運載火箭測量系統(tǒng)綜合化設(shè)計與實現(xiàn)

摘" 要： 針對運載火箭傳統(tǒng)測量系統(tǒng)設(shè)備功能單一、工作體制固化、體系架構(gòu)封閉等問題，通過對系統(tǒng)技術(shù)特點、技術(shù)迭代過程和局限性的分析，基于運載火箭平臺約束條件，提出一種適合當(dāng)前應(yīng)用的基于綜合電子的開放式系統(tǒng)架構(gòu)；其次，完成了基于該架構(gòu)的綜合射頻終端研制，實現(xiàn)了小型化、輕質(zhì)化、低功耗、可靈活擴(kuò)展的綜合化測量系統(tǒng)。所設(shè)計系統(tǒng)能夠滿足總體應(yīng)用需求，在航天領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 運載火箭； 測量系統(tǒng)； 綜合射頻終端； 綜合化架構(gòu)； 電子系統(tǒng)； 性能測試

中圖分類號： TN876?34； V475.1" " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A" " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2024）08?0171?04

Design and implementation of integrated measurement system for launch vehicle

LIU Laifang

（Southwest China Institute of Electronic Technology， Chengdu 610036， China）

Abstract： In allusion to the problems of single function， fixed working system， and closed system architecture of traditional measurement systems for launch vehicles， a suitable open system architecture based on integrated modular avionics （IMA） for current applications is proposed based on the constraints of the launch vehicle platform and by analysing the technical characteristics， iterative process， and limitations of the system. The development of the comprehensive RF terminal based on this architecture is completed， achieving a miniaturized， lightweight， low?power， and flexible and scalable comprehensive measurement system. The designed system can meet the overall application requirements and has broad application prospects in the aerospace field.

Keywords： launch vehicle; measurement system; comprehensive RF terminal; integrated architecture; electronic systems; performance testing

0" 引" 言

隨著現(xiàn)代電子系統(tǒng)具備的功能越來越多，性能要求越來越高，系統(tǒng)電子設(shè)備的數(shù)量、成本、體積、重量、功率急劇增加，通過增加電子設(shè)備的數(shù)量和改善單個設(shè)備的性能來提升系統(tǒng)平臺的效用將帶來一系列矛盾，而解決這些矛盾的唯一途徑就是系統(tǒng)綜合化技術(shù)的應(yīng)用。

運載火箭測量系統(tǒng)[1]指完成運載火箭的遙測參數(shù)測量、傳輸、處理以及運載火箭飛行外彈道的測量和安控任務(wù)的運載火箭分系統(tǒng)，包括遙測子系統(tǒng)和外測安全子系統(tǒng)，是運載火箭的必備電子系統(tǒng)之一。目前，國內(nèi)運載火箭測量系統(tǒng)普遍為傳統(tǒng)的多功能“分立式”系統(tǒng)[2]，采用大量的獨立單機(jī)設(shè)備并分散布置在火箭儀器艙內(nèi)，這種系統(tǒng)組成從早期運載火箭研制一直延續(xù)至今。而隨著我國航天事業(yè)的飛速發(fā)展，航天發(fā)射進(jìn)入高密度任務(wù)時期，重型運載、載人登月、深空探測、可重復(fù)使用天地往返運輸?shù)热碌暮教烊蝿?wù)也出現(xiàn)大量的新需求[3?5]，使得現(xiàn)有測量系統(tǒng)必然面臨功能增加、性能提升、研制周期縮短以及由此帶來的設(shè)備數(shù)量、成本、體積、重量、功耗急劇增大和可靠性下降的壓力，現(xiàn)有的“分立式”系統(tǒng)已無法滿足未來要求。因此，亟需構(gòu)建一種適用于運載火箭平臺的綜合化架構(gòu)以適應(yīng)未來發(fā)展。

本文從測量系統(tǒng)的設(shè)計需求入手，分析了系統(tǒng)的技術(shù)特征、技術(shù)迭代過程以及面臨的挑戰(zhàn)，提出了測量系統(tǒng)實現(xiàn)綜合化的技術(shù)途徑和設(shè)計方案，完成了實物研制并進(jìn)行了驗證。

1" 測量系統(tǒng)設(shè)計分析

1.1" 系統(tǒng)功能需求

傳統(tǒng)測量系統(tǒng)普遍采用獨立射頻單機(jī)和天線實現(xiàn)一系列功能，主要包括外彈道測量功能、無線安控功能、導(dǎo)航定位功能、遙測數(shù)據(jù)采集和發(fā)射功能等。近年來，基于全程天基測控技術(shù)的發(fā)展，利用中繼衛(wèi)星進(jìn)行遙測遙控開始應(yīng)用。

如表1所示，連續(xù)波體制應(yīng)答機(jī)和脈沖體制應(yīng)答機(jī)配合地面雷達(dá)站實現(xiàn)飛行器徑向距離、相對速度以及方位角等參數(shù)的測量；安控指令接收機(jī)用于接收地面安控站發(fā)射的無線安控指令，實現(xiàn)運載火箭異常飛行時的安全自毀；導(dǎo)航接收機(jī)用于接收導(dǎo)航衛(wèi)星的數(shù)據(jù)進(jìn)行定位解算，作為外彈道測量功能的補充；地基遙測發(fā)射機(jī)用于將箭載傳感器收集的數(shù)據(jù)以及箭載設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送至地面遙測接收站；天基測控設(shè)備則通過天鏈中繼衛(wèi)星進(jìn)行遙測數(shù)據(jù)回傳以及上傳。

1.2" 系統(tǒng)特點

測量系統(tǒng)是運載火箭飛行時天地間的唯一通道，在飛行器關(guān)鍵參數(shù)獲取、故障診斷、跟蹤測軌、安控遙控等方面起著重要作用；另一方面，運載火箭故障時，測量系統(tǒng)必須工作到最后一刻，以獲取并傳遞寶貴的故障數(shù)據(jù)，以及執(zhí)行安控自毀。因此，系統(tǒng)對設(shè)備的可靠性要求高。

測量系統(tǒng)屬于多功能并行工作的電子系統(tǒng)，飛行過程中，各功能之間并沒有優(yōu)先級高低，所有設(shè)備加電后一直工作，直至飛行結(jié)束。系統(tǒng)采用功能備份的方式確保飛行任務(wù)可靠性，比如，外彈道測量采用兩種外測應(yīng)答機(jī)和衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)一起形成冗余，飛行遙測參數(shù)回傳采用地基遙測、天基中繼兩條傳輸管道互為備份，安控功能同樣也具有無線安控和自主安控等多條途徑。因此，系統(tǒng)對功能故障后的功能重構(gòu)能力可以不做要求，而更加注重某條射頻鏈路故障后的故障隔離。

目前測量系統(tǒng)通過多個功能單一且獨立的設(shè)備構(gòu)建系統(tǒng)，各射頻單機(jī)在設(shè)備內(nèi)部構(gòu)成上基本相同，均含有射頻信道、ADC、DAC、時鐘、FPGA、存儲器、電源模塊等，僅在工作頻段、工作體制和波形處理方式上有差異，適合對系統(tǒng)進(jìn)行射頻綜合化設(shè)計。

1.3" 系統(tǒng)的技術(shù)迭代

測量系統(tǒng)截止目前共歷經(jīng)了三代的發(fā)展，劃代依據(jù)以各設(shè)計要素的重大進(jìn)展和突破為標(biāo)志[5]，系統(tǒng)迭代過程主要有以下兩個方面：

1） 外測安全子系統(tǒng)迭代過程

外彈道測量第一代采用連續(xù)波體制測量，第二代增加了脈沖體制測量，第三代則增加了衛(wèi)星定位的測量功能。安控指令接收在前兩代的調(diào)制方式均為PCM?BPSK?FM體制，電路由分立模擬電路為主演進(jìn)至數(shù)字門電路為主，直至大規(guī)模數(shù)字集成電路的出現(xiàn)；第三代安控功能則采用高可靠主字母安控體制，而隨著天基中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展，一些型號也對使用天基前向鏈路作為無線安控、上行指令和程序注入鏈路進(jìn)行了積極探索，為測量系統(tǒng)增加新的靈活性。

2） 遙測子系統(tǒng)的迭代過程

遙測系統(tǒng)前兩代均為地基遙測，主要是傳輸體制和傳輸容量的進(jìn)步，遙測碼率達(dá)到2 Mb/s；第三代地基遙測采用PCM?FM調(diào)制體制，碼率達(dá)到10 Mb/s。隨著未來高碼率遙測系統(tǒng)的提出[6?7]，成形偏移正交相移鍵控（Shaped Offset Quadrature Phase Shift Keying， SOQPSK）和多調(diào)制指數(shù)連續(xù)相位調(diào)制（Multi?h CPM）等先進(jìn)調(diào)制體制出現(xiàn)，使得在有限帶寬內(nèi)實現(xiàn)更高碼率傳輸成為可能，同時，S頻段和Ka頻段的天基遙測開始應(yīng)用。由于天基中繼衛(wèi)星系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣、實時性強(qiáng)、費用低的優(yōu)點，后續(xù)將主要開展Ka頻段返向高碼率10～50 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的研制。

可見，隨著測量系統(tǒng)的快速發(fā)展，一系列先進(jìn)的通信信號波形和低成本、高性能技術(shù)將逐漸開始應(yīng)用到航天平臺。

1.4" 傳統(tǒng)測量系統(tǒng)局限性

傳統(tǒng)測量系統(tǒng)的“一型號一設(shè)計，一狀態(tài)一方案”的建設(shè)思路，定制單機(jī)種類多、數(shù)量多，產(chǎn)品化推動困難。隨著未來運載火箭進(jìn)入高密度發(fā)射時期以及新研型號任務(wù)的增多，系統(tǒng)難以滿足高密度發(fā)射的快節(jié)奏需求。

傳統(tǒng)測量系統(tǒng)擴(kuò)展、升級、成長能力較弱，屬于典型的多功能“分立式”系統(tǒng)，這種系統(tǒng)在應(yīng)對新技術(shù)的發(fā)展時，必然面臨大量單機(jī)設(shè)備升級或大量新增單機(jī)設(shè)備，造成系統(tǒng)成本增加、復(fù)雜度增加、可靠性下降等不良后果。設(shè)計更為先進(jìn)的具備高可靠性、小型化、輕質(zhì)化、低功耗、可靈活擴(kuò)展能力的綜合化電子系統(tǒng)架構(gòu)日益迫切，未來運載火箭的電氣系統(tǒng)向著綜合化、輕質(zhì)化、智能化[8?10]方向發(fā)展，“分立式”電子系統(tǒng)將無法滿足未來需求。

2" 綜合射頻終端設(shè)計實現(xiàn)

2.1" 硬件架構(gòu)設(shè)計

測量系統(tǒng)功能均為并行工作，采用功能備份的方式確保飛行任務(wù)的可靠性，因此，綜合射頻終端不再使用其他平臺電子綜合化架構(gòu)中用于功能重構(gòu)的射頻開關(guān)陣列和中頻開關(guān)陣列，在減小體積、重量、功耗的同時，避免了硬件切換帶來的可靠性下降風(fēng)險。綜合射頻終端包括射頻前端部分和后端的信號處理部分，均采用開放式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在功能備份的基礎(chǔ)上壓縮硬件模塊的種類，這些硬件模塊包含射頻前端模塊、通用基帶模塊、綜合數(shù)據(jù)管控模塊以及綜合電源模塊，這些模塊可按型號功能要求進(jìn)行靈活組合，以滿足不同型號的差異化需求。硬件模塊以嚴(yán)格統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)尺寸、電氣接口設(shè)計，保證在統(tǒng)一的硬件架構(gòu)下組合使用，并借助功能強(qiáng)大的背板總線實現(xiàn)模塊互聯(lián)。綜合射頻終端系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示。

綜合射頻終端模塊的設(shè)計既要保證整個系統(tǒng)有較高的綜合化程度，又要兼顧目前技術(shù)的可實現(xiàn)性，同時還要考慮成本、質(zhì)量和研制周期等因素，因此方案設(shè)計需遵循如下原則：

1） 通用能力優(yōu)先，在小型化和低功耗的前提下，電路顆粒度盡量小，以實現(xiàn)電路產(chǎn)品化和高通用性；

2） 高性能指標(biāo)優(yōu)先，指標(biāo)應(yīng)包絡(luò)現(xiàn)有型號系統(tǒng)指標(biāo)的最高指標(biāo)，以保證通用能力；

3） 充分考慮電磁兼容，綜合射頻前端各頻段信道同時工作。為了確保信道之間的隔離度，信道仿真設(shè)計、頻率源管理、EMC防護(hù)等措施是設(shè)計的重點。

在電路架構(gòu)上，綜合射頻終端采用標(biāo)準(zhǔn)中頻架構(gòu)收發(fā)信機(jī)，一方面可以獲得較好的干擾抑制、信道選擇性、接收動態(tài)范圍等指標(biāo)；另一方面，易于實現(xiàn)模塊標(biāo)準(zhǔn)化和通用化設(shè)計，通過變頻信道本振頻率配置，信道具有一定的可編程能力，通過更換濾波器的方式以及采用目前已經(jīng)應(yīng)用成熟的集成射頻前端芯片也可同時具備高集成度和通用能力，適合當(dāng)前階段綜合射頻終端的實現(xiàn)。具體的模塊設(shè)計可作如下考慮：

1） 射頻前端模塊按測量系統(tǒng)功能的要求，應(yīng)具備從P頻段到Ka頻段的接收能力，同時具備從S頻段、C頻段、Ka頻段的發(fā)射能力。根據(jù)目前寬帶信道發(fā)展的技術(shù)水平，無法采用一種射頻模塊處理這樣的寬帶信號，因此可以采用多頻率分段的方式劃分射頻模塊，包括P/L/S/C頻段連續(xù)波收發(fā)信道模塊、C頻段脈沖收發(fā)信道模塊、Ka頻段收發(fā)信道模塊，同時對中放單元、功放推動級和變頻單元等顆粒度較小的單元進(jìn)行統(tǒng)一策劃統(tǒng)型，進(jìn)一步提升電路的產(chǎn)品化和高通用性。

2） 通用基帶模塊采用統(tǒng)一的通用數(shù)字處理硬件平臺，主要完成信號調(diào)制解調(diào)、參數(shù)測量、時延補償、轉(zhuǎn)發(fā)比實現(xiàn)、多普勒解算、解碼譯碼等任務(wù)，同時，實現(xiàn)功能模塊之間接口控制以及硬件資源調(diào)度管理。

3） 綜合電源模塊按功能的備份關(guān)系分組供電以隔離故障，避免出現(xiàn)單路電源故障導(dǎo)致的系統(tǒng)功能的主備份同時喪失；在兼顧電源效率的同時預(yù)留適當(dāng)?shù)膸лd能力，用于系統(tǒng)功能的擴(kuò)展，避免電源的重復(fù)設(shè)計。

4） 綜合數(shù)據(jù)管控模塊用于和不同型號的飛行器平臺接口適配，內(nèi)部則用于對各組成模塊的狀態(tài)進(jìn)行收集和控制，預(yù)留了故障監(jiān)測、健康管理等有關(guān)智能化應(yīng)用的硬件資源。

2.2" 軟件架構(gòu)

便利的刪除、插入、升級系統(tǒng)功能的軟件架構(gòu)技術(shù)是實現(xiàn)綜合集成電子系統(tǒng)可擴(kuò)展性設(shè)計的基礎(chǔ)。圖2是綜合射頻終端的分層軟件架構(gòu)，從模塊支持層到應(yīng)用層共分為4層。

應(yīng)用層是系統(tǒng)射頻功能實現(xiàn)的載體，由若干波形組件組成，按單個功能把信號處理和數(shù)據(jù)處理一體封裝為單個波形組件，構(gòu)造一次，測試一次，可多次重復(fù)使用。共用服務(wù)層則完成系統(tǒng)軟硬件資源的管理和調(diào)度，監(jiān)測系統(tǒng)硬件、平臺各層軟件的運行狀態(tài)、故障上報和健康管理。中間件層主要為系統(tǒng)提供總線服務(wù)，完成外部接口的適配，并實現(xiàn)對平臺硬件的操縱與控制模塊支持層軟件接口。模塊支持層主要包括板卡支持包及驅(qū)動程序。

通過軟件分層架構(gòu)，共用服務(wù)層和中間件層的存在實現(xiàn)了軟件與硬件的隔離，各層軟件的標(biāo)準(zhǔn)化保證了軟件組件的可移植性和可重用性。當(dāng)波形組件升級或新增波形組件時，僅需把重點放在具體算法設(shè)計上，其他的組成部分基本可以移植，大大提高了軟件的可重用性。

3" 測試及結(jié)果分析

綜合射頻終端實物圖如圖3所示，該型綜合射頻終端方案與分立單機(jī)方案相比，設(shè)備本體體積（不含安裝尺寸）縮小約47%，重量減輕約40%，功耗減少約28%。綜合射頻終端具備開放架構(gòu)，在軟硬件改動極小的情況下，可以靈活地插入新功能或刪除原有功能，可滿足不同平臺和型號的需求，同時標(biāo)準(zhǔn)化模塊的應(yīng)用大大縮短了產(chǎn)品研制周期。

經(jīng)過測試[11]，綜合射頻終端完成了連續(xù)波體制外測功能、脈沖體制外測功能、安控指令接收功能、衛(wèi)星導(dǎo)航接收功能等四個功能的綜合化設(shè)計，主要性能指標(biāo)滿足型號要求。目前該終端已經(jīng)完成某型號飛行試驗驗證，通過飛行數(shù)據(jù)分析，性能指標(biāo)達(dá)到系統(tǒng)要求。

4" 結(jié)" 語

本文對運載火箭測量系統(tǒng)的綜合化架構(gòu)進(jìn)行了研究，并對該綜合化架構(gòu)研制的綜合射頻終端進(jìn)行飛行驗證，得出該射頻終端具有開放性，可以在極短的研發(fā)周期內(nèi)按照型號需求進(jìn)行功能的靈活增加、裁剪或升級，不僅降低了設(shè)備的體積、重量和功耗，還提升了系統(tǒng)的可靠性、維修性、保障性，具有極高的工程實用價值。后續(xù)將結(jié)合運載火箭平臺的綜合化設(shè)計對現(xiàn)有架構(gòu)進(jìn)行完善，并向新研型號進(jìn)行應(yīng)用推廣。

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作者簡介：劉來方（1980—），男，河南南陽人，工程師，研究方向為航天彈箭載測量系統(tǒng)設(shè)備研發(fā)。