小型航天飛行器遙測技術發展*

張高舉，盛德衛，李少俊

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

0 引言

遙測技術是對一定距離以外的被測對象進行測量，并把測量結果發送到接收點的一種測量技術[1]。遙測系統是遙測技術的綜合體現，由檢測、采集、傳輸、記錄、處理及顯示等設備組成，覆蓋了航天飛行試驗中的測試、傳輸和數據處理等環節。遙測系統在航天飛行試驗領域有著重要的作用和地位，是實現飛行器數據采集、記錄、遠程傳輸、實時監控和數據處理的重要系統，是確保飛行安全、縮短研制周期必不可少的重要手段[2-3]。

1 遙測技術回顧

我國遙測技術從20世紀50年代末期開始起步，大致經過了4個階段：引進階段、仿制階段、獨立研制階段和提高發展階段[4-5]。

(1) 引進階段。1958年我國航天飛行器試驗靶場始建之初，由原蘇聯引進的PTC-6等車載和固定式遙測系統。在蘇聯專家的指導下，我國第一代遙測技術人員用這些設備開創了我國的遙測事業。

(2) 仿制階段。從1959年蘇聯專家撤走之后，我國遙測技術人員在PTC-6的基礎上進行改進設計，將設備的測量路數進行擴展。

(3) 獨立研制階段。1964年大容量遙測系統設計開始到1986年S頻段遙測系統啟動為止的這段時間。

(4) 提高發展階段。在改革開放的大環境下，遙測技術在第4階段高速發展，采用IRIG標準推薦的標準S頻段射頻和調制體制，具有碼率高、數據流多的功能。

飛行器從研制到定型，經歷若干次飛行試驗，幾乎每次試驗都需使用遙測系統，以獲取飛行器飛行過程中的特征參量，例如關于飛行器飛行性能，飛行器上設備工作狀態及性能等一系列參數，利用這些數據，可以評判試驗結果[6]。航天遙測系統可分為飛行器遙測系統和地面遙測系統[7]，飛行器遙測系統主要由傳感器、采編器、發射機和發射天線組成，地面遙測系統主要由接收天線、接收機、分路解調器和數據處理顯示設備組成，航天遙測系統框圖如圖1所示。

小型航天飛行器遙測系統在原理上與其他遙測系統相同，但由于其任務與使用環境的特殊性，因而形成了自己的特點[8]：

(1) 遙測設備體積小，質量輕

一般來講，小型航天飛行器本身體積都不大，對飛行器上遙測設備的體積、質量、功耗等指標要求極為嚴格，遙測設備在飛行器上其它設備之間的空隙中安裝。遙測設備是小型航天飛行器的附加設備，應盡量避免因安裝遙測設備引起飛行器本身的質量、質心和轉動慣量的較大變化。

(2) 遙測系統快速反應

為適應小型航天飛行器試驗的快速反應要求，飛行器遙測系統需要快速完成遙測站的展開、自檢和系統本身狀態設置；需要快速完成飛行器射前關鍵參數的檢測，并及時上報數據處理結果；需要實時監測飛行試驗關鍵參數的數據和曲線；試驗結束后要現場快速處理全部遙測數據，供總體和各分系統分析，對試驗結果進行快速、初步判斷。

(3) 遙測系統獨立性

遙測系統作為一種測量系統，具有較強的工作獨立性，并自成體系。飛行器電氣系統工作時，遙測系統不論加電與否，都不影響小型航天飛行器其他設備的電氣特性和工作性能；反之，電氣系統不加電，遙測系統也可以進行性能自檢。遙測設備安裝結構上也不影響其他設備的體積和結構。

小型航天飛行器遙測技術經過幾十年努力，取得了不小進步和發展，結合軟件無線電技術，又迸發出新的活力，標準S頻段遙測系統，PCM-FM傳輸體制仍是國內遙測主流，碼速率已提高至10 Mbit/s，數字化技術也使得遙測信號采集更加靈活多變，也易于計算機技術相結合，但作為小型航天飛行器飛行試驗的特殊性，還存在一下幾方面問題：

1)航天飛行試驗一般是科學工程驗證試驗，飛行試驗會對試驗參試設備造成破壞，飛行器上遙測設備一般作為一次性使用的測量設備，其成本代價太高；

2) 當前單一遙測通道不能滿足飛行器測量需求時，需在飛行器上安裝多個遙測通道，會占用飛行器更多空間體積和研制成本；

3) 當飛行器飛行距離超出遙測作用距離時，通常在飛行航道上多點布置遙測地面接收站，而遙測地面接收站研制成本一般在幾百萬至千萬之間，試驗成本激增。

2 遙測需求變化

近些年，以導彈為主的小型航天飛行器技術發展有了新的變化，主要體現在幾個方面，制導精確化，空域高遠化，信息網絡化，攻防一體化，環境復雜化。小型航天飛行器采用復合制導技術，不斷拓展空域，向更高更遠發展，向高速高機動發展，工作環境不斷惡化，復雜電磁環境要求等等。作為小型航天飛行器研制過程的重要測量手段，遙測技術也面臨新的挑戰，主要體現在以下幾個方面：

(1) 高碼率。復合制導技術要求多種探測傳感器提供制導所需的制導原始信息，各種信息復雜多樣，相關控制參數也不斷增加，其中以紅外導引頭為代表的紅外圖像信息都是幾十Mbit/s甚至上百Mbit/s量級的數據，即使采取數據壓縮技術，仍大大超出現有遙測系統的傳輸帶寬。

(2) 多目標。武器系統發展到新的歷史時期，單一功能的武器系統已不能滿足日益復雜的國防現代化需求。單一空域內多種武器系統網絡化作戰，以無人機為代表的蜂群戰術均代表了先進的軍事理念及手段，這些武器系統的研制對遙測系統提出新的需求[9]。

(3) 一體化。遙測設備小型化是遙測的關鍵技術指標，隨著元器件、集成電路技術和軟件無線電技術的發展，使得以相近技術為基礎的各種彈上設備具備一體化設計的基礎，綜合其功能需求，求同存異進行細化設計，形成新的一體化設備，實現小型化設計，例如遙測、遙控、外測一體化等。

(4) 遠距離。擴大作戰空域是提高防空效率，解決多次攔截、多目標飽和襲擊的重要途徑，也是精簡裝備、簡化后勤供給、節省軍費開支的重要方法，同時也是防御體系建設的重要技術指標，因此在新的武器系統研制過程中，在有限的體積質量約束下，需要實現更遠的遙測距離。

3 遙測發展方向

隨著小型航天飛行器技術的發展，各種新型系統發展突飛猛進，對飛行試驗遙測提出了更高的要求，遙測參數種類的增多直接導致數據量的膨脹，空域的拓展也將傳統遙測由視距微波通信向超視距微波通信發展，同時由于用戶對使用、訓練等系統效果評定和故障定位，將遙測技術應用從系統研制向售后保障拓展。傳統遙測所能達到的數據量、作用距離、工作方式等都不能適應新的要求，遙測技術需要突破關鍵技術，在以下幾個方面進一步發展以滿足新形勢下的遙測需求：

(1) 新體制。隨著無線通信技術的發展，國外在遙測新技術研究與應用方面已取得了較大進展，FQPSK(feher-patented QPSK是一種近似恒包絡調制方式)體制的頻譜效率為PCM-FM體制的2倍，多調制指數連續相位調制體制Multi-hCPM的頻譜效率為PCM-FM的3倍，正交頻分復用OFDM(orthogonal frequency dicision multiplexing)技術把信息通過多個子載波傳輸，抗衰落能力強，頻率利用率高，適合高速數據傳輸等，新的數字調制技術和新傳輸方式的應用，將為飛行試驗遙測開創一條新的技術途經[10-11]。

(2) 新頻段。遙測從P頻段逐步發展至S頻段，在射頻與體制上采用了IRIG標準推薦的工作在2 200～2 300 MHz的PCM-FM體制，碼率最高從409.6 kbit/s～2 Mbit/s再到現在的10 Mbit/s。新型號對遙測傳輸信息量的要求激增，最高碼率提高到10 Mbit/s以上，提高碼率的方式主要是采用新的體制和升高工作頻段，因此遙測工作頻段從傳統的S向C,X頻段逐漸擴展，甚至更高的Ku,Ka等頻段，頻段越高相應可用傳輸帶寬也越寬[12]。

(3) 多目標測量。向實用化看齊，多發齊射，多系統協同已成為一種常態，使用訓練中需要同時對所有參演的系統進行遙測，空中目標多達數十個，諸如此類的使用需求，傳統的時分多址技術傳輸信息的時效性不強，頻分多址技術受頻段帶寬限制，目標數量有限，因此需要向碼分多址技術轉變，或者采用其他復合傳輸體制例如直接序列擴頻碼分多址(DS-CDMA)，設備復雜性低，內在具有測距能力，抗干擾能力強，同時輔以提高頻段，擴展遙測頻段帶寬等，以解決空中多目標的通信需求，目前已有部分項目中進行了嘗試。

(4) 中繼遙測技術。視距遙測可通過提高發射功率、采用MSD+TPC組合技術[13]、提高彈載天線和地面天線增益等手段，達到信道鏈路閉環；當出現超視距遙測時，傳統模式是在飛行航道上多點接力遙測。我國目前在軌中繼衛星有4顆(天鏈一號01星、02星、03星、04星)，其中04星與2017年3月完成在軌測試，用于替代01星的工作，天鏈二號衛星也在研制中，可保證在軌道高度1 000～1 500 km范圍內本飛行器有超過90%以上的測控覆蓋率，運載火箭遙測已率先進行中繼遙測技術研究應用，因此，也需跟進中繼遙測技術。飛行器測控系統圖如圖2所示，對多目標測量、中繼遙測、協同通信、測控遙測一體化等提出新的需求。

(5) 微遙測技術。基于微系統設計和一體化設計思想，采用數字SoC技術、射頻微組裝混合集成電路技術及軟件無線電技術，實現功能模塊通用化設計，實現視頻功能、射頻功能一體化設計，實現信道收發共用一體化設計，實現信號采集處理與信號無線傳輸一體化設計，從而實現遙測、遙控、外測等一體化融合設計，使得遙測設備體積縮小50%左右，成本降低50%左右，同時積極跟蹤電路集成技術和元器件的發展，最終實現遙測模塊芯片化，形成真正的微遙測。微遙測技術及應用如圖3,4所示。

通用可配置遙測技術：基于軟件無線電技術發展，將遙測信號采集、編碼功能與數字調制功能進行融合設計，結合直接數字頻率合成(DDS)技術，在共同的數字處理器電路平臺上，實現遙測碼率可配置、遙測幀格式可配置、遙測調制體制可配置、遙測全頻段(例如遙測S頻段)頻點可配置等，從而實現作業現場配置任務模式、形成通用遙測平臺，以滿足以用戶使用訓練為代表的需現場配置的遙測任務模式需求。

(6) 新型天線技術。遙測天線是遙測系統中必不可少也是至關重要的部件，其性能的好壞直接關系到整個系統能否正常發揮其作用與功能，現場配置遙測模式的使用，遙測、遙控等一體化設計技術等都需要發展超寬帶遙測天線；遙測天線安裝在小型航天飛行器殼體外部，直接影響小型航天飛行器的氣動外形，因此遙測天線與艙體共形設計技術，與殼體結構防、隔熱一體化設計技術也是近期一個熱點[14]；信道鏈路也對遙測天線增益要求不斷提高，可控天線陣列技術作為一個選項可有效增加天線定向發射增益。

(7) 新型遙測傳感器技術。遙測傳感器以電傳感器為主，主要實現溫度、噪聲、沖擊、振動、加速度等參數的測量。隨著MEMS技術的發展，電傳感器得到長足進步，適應大部分測量需求，但相對于遙測設備小型化要求還有差距。近幾年，新型傳感器技術蓬勃發展，以光纖技術為基礎，利用光的振幅、相位、波長等的變化可以實現聲場、電場、壓力、溫度、角速度、加速度等測量，而且具備抗電磁干擾、抗原子輻射、質量輕、耐高溫、耐腐蝕等優點[15]，布拉格光纖光柵作為一種光纖傳感器，采用波長編碼，可以實現不同參數的分布式測量。以溫度傳感器為例的方案設計原理框圖如圖5所示。

(8) 遙測數據處理技術。隨著遙測參數的種類增多和數量增加，對遙測數據處理技術的要求也越來越高。關鍵遙測數據正常與否作為飛行試驗發射條件，甚至遙測數據參與飛行試驗的全過程，作為安全控制、指揮大廳顯示等的數據源之一，遙測數據處理需要“邊飛行、邊監控、邊處理、邊發送”，對紅外圖像實時播放，對重要性能參數曲線進行實時監測，對需要比較的參數進行條圖對比，對關鍵狀態進行“燈”狀指示，對脫靶等信息進行實時處理、快速判斷，對外部所需信息進行實時挑路轉發等功能需求，需要實現遙測數據的快速處理，自動判讀，甚至智能診斷，以支持試驗指揮及時對試驗進程進行決策。

國內遙測設備研制生產廠家對multi-h CPM(多調制指數連續相位調制體制)體制、Ka等高頻段遙測設備、光纖傳感器等先進技術進行了研究、開發、試制和試用，但在形成產品方面和產品適用性方面還存在差距，例如multi-h CPM體制尚未形成標準，Ka頻段遙測系統在大動態自跟蹤方面還存在問題，光纖傳感器在信號解調部分小型化方面還不滿足小型航天飛行器使用需求。

4 結束語

目前的遙測技術處于快速發展階段，但在多目標遙測系統中多使用FDMA技術，測量通道數量較少，尚未大規模開展類似“蜂群”目標的遙測；在一些項目中采用了部分狀態可配置的遙測技術，無成熟平臺可借鑒；中繼遙測技術和新型傳感器技術尚處于探索階段，有使用需求，但尚無成熟設計和產品；微小遙測技術始終是遙測技術發展的一個重要方向，遙測數據處理技術獲得長足進步，在自動判讀和智能診斷領域仍需加倍努力。

遙測系統是小型航天飛行器系統的重要組成部分，是系統研制的重要測量手段，本文簡要介紹了我國遙測技術發展歷程和小型航天飛行器遙測技術特點，以需求為牽引，通過小型航天飛行器發展趨勢分析，提出了遙測技術的關鍵技術和發展方向，并對相關技術進行了分析說明。