小型航天飛行器遙測技術(shù)發(fā)展*

張高舉，盛德衛(wèi)，李少俊

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

0 引言

遙測技術(shù)是對一定距離以外的被測對象進(jìn)行測量，并把測量結(jié)果發(fā)送到接收點(diǎn)的一種測量技術(shù)[1]。遙測系統(tǒng)是遙測技術(shù)的綜合體現(xiàn)，由檢測、采集、傳輸、記錄、處理及顯示等設(shè)備組成，覆蓋了航天飛行試驗(yàn)中的測試、傳輸和數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié)。遙測系統(tǒng)在航天飛行試驗(yàn)領(lǐng)域有著重要的作用和地位，是實(shí)現(xiàn)飛行器數(shù)據(jù)采集、記錄、遠(yuǎn)程傳輸、實(shí)時監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理的重要系統(tǒng)，是確保飛行安全、縮短研制周期必不可少的重要手段[2-3]。

1 遙測技術(shù)回顧

我國遙測技術(shù)從20世紀(jì)50年代末期開始起步，大致經(jīng)過了4個階段：引進(jìn)階段、仿制階段、獨(dú)立研制階段和提高發(fā)展階段[4-5]。

(1) 引進(jìn)階段。1958年我國航天飛行器試驗(yàn)靶場始建之初，由原蘇聯(lián)引進(jìn)的PTC-6等車載和固定式遙測系統(tǒng)。在蘇聯(lián)專家的指導(dǎo)下，我國第一代遙測技術(shù)人員用這些設(shè)備開創(chuàng)了我國的遙測事業(yè)。

(2) 仿制階段。從1959年蘇聯(lián)專家撤走之后，我國遙測技術(shù)人員在PTC-6的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，將設(shè)備的測量路數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展。

(3) 獨(dú)立研制階段。1964年大容量遙測系統(tǒng)設(shè)計開始到1986年S頻段遙測系統(tǒng)啟動為止的這段時間。

(4) 提高發(fā)展階段。在改革開放的大環(huán)境下，遙測技術(shù)在第4階段高速發(fā)展，采用IRIG標(biāo)準(zhǔn)推薦的標(biāo)準(zhǔn)S頻段射頻和調(diào)制體制，具有碼率高、數(shù)據(jù)流多的功能。

飛行器從研制到定型，經(jīng)歷若干次飛行試驗(yàn)，幾乎每次試驗(yàn)都需使用遙測系統(tǒng)，以獲取飛行器飛行過程中的特征參量，例如關(guān)于飛行器飛行性能，飛行器上設(shè)備工作狀態(tài)及性能等一系列參數(shù)，利用這些數(shù)據(jù)，可以評判試驗(yàn)結(jié)果[6]。航天遙測系統(tǒng)可分為飛行器遙測系統(tǒng)和地面遙測系統(tǒng)[7]，飛行器遙測系統(tǒng)主要由傳感器、采編器、發(fā)射機(jī)和發(fā)射天線組成，地面遙測系統(tǒng)主要由接收天線、接收機(jī)、分路解調(diào)器和數(shù)據(jù)處理顯示設(shè)備組成，航天遙測系統(tǒng)框圖如圖1所示。

小型航天飛行器遙測系統(tǒng)在原理上與其他遙測系統(tǒng)相同，但由于其任務(wù)與使用環(huán)境的特殊性，因而形成了自己的特點(diǎn)[8]：

(1) 遙測設(shè)備體積小，質(zhì)量輕

一般來講，小型航天飛行器本身體積都不大，對飛行器上遙測設(shè)備的體積、質(zhì)量、功耗等指標(biāo)要求極為嚴(yán)格，遙測設(shè)備在飛行器上其它設(shè)備之間的空隙中安裝。遙測設(shè)備是小型航天飛行器的附加設(shè)備，應(yīng)盡量避免因安裝遙測設(shè)備引起飛行器本身的質(zhì)量、質(zhì)心和轉(zhuǎn)動慣量的較大變化。

(2) 遙測系統(tǒng)快速反應(yīng)

為適應(yīng)小型航天飛行器試驗(yàn)的快速反應(yīng)要求，飛行器遙測系統(tǒng)需要快速完成遙測站的展開、自檢和系統(tǒng)本身狀態(tài)設(shè)置；需要快速完成飛行器射前關(guān)鍵參數(shù)的檢測，并及時上報數(shù)據(jù)處理結(jié)果；需要實(shí)時監(jiān)測飛行試驗(yàn)關(guān)鍵參數(shù)的數(shù)據(jù)和曲線；試驗(yàn)結(jié)束后要現(xiàn)場快速處理全部遙測數(shù)據(jù)，供總體和各分系統(tǒng)分析，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行快速、初步判斷。

(3) 遙測系統(tǒng)獨(dú)立性

遙測系統(tǒng)作為一種測量系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的工作獨(dú)立性，并自成體系。飛行器電氣系統(tǒng)工作時，遙測系統(tǒng)不論加電與否，都不影響小型航天飛行器其他設(shè)備的電氣特性和工作性能；反之，電氣系統(tǒng)不加電，遙測系統(tǒng)也可以進(jìn)行性能自檢。遙測設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)上也不影響其他設(shè)備的體積和結(jié)構(gòu)。

小型航天飛行器遙測技術(shù)經(jīng)過幾十年努力，取得了不小進(jìn)步和發(fā)展，結(jié)合軟件無線電技術(shù)，又迸發(fā)出新的活力，標(biāo)準(zhǔn)S頻段遙測系統(tǒng)，PCM-FM傳輸體制仍是國內(nèi)遙測主流，碼速率已提高至10 Mbit/s，數(shù)字化技術(shù)也使得遙測信號采集更加靈活多變，也易于計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，但作為小型航天飛行器飛行試驗(yàn)的特殊性，還存在一下幾方面問題：

1)航天飛行試驗(yàn)一般是科學(xué)工程驗(yàn)證試驗(yàn)，飛行試驗(yàn)會對試驗(yàn)參試設(shè)備造成破壞，飛行器上遙測設(shè)備一般作為一次性使用的測量設(shè)備，其成本代價太高；

2) 當(dāng)前單一遙測通道不能滿足飛行器測量需求時，需在飛行器上安裝多個遙測通道，會占用飛行器更多空間體積和研制成本；

3) 當(dāng)飛行器飛行距離超出遙測作用距離時，通常在飛行航道上多點(diǎn)布置遙測地面接收站，而遙測地面接收站研制成本一般在幾百萬至千萬之間，試驗(yàn)成本激增。

2 遙測需求變化

近些年，以導(dǎo)彈為主的小型航天飛行器技術(shù)發(fā)展有了新的變化，主要體現(xiàn)在幾個方面，制導(dǎo)精確化，空域高遠(yuǎn)化，信息網(wǎng)絡(luò)化，攻防一體化，環(huán)境復(fù)雜化。小型航天飛行器采用復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)，不斷拓展空域，向更高更遠(yuǎn)發(fā)展，向高速高機(jī)動發(fā)展，工作環(huán)境不斷惡化，復(fù)雜電磁環(huán)境要求等等。作為小型航天飛行器研制過程的重要測量手段，遙測技術(shù)也面臨新的挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1) 高碼率。復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)要求多種探測傳感器提供制導(dǎo)所需的制導(dǎo)原始信息，各種信息復(fù)雜多樣，相關(guān)控制參數(shù)也不斷增加，其中以紅外導(dǎo)引頭為代表的紅外圖像信息都是幾十Mbit/s甚至上百M(fèi)bit/s量級的數(shù)據(jù)，即使采取數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，仍大大超出現(xiàn)有遙測系統(tǒng)的傳輸帶寬。

(2) 多目標(biāo)。武器系統(tǒng)發(fā)展到新的歷史時期，單一功能的武器系統(tǒng)已不能滿足日益復(fù)雜的國防現(xiàn)代化需求。單一空域內(nèi)多種武器系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)，以無人機(jī)為代表的蜂群戰(zhàn)術(shù)均代表了先進(jìn)的軍事理念及手段，這些武器系統(tǒng)的研制對遙測系統(tǒng)提出新的需求[9]。

(3) 一體化。遙測設(shè)備小型化是遙測的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，隨著元器件、集成電路技術(shù)和軟件無線電技術(shù)的發(fā)展，使得以相近技術(shù)為基礎(chǔ)的各種彈上設(shè)備具備一體化設(shè)計的基礎(chǔ)，綜合其功能需求，求同存異進(jìn)行細(xì)化設(shè)計，形成新的一體化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計，例如遙測、遙控、外測一體化等。

(4) 遠(yuǎn)距離。擴(kuò)大作戰(zhàn)空域是提高防空效率，解決多次攔截、多目標(biāo)飽和襲擊的重要途徑，也是精簡裝備、簡化后勤供給、節(jié)省軍費(fèi)開支的重要方法，同時也是防御體系建設(shè)的重要技術(shù)指標(biāo)，因此在新的武器系統(tǒng)研制過程中，在有限的體積質(zhì)量約束下，需要實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的遙測距離。

3 遙測發(fā)展方向

隨著小型航天飛行器技術(shù)的發(fā)展，各種新型系統(tǒng)發(fā)展突飛猛進(jìn)，對飛行試驗(yàn)遙測提出了更高的要求，遙測參數(shù)種類的增多直接導(dǎo)致數(shù)據(jù)量的膨脹，空域的拓展也將傳統(tǒng)遙測由視距微波通信向超視距微波通信發(fā)展，同時由于用戶對使用、訓(xùn)練等系統(tǒng)效果評定和故障定位，將遙測技術(shù)應(yīng)用從系統(tǒng)研制向售后保障拓展。傳統(tǒng)遙測所能達(dá)到的數(shù)據(jù)量、作用距離、工作方式等都不能適應(yīng)新的要求，遙測技術(shù)需要突破關(guān)鍵技術(shù)，在以下幾個方面進(jìn)一步發(fā)展以滿足新形勢下的遙測需求：

(1) 新體制。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，國外在遙測新技術(shù)研究與應(yīng)用方面已取得了較大進(jìn)展，F(xiàn)QPSK(feher-patented QPSK是一種近似恒包絡(luò)調(diào)制方式)體制的頻譜效率為PCM-FM體制的2倍，多調(diào)制指數(shù)連續(xù)相位調(diào)制體制Multi-hCPM的頻譜效率為PCM-FM的3倍，正交頻分復(fù)用OFDM(orthogonal frequency dicision multiplexing)技術(shù)把信息通過多個子載波傳輸，抗衰落能力強(qiáng)，頻率利用率高，適合高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，新的?shù)字調(diào)制技術(shù)和新傳輸方式的應(yīng)用，將為飛行試驗(yàn)遙測開創(chuàng)一條新的技術(shù)途經(jīng)[10-11]。

(2) 新頻段。遙測從P頻段逐步發(fā)展至S頻段，在射頻與體制上采用了IRIG標(biāo)準(zhǔn)推薦的工作在2 200～2 300 MHz的PCM-FM體制，碼率最高從409.6 kbit/s～2 Mbit/s再到現(xiàn)在的10 Mbit/s。新型號對遙測傳輸信息量的要求激增，最高碼率提高到10 Mbit/s以上，提高碼率的方式主要是采用新的體制和升高工作頻段，因此遙測工作頻段從傳統(tǒng)的S向C,X頻段逐漸擴(kuò)展，甚至更高的Ku,Ka等頻段，頻段越高相應(yīng)可用傳輸帶寬也越寬[12]。

(3) 多目標(biāo)測量。向?qū)嵱没待R，多發(fā)齊射，多系統(tǒng)協(xié)同已成為一種常態(tài)，使用訓(xùn)練中需要同時對所有參演的系統(tǒng)進(jìn)行遙測，空中目標(biāo)多達(dá)數(shù)十個，諸如此類的使用需求，傳統(tǒng)的時分多址技術(shù)傳輸信息的時效性不強(qiáng)，頻分多址技術(shù)受頻段帶寬限制，目標(biāo)數(shù)量有限，因此需要向碼分多址技術(shù)轉(zhuǎn)變，或者采用其他復(fù)合傳輸體制例如直接序列擴(kuò)頻碼分多址(DS-CDMA)，設(shè)備復(fù)雜性低，內(nèi)在具有測距能力，抗干擾能力強(qiáng)，同時輔以提高頻段，擴(kuò)展遙測頻段帶寬等，以解決空中多目標(biāo)的通信需求，目前已有部分項(xiàng)目中進(jìn)行了嘗試。

(4) 中繼遙測技術(shù)。視距遙測可通過提高發(fā)射功率、采用MSD+TPC組合技術(shù)[13]、提高彈載天線和地面天線增益等手段，達(dá)到信道鏈路閉環(huán)；當(dāng)出現(xiàn)超視距遙測時，傳統(tǒng)模式是在飛行航道上多點(diǎn)接力遙測。我國目前在軌中繼衛(wèi)星有4顆(天鏈一號01星、02星、03星、04星)，其中04星與2017年3月完成在軌測試，用于替代01星的工作，天鏈二號衛(wèi)星也在研制中，可保證在軌道高度1 000～1 500 km范圍內(nèi)本飛行器有超過90%以上的測控覆蓋率，運(yùn)載火箭遙測已率先進(jìn)行中繼遙測技術(shù)研究應(yīng)用，因此，也需跟進(jìn)中繼遙測技術(shù)。飛行器測控系統(tǒng)圖如圖2所示，對多目標(biāo)測量、中繼遙測、協(xié)同通信、測控遙測一體化等提出新的需求。

(5) 微遙測技術(shù)?；谖⑾到y(tǒng)設(shè)計和一體化設(shè)計思想，采用數(shù)字SoC技術(shù)、射頻微組裝混合集成電路技術(shù)及軟件無線電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)功能模塊通用化設(shè)計，實(shí)現(xiàn)視頻功能、射頻功能一體化設(shè)計，實(shí)現(xiàn)信道收發(fā)共用一體化設(shè)計，實(shí)現(xiàn)信號采集處理與信號無線傳輸一體化設(shè)計，從而實(shí)現(xiàn)遙測、遙控、外測等一體化融合設(shè)計，使得遙測設(shè)備體積縮小50%左右，成本降低50%左右，同時積極跟蹤電路集成技術(shù)和元器件的發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)遙測模塊芯片化，形成真正的微遙測。微遙測技術(shù)及應(yīng)用如圖3,4所示。

通用可配置遙測技術(shù)：基于軟件無線電技術(shù)發(fā)展，將遙測信號采集、編碼功能與數(shù)字調(diào)制功能進(jìn)行融合設(shè)計，結(jié)合直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)，在共同的數(shù)字處理器電路平臺上，實(shí)現(xiàn)遙測碼率可配置、遙測幀格式可配置、遙測調(diào)制體制可配置、遙測全頻段(例如遙測S頻段)頻點(diǎn)可配置等，從而實(shí)現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場配置任務(wù)模式、形成通用遙測平臺，以滿足以用戶使用訓(xùn)練為代表的需現(xiàn)場配置的遙測任務(wù)模式需求。

(6) 新型天線技術(shù)。遙測天線是遙測系統(tǒng)中必不可少也是至關(guān)重要的部件，其性能的好壞直接關(guān)系到整個系統(tǒng)能否正常發(fā)揮其作用與功能，現(xiàn)場配置遙測模式的使用，遙測、遙控等一體化設(shè)計技術(shù)等都需要發(fā)展超寬帶遙測天線；遙測天線安裝在小型航天飛行器殼體外部，直接影響小型航天飛行器的氣動外形，因此遙測天線與艙體共形設(shè)計技術(shù)，與殼體結(jié)構(gòu)防、隔熱一體化設(shè)計技術(shù)也是近期一個熱點(diǎn)[14]；信道鏈路也對遙測天線增益要求不斷提高，可控天線陣列技術(shù)作為一個選項(xiàng)可有效增加天線定向發(fā)射增益。

(7) 新型遙測傳感器技術(shù)。遙測傳感器以電傳感器為主，主要實(shí)現(xiàn)溫度、噪聲、沖擊、振動、加速度等參數(shù)的測量。隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，電傳感器得到長足進(jìn)步，適應(yīng)大部分測量需求，但相對于遙測設(shè)備小型化要求還有差距。近幾年，新型傳感器技術(shù)蓬勃發(fā)展，以光纖技術(shù)為基礎(chǔ)，利用光的振幅、相位、波長等的變化可以實(shí)現(xiàn)聲場、電場、壓力、溫度、角速度、加速度等測量，而且具備抗電磁干擾、抗原子輻射、質(zhì)量輕、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)[15]，布拉格光纖光柵作為一種光纖傳感器，采用波長編碼，可以實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)的分布式測量。以溫度傳感器為例的方案設(shè)計原理框圖如圖5所示。

(8) 遙測數(shù)據(jù)處理技術(shù)。隨著遙測參數(shù)的種類增多和數(shù)量增加，對遙測數(shù)據(jù)處理技術(shù)的要求也越來越高。關(guān)鍵遙測數(shù)據(jù)正常與否作為飛行試驗(yàn)發(fā)射條件，甚至遙測數(shù)據(jù)參與飛行試驗(yàn)的全過程，作為安全控制、指揮大廳顯示等的數(shù)據(jù)源之一，遙測數(shù)據(jù)處理需要“邊飛行、邊監(jiān)控、邊處理、邊發(fā)送”，對紅外圖像實(shí)時播放，對重要性能參數(shù)曲線進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，對需要比較的參數(shù)進(jìn)行條圖對比，對關(guān)鍵狀態(tài)進(jìn)行“燈”狀指示，對脫靶等信息進(jìn)行實(shí)時處理、快速判斷，對外部所需信息進(jìn)行實(shí)時挑路轉(zhuǎn)發(fā)等功能需求，需要實(shí)現(xiàn)遙測數(shù)據(jù)的快速處理，自動判讀，甚至智能診斷，以支持試驗(yàn)指揮及時對試驗(yàn)進(jìn)程進(jìn)行決策。

國內(nèi)遙測設(shè)備研制生產(chǎn)廠家對multi-h CPM(多調(diào)制指數(shù)連續(xù)相位調(diào)制體制)體制、Ka等高頻段遙測設(shè)備、光纖傳感器等先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了研究、開發(fā)、試制和試用，但在形成產(chǎn)品方面和產(chǎn)品適用性方面還存在差距，例如multi-h CPM體制尚未形成標(biāo)準(zhǔn)，Ka頻段遙測系統(tǒng)在大動態(tài)自跟蹤方面還存在問題，光纖傳感器在信號解調(diào)部分小型化方面還不滿足小型航天飛行器使用需求。

4 結(jié)束語

目前的遙測技術(shù)處于快速發(fā)展階段，但在多目標(biāo)遙測系統(tǒng)中多使用FDMA技術(shù)，測量通道數(shù)量較少，尚未大規(guī)模開展類似“蜂群”目標(biāo)的遙測；在一些項(xiàng)目中采用了部分狀態(tài)可配置的遙測技術(shù)，無成熟平臺可借鑒；中繼遙測技術(shù)和新型傳感器技術(shù)尚處于探索階段，有使用需求，但尚無成熟設(shè)計和產(chǎn)品；微小遙測技術(shù)始終是遙測技術(shù)發(fā)展的一個重要方向，遙測數(shù)據(jù)處理技術(shù)獲得長足進(jìn)步，在自動判讀和智能診斷領(lǐng)域仍需加倍努力。

遙測系統(tǒng)是小型航天飛行器系統(tǒng)的重要組成部分，是系統(tǒng)研制的重要測量手段，本文簡要介紹了我國遙測技術(shù)發(fā)展歷程和小型航天飛行器遙測技術(shù)特點(diǎn)，以需求為牽引，通過小型航天飛行器發(fā)展趨勢分析，提出了遙測技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展方向，并對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了分析說明。