基于翼傘回收助推器的遙控遙測系統設計

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設計

焦猛1,2王立武1,2滕海山1,2李春1,2張紅帥3

（1 北京空間機電研究所，北京 100094）（2 中國航天科技集團有限公司航天進入、減速與著陸技術實驗室，北京 100094）（3 貴州航天林泉電機有限公司，貴陽 550000）

遙控遙測系統是翼傘回收助推器的重要組成部分，翼傘定點回收必須在回收過程中實時掌握助推器的各類遙測參數，通過遙測參數判定翼傘的飛行狀態是否健康，一旦出現偏航可以通過遙控手段實時調整飛行姿態。文章介紹了一種能夠實現實時采集助推器運動狀態，并可以根據遙測數據對系統狀態進行觀察、判斷，決定并執行控制權在箭上和地面自由切換的遙控遙測系統，該系統由箭載數傳機和箭上天線，地面測控一體機和地面天線組成，其設計通過了系統測試和專項試驗驗證，結果表明：用于火箭助推器回收的翼傘遙控遙測系統設計，能夠實現助推器回收過程中遙測數據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歸航。

助推器 翼傘 遙控遙測系統 定點歸航 航天返回

0 引言

由于我國運載火箭發射基地大部分都在內陸，運載火箭助推器的墜落地點都在陸地上，盡管這些墜落點都選擇在人口密度相對較低的區域，但由于殘骸落點散布范圍大，仍然威脅大量的當地居民。如果能夠使運載火箭的墜落速度降低，可減小對地面人員與財產的威脅，如果能夠進一步使得運載火箭墜落過程具有機動能力，精確落入指定區域，則可以基本消除對地面人員與財產的威脅[1]。

飛行器回收用的降落傘系統目前已經在國內外得到了廣泛的應用，如我國載人飛船回收降落傘、美國航天飛機固體助推器回收傘、蘇聯“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，但在落區精確控制方面能力非常有限。近年來，軍事中精確空投任務逐漸增多，有控翼傘技術發展很快。翼傘回收系統具有體積小、質量輕、穩定性強、易操控以及滑翔性能良好等優勢。

翼傘定點回收助推器能夠通過地面實時控制翼傘飛行姿態，但需要對翼傘的各項參數進行實時監控，因此必須配置遙控遙測系統，建立有效天地通路。其中，遙測功能是將箭上產品工作信息及助推器運動狀態發送到地面，遙測數據在無線傳輸的同時，將采集到的數據實時保存至記錄儀中，飛行試驗結束后對記錄儀模塊進行回收，并對記錄儀數據進行讀取、解析、繪圖、還原，以分析試驗情況；遙控功能是地面系統根據遙測數據對系統狀態進行觀察、判斷，決定并執行控制權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需要安裝在助推器內部，完全獨立，除機械接口外，不能與運載火箭系統有其他接口，需要自備電池供電，因此必須設計成小型化、低功耗、高可靠性的產品。本文提供了一種新型遙控遙測系統設計思路，主要創新在于箭載數傳機采用新型接收發射鏈路，這種設計可以有效減小箭載數傳機的體積，降低功耗，并且抗干擾性強，能夠有效提高系統可靠性，同時該系統采用小型化便攜式地面測控設備，獨立供電，可以應用于各類惡劣環境中。

1 系統總體設計

1.1 系統組成

該新型遙控遙測系統由箭載數傳機、箭上天線、地面測控一體機和地面天線組成。

箭載數傳機安裝于箭上，主要功能是將箭上產品工作信息及翼傘運動狀態信息進行調制、變頻、濾波、功率放大后，通過箭上遙測天線發送到地面，同時接收地面發送過來的遙控信息，通過低噪聲放大、下變頻、解調后，得到遙控指令，然后將之發送給箭上相關設備；地面測控一體機主要功能為接收下行的遙測信號并解調，便于觀察、判斷箭上系統狀態，并形成控制命令，通過地面天線發射到箭上設備。系統組成及主要工作流程如圖1所示。

1.2 箭載數傳機設計

傳統的接收鏈路方案為：采用超外差式變頻技術（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、解調后得到基帶信號；傳統發射鏈路方案為：先進行調制，生成70~140MHz左右的已調制載波，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、隔離保護后輸出。可以看出不管是接收鏈路還是發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，導致信號輸出幅度下降嚴重，需加多級放大器才能補償回來，最終導致產品體積增大，功耗增加。

圖1 遙控遙測系統組成示意

本系統采用一種新型數傳機設計思路：射頻信號從接收天線進入數傳機，通過低噪放、濾波后，進入AD9361的接收端，通過AD9361正交下變頻、IR濾波，以數字基帶形式輸出至FPGA，射頻輸出信號調制在FPGA內部完成，形成IQ比特流，進入AD9361內部后，通過IR濾波器濾波，與內部鎖相環輸出本振進行IQ上變頻，得到輸出中心頻率，再通過濾波電路、功率放大、隔離保護后輸出。工作原理如圖2所示。

圖2 箭載數傳機原理

箭載數傳機涉及到的調制解調為PCM-DPSK-FM，為降低FPGA編程難度，采用MATLAB進行輔助設計，MATLAB具備強大的數據處理能力，利用其內部豐富的數學函數，可以方便地實現通信領域的各種調制解調功能，結合其強大的圖形處理及仿真功能，使調制解調算法難度大幅度降低，再用Simulink將MATLAB代碼轉化為VHDL或Verilog HDL語言，通過Modelsim軟件仿真后，刻錄到FPGA控制芯片中運行測試。

遙控遙測系統廣泛采用BPSK調制方式，BPSK系統是用載波的絕對相位來判斷調制數據的，在信號傳輸及解調過程中，容易出現相位翻轉，在解調端無法準確判斷原始數據，BPSK調制系統中，0°相位代表0，180°相位代表1，在解調端發生相位翻轉時將導致數據錯誤。為了避免發生這種問題，箭載數傳機采用DPSK調制方式，DPSK是根據前后數據之間的相位差來判斷數據信息的，即使在接收端發生相位翻轉，由于數據之間的相對相位差不會發生改變，仍可以有效解決相位翻轉帶來的問題。采用DPSK調制時，其原始信號的帶寬無限大，90%的能量均集中在主瓣帶寬內，可以在調制之前對原始信號進行成形濾波，以提高發射端的功率利用率，降低噪聲的影響。

在MATLAB環境中，只需設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調制解調的時域波形進行仿真。

DPSK調制解調的MATLAB仿真結果如圖3~4所示。通過MATLAB仿真實現DPSK解調功能后，將MATLAB代碼轉化為VHDL代碼，再通過Modelsim進行仿真完成軟件功能設計。

圖3 DPSK調制的頻譜波形

圖4 DPSK解調的時域波形

1.3 箭上天線設計

箭上天線包括遙測發射天線和指令接收天線，均采用微帶雙天線形式設計，體積小，易安裝，遙測發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，每個天線支架包含1個遙測發射天線和一個遙控接收天線，為保證最大范圍傳輸，箭上對稱安裝2個遙測發射天線和2個指令接收天線天線，天線支架在助推器內安裝示意圖如圖5所示。

圖5 箭上天線安裝示意

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

1.4 地面測控一體機及地面天線設計

地面測控一體機采用便攜式CPCI工控機為搭載平臺，配備大容量鋰電池，短時間內可以脫離市電單獨工作，具備野外工作能力。地面測控一體機放置于地面工作位，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進行接收解調，并將相關數據進行實時或存儲處理，通過校驗天線進行自校，在地面測控一體機上發布操作命令，生成控制指令，由地面發射機調制到L頻段射頻信號，經過功率放大后通過L頻段全向天線向箭上發送控制指令。

圖6 天線增益仿真分析結果

地面天線分為地面遙測接收天線和地面遙控發射天線，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的運動范圍，以保證系統對目標具有較好的接收性能。地面遙控發射天線也采用微帶圓極化定向天線，波瓣需在滿足系統作用距離的條件下覆蓋目標的運動范圍，如此可以提高系統的信道余量，保證箭載數傳機可靠接收指令。

地面測控一體機及地面天線構成如圖7所示。

圖7 地面測控一體機構成

2 系統鏈路作用距離計算

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，當翼傘回收助推器降落到一定高度的時候，信號會被地球遮擋，造成通信受阻。視線所能達到最遠距離即視線距離0與發射天線高度1和接收天線高度2有以下關系

式中0單位為km；1和2單位為m；系數4.12的單位為km·m?1/2。

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

2.2 遙測作用距離計算

為確保遙測接收系統具有足夠高的輸入信號信噪比，使最終的數據精度或誤碼率滿足技術指標要求，接收系統實際的輸入信噪比必須高于依據輸出數據精度或誤碼率所規定的指標。輸入信噪比的要求與系統調制體制、接收解調和檢測方法相關，通過系統噪聲功率和接收信號功率的計算，可得出最大有效遙測接收距離。

遙測系統作用距離指標的計算基于以下的作用距離方程

式中r為最小接收功率（接收機靈敏度）；t為發射機發射功率；t為發射天線增益；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，以dB形式表示，當遙測信號遠距離傳播時，遙測站天線與遙測發射天線之間的距離為

2.3 系統有效通信距離計算結果

系統有效通訊距離指的是地面測控一體機和箭載數傳機通訊的距離，根據任務需求，地面遙測站天線和箭載數傳機遙測發射天線距離為100km，根據式（6）可知，只要發射功率t滿足要求，即可實現系統有效通訊，其中箭載數傳機發射機功率計算如表1所示，地面測控一體機發射功率計算如表2所示。

表1 箭載數傳機發射功率計算

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

表2 地面測控一體機發射功率計算

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

通過表1計算，箭載數傳機發射功率為1.58W（單路）時，即可滿足通信距離100km的要求，此時整個系統預留4dB以上的增益余量。

通過表2計算，地面測控一體機發射功率為13.732W時，即可滿足通信距離100km的要求，此時整個系統預留4dB以上的增益余量。

3 系統測試與驗證

3.1 系統測試

為驗證遙控遙測系統的正確性，對該系統進行桌面聯試測試。測試在電子學實驗室進行，箭載數傳機接收系統狀態信息按照固定格式進行組幀，并調制成FSK射頻信號進行空間輻射。地面測控一體機接收遙測射頻信號、經過解調、分路，最終在地面測控一體機地圖顯示軟件上進行實時顯示，完成遙控遙測系統的遙測功能測試。

根據實時顯示的位置信息及翼傘的狀態信息，在地面測控一體機操控頁面上輸入手動遙控指令按鈕，按照約定數據包格式對其封裝，根據TCP/IP協議最終在物理層把指令轉換成比特流，并通過總線發送給地面測控一體機高功率射頻模塊進行調制發射。箭載數傳機接收指令時，經過解調、“三判二”等處理，提取出手動遙控指令，并按照約定格式以及RS-232接口協議將其發送給歸航控制器，完成遙控遙測系統的遙控功能測試。

系統桌面聯試結果正常，數傳機加電2s后地面測控一體機完成信號鎖定，地面顯控軟件顯示時間、經度、維度、高度、航向角等遙測信息，通過地面測控一體機發送遙控指令，電機能夠按照要求實現智能控制功能，控制精度滿足指標要求，測試結果表明遙控遙測子系統工作正常，除遠距離傳輸未驗證，其余功能指標滿足要求。

3.2 拉距試驗驗證

為了進一步驗證遙控遙測系統無線傳輸距離，開展了遠距離無線傳輸試驗，考慮實際測試條件無法滿足100km測試要求，根據章節2中式（6）通訊距離計算公式可知，發射功率與傳輸距離存在一定對應關系，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。

試驗在室外空曠的環境下進行，箭載數傳機與地面測控一體機距離1km，兩者之間沒有明顯的遮擋物，在箭載數傳機與遙測發射天線之間、箭載數傳機與遙控接收天線之間，分別增加一個可調衰減器，衰減值為40dB。參照表1、表2分別把發射天線增益和接收天線的增益進行更改，保持原來箭載數傳機和地面測控一體機發射功率的情況下，如果該系統能夠滿足1km的通信距離，即可以驗證遙控遙測系統可以滿足100km遠距離傳輸的指標要求。

通過實際測試，遙測信息能夠準確接收，誤碼率滿足要求，地面發送遙控指令能夠有效實現控制功能，表明遙控遙測子系統遠距離傳輸工作正常，能夠實現翼傘回收助推器100km遙控遙測任務。

4 結束語

本文介紹了一種基于翼傘回收助推器的遙控遙測系統設計方法，結果表明該遙控遙測系統，能夠在助推器和地面站之間建立有效的天地通路，實現助推器遙測信息的實時下傳和遙控指令的實時上傳，性能指標能夠滿足翼傘回收系統要求，同時兼具小型化、低功耗和高可靠性特點，該遙控遙測系統首次應用于助推器回收，并通過了地面試驗驗證。

后續需要通過空投試驗進一步研究在翼傘飛行中遙控遙測系統的可靠性，探索一種能夠適用于各類飛行器返回的遙控遙測系統。

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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信息工程專業學士學位，工程師。現主要從事航天器回收控制及遙控遙測技術研究。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設計[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）