分布式多机多信道自跟踪天线系统的制作方法

1.本发明属于遥测实时监控系统，具体涉及分布式多机多信道自跟踪天线系统。


背景技术：

2.遥测实时监控系统，是一种负责监测地面端和试验对象端两者间数据传输工作的系统，也是降低试验存在风险可能性、提高试验效率的重要设备。遥测实时监控系统由多个不同功能的软件组成，运行于遥测数据接收、数据存盘、实时处理等各个部分。系统由一个高效的局域网络连接，组织各部分之间的功能和数据流向，在实验过程中对目标进行各项工作参数的实时评估，为地面试验端提供准确、可靠的数据依据。在航空航天领域，这些远程监控被广泛应用于轨道卫星和其他航天器的发射过程中。随着航空航天技术的飞速发展，目前的遥测监控系统通常采用单目标顺序开展遥测任务，虽能满足针对单一遥测目标的遥测任务，但无法支持多目标并行遥测任务的开展。
3.现如今的航空航天遥测系统，pcm/fm 模式是各个国家使用最广泛的遥测系统模式之一。近年来随着遥测技术的迅猛发展，现有的调制模式信息传输容量不再满足于传统的遥测监控任务。现有的调制模式通常采用pcm/fm调制技术，该技术虽然在多符号检测、结合信道纠错码方面性能不断提升，但仍具有频谱性能限制的缺点。因此需要找到一种更为高效的波形调制方案。
4.对于大多数遥测系统，除调制技术外天线模块对系统的性能也有着重要的影响。目前我国机场的遥测系统，使用安装在楼顶的2.4m抛物面天线，在遥测过程中接收飞机起飞后的遥测信号并将收到的遥测数据送至塔台。目前这种天线作为主遥测存问题如下：当飞机静止和起降滑跑时，由于天线仰俯角问题及机场塔台高度高于天线，导致收到的遥测信号不理想。当飞机停留在机场时飞机之间间距过近、多架飞机间遥测信号相互干扰导致无法解调；地勤人员和工程车辆等外部因素也会对遥测信号造成干扰。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于：针对现有技术的不足，提出分布式多机多信道自跟踪天线系统。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：分布式多机多信道自跟踪天线系统，包括天线部分以及与其通信连接的通信部分；其中天线部分包括至少一个定向接收天线、至少一个耦合器，通信部分包括一台通信接收机、一台多选一开关、一台监测接收机、一台工控机；各定向天线分别用于一对一接收飞机发出的遥测数据信号，且各定向接收天线与各耦合器一对一相连，耦合器经其所连定向接收天线接收来自飞机的遥测数据信号、并对遥测数据信号分为两路遥测数据信号分别输出至通信接收机以及监测接收机：通信接收机接收来自耦合器其中一个输出端输出的遥测数据信号，并对遥测数据信号解调以及同步检测，获得该处理后的遥测数据信号，并将该遥测数据信号输出至多选一开关中多路侧输入
端；监测接收机接收来自耦合器另一个输出端输出的遥测数据信号，由监测接收机用于确定对应飞机所发出遥测数据信号的最优通道、并输出；所述多选一开关的单路侧输出端、监测接收机的输出端分别与工控机输入端相连，由工控机接收来自监测接收机输出的遥测数据信号并切换对应飞机遥测数据信号的通道至最优通道，用于传输数据时减少对信道质量的影响，并由工控机将来自多选一开关的调制和同步检测后数据输出至监控终端。
7.进一步地，前述的通信接收机包括jtag接口、数据缓存模块、以及与数据缓存背板分别相连的控制及接口fpga、fpga配置芯片、信号处理子卡、电源模块，所述jtag接口用于接收耦合器输出的遥测数据信号并将该遥测数据信号输出至控制及接口fpga，控制及接口fpga用于控制通信接收机的时序，其接收并输出该遥测数据信号至数据信号缓存模块，数据缓存背板将遥测数据信号输出至fpga配置芯片，所述fpga配置芯片将遥测数据信号以及内置fpga程序经数据缓存背板输出至信号处理子卡，信号处理子卡对遥测数据信号进行调制解调及放大滤波，获得调制解调滤波后的遥测数据信号，并输出至数据缓存背板，由数据缓存背板经控制及接口fpga输出至多选一开关。
8.进一步地，前述的信号处理子卡包括至fpga芯片、ad9361芯片、射频模块，且一个fpga芯片、一个ad9361芯片、一个射频模块顺序相连，并构成一组信号处理模块；fpga芯片作为信号处理子卡的输入端，接收来自fpga配置芯片输出遥测数据信号，对遥测数据信号进行调制解调，获得调制解调后的遥测数据信号，并输出至ad9361芯片，所述ad9361芯片对解调后的遥测数据信号进行下变频、正交解调，获得调制解调的遥测数据信号，并输出至射频模块，所述射频模块对调制解调的遥测数据信号进行放大滤波，获得调制解调滤波的遥测数据信号，并将调制解调滤波的遥测数据信号经ad9361芯片输出至fpga芯片，所述fpga芯片同时作为信号处理子卡的输出端，将调制解调滤波后的遥测数据信号输出至数据缓存背板。
9.进一步地，前述的fpga芯片包括fpga输入端口、以及与fpga输入端口顺序相连的数字滤波器组、接收模块、发射模块，且发射模块的输出端连接数字滤波器组的输入端，数字滤波器组的输出端作为fpga芯片的输出端；遥测数据信号由fpga输入端口输出至数字滤波器组，所述数字滤波器组对遥测信号滤波并输出滤波后的遥测数据至接收模块，接收模块对滤波后的遥测数据进行多路下变频、调制、组帧，获得调制后的遥测数据，之后输出调制后的遥测数据至发射模块，所述发射模块对调制后的遥测数据多路组帧、解调、上变频，获得解调后的遥测数据信号；并将解调后的遥测数据输出至数字滤波器组；fpga芯片还包括控制逻辑，用于控制信号处理子卡的时序逻辑。
10.进一步地，前述的通信接收机对遥测信号所执行的解调和同步检测方法包括如下步骤：步骤s101、对遥测数据信号进行信道编码、交织、预编码、组帧、波形成形，连续相位调制，获得调制后的遥测数据信号；步骤s102、对调制后的遥测数据信号加入大多普勒的awgn信道后进行载频估计和相位估计、匹配滤波、网格译码、去帧尾的操作，获得滤波后遥测数据信号；步骤s103、对滤波后遥测数据信号进行解交织和信道译码，获得调制解调滤波的遥测数据信号。
11.进一步地，前述的监测接收机对对应飞机所发出遥测数据信号的确定最优通道包
括如下步骤:步骤201、监测接收机的天线接收遥测数据信号，对该遥测数据信号进行阻抗匹配；步骤202、对经过阻抗匹配后的遥测数据信号经过衰减器降低信号电频，避免信号过载；步骤203、将降低信号电频后遥测数据依次经过至射频前端、a/d模数转换器、数字处理模块，获得处理后的数字信号并对不同信道质量的判断评估，并确定改数字信号对应的最优通道。
12.本发明采用以上技术方案，与现有技术相比的有益效果：1.通过使用分布式多机多信道自跟踪天线可以解决遥测数据信号的干扰问题，测得数据与主遥测系统的数据互补，测量的遥测数据更加精准。
13.2.在航天事业中，能够同时测量多架飞机的遥测信号，工作效率得到了极大提升。
14.3.使用分布式多机多信道自跟踪天线能够增强辐射功率的有效利用率，增强保密性，提高了接收到的遥测信号的效率。
附图说明
15.图1为系统组成示意图。
16.图2为定向接收天线。
17.图3为通信接收机对遥测信号所执行的解调和同步检测流程图。
18.图4为通信接收机组成图。
19.图5为fpga芯片示意图。
20.图6为fpga芯片实物图。
21.图7为信号处理子卡。
22.图8为本发明的工控机。
23.图9为本发明中的射频模块。
24.图10为本发明的多选一开关。
具体实施方式
25.为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
26.在本发明中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明性实施例。本发明的实施例不局限于附图所述。应当理解，本发明通过上面介绍的多种构思和实施例，以及下面详细描述的构思和实施方式中的任意一种来实现，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
27.如图1所示，分布式多机多信道自跟踪系统主要是由天线部分和通信部分两部分组成。其中天线部分包括至少一个定向接收天线、至少一个耦合器，通信部分包括一台通信接收机、一台多选一开关、一台监测接收机、一台工控机。飞机上的电子设备及各种传感器收集数据，飞机上的发射机发出数据信号，本系统天线部分负责接收飞机遥测数据，使用多个定向接收天线一对一连接停机场上不同的飞机，天线的安装位置需要不影响机场的正常
工作和安全秩序。各定向天线分别用于一对一接收飞机发出的遥测数据信号，且各定向接收天线与各耦合器一对一相连，耦合器经其所连定向接收天线接收来自飞机的遥测数据信号、并对遥测数据信号分为两路遥测数据信号分别输出至通信接收机以及监测接收机。通信接收机接收来自耦合器其中一个输出端输出的遥测数据信号，并对遥测数据信号解调以及同步检测，获得该处理后的遥测数据信号，并将该遥测数据信号输出至多选一开关中多路侧输入端；监测接收机接收来自耦合器另一个输出端输出的遥测数据信号，由监测接收机用于确定对应飞机所发出遥测数据信号的最优通道、并输出；多选一开关的单路侧输出端、监测接收机的输出端分别与工控机输入端相连，由工控机接收来自监测接收机输出的遥测数据信号并切换对应飞机遥测数据信号的通道至最优通道，用于传输数据时减少对信道质量的影响，并由工控机将来自多选一开关的调制和同步检测后数据输出至监控终端。监控终端通过对提取到的各种参数，判断评估不同信道的质量。在该系统中，天线端和接收机两端同时连接上光发射模块和光接收模块，采用光纤信号传输减少数据信号在传输过程中的流失。
28.如图2所示，天线部分，分布在机场一侧的多个定向接收天线，在地面近距离接收信号。定向天线是指在某一个方向或者某几个特定的方向上发射及接收电磁波特别强，而在其他方向上发射及接收电磁波为零几乎为零的一种天线。采用定向天线出于以下几点原因：1.能够增强电磁波的辐射能力2.能够增强抗干扰能力3.能够精确地对准信号源4.通过安装云台可以实现水平的和垂直的转动便于对飞机起飞降落的时候对遥测数据的补充。
29.通信接收机如图4所示，通信接收机主要是实现对遥测信号的解调，信道质量评估及信号到达时的同步检测。包括jtag接口、数据缓存模块、以及与数据缓存背板分别相连的控制及接口fpga、fpga配置芯片、信号处理子卡、电源模块构成的遥测检测模块，jtag接口用于接收耦合器输出的遥测数据信号并将该遥测数据信号输出至控制及接口fpga，控制及接口fpga用于控制通信接收机的时序，其接收并输出该遥测数据信号至数据信号缓存模块，数据缓存背板将遥测数据信号输出至fpga配置芯片，fpga配置芯片将遥测数据信号以及内置fpga程序经数据缓存背板输出至信号处理子卡，信号处理子卡对遥测数据信号进行调制解调及放大滤波，获得调制解调滤波后的遥测数据信号，并输出至数据缓存背板，由数据缓存背板经控制及接口fpga输出至多选一开关。
30.如图3所示，通信接收机对遥测信号所执行的解调和同步检测方法流程，包括如下步骤：步骤s101、对遥测数据信号进行信道编码、交织、预编码、组帧、波形成形，连续相位调制，获得调制后的遥测数据信号；步骤s102、对调制后的遥测数据信号加入大多普勒的awgn信道后进行载频估计和相位估计、匹配滤波、网格译码、去帧尾的操作，获得滤波后遥测数据信号；步骤s103、对滤波后遥测数据信号进行解交织和信道译码，获得调制解调滤波的遥测数据信号。
31.解调和同步监测后的数据通过光纤传入工控机中，将需要的数据提取出来显示在屏幕上，工作人员可以通过多种手段完成实时监测，控制终端追踪信号源等操作。遥测系统传输数据的时候使用的是inet帧结构，利用前导码自相关检测的方法确定前导码的开始位置，完成同步检测。
32.如图5所示，fpga芯片包括fpga输入端口、以及与fpga输入端口顺序相连的数字滤波器组、接收模块、发射模块，且发射模块的输出端连接数字滤波器组的输入端，数字滤波器组的输出端作为fpga芯片的输出端；遥测数据信号由fpga输入端口输出至数字滤波器组，所述数字滤波器组对遥测信号滤波并输出滤波后的遥测数据至接收模块，接收模块对滤波后的遥测数据进行多路下变频、调制、组帧，获得调制后的遥测数据，之后输出调制后的遥测数据至发射模块，所述发射模块对调制后的遥测数据多路组帧、解调、上变频，获得解调后的遥测数据信号；并将解调后的遥测数据输出至数字滤波器组；fpga芯片还包括控制逻辑，用于控制信号处理子卡的时序逻辑。图6所示为实施例中使用的fpga芯片实物图。
33.信号处理子卡如图7所示，包括至fpga芯片、ad9361芯片、射频模块，且一个fpga芯片、一个ad9361芯片、一个射频模块顺序相连，并构成一组信号处理模块；fpga芯片作为信号处理子卡的输入端，接收来自fpga配置芯片输出遥测数据信号，对遥测数据信号进行调制解调，获得调制解调后的遥测数据信号，并输出至ad9361芯片，所述ad9361芯片对解调后的遥测数据信号进行下变频、正交解调，获得调制解调的遥测数据信号，并输出至射频模块，所述射频模块对调制解调的遥测数据信号进行放大滤波，获得调制解调滤波的遥测数据信号，并将调制解调滤波的遥测数据信号经ad9361芯片输出至fpga芯片，所述fpga芯片同时作为信号处理子卡的输出端，将调制解调滤波后的遥测数据信号输出至数据缓存背板。
34.ad9361芯片为一种集成频率合成器，微处理器提供可配置数字接口。主要完成a/d的转换、下变频、正交解调等功能。
35.如图8，工控机的功能主要是对控制过程及接口fpga 、接收系统进行检测与控制。便携式的工控机具有以下几点的特征：1.兼备具有笔记本计算机的便携性及台式机的可扩展插卡性能。2.配合各种虚拟仪器卡或者自行设计的各类测试卡。3.采用双层设计。4.机箱配有紧固的所有板卡的防震压条，提高了系统的稳定性。5.可选择各种配件。
36.如图9所示，射频模块是一种利用光纤传输无线通信射频信号的设备，具有高带宽、高响应度、增益平坦、体积小等的特点。
37.如图10所示，多选一开关便于在传输数据信号时减少对信道质量的影响。
38.虽然本发明已以较佳实施例阐述如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。