基于系留氣球的測控系統(tǒng)研究

汪 洋1，趙伊寧2，李夢超，杜以林

(1.中國人民解放軍92941部隊(duì)44分隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001；2.北京航天飛行控制中心，北京 100091；3.北京機(jī)電工程研究所，北京 100074)

0 引言

當(dāng)前，對導(dǎo)彈動(dòng)目標(biāo)實(shí)施遙測任務(wù)的主要平臺有車載遙測站、遙測船以及遙測飛機(jī)等。采用車載遙測站和遙測船的方式，因受視距限制，作用距離較短，需布置多個(gè)遙測站才能滿足長距離的全程遙測任務(wù)，且保障設(shè)備需求較多，其難度較大；遙測飛機(jī)能夠通過升空解決視距影響，但此種情形帶來的問題是，飛機(jī)、飛機(jī)改造以及單次使用成本均較高，同時(shí)，飛機(jī)起降需要機(jī)場保障，且對天氣條件有一定要求，保障需求較高，并且遙測飛機(jī)接收到的數(shù)據(jù)不能實(shí)時(shí)處理，時(shí)效性較差。

系留氣球是一種自身不帶動(dòng)力，依靠浮力升空的浮空飛行器，是近些年研究和應(yīng)用較多的平臺形式，其具備的特點(diǎn)為：第一，滯空時(shí)間長，大型系留氣球可連續(xù)滯空30天以上；第二，系統(tǒng)覆蓋范圍大，一般系留氣球部署高度可達(dá)4 km以上，系統(tǒng)覆蓋范圍可達(dá)200 km以上，美國JLENS系統(tǒng)探測距離為550 km，俄羅斯美洲豹探測距離超過700 km；第三，載荷能力強(qiáng)，理論上其搭載的任務(wù)載荷沒有尺寸限制；第四，生存能力強(qiáng)，系留氣球的球體結(jié)構(gòu)材料，一般具有很好的透波性，在受到炮火飽和攻擊后，獲得足夠的回收和維修時(shí)間；第五，費(fèi)效比較高，載荷1噸的系留氣球產(chǎn)品，留空一天僅需花費(fèi)3 000～4 000元；第六，系統(tǒng)要求低，可以采用系留纜繩實(shí)現(xiàn)電源、信號與信息的雙向傳遞。在美國，系留氣球的應(yīng)用已經(jīng)覆蓋軍用及民用的各個(gè)領(lǐng)域，2017年，美國TALONS系統(tǒng)首次在海軍現(xiàn)役艦船上開展試驗(yàn)，該系統(tǒng)為一款翼傘系統(tǒng)，由海事應(yīng)用物力公司研發(fā)，具有低成本、完全自動(dòng)化的特點(diǎn)，可攜帶重量不超過68 kg的情報(bào)、監(jiān)視、偵查和通信載荷，達(dá)到150 m～450 m的飛行高度。因此，采用系留氣球構(gòu)建遙測站，一方面可以通過升空解決視距問題，另一方面，由于充分利用系留氣球的系留纜繩特點(diǎn)，可以比較簡單地構(gòu)建測控系統(tǒng)，是一種值得研究開發(fā)的新型平臺。

本文第一部分簡要介紹提出基于系留氣球的測控系統(tǒng)技術(shù)的背景，并簡要分析了該技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)；第二部分對組成該系統(tǒng)的球體結(jié)構(gòu)、系留纜繩、任務(wù)載荷、錨泊平臺、地面控制系統(tǒng)的五部分進(jìn)行簡要介紹；第三部分對該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)技術(shù)、相控陣與天線罩一體化設(shè)計(jì)技術(shù)、微系統(tǒng)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了初步分析，并簡要給出了解決思路。

1 基于系留氣球的測控系統(tǒng)組成

系留氣球載測控系統(tǒng)主要由球體結(jié)構(gòu)、系留纜繩、任務(wù)載荷、錨泊平臺、地面控制系統(tǒng)五大部分組成，示意圖如圖1所示。

圖1 基于系留氣球的測控系統(tǒng)示意圖

以下分別對五個(gè)部分進(jìn)行簡要介紹。

1.1 球體結(jié)構(gòu)

承載平臺所使用的系留氣球的外形一般可為水滴或紡錘形。但系留氣球存在一定的限制性，其本身不具有動(dòng)力，同時(shí)有不具有操縱面，這些限制性需要系動(dòng)氣球擁有氣動(dòng)穩(wěn)定性。系留氣球具有三層結(jié)構(gòu)，分別是連接層、承力層和阻氦層。氣球的囊體材料由多層播磨和織物粘合組成。

系留氣球的結(jié)構(gòu)可以分為四個(gè)部分，頭錐構(gòu)成了氣球的前部，氦氣囊和空氣囊兩個(gè)氣囊組成了氣球的中部，充氣尾翼構(gòu)成了氣球的后端，氣球的下部安裝整流罩，整流罩也被稱為防風(fēng)罩。充氣的尾翼的布局通常為十字形或者倒Y字形，這兩種形式的布局，都可以對加強(qiáng)系留氣球的穩(wěn)定性。當(dāng)前，國外對系留氣球的尾翼通常采用倒Y字形結(jié)構(gòu)布局，這樣會(huì)在保證其穩(wěn)定性的情況下，增強(qiáng)其可操作性和工程穩(wěn)定性。

1.2 系留纜繩

系纜纜繩包括多個(gè)側(cè)系纜和一個(gè)主系纜，側(cè)系纜分成多股，將力分散在球體側(cè)面；主系纜連接在球體的主節(jié)點(diǎn)上，從而保證在載荷重量改變時(shí)不會(huì)影響系留氣球仰角。多個(gè)側(cè)線纜也可以為載荷提供安裝空間；主系纜為復(fù)合纜，集成了承力纜(一般為復(fù)合材料織物如芳綸)、供電纜(一般為高壓)和通信纜(可以是電纜或光纜)，一方面可以提供拉力約束球體，另一方面為氣球設(shè)備載荷提供能源，并實(shí)現(xiàn)控制指令的上傳和載荷數(shù)據(jù)的下傳。

1.3 任務(wù)載荷

載荷安裝在球體腹部，由以下主要部分組成：

1)任務(wù)載荷控制器。任務(wù)載荷控制器用于接收、響應(yīng)地面控制系統(tǒng)發(fā)出的控制指令，并對球上設(shè)備的工作狀態(tài)的進(jìn)行控制。

2)二次電源模塊。二次電源模塊負(fù)責(zé)將通過系留纜繩提供的電源轉(zhuǎn)換成任務(wù)載荷各個(gè)模塊所需要的電源，并符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電源品質(zhì)。

3)環(huán)境和狀態(tài)感知模塊。環(huán)境和狀態(tài)感知模塊包含環(huán)境參數(shù)傳感器和組合導(dǎo)航設(shè)備兩大部分，其中環(huán)境參數(shù)傳感器能夠?qū)⑷蝿?wù)載荷處的溫度、電壓等環(huán)境參數(shù)送給任務(wù)載荷控制器，慣導(dǎo)衛(wèi)星組合導(dǎo)航設(shè)備通過慣導(dǎo)衛(wèi)星組合導(dǎo)航設(shè)備，可獲取載荷的位置、姿態(tài)以及時(shí)間信息，并通過衛(wèi)星信息，及時(shí)修正位置及姿態(tài)誤差。

4)數(shù)據(jù)傳輸模塊。該模塊在任務(wù)載荷控制器的綜合控制下，一方面負(fù)責(zé)接收由地面提供的指令信息，另一方面將采集到的遙測信息進(jìn)行回傳。

5)遙測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)是任務(wù)載荷的主體部分，采用相控陣天線和一體化綜合射頻系統(tǒng)組成，一體化綜合射頻系統(tǒng)一方面接收相控陣天線接收的遙測射頻信號，進(jìn)行濾波、放大，下變頻至中頻后采樣，將采樣后的數(shù)字信號送入DBF和信號處理設(shè)備，在數(shù)字域進(jìn)行數(shù)字波束成形和極化合成及解調(diào)調(diào)制等信號處理，然后送至數(shù)據(jù)傳輸模塊，由數(shù)據(jù)傳輸模塊傳遞至地面控制系統(tǒng)。

1.4 錨泊平臺

錨泊平臺是球載測控接收站系統(tǒng)的操控平臺，一般有陣地式、車載式和艦載式三種，錨泊平臺的主要作用是確保系留氣球能夠安全可靠地升空和回收，并在指定的高度上正常工作，當(dāng)氣球在地面系留時(shí)，能夠方便地對氣球及球上設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和修理。

大型系留氣球所使用的錨泊平臺一般是陣地式的錨泊平臺，其通常的組成部分有：圓形導(dǎo)軌、機(jī)械轉(zhuǎn)臺、旋轉(zhuǎn)基座、系留塔、水平橫梁、防護(hù)艙和控制艙、絞盤等。車載式錨泊平臺組成部分有：系留塔、水平支臂、絞盤、控制艙和半掛車等。該平臺一般稱為錨泊車，適用小型系留氣球。艦載式錨泊平臺通常，在艦艇的后甲板的左右兩側(cè)分別安裝了單條導(dǎo)軌，兩條導(dǎo)軌之間存在一定距離，導(dǎo)軌的上架有可以前后移動(dòng)的滑架，滑架允許360°旋轉(zhuǎn)，同時(shí)系留系統(tǒng)固定在滑架上。在構(gòu)建基于系留氣球的測控系統(tǒng)時(shí)，可以根據(jù)任務(wù)特點(diǎn)分別應(yīng)用三種錨泊平臺于不同的場景。

1.5 地面控制系統(tǒng)

地面控制中心包括遙控、遙測和指揮系統(tǒng)。地面控制中心將用來檢測，同時(shí)控制氣球上的通信設(shè)備設(shè)施。其不僅可以完成連續(xù)監(jiān)測升空氣球的各項(xiàng)工作數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，比如升空高度、風(fēng)速、溫度、氣球姿態(tài)、供電狀態(tài)等，還能完成遙測數(shù)據(jù)的分析與處理。

2 基于系留氣球的測控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

基于系留氣球的測控系統(tǒng)是一種新的測控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)時(shí)需要解決系留氣球設(shè)計(jì)和載荷設(shè)計(jì)中的若干關(guān)鍵技術(shù)，以下給出幾個(gè)核心關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)技術(shù)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)解決系留氣球設(shè)計(jì)和選型問題，是該測控系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)根據(jù)作用距離確定氣球升空高度，并根據(jù)升空高度和載荷能力需求約束，確定系留氣球的種類和尺寸，從而支撐完成系留氣球的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1)升空高度的設(shè)計(jì)。

系留氣球需要根據(jù)需求合理設(shè)置聲控的高度以盡可能降低系統(tǒng)對系留氣球的要求。由于測控系統(tǒng)使用微波通信，工作于微波視距，該視距存在兩個(gè)制約條件：無線電視距和鏈路電平。無線電視線距離指兩個(gè)天線之間保持無障礙通信的最大通信距離，該距離與地球曲率、大氣折射、地面反射、氣候、地形等諸多因素有關(guān)。根據(jù)以往來自測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)和得出的結(jié)論，數(shù)學(xué)模型可以簡化為只用地球曲率計(jì)算的幾何視線距離作為無線電視距。僅使用地球曲率計(jì)算的視線距離公式為：

(1)

式中，h1、h2為天線高度，單位m；R為視線距離，單位km。根據(jù)公式可以得到目標(biāo)與測控站無線電視距和目標(biāo)飛行高度的關(guān)系，根據(jù)此公式，在確定測控目標(biāo)的飛行包絡(luò)后，可以確定出最小視距，從而可以確定氣球升空高度。

2)載荷能力約束。

測控系統(tǒng)分析時(shí)，作用距離公式一般可以采用如下公示進(jìn)行：

(2)

在確定升空高度、載荷能力等重要參數(shù)后，可以完成系留氣球的選型與設(shè)計(jì)。

2.2 微系統(tǒng)射頻集成技術(shù)

根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)需求，載荷部分具備將前端(導(dǎo)彈、飛行器)遙測信號接收并將采集到遙測數(shù)據(jù)下傳到地面測控站和將地面指令發(fā)送到導(dǎo)彈、飛行器實(shí)現(xiàn)遙控功能，同時(shí)還要完成系留氣球本身控制是系統(tǒng)核心。載荷體積重量直接決定系留氣球測控系統(tǒng)的升空高度、滯空時(shí)間和系統(tǒng)成本，是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵，應(yīng)進(jìn)行綜合規(guī)劃高集成度設(shè)計(jì)力圖保證系統(tǒng)功能前提下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輕小。首先系統(tǒng)分析任務(wù)剖面，將功能接近的模塊合并，如姿態(tài)控制計(jì)算機(jī)和測控轉(zhuǎn)發(fā)處理器可硬件合并軟件分時(shí)處理，在此基礎(chǔ)上采用三維SiP封裝和SOC等微系統(tǒng)技術(shù)達(dá)到系統(tǒng)輕小。對于射頻部分應(yīng)分析系統(tǒng)上下行全部工作頻率選擇適當(dāng)帶寬，采用濾波器組分時(shí)采集或全帶寬高速采集數(shù)字濾波實(shí)現(xiàn)射頻信道集成。通過綜合孔徑技術(shù)實(shí)現(xiàn)天線公用，綜合以上微系統(tǒng)射頻集成技術(shù)最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小體積輕量化要求。

2.3 相控陣與天線罩一體化設(shè)計(jì)技術(shù)

測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)，高增益天線是其中的核心關(guān)鍵內(nèi)容，根據(jù)系統(tǒng)使用約束的輕量化和大掃描角度要求，基于系留氣球的測控系統(tǒng)采用數(shù)字相控陣模式，在實(shí)現(xiàn)高增益的同時(shí)，采用相位控制的方式實(shí)現(xiàn)對測控目標(biāo)的跟蹤，其中相控陣天線系統(tǒng)包括相控陣天線陣面、頻綜模塊、數(shù)字波束形成模塊、基帶信號采集模塊、電源模塊等部分，對電路部分，采用上述微系統(tǒng)技術(shù)與其余系統(tǒng)進(jìn)行一體化綜合化設(shè)計(jì)；考慮到環(huán)境對系統(tǒng)性能的影響，需要采用柔面天線罩實(shí)現(xiàn)對相控陣天保護(hù)，為了達(dá)到系統(tǒng)效果最優(yōu)，在相控陣設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)進(jìn)行相控陣天線和柔面天線罩一體化設(shè)計(jì)。

3 小結(jié)

本文在對現(xiàn)有主要遙測遙控收發(fā)系統(tǒng)特點(diǎn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合導(dǎo)彈、飛行器遙測遙控需求，提出了一種基于基于系留氣球的新的測控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式，并進(jìn)行了使用便捷性和低成本性分析。給出了系留氣球的測控系統(tǒng)的主要組成，簡要分析了關(guān)鍵技術(shù)技術(shù)體系，并對總體設(shè)計(jì)技術(shù)、微系統(tǒng)射頻集成技術(shù)以及相控陣與天線罩一體化設(shè)計(jì)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了初步分析，進(jìn)行了初步系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)途徑，后續(xù)將開展進(jìn)一步研究，以期此模式在導(dǎo)彈飛行器遙測遙控領(lǐng)域盡快得以廣泛應(yīng)用。