運載火箭測量系統綜合化設計與實現

摘" 要： 針對運載火箭傳統測量系統設備功能單一、工作體制固化、體系架構封閉等問題，通過對系統技術特點、技術迭代過程和局限性的分析，基于運載火箭平臺約束條件，提出一種適合當前應用的基于綜合電子的開放式系統架構；其次，完成了基于該架構的綜合射頻終端研制，實現了小型化、輕質化、低功耗、可靈活擴展的綜合化測量系統。所設計系統能夠滿足總體應用需求，在航天領域具有廣泛的應用前景。

關鍵詞： 運載火箭； 測量系統； 綜合射頻終端； 綜合化架構； 電子系統； 性能測試

中圖分類號： TN876?34； V475.1" " " " " " " " " "文獻標識碼： 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

隨著現代電子系統具備的功能越來越多，性能要求越來越高，系統電子設備的數量、成本、體積、重量、功率急劇增加，通過增加電子設備的數量和改善單個設備的性能來提升系統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綜合化技術的應用。

運載火箭測量系統[1]指完成運載火箭的遙測參數測量、傳輸、處理以及運載火箭飛行外彈道的測量和安控任務的運載火箭分系統，包括遙測子系統和外測安全子系統，是運載火箭的必備電子系統之一。目前，國內運載火箭測量系統普遍為傳統的多功能“分立式”系統[2]，采用大量的獨立單機設備并分散布置在火箭儀器艙內，這種系統組成從早期運載火箭研制一直延續至今。而隨著我國航天事業的飛速發展，航天發射進入高密度任務時期，重型運載、載人登月、深空探測、可重復使用天地往返運輸等全新的航天任務也出現大量的新需求[3?5]，使得現有測量系統必然面臨功能增加、性能提升、研制周期縮短以及由此帶來的設備數量、成本、體積、重量、功耗急劇增大和可靠性下降的壓力，現有的“分立式”系統已無法滿足未來要求。因此，亟需構建一種適用于運載火箭平臺的綜合化架構以適應未來發展。

本文從測量系統的設計需求入手，分析了系統的技術特征、技術迭代過程以及面臨的挑戰，提出了測量系統實現綜合化的技術途徑和設計方案，完成了實物研制并進行了驗證。

1" 測量系統設計分析

1.1" 系統功能需求

傳統測量系統普遍采用獨立射頻單機和天線實現一系列功能，主要包括外彈道測量功能、無線安控功能、導航定位功能、遙測數據采集和發射功能等。近年來，基于全程天基測控技術的發展，利用中繼衛星進行遙測遙控開始應用。

如表1所示，連續波體制應答機和脈沖體制應答機配合地面雷達站實現飛行器徑向距離、相對速度以及方位角等參數的測量；安控指令接收機用于接收地面安控站發射的無線安控指令，實現運載火箭異常飛行時的安全自毀；導航接收機用于接收導航衛星的數據進行定位解算，作為外彈道測量功能的補充；地基遙測發射機用于將箭載傳感器收集的數據以及箭載設備的狀態數據發送至地面遙測接收站；天基測控設備則通過天鏈中繼衛星進行遙測數據回傳以及上傳。

1.2" 系統特點

測量系統是運載火箭飛行時天地間的唯一通道，在飛行器關鍵參數獲取、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，測量系統必須工作到最后一刻，以獲取并傳遞寶貴的故障數據，以及執行安控自毀。因此，系統對設備的可靠性要求高。

測量系統屬于多功能并行工作的電子系統，飛行過程中，各功能之間并沒有優先級高低，所有設備加電后一直工作，直至飛行結束。系統采用功能備份的方式確保飛行任務可靠性，比如，外彈道測量采用兩種外測應答機和衛星導航接收機一起形成冗余，飛行遙測參數回傳采用地基遙測、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，系統對功能故障后的功能重構能力可以不做要求，而更加注重某條射頻鏈路故障后的故障隔離。

目前測量系統通過多個功能單一且獨立的設備構建系統，各射頻單機在設備內部構成上基本相同，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，適合對系統進行射頻綜合化設計。

1.3" 系統的技術迭代

測量系統截止目前共歷經了三代的發展，劃代依據以各設計要素的重大進展和突破為標志[5]，系統迭代過程主要有以下兩個方面：

1） 外測安全子系統迭代過程

外彈道測量第一代采用連續波體制測量，第二代增加了脈沖體制測量，第三代則增加了衛星定位的測量功能。安控指令接收在前兩代的調制方式均為PCM?BPSK?FM體制，電路由分立模擬電路為主演進至數字門電路為主，直至大規模數字集成電路的出現；第三代安控功能則采用高可靠主字母安控體制，而隨著天基中繼衛星系統的發展，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行了積極探索，為測量系統增加新的靈活性。

2） 遙測子系統的迭代過程

遙測系統前兩代均為地基遙測，主要是傳輸體制和傳輸容量的進步，遙測碼率達到2 Mb/s；第三代地基遙測采用PCM?FM調制體制，碼率達到10 Mb/s。隨著未來高碼率遙測系統的提出[6?7]，成形偏移正交相移鍵控（Shaped Offset Quadrature Phase Shift Keying， SOQPSK）和多調制指數連續相位調制（Multi?h CPM）等先進調制體制出現，使得在有限帶寬內實現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用。由于天基中繼衛星系統具有覆蓋范圍廣、實時性強、費用低的優點，后續將主要開展Ka頻段返向高碼率10～50 Mb/s的數據傳輸技術的研制。

可見，隨著測量系統的快速發展，一系列先進的通信信號波形和低成本、高性能技術將逐漸開始應用到航天平臺。

1.4" 傳統測量系統局限性

傳統測量系統的“一型號一設計，一狀態一方案”的建設思路，定制單機種類多、數量多，產品化推動困難。隨著未來運載火箭進入高密度發射時期以及新研型號任務的增多，系統難以滿足高密度發射的快節奏需求。

傳統測量系統擴展、升級、成長能力較弱，屬于典型的多功能“分立式”系統，這種系統在應對新技術的發展時，必然面臨大量單機設備升級或大量新增單機設備，造成系統成本增加、復雜度增加、可靠性下降等不良后果。設計更為先進的具備高可靠性、小型化、輕質化、低功耗、可靈活擴展能力的綜合化電子系統架構日益迫切，未來運載火箭的電氣系統向著綜合化、輕質化、智能化[8?10]方向發展，“分立式”電子系統將無法滿足未來需求。

2" 綜合射頻終端設計實現

2.1" 硬件架構設計

測量系統功能均為并行工作，采用功能備份的方式確保飛行任務的可靠性，因此，綜合射頻終端不再使用其他平臺電子綜合化架構中用于功能重構的射頻開關陣列和中頻開關陣列，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結構，在功能備份的基礎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、綜合數據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行靈活組合，以滿足不同型號的差異化需求。硬件模塊以嚴格統一的結構尺寸、電氣接口設計，保證在統一的硬件架構下組合使用，并借助功能強大的背板總線實現模塊互聯。綜合射頻終端系統硬件架構如圖1所示。

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

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

2） 高性能指標優先，指標應包絡現有型號系統指標的最高指標，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，信道仿真設計、頻率源管理、EMC防護等措施是設計的重點。

在電路架構上，綜合射頻終端采用標準中頻架構收發信機，一方面可以獲得較好的干擾抑制、信道選擇性、接收動態范圍等指標；另一方面，易于實現模塊標準化和通用化設計，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應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，適合當前階段綜合射頻終端的實現。具體的模塊設計可作如下考慮：

1） 射頻前端模塊按測量系統功能的要求，應具備從P頻段到Ka頻段的接收能力，同時具備從S頻段、C頻段、Ka頻段的發射能力。根據目前寬帶信道發展的技術水平，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頻段連續波收發信道模塊、C頻段脈沖收發信道模塊、Ka頻段收發信道模塊，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行統一策劃統型，進一步提升電路的產品化和高通用性。

2） 通用基帶模塊采用統一的通用數字處理硬件平臺，主要完成信號調制解調、參數測量、時延補償、轉發比實現、多普勒解算、解碼譯碼等任務，同時，實現功能模塊之間接口控制以及硬件資源調度管理。

3） 綜合電源模塊按功能的備份關系分組供電以隔離故障，避免出現單路電源故障導致的系統功能的主備份同時喪失；在兼顧電源效率的同時預留適當的帶載能力，用于系統功能的擴展，避免電源的重復設計。

4） 綜合數據管控模塊用于和不同型號的飛行器平臺接口適配，內部則用于對各組成模塊的狀態進行收集和控制，預留了故障監測、健康管理等有關智能化應用的硬件資源。

2.2" 軟件架構

便利的刪除、插入、升級系統功能的軟件架構技術是實現綜合集成電子系統可擴展性設計的基礎。圖2是綜合射頻終端的分層軟件架構，從模塊支持層到應用層共分為4層。

應用層是系統射頻功能實現的載體，由若干波形組件組成，按單個功能把信號處理和數據處理一體封裝為單個波形組件，構造一次，測試一次，可多次重復使用。共用服務層則完成系統軟硬件資源的管理和調度，監測系統硬件、平臺各層軟件的運行狀態、故障上報和健康管理。中間件層主要為系統提供總線服務，完成外部接口的適配，并實現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動程序。

通過軟件分層架構，共用服務層和中間件層的存在實現了軟件與硬件的隔離，各層軟件的標準化保證了軟件組件的可移植性和可重用性。當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方案相比，設備本體體積（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，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，同時標準化模塊的應用大大縮短了產品研制周期。

經過測試[11]，綜合射頻終端完成了連續波體制外測功能、脈沖體制外測功能、安控指令接收功能、衛星導航接收功能等四個功能的綜合化設計，主要性能指標滿足型號要求。目前該終端已經完成某型號飛行試驗驗證，通過飛行數據分析，性能指標達到系統要求。

4" 結" 語

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

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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設備研發。