFDE的對偶等價關系 21
2.2 基于SCFDE的飛行器通信鏈路系統設計 21
2.2.1 系統構成 21
2.2.2 典型指標 22
2.3 基于SCFDE的飛行器通信鏈路幀結構設計 23
2.3.1 特殊字的選取 23
2.3.2 幀格式設計 25
2.3.3 前導塊設計 25
2.3.4 數據塊設計 26
2.3.5 特殊字設計 27
2.4 基于SCFDE的飛行器通信鏈路頻域均衡設計 28
2.4.1 時頻混合域判決反饋均衡 28
2.4.2 基于RLS跟蹤算法的改進時頻混合域聯合判決反饋均衡 29
2.4.3 改進算法仿真 33
2.5 基于SCFDE的飛行器通信鏈路頻域均衡實現 35
2.5.1 FPGA實現結構 36
2.5.2 關鍵參數的FPGA優化實現 36
2.5.3 信道估計算法實現 37
2.5.4 頻域均衡算法實現 40
2.5.5 信道跟蹤算法實現 41
2.6 基于SCFDE的飛行器通信鏈路關鍵模塊測試 44
2.6.1 信道估計性能測試 44
2.6.2 系統誤碼率性能測試 47
第3章 飛行器抗干擾通信體制 48
3.1 抗干擾通信體制優選分析 48
3.1.1 多進制直接擴頻的由來 48
3.1.2 直接序列擴頻問題分析 48
3.1.3 多進制直接擴頻的基本原理 49
3.1.4 多進制直接擴頻與直接序列擴頻的比較 50
3.2 飛行器多進制直接擴頻通信鏈路系統模型 51
3.2.1 編碼模型 51
3.2.2 發送端模型 53
3.2.3 接收端模型 54
3.2.4 仿真分析 56
3.3 飛行器多進制直接擴頻通信鏈路快速捕獲技術 57
3.3.1 快捕概述 57
3.3.2 快捕建模 58
3.3.3 快捕方法 65
3.4 飛行器多進制直接擴頻通信鏈路關鍵模塊設計 85
3.4.1 系統指標設計 85
3.4.2 發送端設計 86
3.4.3 接收端設計 88
第4章 飛行器通信鏈路高效調制解調技術 96
4.1 通用調制解調技術 96
4.1.1 通用調制解調模型 96
4.1.2 通用調制技術實現 98
4.1.3 通用解調技術實現 103
4.2 QAM調制解調技術 111
4.2.1 QAM調制與解調基本原理 111
4.2.2 M元PSK與QAM錯誤概率分析 113
4.2.3 QAM實現 123
4.3 APSK調制解調技術 131
4.3.1 高階調制方式性能分析 131
4.3.2 APSK調制解調原理 140
4.3.3 APSK調制解調實現 141
第5章 飛行器通信鏈路信號同步技術 150
5.1 同步誤差對系統的影響 150
5.1.1 定時誤差對系統的影響 150
5.1.2 頻率誤差對系統的影響 151
5.2 時間同步 154
5.2.1 信號到達檢測 154
5.2.2 數據塊同步算法 159
5.2.3 位同步算法 166
5.3 頻率同步 179
5.3.1 頻偏捕獲方法 179
5.3.2 頻偏跟蹤算法 184
5.3.3 頻率同步方法抗多普勒頻偏性能分析 189
5.4 高動態同步 190
5.4.1 總體結構和流程 191
5.4.2 各分模塊設計 192
5.4.3 結果驗證 195
5.5 同步算法硬件實現與驗證 196
5.5.1 總體同步方案 196
5.5.2 信號檢測模塊 198
5.5.3 數據塊同步模塊 201
5.5.4 定時跟蹤模塊 204
5.5.5 頻偏估計模塊 209
第6章 飛行器通信鏈路自適應均衡技術 214
6.1 快速橫向濾波算法 214
6.1.1 基本FTF算法 214
6.1.2 穩定FTF算法 218
6.2 混合自適應均衡算法 219
6.2.1 FTF+DDLMS算法 219
6.2.2 FTF+CMA 222
6.2.3 FTF+CMA＋DDLMS算法 226
6.3 系統仿真驗證 227
參考文獻 232
前言
第1章 飛行器通信鏈路概述 1
1.1 飛行器通信鏈路需求 1
1.1.1 功能需求 1
1.1.2 性能需求 2
1.2 飛行器通信鏈路系統 4
1.2.1 系統構成 4
1.2.2 前向鏈路設計 7
1.2.3 返向鏈路設計 9
1.3 飛行器通信鏈路信道 11
1.3.1 信道對飛行器通信的影響 11
1.3.2 飛行器通信鏈路信道模型 13
第2章 飛行器高速率通信體制 19
2.1 高速率通信體制優選分析 19
2.1.1 OFDM 19
2.1.2 SCFDE 20
2.1.3 OFDM和SCFDE的對偶等價關系 21
2.2 基于SCFDE的飛行器通信鏈路系統設計 21
2.2.1 系統構成 21
2.2.2 典型指標 22
2.3 基于SCFDE的飛行器通信鏈路幀結構設計 23
2.3.1 特殊字的選取 23
2.3.2 幀格式設計 25
2.3.3 前導塊設計 25
2.3.4 數據塊設計 26
2.3.5 特殊字設計 27
2.4 基于SCFDE的飛行器通信鏈路頻域均衡設計 28
2.4.1 時頻混合域判決反饋均衡 28
2.4.2 基于RLS跟蹤算法的改進時頻混合域聯合判決反饋均衡 29
2.4.3 改進算法仿真 33
2.5 基于SCFDE的飛行器通信鏈路頻域均衡實現 35
2.5.1 FPGA實現結構 36
2.5.2 關鍵參數的FPGA優化實現 36
2.5.3 信道估計算法實現 37
2.5.4 頻域均衡算法實現 40
2.5.5 信道跟蹤算法實現 41
2.6 基于SCFDE的飛行器通信鏈路關鍵模塊測試 44
2.6.1 信道估計性能測試 44
2.6.2 系統誤碼率性能測試 47
第3章 飛行器抗干擾通信體制 48
3.1 抗干擾通信體制優選分析 48
3.1.1 多進制直接擴頻的由來 48
3.1.2 直接序列擴頻問題分析 48
3.1.3 多進制直接擴頻的基本原理 49
3.1.4 多進制直接擴頻與直接序列擴頻的比較 50
3.2 飛行器多進制直接擴頻通信鏈路系統模型 51
3.2.1 編碼模型 51
3.2.2 發送端模型 53
3.2.3 接收端模型 54
3.2.4 仿真分析 56
3.3 飛行器多進制直接擴頻通信鏈路快速捕獲技術 57
3.3.1 快捕概述 57
3.3.2 快捕建模 58
3.3.3 快捕方法 65
3.4 飛行器多進制直接擴頻通信鏈路關鍵模塊設計 85
3.4.1 系統指標設計 85
3.4.2 發送端設計 86
3.4.3 接收端設計 88
第4章 飛行器通信鏈路高效調制解調技術 96
4.1 通用調制解調技術 96
4.1.1 通用調制解調模型 96
4.1.2 通用調制技術實現 98
4.1.3 通用解調技術實現 103
4.2 QAM調制解調技術 111
4.2.1 QAM調制與解調基本原理 111
4.2.2 M元PSK與QAM錯誤概率分析 113
4.2.3 QAM實現 123
4.3 APSK調制解調技術 131
4.3.1 高階調制方式性能分析 131
4.3.2 APSK調制解調原理 140
4.3.3 APSK調制解調實現 141
第5章 飛行器通信鏈路信號同步技術 150
5.1 同步誤差對系統的影響 150
5.1.1 定時誤差對系統的影響 150
5.1.2 頻率誤差對系統的影響 151
5.2 時間同步 154
5.2.1 信號到達檢測 154
5.2.2 數據塊同步算法 159
5.2.3 位同步算法 166
5.3 頻率同步 179
5.3.1 頻偏捕獲方法 179
5.3.2 頻偏跟蹤算法 184
5.3.3 頻率同步方法抗多普勒頻偏性能分析 189
5.4 高動態同步 190
5.4.1 總體結構和流程 191
5.4.2 各分模塊設計 192
5.4.3 結果驗證 195
5.5 同步算法硬件實現與驗證 196
5.5.1 總體同步方案 196
5.5.2 信號檢測模塊 198
5.5.3 數據塊同步模塊 201
5.5.4 定時跟蹤模塊 204
5.5.5 頻偏估計模塊 209
第6章 飛行器通信鏈路自適應均衡技術 214
6.1 快速橫向濾波算法 214
6.1.1 基本FTF算法 214
6.1.2 穩定FTF算法 218
6.2 混合自適應均衡算法 219
6.2.1 FTF+DDLMS算法 219
6.2.2 FTF+CMA 222
6.2.3 FTF+CMA＋DDLMS算法 226
6.3 系統仿真驗證 227
參考文獻 232
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飛行器通信鏈路關鍵技術 節選
第1章 飛行器通信鏈路概述 1.1 飛行器通信鏈路需求 1.1.1 功能需求 無人機、飛艇、導彈等飛行器在軍、民諸多領域發揮著越來越重要的作用。按飛行器的飛行高度分類，包括飛行高度大于300km的航天器，如衛星、載人飛船、深空探測器、彈道導彈等；還有飛行高度為20～100km的臨近空間飛行器，如再入滑翔飛行器、高超聲速巡航導彈、浮空飛艇等；第三類是飛行高度低于18km航空器，如無人機、巡航導彈、火箭彈等。本書重點以無人機、巡航導彈等航空器為例探討飛行器通信鏈路關鍵技術問題。 飛行器與地面之間的無線通信鏈路是決定其能否完成任務的重要支持和保障。飛行器通信鏈路的傳輸內容主要包括四類： 遙控指令、航跡數據、遙測信息、載荷數據。 1. 遙控指令 遙控指令是指地面站利用前向通信鏈路將控制指令傳送到飛行器，控制其完成規定的動作，如控制飛行器改變飛行速度、方向調整、姿態調整、載荷開關機，等等。 2. 航跡數據 航跡數據是一組按時間點規定飛行器運動軌跡的數據，由地面站規劃生成并通過前向通信鏈路注入飛行器，使飛行器按照預定路線飛行。 3. 遙測信息 遙測信息是指對飛行器上的待測參數進行檢測，如飛行器的艙內溫度、壓力、濕度、電池電量、飛行速度、定位信息、飛行姿態、故障信息等，并將測量結果通過返向通信鏈路傳輸到地面站進行記錄、顯示和處理。遙測數據傳輸的目的是保證地面的飛行器操控、管控人員及時掌握飛行器的健康狀態、工作狀態、位置信息、姿態信息。 4. 載荷數據 在業內，載荷數據傳輸通常簡稱為“數傳”，通過返向通信鏈路傳輸。傳輸的內容通常包括遙感載荷的遙感圖像信息、環境載荷的環境監測信息，以及視頻聲音等音像信息。 1.1.2 性能需求 隨著戰場作戰樣式、工業生產方式、人們生活方式的變遷，飛行器的任務也發生著巨大的變化。軍用方面，飛行器作戰任務趨于多樣化、攻防對抗更加激烈、目標種類更加繁多、作戰空間日益廣闊；民用方面，飛行器已深入工業生產、搶險救災、通信服務、娛樂活動等方方面面，作業環境復雜多變，覆蓋區域愈發廣闊，飛行器數量與日俱增。這些任務需求使得地面與飛行器之間的通信距離不斷擴大、用戶節點數量不斷增加、通信數據速率不斷提升、飛行器機動性不斷提高、通信環境日益惡劣。這些發展趨勢對飛行器通信鏈路提出了更高的要求，具體表現在如下幾個方面。 （1） 多用戶需求。傳統的“單兵”作戰已不能滿足現代戰爭的要求，單一武器的打擊效果遠不如群體組成的體系聯合作戰效果好，多個武器系統鉸鏈、組網后形成的協同作戰和群擊應用更為有效。較多數量的飛行器可以通過組網形成機群編隊，利用暢通的信息共享機制和高效的協同運行策略提高整個編隊的任務成功率和效率。例如，無人機群編隊的地面站負責機群任務的預先或實時規劃與分配，使得整個機群編隊以協作的方式完成復雜戰場環境下的高概率突防、協同偵察、飽和攻擊等任務。 （2） 大容量需求。當前，場態勢感知、作戰決策、打擊實施、打擊效果評估等每一個作戰環節中對于作戰信息和數據交換等需求都出現了前所未有的增長趨勢，尤其是在群體、精確打擊模式下，對圖像、態勢等信息的傳輸容量提出了更高的要求，不僅要求飛行器獲取的高質量圖像能夠通過返向鏈路實時回傳地面站，輔助其完成決策，而且要求對面站將含有目標指示信息的圖像通過前向鏈路實時傳輸至飛行器，供其進行目標匹配、地形匹配、自主決策等。 （3） 抗干擾需求。日益惡劣的戰場環境對飛行器通信鏈路的抗干擾能力提出了越來越高的要求： 一方面，要求控制指令通過前向鏈路可靠地傳輸至飛行器；另一方面，也要求飛行器的重要狀態信息能夠通過返向鏈路可靠地回傳至地面站。需要從天線波束成形控制、通信體制優選與改進、工作模式和抗干擾策略優化等多個方面來提升飛行器通信終端抗干擾能力。當前，對于重要的控制指令和關鍵的用戶狀態信息，普遍采用擴頻通信這樣一種公認的抗干擾體制進行傳輸。然而，由于擴頻增益與數據速率之間的矛盾，擴頻傳輸會帶來一定帶寬條件下的數據速率受限問題。在較低的數據速率下，往往能夠獲得較高的擴頻因子，但在傳輸高質量圖像信息時，卻不能獲得足夠的抗干擾能力。因此，飛行器通信鏈路中的圖像傳輸一般不采用擴頻方式，而更多傾向于采用高效通信體制和高階調制方式。 （4） 資源分配靈活性需求。多樣、多變的戰場態勢和作戰任務帶來了飛行器編隊規模、群組模式、信息傳輸需求的多樣化。執行不同任務時，飛行器所需要的信道資源不同；每個飛行器在不同時間段需要通信的信息種類也有變化。一般來說，編隊中的主飛行器承擔著自主任務規劃、協同控制、信息采集、圖像傳輸等重要任務，需要申請較多的信道資源，以傳輸較大容量的信息。而其他從飛行器則只需占用較少的信道資源，用于傳輸控制指令和用戶狀態等低速信息。但是，主飛行器一旦被毀或失效，就需要其他某個從飛行器及時提升級別，接替主飛行器的任務，這就要求整個系統具備信道資源的動態、實時、靈活分配能力。另外，不同的信息種類往往采用不同的通信體制進行傳輸，例如，關鍵的指令、重要的狀態一般采用擴頻的方式傳輸，而圖像信息則普遍采用非擴頻方式傳輸，這些傳輸方式對信道資源的需求也是不同的。 （5） 高動態需求。未來戰場態勢復雜多變，要求各類作戰單元都具備快速反應和敏捷作戰能力，從而可靠地完成對時敏目標的遠程、快速、精確偵察或打擊。以高超聲速巡航導彈打擊敵方導彈機動發射陣地為例，一旦對方發射導彈，就可利用導彈預警衛星偵察的發射地點引導高超聲速巡航導彈，在其撤收之前完成打擊，以消除其二次打擊能力。當前，普通巡航導彈速度可達到亞聲速級，而高超聲速巡航導彈則可達Ma5甚至更高。例如，美國某高超聲速巡航導彈的飛行速度可達Ma5～8，飛行高度可達27km。根據巡航導彈的飛行特點，除了飛行速度，還需考慮一定的加速度。巡航導彈機動能力越強，彈載通信終端在高動態條件下精確、穩定同步的難度就越高。 1.2 飛行器通信鏈路系統 1.2.1 系統構成 以遙感無人機為例，飛行器通信鏈路系統構成和原理框圖分別如圖1.1和圖1.2所示，由機載通信設備和地面通信設備組成。機載通信設備包括前向接收設備和返向發射設備，其中機載前向接收設備包括遙控/航跡接收模塊、遙控/航跡接收天線，與地面的遙控器、遙控發射機、發射天線共同組成前向通信鏈路，用于遙控指令、航跡信息傳輸；機載返向發射設備包括圖像/遙測發射模塊、圖像/遙測發射天線，與攝像機、圖像處理模塊、機載各類傳感器、地面遙測接收機和接收天線、基帶信號解調器共同組成返向通信鏈路。通信射頻和數字處理電路的集成度越來越高，機載前向接收設備和返向發射設備可以采用一體化設計，共用一副天線。地面通信設備包括前向遙控/航跡發射通道、返向圖像/遙測接收通道、地面控制站等，集成了通信電路、主控計算機、鍵盤鼠標、顯示終端等模塊，提供人機操作界面，完成前向遙控指令及航跡規劃數據的控制與預處理，接收并顯示返向圖像/遙測通道的數據，實時存儲圖像/遙測數據，是全系統的操作和顯示終端。 圖1.1 飛行器通信鏈路系統構成 圖1.2 飛行器通信鏈路原理框圖LNA表示局域網；AGC表示自動增益控制 1. 機載通信設備 機載通信設備包括機載前向接收設備和機載返向發射設備。 1） 機載前向接收設備 機載前向接收設備包括遙控/航跡接收模塊、遙控/航跡接收天線。機載遙控/航跡接收天線接收地面的遙控/航跡發射機的射頻信號，傳送到機載遙控/航跡接收模塊，經高頻放大、混頻、自動增益控制、基帶解擴解調后輸出遙控指令數據流和航跡規劃數據流，傳送到導航制導與控制分系統完成遙控數據處理；機載遙控/航跡接收天線一般為螺旋圓極化全向天線，保證在任何飛行方向、姿態條件下均能穩定接收地面發射的遙控/航跡前向信號，可選擇安裝在機體前部。 2） 機載返向發射設備 機載返向發射設備包括圖像/遙測發射模塊、圖像/遙測發射天線。圖像/遙測發射模塊對機載任務設備獲得的圖像信號進行數據編碼壓縮，壓縮后的數據和導航制導與控制分系統送來的遙測信息進行復接，經調制和功率放大（簡稱攻放）后，由圖像/遙測發射天線發射至地面。圖像/遙測發射天線一般為螺旋圓極化全向天線，保證任何飛行方向、姿態條件下均能將返向信號發回地面站，可選擇安裝在機體垂尾上。 2. 地面通信設備 按照功能，地面通信設備可分為前向遙控/航跡發射通道和返向圖像/遙測接收通道及地面控制站。 1） 前向遙控/航跡發射通道 前向遙控發射通道由遙控器、地面監控站、遙控/航跡發射機和發射天線等鏈接而成。 （1） 遙控器。 遙控器是手控飛行指令及任務設備操作指令的生成器，通過電纜與地面控制站相連；遙控器發出的編碼控制指令接到地面控制站，地面控制站通過電纜連接地面遙控/航跡發射機模塊，將編碼控制指令通過前向擴頻信道發射出去，控制飛行器飛行或控制任務設備。除了分立式遙控器，也可以將遙控器和地面控制站集成為小型一體化設備。 （2） 遙控/航跡發射機。 遙控/航跡發射機模塊完成遙控信號的數字化采集、信道編碼、差分編碼、調制、功放，主要由基帶模塊、射頻調制模塊、功放模塊組成。遙控/航跡發射機一般結構獨立，通過電纜分別與天線和地面控制站連接。遙控/航跡發射天線可采用螺旋圓極化全向天線，保證無線信號覆蓋范圍，也可采用定向平板/八木天線，以提高無線信號發射增益，但定向天線增益不能設計得過高，因為會造成天線波束過窄，導致無人機飛出波束覆蓋區域。欲進一步提高鏈路增益，則需采用閉環跟蹤能力的天伺饋系統，通過高增益窄波束跟蹤的方式，*大限度地擴大作用距離，但系統的復雜度、成本會升高。 2） 返向圖像/遙測接收通道 返向圖像/遙測接收通道包括遙測接收天線、遙測接收機等，主要由高頻放大變頻模塊、基帶數字處理模塊、圖像解碼模塊、接口模塊組成，完成
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