電子戰條件下航天遙測系統設計的思路與建議

(1.解放軍91550部隊91分隊，遼寧 大連 116000；2.中國西南電子技術研究所，成都 610036)

1 引 言

航天遙測系統完成導彈靶場試驗、衛星發射、航天器飛行過程中飛行器工作狀態參數測量、傳輸，是航天飛行器試驗和運行過程不可缺少的支持系統，遙測系統都由“天、地”兩部分即彈(箭、星)載遙測分系統和地面遙測接收分系統通過空間傳輸構成；而“電子戰”(EW)伴隨電磁信號在軍事行動中的應用而誕生，已成為現代信息化戰爭的一種主要作戰方式。為了阻止敵方航天軍事力量形成戰斗力，航天遙測信號歷來都是電子戰的重要目標，航天遙測技術和偵察對抗技術此消彼漲。

電子戰技術不斷發展的形勢對航天遙測系統設計提出了越來越高要求。本文對遙測系統工作原理、技術發展、新型航天器對遙測系統技術需求以及電子偵察對抗技術特點逐一分析，提出了增加反偵察干擾的基于“軟件無線電”架構的遙測系統模型，并討論其關鍵技術。

2 航天遙測系統及其技術發展

航天遙測系統是航天工程中不可缺少的重要支持系統，在航天飛行器的試驗和運行階段提供獲取飛行器內部各系統工作狀態和環境參數并傳輸至地面，作為獲取飛行器試驗過程工作狀態參數的主要手段，在航天器實時飛行監控、性能評定、設計改進方面發揮著不可替代作用。下面從航天遙測系統的組成和原理、技術體制發展歷史、被測量特點與需求變化、技術發展方向與面臨挑戰等幾方面進行簡單介紹。

航天遙測系統組成包括采集、發送、接收、處理幾部分，工作的基本原理是：將待測的非電參數用各傳感器轉換為電信號(待測量本身是電信號的則不需要此過程)，各路電信號通過信號調理成符合采集規范的信號并按照一定體制形成適合單一信道傳輸的群信號，再調制發射，接收端接收到信號后進行一系列逆過程，先解調、再恢復出各路遙測信號，遙測信號經過后端數據處理進行顯示、記錄和判讀。從系統工作模式講，航天遙測系統彈(箭、星)上采用一種廣播式發送；地面只要在其發射天線覆蓋區域內均可接收，因此，遙測接收站可以與外測和遙控系統統一建固定站，也可以單獨建設移動站。

航天遙測起步于20世紀50年代初，目的是將眾多遙測參數有效合并起來實現公用信道的傳輸并保證系統的誤碼率性能，其發展的幾十年歷史主要伴隨多路傳輸體制研究和調制體制研究。遙測多路傳輸體制經歷了頻分(FDM)、時分(TDM)、數字脈沖編碼(PCM)和分包遙測體制幾個階段；調制方式由模擬調制過渡到數字調制。國際上已形成了涵蓋遙測系統的相應規范，如CCSDS標準、IRIG標準等。

航天飛行器的被測參數從性質上分為電量和非電量，從特性區分為緩變量和速變量參數。隨著航天飛行器系統功能越來越復雜，待測參數越來越多、要求的量化精度也越來越高，帶來信息流量增加，要求遙測系統支持的信息流量更高。

PCM-FM是當前航天遙測系統采用的主要體制，隨著技術發展，又不斷在PCM-FM的基礎上逐步發展其它技術。如采用多符號檢測(MSD)技術和Turbo乘積碼(TPC)技術，大大提升了遙測系統的性能。工程應用表明，同時采用MSD技術和TPC技術相對于傳統FM技術可獲得8 dB以上的信道增益。另一方面，眾多新的調制體制不斷應用于遙測系統，如FQPSK-B、FQPSK-JR、SOQPSK-TG等新型體制由于具有頻帶利用率高等突出特點，也已被列入IRIG-106標準中。在遙測系統工程實現上，通過應用軟件無線電(Software Defined Radio,SDR)技術實現測速、測距、測角、遙測、遙控等多功能綜合，以統一載波代替原分離設備，并具備軟件功能現場重構能力；另一方面，數據中繼衛星系統(TDRSS)建立后，導彈、火箭和中低軌衛星的遙測有由“直接對地遙測”向“天基中繼遙測”發展的趨勢。

3 偵察對抗技術發展

鑒于航天遙測系統在發展航天武器裝備過程中的重要作用和地位，特別是遙測參數中包含大量令人感興趣的工作狀態信息，成為窺探航天技術和武器裝備發展動態的重要途徑。因此，針對航天遙測系統的偵察干擾必然是熱點和重點:和平時期，開展偵察手段獲取信息，掌握別國航天發展動態；戰時，實施干擾，阻止對方獲得正確的航天遙測信息，使其不能達到試驗目的或不能正確判斷航天器狀態，阻止對方利用空間。

對航天遙測系統而言，高可靠性、高碼率和低誤碼率是其最重要的指標，為了獲得好的性能，總希望彈(箭、星)載分系統發射功率足夠并具有寬的對地覆蓋能力，火箭和導彈遙測天線往往采用全向覆蓋。但是，這也給敵方截獲、偵察帶來有利條件。目前，針對航天遙測系統的偵察接收主要包括地基、空基的抵近接收方式和衛星偵察方式，如就獲取遙測數據而言，還可針對遙測終端的計算機網絡竊取數據文件(不屬于本文的討論范圍)。

遙測系統只有返向發送的電信號，針對遙測系統的偵察屬于電子偵察，其包含兩方面目的：一是通過對輻射源定位，測算敵方試驗靶場位置和飛行器粗略外彈道特性等參數；二是獲取遙測信號內涵信息，從遙測參數判斷航天裝備的技術水平、發展動態。我們談遙測系統對抗僅就遙測信號本身的對抗，不考慮航天器平臺的對抗或針對接收站的硬打擊。從理論上，遙測系統對抗可采取干擾傳感器和傳輸鏈路，但干擾傳感器的實施難度較大，遙測對抗采取主要技術手段還是針對遙測傳輸鏈路的干擾。

目前，典型的遙測對抗戰法是：平時偵察遙測信號，開展參數測量和信息解調，積累其遙測信號規律和信息處理方法，總結和分析遙測體制；戰時依據數據庫結合實時測量參數引導干擾設備發射瞄準的干擾信號，干擾方式以裝載電子對抗載荷的空基和天基平臺進入遙測站接收天線波束或旁瓣實施干擾。由于遙測傳輸屬于一種廣播式的傳輸，在飛行器遙測發射機天線覆蓋范圍內均可建站接收，遙測系統干擾實施起來并不容易，需要先驗信息和輔助情報系統支持，因此，從局部單點設備級干擾無法造成系統性的性能下降和失效，對抗技術已經向系統對抗、網絡對抗、體系對抗方面發展。

在電子偵察對抗裝備技術方面，也順應了“軟件化”的發展趨勢，通過設計具有高度靈活性的通用硬件平臺，而將眾多功能用軟件方式實現，這樣可以依據目標特性變化和技術發展進行功能調整和升級，以達到快速形成戰斗力的目的。

電子系統的偵察對抗與防護始終處于“矛和盾”的關系，遙測系統技術發展引發對其偵察和干擾技術的研究，偵察對抗能力的提升又必然促使任務功能電子系統設計中充分考慮其抗截獲、抗干擾能力，這也是遙測系統設計需要考慮的重要因素。

4 電子戰條件下遙測系統設計的思路和建議

如前所述，遙測系統需要支持的信息流量增加，遙測系統設計更追求高碼率、低誤碼、保密性好、抗干擾能力強，下面我們將提出一些思路供參考。

4.1 系統模型

設計遙測系統應優先考慮采用基于“軟件無線電”的數字遙測系統方案。自1992年軟件無線電的概念首次提出以來，軟件無線電技術已經在各種電子系統中發揮了巨大作用。采用軟件無線電技術實現遙測系統就是構造一個開放式的標準化通用硬件平臺(系統組成如圖1所示)，在航天器發射端，遙測參數實現非電信號到電信號轉換以后，采集、調理、編碼、加密、調制等都可以采用軟件方法實現；接收站采用的綜合基帶是軟件無線電技術較好的體現，整個接收站以一種“天線+射頻信道+綜合基帶和計算機”模式組成。這種基于軟件無線電技術的遙測系統通過軟件升級重新配置，可以實現遙測傳輸能力擴展、更改傳輸信號波形、更換編譯碼方式、更換加密密鑰等，因此，只有采用“軟件無線電”架構才能很好適應不斷增長的遙測需求和技術發展，以極小的代價不斷提升遙測系統抗截獲、抗干擾能力。

圖1 數字遙測系統組成框圖Fig.1 Block diagram of digital telemetry system

4.2 降低碼率

擴大遙測信道容量以滿足新型航天飛行器測量需要。要解決遙測容量問題，可采取的方式主要包括增加通道、提高碼率、提高傳輸效率。增加通道的方案可以是采用獨立多頻點分路遙測，也可以采用OFDM等新體制；高碼率傳輸也是一條途徑，目前CCSDS標準規定的USB遙測碼率為2 Mbit/s，新型系統又將碼率提高到5 Mbit/s甚至10 Mbit/s；提高傳輸效率可選擇調制體制、編碼方式和數據壓縮技術。增加通道和提高碼率都需要提高系統的EIRP值，要滿足全向輻射特性，天線增益難以提高，必須增加遙測系統發射功率，系統代價高，并且將犧牲系統的抗截獲性能。因此，在電子戰環境下，增加頻點和提高碼率都不算理想的解決方案，數據壓縮(廣義)則是在飛行器上對遙測參數按照其特性進行預處理，CCSDS標準中也對遙測數據壓縮的信源編碼技術進行了描述，基本方法是采用抽取特征參數，去掉部分數據中的冗余，再按照自適應熵編碼處理。另外，還可以通過對實時性要求不高的緩變量進行緩存，在空隙時段下傳以平衡數據流量，降低對遙測系統傳輸能力的要求。由此可見，數據壓縮方案在不降低系統抗截獲性能的情況下可實現信道容量擴展；但是，數據壓縮提高了信息密度，誤碼對系統的影響加大，因此，系統設計最好采用無損壓縮，并在壓縮效率和誤碼性能間進行平衡。

飛行器遙測系統數據壓縮的原理圖如圖2所示。其中，多通道采集器根據參數類型分類選取采樣率。

圖2 遙測系統數據壓縮部分工作原理框圖Fig.2 Schematic block diagram of data compression part of telemetry system

4.3 “三抗”設計

抗截獲、抗偵收、抗干擾(“三抗”)的技術手段必不可少，遙測信號偵收過程是通過截獲遙測信號并對信息解碼實施竊取數據，在這里我們只考慮針對遙測系統的無線偵收；干擾手段則包括單音/多音干擾、噪聲阻塞干擾、數據篡改和偽造等，因此，抗偵收、抗干擾可采取數據加密、信號擴頻等方式。數據加密方法在通信系統中已相當成熟，遙測應用原理相同，為了保護信息的保密性、抗密碼破譯，建議最好采用一次一密，并通過遙測系統開辟高安全等級的密鑰通道傳輸。擴頻信號展寬頻帶降低帶內信號譜密度并具有不可預測特性，使偵察接收機難以檢測；擴頻信號是通過相關檢測，如果不掌握擴頻碼(跳頻圖形)參數則無法解調信號，因此具有良好保密性?？梢姡盘枖U頻技術是有效應對偵察干擾的手段之一，建議可選擇直接序列擴頻(DS)、跳頻(FH)或混合擴頻體制；但是，由于遙測系統本身要求較高數據率，要想獲得擴頻增益必須努力提高擴頻碼率，而這又給工程實現增加難度，需要在系統設計時折衷考慮。

同時，新型天線技術也可以提升系統“三抗”性能。如前所述，為使地面站可靠接收，彈(箭)載遙測系統天線采用全向覆蓋，但這給偵察和干擾創造了條件。隨著數字波束形成(DBF)技術的發展，這種狀況有望解決。根據飛行器平臺的姿態參數和地面站布站參數，可以通過多個天線陣元合成滿足覆蓋地面站的天線波束，這樣既能提高天線增益，又可以對抗針對遙測信號的偵察。遙測地面接收站也一樣可以在天線方面采取一定措施，比如應用自適應調零天線技術，利用方向圖的變化，自動調整波束的零點位置，使之對準干擾信號的方向，同時保證天線主波束(對有用信號)處于最佳接收狀態。波束形成、自適應信號處理及自適應算法控制等都依賴于數字信號處理，采用基于“軟件無線電”的硬件平臺正好可以提供條件。

5 結束語

隨著飛行器對遙測系統需求發展和針對遙測系統的電子戰技術發展，遙測系統設計將面臨越來越多的難題。本文從需求分析和電子戰技術發展的現狀及趨勢著手，提出了針對電子戰條件下遙測系統設計的思路，希望對感興趣的人員提供一些參考，其工程應用還需要大量的深入研究。

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