基于翼傘回收助推器的遙控遙測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

焦猛 王立武 滕海山 李春 張紅帥

基于翼傘回收助推器的遙控遙測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

焦猛1,2王立武1,2滕海山1,2李春1,2張紅帥3

（1 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）（2 中國航天科技集團(tuán)有限公司航天進(jìn)入、減速與著陸技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）（3 貴州航天林泉電機(jī)有限公司，貴陽 550000）

遙控遙測系統(tǒng)是翼傘回收助推器的重要組成部分，翼傘定點(diǎn)回收必須在回收過程中實(shí)時(shí)掌握助推器的各類遙測參數(shù)，通過遙測參數(shù)判定翼傘的飛行狀態(tài)是否健康，一旦出現(xiàn)偏航可以通過遙控手段實(shí)時(shí)調(diào)整飛行姿態(tài)。文章介紹了一種能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)采集助推器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并可以根據(jù)遙測數(shù)據(jù)對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行觀察、判斷，決定并執(zhí)行控制權(quán)在箭上和地面自由切換的遙控遙測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由箭載數(shù)傳機(jī)和箭上天線，地面測控一體機(jī)和地面天線組成，其設(shè)計(jì)通過了系統(tǒng)測試和專項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：用于火箭助推器回收的翼傘遙控遙測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)助推器回收過程中遙測數(shù)據(jù)采集和歸航模式切換的功能，能夠助力火箭助推器安全回收和定點(diǎn)歸航。

助推器 翼傘 遙控遙測系統(tǒng) 定點(diǎn)歸航 航天返回

0 引言

由于我國運(yùn)載火箭發(fā)射基地大部分都在內(nèi)陸，運(yùn)載火箭助推器的墜落地點(diǎn)都在陸地上，盡管這些墜落點(diǎn)都選擇在人口密度相對較低的區(qū)域，但由于殘骸落點(diǎn)散布范圍大，仍然威脅大量的當(dāng)?shù)鼐用?。如果能夠使運(yùn)載火箭的墜落速度降低，可減小對地面人員與財(cái)產(chǎn)的威脅，如果能夠進(jìn)一步使得運(yùn)載火箭墜落過程具有機(jī)動(dòng)能力，精確落入指定區(qū)域，則可以基本消除對地面人員與財(cái)產(chǎn)的威脅[1]。

飛行器回收用的降落傘系統(tǒng)目前已經(jīng)在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用，如我國載人飛船回收降落傘、美國航天飛機(jī)固體助推器回收傘、蘇聯(lián)“能源”號助推器回收傘、“阿里安5”助推器回收傘、K-1火箭回收傘、飛航導(dǎo)彈回收傘等。這些回收降落傘基本都用于飛行器的回收，但在落區(qū)精確控制方面能力非常有限。近年來，軍事中精確空投任務(wù)逐漸增多，有控翼傘技術(shù)發(fā)展很快。翼傘回收系統(tǒng)具有體積小、質(zhì)量輕、穩(wěn)定性強(qiáng)、易操控以及滑翔性能良好等優(yōu)勢。

翼傘定點(diǎn)回收助推器能夠通過地面實(shí)時(shí)控制翼傘飛行姿態(tài)，但需要對翼傘的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，因此必須配置遙控遙測系統(tǒng)，建立有效天地通路。其中，遙測功能是將箭上產(chǎn)品工作信息及助推器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)送到地面，遙測數(shù)據(jù)在無線傳輸?shù)耐瑫r(shí)，將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存至記錄儀中，飛行試驗(yàn)結(jié)束后對記錄儀模塊進(jìn)行回收，并對記錄儀數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、解析、繪圖、還原，以分析試驗(yàn)情況；遙控功能是地面系統(tǒng)根據(jù)遙測數(shù)據(jù)對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行觀察、判斷，決定并執(zhí)行控制權(quán)在箭上和地面的切換。基于翼傘回收助推器的遙控遙測系統(tǒng)需要安裝在助推器內(nèi)部，完全獨(dú)立，除機(jī)械接口外，不能與運(yùn)載火箭系統(tǒng)有其他接口，需要自備電池供電，因此必須設(shè)計(jì)成小型化、低功耗、高可靠性的產(chǎn)品。本文提供了一種新型遙控遙測系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，主要?jiǎng)?chuàng)新在于箭載數(shù)傳機(jī)采用新型接收發(fā)射鏈路，這種設(shè)計(jì)可以有效減小箭載數(shù)傳機(jī)的體積，降低功耗，并且抗干擾性強(qiáng)，能夠有效提高系統(tǒng)可靠性，同時(shí)該系統(tǒng)采用小型化便攜式地面測控設(shè)備，獨(dú)立供電，可以應(yīng)用于各類惡劣環(huán)境中。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

該新型遙控遙測系統(tǒng)由箭載數(shù)傳機(jī)、箭上天線、地面測控一體機(jī)和地面天線組成。

箭載數(shù)傳機(jī)安裝于箭上，主要功能是將箭上產(chǎn)品工作信息及翼傘運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息進(jìn)行調(diào)制、變頻、濾波、功率放大后，通過箭上遙測天線發(fā)送到地面，同時(shí)接收地面發(fā)送過來的遙控信息，通過低噪聲放大、下變頻、解調(diào)后，得到遙控指令，然后將之發(fā)送給箭上相關(guān)設(shè)備；地面測控一體機(jī)主要功能為接收下行的遙測信號并解調(diào)，便于觀察、判斷箭上系統(tǒng)狀態(tài)，并形成控制命令，通過地面天線發(fā)射到箭上設(shè)備。系統(tǒng)組成及主要工作流程如圖1所示。

1.2 箭載數(shù)傳機(jī)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的接收鏈路方案為：采用超外差式變頻技術(shù)（即兩次變頻）將射頻信號下變頻至70~140MHz左右的中頻信號，再通過AD采樣、量化、解調(diào)后得到基帶信號；傳統(tǒng)發(fā)射鏈路方案為：先進(jìn)行調(diào)制，生成70~140MHz左右的已調(diào)制載波，與本振混頻后得到下行鏈路所需的射頻信號，通過濾波、信號匹配、功率放大、隔離保護(hù)后輸出?？梢钥闯霾还苁墙邮真溌愤€是發(fā)射鏈路均有混頻過程，而混頻帶來的無用鏡頻成分和本振信號很難濾除，需要帶外抑制度很高的濾波器才能濾除，導(dǎo)致信號輸出幅度下降嚴(yán)重，需加多級放大器才能補(bǔ)償回來，最終導(dǎo)致產(chǎn)品體積增大，功耗增加。

圖1 遙控遙測系統(tǒng)組成示意

本系統(tǒng)采用一種新型數(shù)傳機(jī)設(shè)計(jì)思路：射頻信號從接收天線進(jìn)入數(shù)傳機(jī)，通過低噪放、濾波后，進(jìn)入AD9361的接收端，通過AD9361正交下變頻、IR濾波，以數(shù)字基帶形式輸出至FPGA，射頻輸出信號調(diào)制在FPGA內(nèi)部完成，形成IQ比特流，進(jìn)入AD9361內(nèi)部后，通過IR濾波器濾波，與內(nèi)部鎖相環(huán)輸出本振進(jìn)行IQ上變頻，得到輸出中心頻率，再通過濾波電路、功率放大、隔離保護(hù)后輸出。工作原理如圖2所示。

圖2 箭載數(shù)傳機(jī)原理

箭載數(shù)傳機(jī)涉及到的調(diào)制解調(diào)為PCM-DPSK-FM，為降低FPGA編程難度，采用MATLAB進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，MATLAB具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，利用其內(nèi)部豐富的數(shù)學(xué)函數(shù)，可以方便地實(shí)現(xiàn)通信領(lǐng)域的各種調(diào)制解調(diào)功能，結(jié)合其強(qiáng)大的圖形處理及仿真功能，使調(diào)制解調(diào)算法難度大幅度降低，再用Simulink將MATLAB代碼轉(zhuǎn)化為VHDL或Verilog HDL語言，通過Modelsim軟件仿真后，刻錄到FPGA控制芯片中運(yùn)行測試。

遙控遙測系統(tǒng)廣泛采用BPSK調(diào)制方式，BPSK系統(tǒng)是用載波的絕對相位來判斷調(diào)制數(shù)據(jù)的，在信號傳輸及解調(diào)過程中，容易出現(xiàn)相位翻轉(zhuǎn)，在解調(diào)端無法準(zhǔn)確判斷原始數(shù)據(jù)，BPSK調(diào)制系統(tǒng)中，0°相位代表0，180°相位代表1，在解調(diào)端發(fā)生相位翻轉(zhuǎn)時(shí)將導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。為了避免發(fā)生這種問題，箭載數(shù)傳機(jī)采用DPSK調(diào)制方式，DPSK是根據(jù)前后數(shù)據(jù)之間的相位差來判斷數(shù)據(jù)信息的，即使在接收端發(fā)生相位翻轉(zhuǎn)，由于數(shù)據(jù)之間的相對相位差不會發(fā)生改變，仍可以有效解決相位翻轉(zhuǎn)帶來的問題。采用DPSK調(diào)制時(shí)，其原始信號的帶寬無限大，90%的能量均集中在主瓣帶寬內(nèi)，可以在調(diào)制之前對原始信號進(jìn)行成形濾波，以提高發(fā)射端的功率利用率，降低噪聲的影響。

在MATLAB環(huán)境中，只需設(shè)置基帶信號的符號速率、成形濾波器的滾降因子、載波信號頻率、采樣頻率，即可通過MATLAB對DPSK調(diào)制解調(diào)的時(shí)域波形進(jìn)行仿真。

DPSK調(diào)制解調(diào)的MATLAB仿真結(jié)果如圖3~4所示。通過MATLAB仿真實(shí)現(xiàn)DPSK解調(diào)功能后，將MATLAB代碼轉(zhuǎn)化為VHDL代碼，再通過Modelsim進(jìn)行仿真完成軟件功能設(shè)計(jì)。

圖3 DPSK調(diào)制的頻譜波形

圖4 DPSK解調(diào)的時(shí)域波形

1.3 箭上天線設(shè)計(jì)

箭上天線包括遙測發(fā)射天線和指令接收天線，均采用微帶雙天線形式設(shè)計(jì)，體積小，易安裝，遙測發(fā)射天線和指令接收天線共同安裝在天線支架上，天線支架安裝在助推器內(nèi)，每個(gè)天線支架包含1個(gè)遙測發(fā)射天線和一個(gè)遙控接收天線，為保證最大范圍傳輸，箭上對稱安裝2個(gè)遙測發(fā)射天線和2個(gè)指令接收天線天線，天線支架在助推器內(nèi)安裝示意圖如圖5所示。

圖5 箭上天線安裝示意

遙測發(fā)射天線和指令接收天線經(jīng)過HFSS Design建模仿真分析，仿真結(jié)果如圖6所示。由仿真圖可知，遙測發(fā)射天線增益不小于0dB，指令接收天線增益不小于?2dB。

1.4 地面測控一體機(jī)及地面天線設(shè)計(jì)

地面測控一體機(jī)采用便攜式CPCI工控機(jī)為搭載平臺，配備大容量鋰電池，短時(shí)間內(nèi)可以脫離市電單獨(dú)工作，具備野外工作能力。地面測控一體機(jī)放置于地面工作位，通過遙測接收天線接收箭上遙測信號，由LNA放大后送入遙測接收機(jī)進(jìn)行接收解調(diào)，并將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)或存儲處理，通過校驗(yàn)天線進(jìn)行自校，在地面測控一體機(jī)上發(fā)布操作命令，生成控制指令，由地面發(fā)射機(jī)調(diào)制到L頻段射頻信號，經(jīng)過功率放大后通過L頻段全向天線向箭上發(fā)送控制指令。

圖6 天線增益仿真分析結(jié)果

地面天線分為地面遙測接收天線和地面遙控發(fā)射天線，地面遙測接收天線采用微帶圓極化定向天線，在滿足作用距離的條件下覆蓋目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)范圍，以保證系統(tǒng)對目標(biāo)具有較好的接收性能。地面遙控發(fā)射天線也采用微帶圓極化定向天線，波瓣需在滿足系統(tǒng)作用距離的條件下覆蓋目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)范圍，如此可以提高系統(tǒng)的信道余量，保證箭載數(shù)傳機(jī)可靠接收指令。

地面測控一體機(jī)及地面天線構(gòu)成如圖7所示。

圖7 地面測控一體機(jī)構(gòu)成

2 系統(tǒng)鏈路作用距離計(jì)算

2.1 視距接收距離的估算

由于地球是球面，凸起的地表面會擋住視線，而射頻遙測信號在空間沿視線方向傳輸，地球曲率的原因會導(dǎo)致其傳輸受限；同理，遙測接收距離亦會受地球曲率的影響，當(dāng)翼傘回收助推器降落到一定高度的時(shí)候，信號會被地球遮擋，造成通信受阻。視線所能達(dá)到最遠(yuǎn)距離即視線距離0與發(fā)射天線高度1和接收天線高度2有以下關(guān)系

式中0單位為km；1和2單位為m；系數(shù)4.12的單位為km·m?1/2。

按照接收天線架設(shè)高度為2m、地表最遠(yuǎn)接收距離為100km的條件，根據(jù)式（1）可算出不發(fā)生視線遮擋情況的遙測目標(biāo)最低高度：1=522m。由此可知，翼傘在522m左右的高度時(shí)，由于地球的遮擋，信號會有被削弱的現(xiàn)象。

2.2 遙測作用距離計(jì)算

為確保遙測接收系統(tǒng)具有足夠高的輸入信號信噪比，使最終的數(shù)據(jù)精度或誤碼率滿足技術(shù)指標(biāo)要求，接收系統(tǒng)實(shí)際的輸入信噪比必須高于依據(jù)輸出數(shù)據(jù)精度或誤碼率所規(guī)定的指標(biāo)。輸入信噪比的要求與系統(tǒng)調(diào)制體制、接收解調(diào)和檢測方法相關(guān)，通過系統(tǒng)噪聲功率和接收信號功率的計(jì)算，可得出最大有效遙測接收距離。

遙測系統(tǒng)作用距離指標(biāo)的計(jì)算基于以下的作用距離方程

式中r為最小接收功率（接收機(jī)靈敏度）；t為發(fā)射機(jī)發(fā)射功率；t為發(fā)射天線增益；r為接收天線增益；p為電磁波自由空間傳播損耗；為鏈路總損耗（包括發(fā)射端饋線損耗、接收端饋線損耗、極化損耗、大氣吸收損耗和波束指向損耗等）；為信道余量。

電磁波在自由空間傳輸損耗p為

式中為遙測站天線與遙測發(fā)射天線之間的距離；為電磁波信號波長。

式中為電磁波傳播速度取3×108m/s；為工作頻率。

將式（3）、式（4）帶入式（2）得

將式（5）兩邊取對數(shù)，以dB形式表示，當(dāng)遙測信號遠(yuǎn)距離傳播時(shí)，遙測站天線與遙測發(fā)射天線之間的距離為

2.3 系統(tǒng)有效通信距離計(jì)算結(jié)果

系統(tǒng)有效通訊距離指的是地面測控一體機(jī)和箭載數(shù)傳機(jī)通訊的距離，根據(jù)任務(wù)需求，地面遙測站天線和箭載數(shù)傳機(jī)遙測發(fā)射天線距離為100km，根據(jù)式（6）可知，只要發(fā)射功率t滿足要求，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)有效通訊，其中箭載數(shù)傳機(jī)發(fā)射機(jī)功率計(jì)算如表1所示，地面測控一體機(jī)發(fā)射功率計(jì)算如表2所示。

表1 箭載數(shù)傳機(jī)發(fā)射功率計(jì)算

Tab.1 Calculation of transmission power of arch-borne digital transmitter

表2 地面測控一體機(jī)發(fā)射功率計(jì)算

Tab.2 Calculation of transmission power of the ground measurement and control integrated machine

通過表1計(jì)算，箭載數(shù)傳機(jī)發(fā)射功率為1.58W（單路）時(shí)，即可滿足通信距離100km的要求，此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)預(yù)留4dB以上的增益余量。

通過表2計(jì)算，地面測控一體機(jī)發(fā)射功率為13.732W時(shí)，即可滿足通信距離100km的要求，此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)預(yù)留4dB以上的增益余量。

3 系統(tǒng)測試與驗(yàn)證

3.1 系統(tǒng)測試

為驗(yàn)證遙控遙測系統(tǒng)的正確性，對該系統(tǒng)進(jìn)行桌面聯(lián)試測試。測試在電子學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，箭載數(shù)傳機(jī)接收系統(tǒng)狀態(tài)信息按照固定格式進(jìn)行組幀，并調(diào)制成FSK射頻信號進(jìn)行空間輻射。地面測控一體機(jī)接收遙測射頻信號、經(jīng)過解調(diào)、分路，最終在地面測控一體機(jī)地圖顯示軟件上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，完成遙控遙測系統(tǒng)的遙測功能測試。

根據(jù)實(shí)時(shí)顯示的位置信息及翼傘的狀態(tài)信息，在地面測控一體機(jī)操控頁面上輸入手動(dòng)遙控指令按鈕，按照約定數(shù)據(jù)包格式對其封裝，根據(jù)TCP/IP協(xié)議最終在物理層把指令轉(zhuǎn)換成比特流，并通過總線發(fā)送給地面測控一體機(jī)高功率射頻模塊進(jìn)行調(diào)制發(fā)射。箭載數(shù)傳機(jī)接收指令時(shí)，經(jīng)過解調(diào)、“三判二”等處理，提取出手動(dòng)遙控指令，并按照約定格式以及RS-232接口協(xié)議將其發(fā)送給歸航控制器，完成遙控遙測系統(tǒng)的遙控功能測試。

系統(tǒng)桌面聯(lián)試結(jié)果正常，數(shù)傳機(jī)加電2s后地面測控一體機(jī)完成信號鎖定，地面顯控軟件顯示時(shí)間、經(jīng)度、維度、高度、航向角等遙測信息，通過地面測控一體機(jī)發(fā)送遙控指令，電機(jī)能夠按照要求實(shí)現(xiàn)智能控制功能，控制精度滿足指標(biāo)要求，測試結(jié)果表明遙控遙測子系統(tǒng)工作正常，除遠(yuǎn)距離傳輸未驗(yàn)證，其余功能指標(biāo)滿足要求。

3.2 拉距試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證遙控遙測系統(tǒng)無線傳輸距離，開展了遠(yuǎn)距離無線傳輸試驗(yàn)，考慮實(shí)際測試條件無法滿足100km測試要求，根據(jù)章節(jié)2中式（6）通訊距離計(jì)算公式可知，發(fā)射功率與傳輸距離存在一定對應(yīng)關(guān)系，因此可以采用在信號傳輸鏈路上增加衰減器的方案來完成該試驗(yàn)。

試驗(yàn)在室外空曠的環(huán)境下進(jìn)行，箭載數(shù)傳機(jī)與地面測控一體機(jī)距離1km，兩者之間沒有明顯的遮擋物，在箭載數(shù)傳機(jī)與遙測發(fā)射天線之間、箭載數(shù)傳機(jī)與遙控接收天線之間，分別增加一個(gè)可調(diào)衰減器，衰減值為40dB。參照表1、表2分別把發(fā)射天線增益和接收天線的增益進(jìn)行更改，保持原來箭載數(shù)傳機(jī)和地面測控一體機(jī)發(fā)射功率的情況下，如果該系統(tǒng)能夠滿足1km的通信距離，即可以驗(yàn)證遙控遙測系統(tǒng)可以滿足100km遠(yuǎn)距離傳輸?shù)闹笜?biāo)要求。

通過實(shí)際測試，遙測信息能夠準(zhǔn)確接收，誤碼率滿足要求，地面發(fā)送遙控指令能夠有效實(shí)現(xiàn)控制功能，表明遙控遙測子系統(tǒng)遠(yuǎn)距離傳輸工作正常，能夠?qū)崿F(xiàn)翼傘回收助推器100km遙控遙測任務(wù)。

4 結(jié)束語

本文介紹了一種基于翼傘回收助推器的遙控遙測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，結(jié)果表明該遙控遙測系統(tǒng)，能夠在助推器和地面站之間建立有效的天地通路，實(shí)現(xiàn)助推器遙測信息的實(shí)時(shí)下傳和遙控指令的實(shí)時(shí)上傳，性能指標(biāo)能夠滿足翼傘回收系統(tǒng)要求，同時(shí)兼具小型化、低功耗和高可靠性特點(diǎn)，該遙控遙測系統(tǒng)首次應(yīng)用于助推器回收，并通過了地面試驗(yàn)驗(yàn)證。

后續(xù)需要通過空投試驗(yàn)進(jìn)一步研究在翼傘飛行中遙控遙測系統(tǒng)的可靠性，探索一種能夠適用于各類飛行器返回的遙控遙測系統(tǒng)。

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Remote Control and Telemetry System Design Based on Parafoil Recovery Booster

JIAO Meng1,2WANG Liwu1,2TENG Haishan1,2LI Chun1,2ZHANG Hongshuai3

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）（2 Laboratory of Aerospace Entry, Descent and Landing Technology, CASC, Beijing 100094, China）（3 Guizhou Aerospace Linquan Motoe Co. Ltd., Guiyang 550000, China）

The remote control and telemetry system is an important part of the parafoil recovery booster, during the recovery process,the various telemetry parameters of the booster must be mastered in real time,and the flight status of the parafoil can be determined by telemetry parameters. Once yaw occurs, the flight attitude can be adjusted in real time by means of remote control. This paper introduces a kind of remote telemetry system which can realize the real-time acquisition of the motion state of the booster, observe and judge the system state according to the telemetry data, and decide and execute the free switch of the control right on the arrow and on the ground. The system is composed of land data transmission, the antenna on the arrow, the ground measurement and control integrated machine and the ground antenna. The design of the system has passed the system text and special text validation, which shows that the design of parafoil remote telemetry system for rocket booster recover can realize the telemetry data collection and homing mode switching function in the process of booster recovery, and help the rocket booster recover safely and fixed-point homing.

rocket booster; parafoil; remote telemetry system; fixed-point homing; space return

V443

A

1009-8518(2021)01-0065-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2021.01.008

焦猛，男，1986年生，2009年獲南京航空航天大學(xué)信息工程專業(yè)學(xué)士學(xué)位，工程師?，F(xiàn)主要從事航天器回收控制及遙控遙測技術(shù)研究。E-mail：574741615@qq.com。

2020-03-25

焦猛, 王立武, 滕海山, 等. 基于翼傘回收助推器的遙控遙測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 航天返回與遙感, 2021, 42(1): 65-73.

JIAO Meng, WANG Liwu, TENG Haishan, et al. Remote Control and Telemetry System Design Based on Parafoil Recovery Booster[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2021, 42(1): 65-73. (in Chinese)

（編輯：夏淑密）