我國(guó)新一代運(yùn)載火箭遙測(cè)系統(tǒng)發(fā)展

毛尊富 黃小春 趙海龍

【摘 要】基于我國(guó)新一代運(yùn)載火箭提出的無(wú)毒、無(wú)污染、可靠性高的要求，根據(jù)成熟型號(hào)積累的成熟經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)遙測(cè)系統(tǒng)又提出了新的測(cè)試發(fā)展方案。包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、遙測(cè)信道傳輸方案、遙測(cè)參數(shù)測(cè)量方案、遙測(cè)地面系統(tǒng)方案等。各種統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化的思想在我國(guó)新一代運(yùn)載火箭遙測(cè)技術(shù)中得以實(shí)現(xiàn)，其創(chuàng)新的各項(xiàng)技術(shù)在遙測(cè)地面測(cè)控技術(shù)中具有深遠(yuǎn)意義。

【關(guān)鍵詞】新一代運(yùn)載火箭 遙測(cè)系統(tǒng) 發(fā)展 統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化

1 引言

遙測(cè)系統(tǒng)是運(yùn)載火箭系統(tǒng)中重要的組成部分，遙測(cè)技術(shù)對(duì)運(yùn)載火箭的發(fā)展起著重要的作用。隨著新一代運(yùn)載火箭的相繼立項(xiàng)，總體對(duì)遙測(cè)系統(tǒng)提出了更高的要求和更高的可靠性，新一代的航天遙測(cè)人在成熟型號(hào)遙測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出了我國(guó)新一代運(yùn)載火箭遙測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展方案。

2 運(yùn)載火箭遙測(cè)系統(tǒng)概述

運(yùn)載火箭遙測(cè)系統(tǒng)是運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)之一，是運(yùn)載火箭的一個(gè)組成部分。它的主要功能包括：

（1）獲取地面試驗(yàn)及飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為火箭設(shè)計(jì)評(píng)定提供依據(jù)。遙測(cè)系統(tǒng)提供了寶貴的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，特別是飛行試驗(yàn)的遙測(cè)數(shù)據(jù)，其完整性和真實(shí)性是任何地面仿真試驗(yàn)獲得的測(cè)試數(shù)據(jù)難以與之相比的。

（2）為故障分析、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝改進(jìn)提供依據(jù)?；鸺陲w行試驗(yàn)中，由于設(shè)計(jì)不周、零部件可靠性不高、人為差錯(cuò)以及有些試驗(yàn)事先無(wú)法在地面進(jìn)行等原因發(fā)生故障時(shí)，必須依靠遙測(cè)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)，迅速查清故障的部位及起因，采取措施進(jìn)行補(bǔ)救。同時(shí)，遙測(cè)數(shù)據(jù)還為進(jìn)一步提高火箭的可靠性指明方向。

（3）測(cè)定火箭內(nèi)外的環(huán)境參數(shù)，為及時(shí)預(yù)報(bào)和判斷火箭是否完成運(yùn)載任務(wù)提供依據(jù)。環(huán)境參數(shù)的獲得對(duì)于驗(yàn)證火箭各部件環(huán)境適應(yīng)能力，檢查各種防護(hù)措施的有效性，制定規(guī)范化的環(huán)境條件和試驗(yàn)方法都是極為重要的。

3 運(yùn)載火箭遙測(cè)系統(tǒng)原理

遙測(cè)系統(tǒng)利用箭載傳感器、變換器等采集各種電量、非電量參數(shù)送往采編單元，中心程序器對(duì)幀格式進(jìn)行編程控制，經(jīng)調(diào)前濾波器送往發(fā)射機(jī)，由發(fā)射天線發(fā)送出去。地面接收設(shè)備將S頻段天線捕獲到的PCM/FM的微弱射頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)極化電橋形成左、右旋極化信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大濾波分路后形成兩對(duì)射頻信號(hào)通過(guò)高頻電纜饋分送到兩個(gè)射頻組合、經(jīng)混頻、濾波、放大，輸出中頻信號(hào)分送給兩個(gè)分集接收機(jī)，再經(jīng)中頻濾波放大、調(diào)頻解調(diào)、增益控制、視頻濾波放大等，將PCM視頻信號(hào)送解調(diào)設(shè)備及磁記錄設(shè)備，最后由地面微機(jī)完成數(shù)據(jù)處理，并將結(jié)果加以記錄或顯示。

4 現(xiàn)役運(yùn)載火箭遙測(cè)系統(tǒng)存在的不足

現(xiàn)今我國(guó)運(yùn)載火箭遙測(cè)技術(shù)雖然已經(jīng)相對(duì)較為成熟，但仍然存在一定的不足，歸納起來(lái)主要有以下幾個(gè)方面：

（1）我國(guó)沒(méi)有統(tǒng)一的遙測(cè)測(cè)試技術(shù)和管理體制、測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)總線、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及硬件設(shè)備選型，測(cè)試軟件運(yùn)行環(huán)境均不統(tǒng)一，使系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化和通用化程度低，造成測(cè)試系統(tǒng)種類繁多和低水平系統(tǒng)的重復(fù)研制，研制周期長(zhǎng)。

（2）我國(guó)的航天測(cè)控技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)建立了與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)一致的采用S頻段的統(tǒng)一載波地基測(cè)控網(wǎng)，承擔(dān)著并較好地完成了我國(guó)各類航天器從發(fā)射到入軌多個(gè)階段的測(cè)控任務(wù)，但也暴露出覆蓋率低、測(cè)軌精度低、跟蹤過(guò)程復(fù)雜、地面站通信網(wǎng)復(fù)雜以及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)高等問(wèn)題（例：每次發(fā)射都要派出遙測(cè)船以跟蹤接收遙測(cè)信號(hào)）。

（3）由于遙測(cè)測(cè)試系統(tǒng)綜合化，功能和性能要求也不斷提高，目前的遙測(cè)測(cè)試系統(tǒng)機(jī)動(dòng)性、靈活性，可靠性和穩(wěn)定性不能滿足需求。測(cè)試平臺(tái)不統(tǒng)一，還未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試，數(shù)據(jù)判讀仍然需要大量設(shè)計(jì)人員，還未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)判讀，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及測(cè)試復(fù)雜度高。

（4）衛(wèi)星導(dǎo)航測(cè)量只能用到GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，未能兼容中國(guó)自主研制組建的BD-2（北

斗）系統(tǒng)。遙測(cè)系統(tǒng)對(duì)全箭參數(shù)的測(cè)量與傳輸速度、容量、精度有待提高。

（5）人工智能測(cè)試技術(shù)，故障診斷技術(shù)和分析水平低、試驗(yàn)期間故障的分析和隔離主要靠技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，需要不斷重復(fù)試驗(yàn)尋求規(guī)律，定位精度低、不能滿足使用要求。

5 新一代運(yùn)載火箭遙測(cè)系統(tǒng)發(fā)展方向

針對(duì)以上現(xiàn)役火箭存在的問(wèn)題，為了滿足總體對(duì)新一代運(yùn)載火箭高可靠性的設(shè)計(jì)要求，提出了我國(guó)新一代運(yùn)載火箭遙測(cè)系統(tǒng)如下方案，用來(lái)滿足未來(lái)新型號(hào)的遙測(cè)系統(tǒng)要求。

5.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

我國(guó)新一代運(yùn)載火箭遙測(cè)技術(shù)采用PCM-FM體制、2個(gè)S波段點(diǎn)頻完成全箭參數(shù)的測(cè)量與傳輸，并采用S波段天基測(cè)控子系統(tǒng)完成遙測(cè)數(shù)據(jù)中繼傳輸。采用衛(wèi)星導(dǎo)航+地面雷達(dá)兩種測(cè)量模式完成火箭的外彈道測(cè)量，衛(wèi)星導(dǎo)航測(cè)量主要基于GPS，并兼容BD-2（北斗）和GLONASS（GPS）。地面雷達(dá)測(cè)控采用單脈沖雷達(dá)測(cè)量加光學(xué)測(cè)量模式。無(wú)線安全控制采用多音組合調(diào)頻體制。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)充分貫徹一體化設(shè)計(jì)思想，在地面統(tǒng)一測(cè)控方面進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的供電、配電控制、系統(tǒng)狀態(tài)測(cè)試、流程控制、地面測(cè)控的一體化。

5.2 遙測(cè)信道傳輸

為滿足總體需求，遙測(cè)系統(tǒng)采用高碼率傳輸技術(shù)來(lái)完成全箭參數(shù)的測(cè)量與傳輸，由此在信道傳輸方面及基帶數(shù)據(jù)綜合方面引入了相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)。

根據(jù)總體遙測(cè)參數(shù)，對(duì)遙測(cè)需求進(jìn)行了初步統(tǒng)計(jì)和估算。全箭參數(shù)包括總體、環(huán)境和動(dòng)力系統(tǒng)的遙測(cè)參數(shù)。傳輸示意圖如圖1所示。

3 遙測(cè)參數(shù)測(cè)量

遙測(cè)系統(tǒng)需要測(cè)量的參數(shù)主要分為電量參數(shù)和非電量參數(shù)兩大類，電量參數(shù)指被測(cè)參數(shù)以電壓或電流形式表現(xiàn)的遙測(cè)參數(shù)；非電量參數(shù)指被測(cè)參數(shù)以非電量的其它物理量形式表現(xiàn)的遙測(cè)參數(shù)。

5.3.1電量參數(shù)類型以及測(cè)量方案

（1）控制系統(tǒng)1553B總線數(shù)。遙測(cè)系統(tǒng)通過(guò)總線適配器完成電氣隔離及數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換后插入到遙測(cè)PCM數(shù)據(jù)流，總線適配器是控制系統(tǒng)1553B總線上的一個(gè)遠(yuǎn)程終端和總線監(jiān)視器（MT&RT）?？刂葡到y(tǒng)總線數(shù)據(jù)為三冗余傳輸，測(cè)量系統(tǒng)采用一個(gè)總線適配器，將數(shù)據(jù)插入點(diǎn)頻2的PCM數(shù)據(jù)流。

（2）控制系統(tǒng)異步串行總線數(shù)據(jù)。遙測(cè)系統(tǒng)通過(guò)RS485數(shù)字量變換器接收控制系統(tǒng)速率陀螺RS485接口數(shù)據(jù)、增壓控制壓力傳感器RS485數(shù)據(jù)后插入到遙測(cè)PCM數(shù)據(jù)流。遙測(cè)系統(tǒng)通過(guò)RS422數(shù)字量變換器接收故檢系統(tǒng)RS422接口數(shù)據(jù)后插入到遙測(cè)PCM數(shù)據(jù)流。

（3）控制系統(tǒng)非總線數(shù)據(jù)。主要包含一次電源電壓、慣組電壓、28V帶電時(shí)間指令、脈沖計(jì)數(shù)等，采用電量變換器（模擬量變換器、指令變換器、數(shù)字量變換器）進(jìn)行隔離與信號(hào)調(diào)理。

（4）故檢系統(tǒng)測(cè)量參數(shù)。主要包含一次電源電壓、帶電時(shí)間指令、RS485總線接口等，采用電量變換器（模擬量變換器、指令變換器、數(shù)字量變換器）進(jìn)行隔離與數(shù)據(jù)接收。

（5）測(cè)量系統(tǒng)自身測(cè)量參數(shù)。對(duì)于0～5V電壓參數(shù)，可以直接進(jìn)行采編；對(duì)于大于5V的參數(shù)，通過(guò)電量變換器調(diào)理后再采編。

5.3.2非電量參數(shù)類型及測(cè)量方案

遙測(cè)系統(tǒng)需要測(cè)量的非電量參數(shù)包含總體、環(huán)境、動(dòng)力系統(tǒng)的振動(dòng)、沖擊、噪聲、過(guò)載、溫度（熱流）、壓力、液位、位移、拉力等，這些參數(shù)規(guī)模大，分布廣，遍布全箭各個(gè)角落。為提高測(cè)量精度，降低傳輸誤差，遙測(cè)系統(tǒng)采用“就近采編”原則，將數(shù)據(jù)采編單元盡可能靠近測(cè)點(diǎn)位置，減少箭上電纜重量。

為提高數(shù)據(jù)源的測(cè)量精度，測(cè)量系統(tǒng)從對(duì)傳感器設(shè)計(jì)與傳感器應(yīng)用兩方面開(kāi)展工作。在傳感器設(shè)計(jì)方面，分析新型號(hào)測(cè)量需求，并結(jié)合現(xiàn)有型號(hào)傳感器中存在的問(wèn)題與薄弱環(huán)節(jié)，開(kāi)展傳感器優(yōu)化選型分析，充分借鑒其它型號(hào)成果。在傳感器應(yīng)用方面，結(jié)合型號(hào)需求，遙測(cè)系統(tǒng)開(kāi)展了噪聲傳感器的比對(duì)及環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證試驗(yàn)。

在不增加系統(tǒng)信道容量的基礎(chǔ)上，為提高速變參數(shù)的采集精度，采用過(guò)采樣與數(shù)字濾波技術(shù)對(duì)部分振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行采集。這種技術(shù)在提高采集精度的同時(shí)可以降低對(duì)變換器的帶外衰減要求。

在滿足總體要求的前提下，為提高遙測(cè)系統(tǒng)無(wú)線信道的利用率，遙測(cè)系統(tǒng)對(duì)噪聲參數(shù)采用無(wú)損壓縮方法后進(jìn)行采編，壓縮去除率不小于50%。

5.4 遙測(cè)地面系統(tǒng)

遙測(cè)系統(tǒng)地面測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行一體化和遠(yuǎn)距離測(cè)控設(shè)計(jì)。地面測(cè)試系統(tǒng)是一個(gè)分布式系統(tǒng)，在空間布局上分為前端和后端兩部分，前、后端通過(guò)光纖通信，如圖2所示，在系統(tǒng)中集成應(yīng)用了測(cè)試總線、局域網(wǎng)技術(shù)、光通信技術(shù)、服務(wù)器集群、組態(tài)軟件、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理與發(fā)布等多種技術(shù)，采用統(tǒng)一測(cè)試平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理與發(fā)布，進(jìn)行自動(dòng)判讀，降低測(cè)試復(fù)雜度，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，更好地適應(yīng)基于活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)的“三垂”測(cè)發(fā)模式和遠(yuǎn)距離測(cè)控模式。

地面測(cè)試系統(tǒng)從功能上分為地面供配電設(shè)備（包括指揮控制）、遙測(cè)地面檢測(cè)、天基地面檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理與服務(wù)幾個(gè)部分。通過(guò)統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計(jì)，地面測(cè)試設(shè)備得以簡(jiǎn)化，具備自動(dòng)化測(cè)試和自動(dòng)判讀功能，設(shè)計(jì)必要的手動(dòng)干預(yù)及應(yīng)急控制通道，運(yùn)用視頻監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等手段，實(shí)現(xiàn)了前端測(cè)試無(wú)人值守，提高了安全性。

為適應(yīng)在今后新發(fā)射場(chǎng)的工作環(huán)境，遙測(cè)系統(tǒng)地面測(cè)試設(shè)備，尤其是布置在前端的設(shè)備應(yīng)采取抗惡劣環(huán)境的措施，如抗振動(dòng)、沖擊、噪聲，進(jìn)行“三防”處理等，以便更可靠地為靶場(chǎng)發(fā)射服務(wù)。

6 結(jié)語(yǔ)

各種統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化的思想在我國(guó)新一代運(yùn)載火箭遙測(cè)技術(shù)中得以實(shí)現(xiàn)，其創(chuàng)新的各項(xiàng)技術(shù)在遙測(cè)地面測(cè)控技術(shù)中具有深遠(yuǎn)意義，在可靠性性能和技術(shù)先進(jìn)性方面均領(lǐng)先于所有型號(hào)同類系統(tǒng)，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

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