地面遙測(cè)設(shè)備現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)分析

閆 巖，李 楊

(解放軍92941部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001)

0 引 言

遙測(cè)技術(shù)是相隔一定距離對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行測(cè)量，并把測(cè)量結(jié)果傳送到接收地點(diǎn)的一種測(cè)量技術(shù)[1]。遙測(cè)系統(tǒng)是遙測(cè)技術(shù)的綜合體現(xiàn)，而地面遙測(cè)系統(tǒng)作為航天遙測(cè)系統(tǒng)的組成部分,更是廣泛應(yīng)用于諸如飛航武器、火箭、衛(wèi)星等飛行器的測(cè)量和控制，覆蓋了航天飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、記錄以及飛行器各設(shè)備工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理，是確保航天飛行器飛行安全、性能穩(wěn)定的重要手段[2-3]。

1 遙測(cè)技術(shù)發(fā)展歷程

自20世紀(jì)50年代末至今,我國航天遙測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展主要經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段[4-5]:一是脈沖幅度調(diào)制(PAM)-調(diào)頻(FM)-FM體制引蘇仿制引進(jìn)階段；二是PAM-FM、脈沖幅度編碼調(diào)制(PACM)-FM體制大容量遙測(cè)系統(tǒng)的獨(dú)立研制階段；三是全脈沖編碼調(diào)制(PCM)體制、低速率數(shù)字化遙測(cè)系統(tǒng)的創(chuàng)新應(yīng)用階段；四是可編程、可擴(kuò)展，傳輸體制符合PCM遙測(cè)國際標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品已形成通用化、系列化、模塊化，碼速率可達(dá)2 Mb/s的提高發(fā)展階段；五是采用Turbo乘積碼(TPC)編碼技術(shù)，為適應(yīng)飛行器科學(xué)試驗(yàn)和鑒定的遙測(cè)測(cè)量高可靠性，碼率可達(dá)10 Mb/s的跨越發(fā)展階段。

圖1 航天遙測(cè)系統(tǒng)組成框圖

飛行器從研制到定型，要?dú)v經(jīng)多次飛行試驗(yàn)，而每次試驗(yàn)幾乎均需使用遙測(cè)技術(shù)，以獲取飛行器飛行中的特征參量，并利用獲取的數(shù)據(jù)評(píng)判飛行試驗(yàn)結(jié)果[6]。航天遙測(cè)系統(tǒng)可分為飛行器遙測(cè)系統(tǒng)和地面遙測(cè)系統(tǒng)。如圖1所示[3]，飛行器遙測(cè)系統(tǒng)主要由傳感器、采編器、發(fā)射機(jī)及發(fā)射天線組成，地面遙測(cè)系統(tǒng)主要由接收天線、接收機(jī)、分路解調(diào)器及數(shù)據(jù)處理顯示設(shè)備組成。

地面遙測(cè)系統(tǒng)在原理上與其他遙測(cè)系統(tǒng)相同，根據(jù)任務(wù)與使用環(huán)境的特殊性，具備以下使用特點(diǎn)[7-8]。

(1) 集成功能多

遙測(cè)設(shè)備集遙測(cè)、外測(cè)及安控等功能于一體，可以被動(dòng)接收飛行器發(fā)射的調(diào)制射頻信號(hào)，經(jīng)下變頻、副載波調(diào)制、基帶解調(diào)，還原出多路數(shù)字信號(hào)，進(jìn)而反映飛行器關(guān)鍵設(shè)備的參數(shù)、性能等工作狀況；可以采用遙測(cè)信道接收的衛(wèi)星定位和時(shí)間等信息，反映目標(biāo)在大地坐標(biāo)系的位置，取代傳統(tǒng)擴(kuò)頻外測(cè)定位，彌補(bǔ)雷達(dá)低空定位能力的不足；可以對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)自中心安控臺(tái)的安控指令進(jìn)行副載波調(diào)制、上變頻后，通過天線發(fā)射到受控目標(biāo)，目標(biāo)安控應(yīng)答機(jī)可解調(diào)出相應(yīng)指令，控制目標(biāo)的飛行狀態(tài)。

(2) 可靠性高，功能可擴(kuò)展

一般來講，遙測(cè)設(shè)備的最高碼率達(dá)10 Mb/s，可基本滿足航天飛行試驗(yàn)的需求，并且具有體積小、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、功能可擴(kuò)展、使用簡單方便等特點(diǎn)[5]。采用模塊化設(shè)計(jì)，以標(biāo)準(zhǔn)功能模塊配置為基本平臺(tái)，可根據(jù)科學(xué)試驗(yàn)需要靈活配置多種功能，傳輸頻點(diǎn)、幀格式、采集路序等可編程，可在線修改。

(3) 自動(dòng)化程度高，機(jī)動(dòng)靈活性好

遙測(cè)自跟蹤系統(tǒng)的跟蹤距離一般比雷達(dá)或光學(xué)測(cè)量設(shè)備的作用距離遠(yuǎn)，并且天線波束寬度較寬，可以更早發(fā)現(xiàn)并截獲目標(biāo)。當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入視線范圍內(nèi)時(shí)，接收天線可自動(dòng)搜索并捕獲目標(biāo)，以一定的跟蹤精度連續(xù)跟蹤目標(biāo)，以最大接收增益可靠、連續(xù)地接收遙測(cè)信號(hào)。當(dāng)目標(biāo)偏離預(yù)定飛行軌道，天線自跟蹤系統(tǒng)能在較大空域范圍內(nèi)搜索捕獲目標(biāo)并進(jìn)行跟蹤，獲得重要的遙測(cè)信號(hào)。同時(shí)天線口徑較大的遙測(cè)自跟蹤系統(tǒng)還具有較高的測(cè)角精度，必要時(shí)可作為外彈道測(cè)量的輔助數(shù)據(jù)來源。

當(dāng)前，伴隨軟件無線電技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程操控技術(shù)、信道編碼技術(shù)的逐步應(yīng)用[3]，航天遙測(cè)設(shè)備在幾十年間取得了高速的發(fā)展。此外，伴隨我國天鏈系列中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的建成和投入使用，以及基于二維相控陣技術(shù)的天基遙測(cè)設(shè)備的研制成功，也為遙測(cè)設(shè)備由傳統(tǒng)地基、?；蛱斓鼗惑w化發(fā)展，由單套設(shè)備跟蹤單個(gè)目標(biāo)向單套設(shè)備跟蹤多目標(biāo)的發(fā)展提供了參考。

2 遙測(cè)設(shè)備發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

近年來，標(biāo)準(zhǔn)S頻段，PCM-FM傳輸體制仍是航天遙測(cè)設(shè)備應(yīng)用主流[3,6,9]，但伴隨以飛航武器為主的飛行器逐步向復(fù)合制導(dǎo)、空域高遠(yuǎn)以及復(fù)雜電磁環(huán)境等方面的要求拓展，其發(fā)展也面臨著新的挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在以下幾方面。

2.1 發(fā)展受限于頻段資源有限

對(duì)于被國際遙測(cè)標(biāo)準(zhǔn)IRIG106推薦的S頻段(2 200～2 300 MHz)，標(biāo)準(zhǔn)帶寬為200 Mbit/s，并且高端100 Mbit/s已被3G、4G手機(jī)信號(hào)商用，剩余的100 Mbit/s僅能完成2～3個(gè)目標(biāo)的遙測(cè)用頻，而且此頻段受到的射頻干擾也越來越多，無法滿足多目標(biāo)遙測(cè)測(cè)量及抗干擾需求[9]。同時(shí)，伴隨復(fù)合制導(dǎo)類型武器的迅猛發(fā)展，被測(cè)參數(shù)的類型也將大幅增加，目前的10 Mb/s也將不能滿足未來需要，遙測(cè)系統(tǒng)也會(huì)向更高碼率發(fā)展，而碼率的提高主要是升高工作頻段和采取新的體制，因此遙測(cè)頻段向高頻段發(fā)展將是必然趨勢(shì)。

2.2 發(fā)展受限于低空作用距離

當(dāng)飛行器飛行距離超出遙測(cè)作用距離時(shí),一般會(huì)在飛行航道上多點(diǎn)布置遙測(cè)地面接收站,一般多為陸基、?；问?，受地理環(huán)境、飛行航道及地球曲率影響，其低空作用距離將受限于視距[10]。即便采用船載布站的方式，也要考慮船艇距離靶標(biāo)過近的隱患，必須要預(yù)先考慮測(cè)量的安全距離，但這樣便可能嚴(yán)重影響被測(cè)飛行器中靶段最后關(guān)鍵數(shù)據(jù)的獲取，不得不考慮其他手段來完成。因此適應(yīng)大航程、低空測(cè)量遙測(cè)設(shè)備的研制對(duì)遙測(cè)系統(tǒng)及其技術(shù)提出了新的要求。

2.3 發(fā)展受限于多目標(biāo)測(cè)量能力

伴隨多彈頭、多導(dǎo)彈、無人機(jī)群作戰(zhàn)等概念的提出和發(fā)展，單套設(shè)備跟蹤單個(gè)目標(biāo)已不能滿足日益復(fù)雜的國防現(xiàn)代化需求。依據(jù)飛行器試驗(yàn)航路，靠多臺(tái)遙測(cè)設(shè)備布站接力完成目標(biāo)的全程遙測(cè)測(cè)量也必將會(huì)增加試驗(yàn)成本[11]。那么應(yīng)用何種技術(shù)使遙測(cè)設(shè)備適應(yīng)未來單一空域內(nèi)多種武器系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的作戰(zhàn)需要？如何在試驗(yàn)環(huán)境條件和目標(biāo)特征日益變化的條件下提高遙測(cè)保障能力等問題都應(yīng)是裝備頂層設(shè)計(jì)者不應(yīng)忽視和回避的問題。

3 遙測(cè)設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 拓展高頻段

IRIG106標(biāo)準(zhǔn)推薦的S頻段資源在飛行器技術(shù)高速發(fā)展的情況下已越來越擁擠，而且此頻段存在的帶寬窄、頻率低等不利因素也會(huì)對(duì)飛行器遙測(cè)系統(tǒng)高數(shù)據(jù)量傳輸?shù)男枨螽a(chǎn)生影響，嚴(yán)重限制遙測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展。目前，以美國和法國為代表的國家已開展了C頻段遙測(cè)系統(tǒng)的研制和應(yīng)用(如圖2所示[12])，并相應(yīng)進(jìn)行了地面聯(lián)調(diào)、地面捕獲飛行及海面捕獲飛行等大量的試驗(yàn)工作。C頻段遙測(cè)設(shè)備已逐步走向工程應(yīng)用領(lǐng)域，IRIG106已正式將此頻段列入遙測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)頻段，其中的4.400～4.940 GHz頻段在遙測(cè)中的應(yīng)用已得到正式批準(zhǔn)[9,12]。因此，為實(shí)現(xiàn)更高碼率的可靠傳輸和高帶寬需求，遙測(cè)系統(tǒng)向更高頻段發(fā)展已成為必然，研制高頻段的地面遙測(cè)設(shè)備將成為后續(xù)發(fā)展趨勢(shì)。

圖2 國外C頻段遙測(cè)設(shè)備

3.2 探索新體制

遙測(cè)設(shè)備是典型的功率和頻率受限系統(tǒng)，為了在有限的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)高碼率的數(shù)據(jù)傳輸，要求調(diào)制體制應(yīng)具備更高的帶寬效率，即已調(diào)波功率譜主瓣要盡可能占有信號(hào)能量，且波瓣盡量窄，具有快速滾降特性；同時(shí)由于飛行器遙測(cè)發(fā)射機(jī)受安裝空間限制，功放通常工作在全飽和或接近飽和狀態(tài)，因此調(diào)制體制應(yīng)適應(yīng)非線性狀態(tài)發(fā)射機(jī)的要求；并且伴隨遙測(cè)系統(tǒng)碼率的逐步提高，PCM-FM體制占頻帶較寬、頻譜效率較低和交調(diào)干擾較嚴(yán)重的問題愈發(fā)凸顯，采用傳統(tǒng)的PCM-FM體制很難實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)遙測(cè)及數(shù)據(jù)的高碼率傳輸。如圖3所示，SOQPSK-TG、ARTM-CPM是IRIG106-106-15標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的2種新的遙測(cè)體制[6]，能提供恒包絡(luò)或近似包絡(luò)特性，并且具有和PCM-FM體制一樣的相位連續(xù)、幅度恒定的調(diào)制方式，相比較而言，該2種新的遙測(cè)體制頻譜利用效率顯著。

圖3 幾種調(diào)制體制信號(hào)頻譜對(duì)比圖

3.3 應(yīng)用新技術(shù)

多徑效應(yīng)輕則引起測(cè)量誤差，重則導(dǎo)致天線飛車，丟失目標(biāo)，嚴(yán)重影響遙測(cè)設(shè)備的低空測(cè)量需求[13]。在工程實(shí)踐上，就如何解決好低仰角跟蹤引起的跟蹤誤差問題，主要做了GPS定位數(shù)據(jù)引導(dǎo)、中心數(shù)據(jù)引導(dǎo)、偏軸跟蹤、單軸跟蹤和雙軸跟蹤等方法的嘗試[10]，前2種方法由于使用的局限性和約束性，并不能很好地解決問題。偏軸跟蹤技術(shù)是使天線主動(dòng)避開水平反射區(qū)以減小多徑干擾的技術(shù)，當(dāng)目標(biāo)與天線主波束的夾角接近臨界角時(shí)，天線仰角不再降低，而是指向臨界角。單軸跟蹤技術(shù)是在天線跟蹤目標(biāo)時(shí)，天線俯仰支路對(duì)誤差信號(hào)不處理，適用于對(duì)低空水平飛行目標(biāo)的跟蹤。綜合跟蹤在應(yīng)用自適應(yīng)數(shù)據(jù)融合算法的基礎(chǔ)上，利用測(cè)控網(wǎng)多信息源的優(yōu)勢(shì)對(duì)目標(biāo)的位置進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，可以提升對(duì)目標(biāo)跟蹤的穩(wěn)定性，在遙測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用具有很大潛力[10,14]。

3.4 功能一體化

伴隨武器系統(tǒng)與地面設(shè)備間需要進(jìn)行測(cè)控、通信、干擾、無源定位等進(jìn)一步的需求，未來飛行器將裝載更為復(fù)雜的電子系統(tǒng)[2]，大量獨(dú)立分布式測(cè)量單機(jī)要考慮設(shè)備間電磁兼容設(shè)計(jì)、互聯(lián)互通和擴(kuò)展性的需求，因此一個(gè)組成簡單高效、接入靈活、響應(yīng)速度快、安全可靠的天地一體化測(cè)控平臺(tái)是遙測(cè)設(shè)備的發(fā)展方向[9]。同時(shí)，伴隨C頻段相控陣天線和信號(hào)處理技術(shù)的成熟，可以通過改變天線陣元相位改變波束方向，通過天線電掃描和機(jī)械掃描的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)天線更大范圍內(nèi)的覆蓋。地面遙測(cè)設(shè)備可采用相控陣天線，對(duì)天線的若干陣元進(jìn)行分組，分別賦予遙測(cè)接收、通信和無源偵察、定位功能，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的遙測(cè)測(cè)量、彈地通信和武器抗干擾信號(hào)的監(jiān)測(cè)及定位，進(jìn)一步拓展遙測(cè)設(shè)備的功能。

4 結(jié)束語

本文通過總結(jié)梳理現(xiàn)階段地面遙測(cè)設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了遙測(cè)設(shè)備發(fā)展面臨的主要問題，并據(jù)此初步探討了航天遙測(cè)設(shè)備的發(fā)展方向，旨在對(duì)遙測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)研發(fā)提供參考。