武器試驗遙測轉發(fā)系統(tǒng)設計

許艷芝，亓盛元

(1.中國飛行試驗研究院發(fā)動機所，陜西 西安 710089；2.中國飛行試驗研究院測試所，陜西 西安 710089)

1 引 言

在導彈等武器的研制試飛中，常用遙測系統(tǒng)跟蹤和獲取導彈運動信息、彈上各關鍵部件的工作狀態(tài)信息和彈上環(huán)境信息，為導彈性能的評定、故障分析和設計方案改進提供依據(jù)[1]。彈載遙測系統(tǒng)一般由信息采集、遙測發(fā)射、射頻天線等組件構成。信息采集組件采集彈上信息，輸出PCM數(shù)據(jù)流[2]。遙測發(fā)射組件采用頻率調制方式(FM)將PCM數(shù)據(jù)流調制到S波段載波上。遙測射頻信號最后通過天線極化成電磁波輻射到自由空間中[3]。

地面遙測接收系統(tǒng)一般采用拋物面天線跟蹤接收導彈遙測發(fā)射信號，然后通過射頻接收模塊解調還原出PCM數(shù)據(jù)。PCM數(shù)據(jù)一方面用于實時監(jiān)控試驗關鍵過程參數(shù)，一方面完整記錄進行事后處理分析。遙測傳輸記錄導彈的內部工作參數(shù)，是獲取武器試飛數(shù)據(jù)的重要手段，是飛行試驗順利開展的重要保障。

目前，三代機武器掛載多采用外掛方式，試驗武器的彈載遙測信號為自身加裝的遙測天線輻射信號，地面接收不受影響。對于內埋武器試驗，由于導彈密封在武器艙中，武器艙門關閉屏蔽了彈載遙測信號，在艙門打開之前，地面接收機無法正常接收到內埋武器的遙測信號，影響試驗的正常進行。為了保證武器發(fā)射(投放)前，以及投放過程中的武器關鍵測試數(shù)據(jù)能夠正常遙測傳輸，必須通過轉發(fā)方式獲得彈載遙測數(shù)據(jù)。

2 遙測轉發(fā)方案設計

2.1 遙測轉發(fā)需求分析

對于內埋武器的飛行試驗，需要通過轉發(fā)手段獲得內埋掛載、武器投放全過程遙測信號，才能完整地獲得試驗全過程的測試數(shù)據(jù)。現(xiàn)代隱身飛機的內埋武器艙可在飛機飛行的全包線范圍內使用，內埋武器的遙測轉發(fā)也必須保證在各種飛行條件和武器發(fā)射條件下穩(wěn)定可靠工作。

因此，全過程、全包線內保證彈載遙測數(shù)據(jù)發(fā)射和接收是內埋武器遙測轉發(fā)的基本需求。

2.2 內埋武器投放關鍵過程分析

內埋武器投放過程、機彈分離過程非?？?，從武器艙開艙到武器發(fā)射出艙，兩三秒左右便可完成，是武器投放的關鍵過程。保證該過程導彈遙測信號的可靠傳輸和接收是遙測轉發(fā)方案設計成功的關鍵。

假設在沒有遙測轉發(fā)的情況下，若以導彈在艙內為投放前的狀態(tài)，表示為1，完全出艙表示為0；以投放前導彈遙測信號未出現(xiàn)的狀態(tài)表示為0，完全出艙后遙測信號出現(xiàn)表示為1；t0時刻武器艙開艙，t1時刻導彈與彈架分離投放出艙；那么導彈投放過程中，從地面接收看導彈遙測信號的變化如下(如圖1所示)：

(1)武器艙門關閉，導彈在艙內，遙測信號被屏蔽，地面站接收不到彈載遙測信號；

(2)武器艙門打開，導彈在艙內，遙測信號輻射出艙，地面站能夠接收彈載遙測信號；

(3)武器投放開始，彈射系統(tǒng)將導彈彈射出艙，導彈出艙過程中，彈載遙測信號逐漸增強，完全出艙后信號趨于穩(wěn)定；

(4)武器出艙，艙門關閉，機彈分離，地面站跟蹤接收彈載遙測信號直至試驗結束。

圖1 內埋武器發(fā)射過程導彈遙測信號狀態(tài)圖

假設武器艙開艙和投放過程連續(xù)，那么從武器艙開艙到機彈分離結束，導彈遙測信號是一個從無到有、由弱到強的增大的過程。因此，在武器投放全過程中，只要在機上能夠通過轉發(fā)手段實現(xiàn)導彈遙測信號的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)射，保證發(fā)射前后和發(fā)射過程中彈載遙測信號的輻射強度不變，地面遙測接收站就可以全過程接收和記錄彈上的遙測數(shù)據(jù)。

2.3 內埋武器遙測轉發(fā)方案設計

2.3.1 方案1 異步PCM數(shù)據(jù)插入轉發(fā)方式

將彈載測試PCM數(shù)據(jù)采用異步方式插入到試飛測試系統(tǒng)的PCM流中，并通過遙測傳輸(F1頻率)進行監(jiān)控，導彈遙測地面站可以通過接收F1頻率信號解調和記錄彈載遙測數(shù)據(jù)，或者可以通過ADAS地面站進行數(shù)據(jù)轉發(fā)。在武器投放過程中，武器艙開艙，導彈遙測信號(F2頻率)出現(xiàn)，那么在機彈分離前，導彈遙測地面站必須在短時間內(1s)完成從F1頻率向F2頻率接收的轉換，才能持續(xù)跟蹤導彈飛行和接收彈載遙測數(shù)據(jù)。由于投放過程時間短，導彈出艙運動變化率快，現(xiàn)有接收系統(tǒng)在信號切換過程中易導致遙測信號跟蹤丟失，再次捕捉也較為困難；即使能夠順利完成切換并跟蹤，在機彈分離時刻，也會由于信號切換而導致機彈分離關鍵過程的部分遙測數(shù)據(jù)丟失，如圖2所示。因此，異步PCM數(shù)據(jù)插入方案不能滿足內埋武器試驗的遙測轉發(fā)需求，易導致遙測跟蹤接收失敗。

圖2 異步PCM數(shù)據(jù)插入遙測轉發(fā)試驗方案

2.3.2 方案2 射頻轉發(fā)方式

通過射頻轉發(fā)方式將導彈遙測信號(F2)從內埋彈艙中轉發(fā)出來，射頻遙測轉發(fā)實現(xiàn)與彈載遙測信號獨立發(fā)射相同的信號強度，無論內埋武器艙關閉還是開啟，導彈遙測地面站均可以接收彈載遙測信號。在彈射分離過程中，武器艙門打開，導彈未從彈架分離前，通過轉發(fā)系統(tǒng)發(fā)射的導彈遙測信號(F2)和導彈獨立發(fā)射的遙測信號同時存在。機彈分離后，導彈遙測地面站持續(xù)跟蹤導彈飛行，接收彈載遙測信號，如圖3所示。因此，射頻遙測轉發(fā)方案可以保證整個試驗過程導彈遙測信號連續(xù)穩(wěn)定發(fā)射，導彈遙測信號接收地面跟蹤無信號切換過程，適用于內埋武器的遙測轉發(fā)方案。

圖3 射頻遙測轉發(fā)試驗方案

目前，在試飛遙測領域，一般使用S波段信號傳輸遙測數(shù)據(jù)，彈載遙測信號和機載測試遙測信號均使用此頻段。試驗機的機載測試系統(tǒng)一般通過2～3個遙測天線輻射信號，導彈遙測信號轉發(fā)也需要通過S波段天線發(fā)射信號，但是內埋武器試驗機一般都采用隱身設計，對加裝遙測天線有限制。從綜合射頻考慮，合理的方案是將導彈遙測信號與機載測試遙測信號進行射頻合路，然后通過測試系統(tǒng)天線發(fā)射信號。

最終可行的方案是通過射頻合路轉發(fā)系統(tǒng)將導彈的遙測信號(S波段)與試飛測試系統(tǒng)的遙測信號(S波段)進行合路，再通過測試系統(tǒng)遙測天線轉發(fā)導彈的遙測信號。測試系統(tǒng)的上下兩個遙測天線同時轉發(fā)彈載遙測信號，可實現(xiàn)飛機在機動投放過程中導彈遙測信號的全向傳輸。因此，內埋武器遙測射頻合路轉發(fā)系統(tǒng)設計必須解決兩項關鍵問題：(1)轉發(fā)射頻信號的增益控制，確保信號轉發(fā)穩(wěn)定可靠；(2)射頻合路通道的隔離度控制，確保測試系統(tǒng)遙測與彈載遙測信號之間不相互干擾。

3 射頻合路轉發(fā)系統(tǒng)設計

3.1 射頻合路轉發(fā)系統(tǒng)組成

如圖4所示，整個內埋武器射頻合路遙測轉發(fā)系統(tǒng)由兩部分組成：導彈部分和機載測試系統(tǒng)部分。導彈部分負責將彈載遙測射頻信號輸出到測試系統(tǒng)，主要由遙測采發(fā)組合、定向耦合器和脫落插座組成。遙測采發(fā)組合負責采集彈上測試數(shù)據(jù)并輸出射頻信號，定向耦合器將遙測信號定向輸出給導彈外部的機載測試系統(tǒng)，兩個系統(tǒng)之間的信號對接由脫落插座完成。測試系統(tǒng)部分負責完成導彈遙測射頻信號增益控制、射頻合路及信號發(fā)射功能，主要由有源放大功分器和有源放大合路器及信號發(fā)射天線構成。有源放大功分器負責補償彈載遙測信號的線路傳輸損失并進行二分路，有源放大合路器完成彈載遙測信號的最終放大并與機載測試系統(tǒng)遙測信號進行射頻合路；測試系統(tǒng)上下兩個天線將有源放大合路器輸出的信號發(fā)射至地面遙測接收站。

圖4 射頻合路遙測轉發(fā)系統(tǒng)組成

3.2 信號功率補償控制關鍵技術

為了確保彈載遙測信號轉發(fā)穩(wěn)定可靠，信號增益控制十分關鍵。如圖5所示，在有源放大器內部設計了功率放大器和數(shù)控衰減器兩個模塊，通過這兩個模塊實現(xiàn)射頻信號線路傳輸損失的精確補償，確保線路傳輸?shù)倪b測信號強度能夠滿足后端有源合路器內部功放的信號輸入要求。具體實現(xiàn)如下：功放設計增益15dB(加法)，數(shù)控衰減器設計衰減增益從0～15dB可調；數(shù)控衰減器通過4位鈕子開關控制實現(xiàn)16擋逐級衰減控制，最低擋0dB衰減，最高擋15dB衰減，每擋1dB步進值。通過“加減法”功率補償控制，本遙測轉發(fā)系統(tǒng)能夠適應不同機上改裝線路環(huán)境。

圖5 有源放大功分器內部組成

如圖6所示，導彈遙測信號在最終射頻合路前，必須再次進行功率補償，確保射頻合路后遙測天線的輻射功率與導彈自身遙測的輻射功率相當，這樣在開艙前后和投放過程中，導彈遙測信號的強度波動較小，是實現(xiàn)武器投放分離過程平穩(wěn)接收導彈遙測數(shù)據(jù)的關鍵。這里采用飽和功率放大技術，將輸出遙測信號始終控制在35dBm左右，與彈載遙測信號功率相同。

圖6 有源放大合路器內部組成

3.3 射頻合路信號隔離關鍵技術

為了確保測試系統(tǒng)遙測與彈載遙測信號之間不相互干擾，射頻合路通道的隔離度控制十分關鍵。隔離度主要靠各個通道濾波器的帶外抑制來保證，如果帶外抑制性能不好，那么端口的優(yōu)化都是徒勞的。在本系統(tǒng)合路器的濾波器設計中，主要采用交叉耦合和公共諧振腔技術，其主要方法是將不相鄰的兩個諧振腔引入耦合，使濾波器在有限頻率處產生傳輸零點，以提高帶外抑制。本系統(tǒng)中采用了6階交叉耦合，如圖7所示，在2-5，1-6兩處引入交叉耦合，形成兩個四極子結構耦合。

圖7 6階交叉耦合濾波器拓撲結構

該交叉耦合濾波器得到的S參數(shù)曲線如圖8所示，由于存在產生傳輸零點，該濾波器設計的帶外抑制達到了-65dB以下，而合路器設計一般要求-50dB就可滿足使用要求。

圖8 6階交叉耦合濾波器的S參數(shù)響應

4 工程應用與案例分析

4.1 內埋武器試驗遙測監(jiān)控方案

圖9 某試驗機內埋武器投放遙測監(jiān)控方案

參見圖9，某試驗機采用射頻合路遙測轉發(fā)系統(tǒng)后，其遙測監(jiān)控方案如下：

機彈分離前，本場試飛測試遙測地面站跟蹤機載小型測試遙測信號(F1)，同時接收導彈遙測信號(F2)，ADAS監(jiān)控大廳同時解調F1和F2遙測信號,為武器投放試驗遙測監(jiān)控和指揮決策提供機載測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)和彈載測量數(shù)據(jù)。機彈分離后，本場試飛測試遙測地面站持續(xù)跟蹤機載測試遙測信號(F1)，保障試驗機返回本場或執(zhí)行其他任務；靶場地面遙測接收站在試驗機起飛后開始跟蹤接收導彈遙測信號(F2)，在機彈分離后持續(xù)跟蹤彈載遙測信號直至試驗任務結束。

4.2 三階互調干擾案例分析

在射頻合路系統(tǒng)中會產生互調干擾，也稱交調干擾。在互調干擾中，三階互調干擾最為嚴重。三階互調是指當兩個信號在一個線性系統(tǒng)中，由于非線性因素存在，使一個信號的二次諧波與另一個信號的基波產生差拍后所產生的寄生信號。比如F1的二次諧波是2F1，它與F2產生的寄生信號為2F1-F2。由于一個信號是二次諧波，另一個是基波信號，它們倆合成為三階信號，其中2F1-F2被稱為三階互調信號，即產生三階互調的條件是：2F1±F2=F3。

三階互調一般是由于非線性因素(濾波器，合路器，連接器無源器件表現(xiàn)出了非線性特性)產生的，射頻信號通過合路器會產生無源互調信號，產生三階互調干擾。三階互調干擾是由合路器的固有特性產生的，很難排除，但是可以人為設置新的頻率組，從而避開互調干擾。因此，合理設置遙測頻點可以避免三階互調干擾有用信號。

5 結束語

本文從內埋武器發(fā)射(投放)試驗遙測轉發(fā)的需求出發(fā)，分析了內埋武器投放的關鍵過程特點，確認射頻合路手段是實現(xiàn)內埋武器遙測轉發(fā)方案的最佳選擇，提出了內埋武器遙測轉發(fā)射頻合路系統(tǒng)的設計方案。射頻合路遙測轉發(fā)技術成功解決了內埋武器投放全過程的數(shù)據(jù)獲取問題，是保障內埋武器試驗開展的關鍵技術之一，但也存在占用遙測頻率資源寬和易產生干擾信號等問題，需要深入開展研究予以解決。