再入遙測三維空間分集接收的設(shè)想與實現(xiàn)技術(shù)

呂 鵬， 楊 燦， 謝常強(qiáng)

(150信箱11分箱 寶雞 721013)

引 言

對大型武器飛行試驗再入遙測信道的分析表明，在單獨(dú)的一條信道上傳輸信號，由于瑞利衰落，其性能將劣于平均信噪比相同而無衰落時的性能，它們之間的差別以數(shù)十分貝計算。受設(shè)備體積、重量及工藝的復(fù)雜性等多種因素的限制，若采用提高系統(tǒng)功率容量的辦法來提升低空遙測信號的質(zhì)量，將付出很大代價。并且采用上述辦法克服信道快衰落造成的影響，其效果也很差，特別是對極短時間內(nèi)深度快衰落所造成的突發(fā)性錯誤更是如此[1]。因此，如何克服信道衰落的影響，提高遙測信號的接收質(zhì)量，是再入遙測需要研究的一個重要課題。

分集接收是通信中一種多重接收合并技術(shù)，它采用多通道分別接收、集合匯總輸出的接收方式，增大接收信號強(qiáng)度，從而提高接收信噪比。再入遙測主要采用空間分集、頻率分集、角度分集、極化分集和時間分集技術(shù)。

1 再入遙測空間分集接收現(xiàn)狀

空間分集是再入遙測實踐中最常見的分集技術(shù)，它采用兩副或兩副以上不同位置的天線接收同一信號。接收天線波束“照射”了電波傳輸媒質(zhì)的一部分，從受照射中任何一點發(fā)出的射線(路徑)將以不同的電波長度到達(dá)各收信點。因此，在同樣的照射條件下，不同的收信點上所觀察到的信號矢量族是不同的。這樣分開的兩副天線，如果在一副天線上收到的矢量族和另一副天線收到的矢量族有明顯的差別，則認(rèn)為兩副天線的衰落是互不相關(guān)的。在再入遙測中，多個接收站(接收天線)布設(shè)在同一水平面上的不同位置，亦可稱為二維空間分集。

不同接收天線若要取得較大的矢量變化，則需要各接收站處于相距較遠(yuǎn)的不同點位(一般在數(shù)十公里以上)。一些副站在接收特快信號時，由于接收天線工作在低仰角狀態(tài)，電波受地面反射產(chǎn)生多徑效應(yīng)，而產(chǎn)生的路徑損耗將引發(fā)快衰落，影響接收的可靠度。為了在站與站之間獲取較大矢量變化的接收信號的同時，降低接收近地點特快信號時的多徑效應(yīng)影響，可考慮三維空間分集接收形式，在再入遙測場區(qū)空中布設(shè)一些接收站。

2 再入遙測三維空間分集接收設(shè)想

2.1 設(shè)想簡述

圖1為設(shè)想的再入遙測接收站三維空間布設(shè)結(jié)構(gòu)示意。依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[2]，在場區(qū)1主、3副地面接收站布設(shè)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)想空中再布設(shè)2個無人飛行器搭載遙測接收設(shè)備(空間站)。1個布設(shè)在地面主站上空(同地面坐標(biāo))，采用同主站接收設(shè)備，負(fù)責(zé)接收武器飛行再入點至理論落點彈道弧度內(nèi)的遙測信號;另1個則布設(shè)在理論落點上空，采用同副站接收設(shè)備，負(fù)責(zé)接收低高度遙測信號和近地點特快信號。

各空間站接收獲取的遙測數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸至鄰近地面站，地面主站和1個副站增設(shè)數(shù)據(jù)合并設(shè)備，完成相應(yīng)空間段分集接收數(shù)據(jù)的合并。同時，利用同一信道，實現(xiàn)地面對空間站遙測設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖1 再入遙測接收站三維空間布設(shè)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 可行性分析

根據(jù)分集接收兩副天線不相關(guān)衰落所要求的距離d?λ/θ(λ為載波波長，θ為由收信點所觀察到的受照射體的橫向或縱向張角)估算:在高頻段，收到的波束縱向張角通常在1°～5°之間，分開的天線之間的縱向“相關(guān)距離”可為10λ ～100λ?？梢?，空間站與相鄰地面站之間的距離遠(yuǎn)大于空間分集接收要求，對于再入遙測，從空間分集的角度來看，已經(jīng)具有多條相互獨(dú)立的分集支路，可取得較好的分集效果。

圖2 計算地面反射多徑傳播的路徑損耗模型

2.3 效果評估

2.3.1 減小地面反射引發(fā)多徑傳播的路徑損耗

在近地空域，地面引發(fā)電波傳輸?shù)姆瓷浠蛏⑸?，其中反射會造成電波傳輸?shù)亩鄰叫?yīng)。文獻(xiàn)[3]指出，計算平地面反射產(chǎn)生的多徑傳播時的路徑損耗可依據(jù)圖2所示模型，得出

當(dāng)發(fā)射天線和接收天線均為全向單位增益天線時，有

式(1)、式(2)中，LPE為路徑損耗，Pr為接收功率，Pt為發(fā)射功率，Gt為發(fā)射天線在接收機(jī)方向上的增益，Gr為接收天線在發(fā)射機(jī)方向上的增益，h1為收信點高度，h2為發(fā)信點高度，d為收發(fā)信點間的水平距離。

式(2)反映，多徑傳播時的路徑損耗與收發(fā)信點高度(h1、h2)乘積的平方成正比，與收發(fā)信點間水平距離(d)的4次方成反比。在接收同一高度近地點特快信號時，若使用地面站接收近地點信號，則由于天線接收高度有限，收發(fā)信點間的水平距離較遠(yuǎn)，計算得出路徑損耗達(dá)數(shù)十分貝;若按本文設(shè)想在高空接收，則變量h1增大、d減小，因而計算得出的路徑損耗明顯減小。

實際的反射地面還應(yīng)考慮收發(fā)信點間遮蔽物類型、植物和地面海拔高度的變化，雖然上述模型沒有考慮這些因素，但是由此得到的路徑衰減趨勢和衰減值反映出多徑效應(yīng)對空間站接收低空信號的影響較小。

2.3.2 提高在飛行偏差情況下信號接收的可靠度

再入遙測等待式接收是通過接收天線波束覆蓋彈道的一段空間區(qū)域，實現(xiàn)這一區(qū)間內(nèi)的遙測信號接收。受發(fā)射狀況、飛行環(huán)境等因素的影響，武器的實際飛行彈道同理論彈道有一定的差別，彈著點存在一定的散布度，故等待式接收需要覆蓋的空間區(qū)域是一個以理論彈道為中心的傾斜橢圓臺柱?，F(xiàn)使用的地面主站圓錐狀波束接收天線組、副站半球狀波束接收天線組，即便相互補(bǔ)充仍無法實現(xiàn)對預(yù)定接收空域的全覆蓋[4]，而使用多個空間站與多個地面站從三維立體接收范圍相互補(bǔ)充，則可形成對傾斜橢圓臺柱區(qū)較大范圍的覆蓋，如圖3所示，確保在武器出現(xiàn)較大飛行偏差的情況下實現(xiàn)最大范圍的遙測信號分集接收。

圖3 接收天線波束覆蓋示意圖

3 主要實現(xiàn)技術(shù)

空間站使用的遙測接收設(shè)備同地面主、副站配置，因此該三維空間分集接收設(shè)想的主要實現(xiàn)技術(shù)集中在對空間站的飛行控制、數(shù)據(jù)傳輸與合并等外圍設(shè)備的研制上。

3.1 飛行器飛行控制

受到高空氣流等因素的影響，飛行器在空中會產(chǎn)生偏移，導(dǎo)致姿態(tài)發(fā)生變化，影響到接收天線的瞄準(zhǔn)。因此須在無人飛行器上設(shè)置控制系統(tǒng)，控制飛行定位及飛行器的方位、俯仰、側(cè)傾姿態(tài)。飛行定位、姿態(tài)控制技術(shù)較多，選取時應(yīng)考慮再入遙測整體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

圖4是一種利用多站測距定位的飛行器控制系統(tǒng)的原理框圖。其中測距設(shè)備、方位羅盤、水平陀螺分別為飛行控制設(shè)備提供空間坐標(biāo)、方位/俯仰、側(cè)傾控制參數(shù)。

多站測距定位設(shè)備是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，其工作原理如下:

飛行器上的時間間隔測量儀向其本身和3個布設(shè)在地面站(副站)的相關(guān)設(shè)備發(fā)送詢問脈沖，收到詢問脈沖的每個地面站向飛行器發(fā)送應(yīng)答脈沖，測量儀測出詢問脈沖與應(yīng)答脈沖之間的時間間隔Δti(i=1，2，3)，由于①從詢問脈沖起到應(yīng)答脈沖止，飛行器的位置變化可以忽略;②收到詢問脈沖起到應(yīng)答脈沖之間的時間間隔可以忽略，因此可按式(3)計算出飛行器與3個地面站的斜距ri，即

式(3)中，c為光速。

設(shè)在給定的 xyz坐標(biāo)系中，3 個地面站的坐標(biāo)分別為(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)、(x3，y3，z3)，則飛行器和地面站的距離ri與飛行器在t時刻的坐標(biāo)(x，y，z)之間的關(guān)系如式(4)所示。

對式(4)聯(lián)立求解，便可確定飛行器在給定坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置。

圖4 飛行器飛行控制系統(tǒng)框圖

3.2 數(shù)據(jù)傳輸

目前計算機(jī)工控技術(shù)已應(yīng)用在遙測接收設(shè)備設(shè)計中，遙測數(shù)據(jù)可按TCP/IP協(xié)議處理、存儲、傳輸，故而可利用相同技術(shù)體制的計算機(jī)無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)空間站向鄰近地面站傳輸遙測數(shù)據(jù)。同理，也可實現(xiàn)鄰近地面站對空間站遙測接收設(shè)備點對點遠(yuǎn)程監(jiān)控數(shù)據(jù)的傳輸。

圖5為利用無線網(wǎng)絡(luò)的再入遙測三維空間分集接收數(shù)據(jù)合并與遠(yuǎn)程控制結(jié)構(gòu)框圖。無線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)為:①地面主站與鄰近上空空間站之間為點對點網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)空間站與主站間的數(shù)據(jù)通信;②落點上空空間站與3個地面副站組成無線局域網(wǎng)，實現(xiàn)空間站與1個地面副站或3個地面副站間的數(shù)據(jù)通信。

圖5 分集接收數(shù)據(jù)合并與遠(yuǎn)程控制結(jié)構(gòu)框圖

對于無線網(wǎng)絡(luò)，成熟的標(biāo)準(zhǔn)有電氣和電子工程師協(xié)會IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)802.11系列。從目前技術(shù)情況看，該系列最新IEEE 802.11n標(biāo)準(zhǔn)的無線設(shè)備傳輸速率可達(dá)300Mb/s，作用距離3km(提高天線增益還可實現(xiàn)數(shù)十公里的通信)，能夠滿足實驗任務(wù)數(shù)據(jù)和監(jiān)控數(shù)據(jù)并行傳輸需求。而且，該標(biāo)準(zhǔn)普遍定義了基于64/128/256位密鑰的加密機(jī)制[5]，具有一定的安全性。

3.3 分集接收信號合并

再入存儲遙測采用數(shù)字傳輸系統(tǒng)，可以選擇數(shù)據(jù)合成技術(shù)，利用先進(jìn)的大規(guī)模集成的電子存儲器和計算機(jī)技術(shù)，對各分信道輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、選擇，最終合成一個高質(zhì)量的輸出信號，從而回避模擬信號線性合并帶來的設(shè)備復(fù)雜、成本較高問題。其基本原理是，地面站、空間站將各分信道由地址碼、信息碼和校驗碼三部分組成的數(shù)據(jù)塊(或數(shù)據(jù)包)傳輸至地面合并設(shè)備。地址碼用以標(biāo)志信道序號和數(shù)據(jù)塊序號，校驗碼包含該數(shù)據(jù)塊的質(zhì)量信息，合并設(shè)備計算機(jī)通過對地址碼、校驗碼的比較和選擇，實現(xiàn)最高質(zhì)量的遙測數(shù)據(jù)合成。這種合成設(shè)備簡單，成本低，能實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)合成[6]。

4 三維空間分集接收設(shè)想向?qū)嵺`轉(zhuǎn)化時應(yīng)注意的問題

空間站搭載的遙測接收設(shè)備、飛行控制設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備都是十分精密的電子設(shè)備，這些設(shè)備與飛行器本身的一些電子設(shè)備在運(yùn)行時會在空間站附近空間和內(nèi)部形成較為復(fù)雜的電磁環(huán)境，產(chǎn)生一定的電磁干擾。另外，空中與地面自然環(huán)境差異較大，如隨著海拔高度的提升，大氣壓、環(huán)境溫度、日照強(qiáng)度會發(fā)生變化。因此，對空間站搭載的電子設(shè)備來說，電磁兼容性、環(huán)境應(yīng)力等方面的要求較地面設(shè)備要高。

為確保各種電子設(shè)備相互間不產(chǎn)生電磁干擾，能夠在較為惡劣的環(huán)境下正常運(yùn)行，就必須遵照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、軍隊標(biāo)準(zhǔn)要求，對設(shè)備進(jìn)行電磁兼容性、高強(qiáng)度應(yīng)力設(shè)計，并完成設(shè)備環(huán)境實驗[7，8]。這是三維空間分集接收設(shè)想向?qū)嵺`轉(zhuǎn)化的一個重要步驟。

5 結(jié)束語

大型武器飛行試驗事關(guān)軍事力量建設(shè)的大局，是武器交付部隊前必須經(jīng)歷的一項重要活動。遙測數(shù)據(jù)是生產(chǎn)科研機(jī)構(gòu)、軍隊采辦機(jī)構(gòu)、使用部隊判定武器質(zhì)量，確定采購意見，提出下一步研制改進(jìn)建議的重要參考依據(jù)。不同于其他國家，我國進(jìn)行的飛行試驗次數(shù)較少，且試驗具有失敗的風(fēng)險性，因而每次獲取的實驗數(shù)據(jù)是十分寶貴的。為了確保每開展一次試驗就有一次收獲，即能夠接收到高質(zhì)量、全空間的遙測數(shù)據(jù)，開展相關(guān)科研、提高可靠獲取遙測數(shù)據(jù)的能力是非常必要的。

[1]劉蘊(yùn)才，房鴻瑞，張集仿.遙測遙控系統(tǒng)[M].北京:國防工業(yè)出版社，2000.

[2]GJB 3475—98.再入遙測等待接收站布站要求[S].總裝備部，1998.

[3]劉嘉興.飛行器測控與信息傳輸技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社，2011.

[4]楊 春，佘川飛，等.某型號地面遙測接收設(shè)備技術(shù)報告[R].綿陽:中國工程物理研究院，2011.

[5]常 帥，謝劍英.802.11無線網(wǎng)絡(luò)安全性研究及其工程應(yīng)用[C].全國仿真技術(shù)學(xué)術(shù)會議，2005.

[6]張 軍，等.無線電遙測系統(tǒng)及在兵器試驗中的應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社，2011.

[7]GJB 1389—92.系統(tǒng)電磁兼容性要求[S].國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會，1993.

[8]GJB 367.2—87.軍用通信設(shè)備環(huán)境實驗方法[S].國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會，1987.