武器試驗(yàn)遙測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許艷芝，亓盛元

(1.中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院發(fā)動(dòng)機(jī)所，陜西 西安 710089；2.中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院測(cè)試所，陜西 西安 710089)

1 引 言

在導(dǎo)彈等武器的研制試飛中，常用遙測(cè)系統(tǒng)跟蹤和獲取導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)信息、彈上各關(guān)鍵部件的工作狀態(tài)信息和彈上環(huán)境信息，為導(dǎo)彈性能的評(píng)定、故障分析和設(shè)計(jì)方案改進(jìn)提供依據(jù)[1]。彈載遙測(cè)系統(tǒng)一般由信息采集、遙測(cè)發(fā)射、射頻天線等組件構(gòu)成。信息采集組件采集彈上信息，輸出PCM數(shù)據(jù)流[2]。遙測(cè)發(fā)射組件采用頻率調(diào)制方式(FM)將PCM數(shù)據(jù)流調(diào)制到S波段載波上。遙測(cè)射頻信號(hào)最后通過(guò)天線極化成電磁波輻射到自由空間中[3]。

地面遙測(cè)接收系統(tǒng)一般采用拋物面天線跟蹤接收導(dǎo)彈遙測(cè)發(fā)射信號(hào)，然后通過(guò)射頻接收模塊解調(diào)還原出PCM數(shù)據(jù)。PCM數(shù)據(jù)一方面用于實(shí)時(shí)監(jiān)控試驗(yàn)關(guān)鍵過(guò)程參數(shù)，一方面完整記錄進(jìn)行事后處理分析。遙測(cè)傳輸記錄導(dǎo)彈的內(nèi)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(yàn)順利開(kāi)展的重要保障。

目前，三代機(jī)武器掛載多采用外掛方式，試驗(yàn)武器的彈載遙測(cè)信號(hào)為自身加裝的遙測(cè)天線輻射信號(hào)，地面接收不受影響。對(duì)于內(nèi)埋武器試驗(yàn)，由于導(dǎo)彈密封在武器艙中，武器艙門(mén)關(guān)閉屏蔽了彈載遙測(cè)信號(hào)，在艙門(mén)打開(kāi)之前，地面接收機(jī)無(wú)法正常接收到內(nèi)埋武器的遙測(cè)信號(hào)，影響試驗(yàn)的正常進(jìn)行。為了保證武器發(fā)射(投放)前，以及投放過(guò)程中的武器關(guān)鍵測(cè)試數(shù)據(jù)能夠正常遙測(cè)傳輸，必須通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)方式獲得彈載遙測(cè)數(shù)據(jù)。

2 遙測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)方案設(shè)計(jì)

2.1 遙測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)需求分析

對(duì)于內(nèi)埋武器的飛行試驗(yàn)，需要通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)手段獲得內(nèi)埋掛載、武器投放全過(guò)程遙測(cè)信號(hào)，才能完整地獲得試驗(yàn)全過(guò)程的測(cè)試數(shù)據(jù)?，F(xiàn)代隱身飛機(jī)的內(nèi)埋武器艙可在飛機(jī)飛行的全包線范圍內(nèi)使用，內(nèi)埋武器的遙測(cè)轉(zhuǎn)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(guò)程、全包線內(nèi)保證彈載遙測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)射和接收是內(nèi)埋武器遙測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)的基本需求。

2.2 內(nèi)埋武器投放關(guān)鍵過(guò)程分析

內(nèi)埋武器投放過(guò)程、機(jī)彈分離過(guò)程非?？?，從武器艙開(kāi)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(guān)鍵過(guò)程。保證該過(guò)程導(dǎo)彈遙測(cè)信號(hào)的可靠傳輸和接收是遙測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)方案設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。

假設(shè)在沒(méi)有遙測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)的情況下，若以導(dǎo)彈在艙內(nèi)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(dǎo)彈遙測(cè)信號(hào)未出現(xiàn)的狀態(tài)表示為0，完全出艙后遙測(cè)信號(hào)出現(xiàn)表示為1；t0時(shí)刻武器艙開(kāi)艙，t1時(shí)刻導(dǎo)彈與彈架分離投放出艙；那么導(dǎo)彈投放過(guò)程中，從地面接收看導(dǎo)彈遙測(cè)信號(hào)的變化如下(如圖1所示)：

(1)武器艙門(mén)關(guān)閉，導(dǎo)彈在艙內(nèi)，遙測(cè)信號(hào)被屏蔽，地面站接收不到彈載遙測(cè)信號(hào)；

(2)武器艙門(mén)打開(kāi)，導(dǎo)彈在艙內(nèi)，遙測(cè)信號(hào)輻射出艙，地面站能夠接收彈載遙測(cè)信號(hào)；

(3)武器投放開(kāi)始，彈射系統(tǒng)將導(dǎo)彈彈射出艙，導(dǎo)彈出艙過(guò)程中，彈載遙測(cè)信號(hào)逐漸增強(qiáng)，完全出艙后信號(hào)趨于穩(wěn)定；

(4)武器出艙，艙門(mén)關(guān)閉，機(jī)彈分離，地面站跟蹤接收彈載遙測(cè)信號(hào)直至試驗(yàn)結(jié)束。

圖1 內(nèi)埋武器發(fā)射過(guò)程導(dǎo)彈遙測(cè)信號(hào)狀態(tài)圖

假設(shè)武器艙開(kāi)艙和投放過(guò)程連續(xù)，那么從武器艙開(kāi)艙到機(jī)彈分離結(jié)束，導(dǎo)彈遙測(cè)信號(hào)是一個(gè)從無(wú)到有、由弱到強(qiáng)的增大的過(guò)程。因此，在武器投放全過(guò)程中，只要在機(jī)上能夠通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)手段實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈遙測(cè)信號(hào)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)射，保證發(fā)射前后和發(fā)射過(guò)程中彈載遙測(cè)信號(hào)的輻射強(qiáng)度不變，地面遙測(cè)接收站就可以全過(guò)程接收和記錄彈上的遙測(cè)數(shù)據(jù)。

2.3 內(nèi)埋武器遙測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)方案設(shè)計(jì)

2.3.1 方案1 異步PCM數(shù)據(jù)插入轉(zhuǎn)發(fā)方式

將彈載測(cè)試PCM數(shù)據(jù)采用異步方式插入到試飛測(cè)試系統(tǒng)的PCM流中，并通過(guò)遙測(cè)傳輸(F1頻率)進(jìn)行監(jiān)控，導(dǎo)彈遙測(cè)地面站可以通過(guò)接收F1頻率信號(hào)解調(diào)和記錄彈載遙測(cè)數(shù)據(jù)，或者可以通過(guò)ADAS地面站進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。在武器投放過(guò)程中，武器艙開(kāi)艙，導(dǎo)彈遙測(cè)信號(hào)(F2頻率)出現(xiàn)，那么在機(jī)彈分離前，導(dǎo)彈遙測(cè)地面站必須在短時(shí)間內(nèi)(1s)完成從F1頻率向F2頻率接收的轉(zhuǎn)換，才能持續(xù)跟蹤導(dǎo)彈飛行和接收彈載遙測(cè)數(shù)據(jù)。由于投放過(guò)程時(shí)間短，導(dǎo)彈出艙運(yùn)動(dòng)變化率快，現(xiàn)有接收系統(tǒng)在信號(hào)切換過(guò)程中易導(dǎo)致遙測(cè)信號(hào)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(jī)彈分離時(shí)刻，也會(huì)由于信號(hào)切換而導(dǎo)致機(jī)彈分離關(guān)鍵過(guò)程的部分遙測(cè)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(mǎn)足內(nèi)埋武器試驗(yàn)的遙測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)需求，易導(dǎo)致遙測(cè)跟蹤接收失敗。

圖2 異步PCM數(shù)據(jù)插入遙測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)試驗(yàn)方案

2.3.2 方案2 射頻轉(zhuǎn)發(fā)方式

通過(guò)射頻轉(zhuǎn)發(fā)方式將導(dǎo)彈遙測(cè)信號(hào)(F2)從內(nèi)埋彈艙中轉(zhuǎn)發(fā)出來(lái)，射頻遙測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)與彈載遙測(cè)信號(hào)獨(dú)立發(fā)射相同的信號(hào)強(qiáng)度，無(wú)論內(nèi)埋武器艙關(guān)閉還是開(kāi)啟，導(dǎo)彈遙測(cè)地面站均可以接收彈載遙測(cè)信號(hào)。在彈射分離過(guò)程中，武器艙門(mén)打開(kāi)，導(dǎo)彈未從彈架分離前，通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)發(fā)射的導(dǎo)彈遙測(cè)信號(hào)(F2)和導(dǎo)彈獨(dú)立發(fā)射的遙測(cè)信號(hào)同時(shí)存在。機(jī)彈分離后，導(dǎo)彈遙測(cè)地面站持續(xù)跟蹤導(dǎo)彈飛行，接收彈載遙測(cè)信號(hào)，如圖3所示。因此，射頻遙測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)方案可以保證整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程導(dǎo)彈遙測(cè)信號(hào)連續(xù)穩(wěn)定發(fā)射，導(dǎo)彈遙測(cè)信號(hào)接收地面跟蹤無(wú)信號(hào)切換過(guò)程，適用于內(nèi)埋武器的遙測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)方案。

圖3 射頻遙測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)試驗(yàn)方案

目前，在試飛遙測(cè)領(lǐng)域，一般使用S波段信號(hào)傳輸遙測(cè)數(shù)據(jù)，彈載遙測(cè)信號(hào)和機(jī)載測(cè)試遙測(cè)信號(hào)均使用此頻段。試驗(yàn)機(jī)的機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)一般通過(guò)2～3個(gè)遙測(cè)天線輻射信號(hào)，導(dǎo)彈遙測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)也需要通過(guò)S波段天線發(fā)射信號(hào)，但是內(nèi)埋武器試驗(yàn)機(jī)一般都采用隱身設(shè)計(jì)，對(duì)加裝遙測(cè)天線有限制。從綜合射頻考慮，合理的方案是將導(dǎo)彈遙測(cè)信號(hào)與機(jī)載測(cè)試遙測(cè)信號(hào)進(jìn)行射頻合路，然后通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)天線發(fā)射信號(hào)。

最終可行的方案是通過(guò)射頻合路轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)將導(dǎo)彈的遙測(cè)信號(hào)(S波段)與試飛測(cè)試系統(tǒng)的遙測(cè)信號(hào)(S波段)進(jìn)行合路，再通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)遙測(cè)天線轉(zhuǎn)發(fā)導(dǎo)彈的遙測(cè)信號(hào)。測(cè)試系統(tǒng)的上下兩個(gè)遙測(cè)天線同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)彈載遙測(cè)信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)在機(jī)動(dòng)投放過(guò)程中導(dǎo)彈遙測(cè)信號(hào)的全向傳輸。因此，內(nèi)埋武器遙測(cè)射頻合路轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須解決兩項(xiàng)關(guān)鍵問(wèn)題：(1)轉(zhuǎn)發(fā)射頻信號(hào)的增益控制，確保信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)穩(wěn)定可靠；(2)射頻合路通道的隔離度控制，確保測(cè)試系統(tǒng)遙測(cè)與彈載遙測(cè)信號(hào)之間不相互干擾。

3 射頻合路轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 射頻合路轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)組成

如圖4所示，整個(gè)內(nèi)埋武器射頻合路遙測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)由兩部分組成：導(dǎo)彈部分和機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)部分。導(dǎo)彈部分負(fù)責(zé)將彈載遙測(cè)射頻信號(hào)輸出到測(cè)試系統(tǒng)，主要由遙測(cè)采發(fā)組合、定向耦合器和脫落插座組成。遙測(cè)采發(fā)組合負(fù)責(zé)采集彈上測(cè)試數(shù)據(jù)并輸出射頻信號(hào)，定向耦合器將遙測(cè)信號(hào)定向輸出給導(dǎo)彈外部的機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)，兩個(gè)系統(tǒng)之間的信號(hào)對(duì)接由脫落插座完成。測(cè)試系統(tǒng)部分負(fù)責(zé)完成導(dǎo)彈遙測(cè)射頻信號(hào)增益控制、射頻合路及信號(hào)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(hào)發(fā)射天線構(gòu)成。有源放大功分器負(fù)責(zé)補(bǔ)償彈載遙測(cè)信號(hào)的線路傳輸損失并進(jìn)行二分路，有源放大合路器完成彈載遙測(cè)信號(hào)的最終放大并與機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)遙測(cè)信號(hào)進(jìn)行射頻合路；測(cè)試系統(tǒng)上下兩個(gè)天線將有源放大合路器輸出的信號(hào)發(fā)射至地面遙測(cè)接收站。

圖4 射頻合路遙測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)組成

3.2 信號(hào)功率補(bǔ)償控制關(guān)鍵技術(shù)

為了確保彈載遙測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)穩(wěn)定可靠，信號(hào)增益控制十分關(guān)鍵。如圖5所示，在有源放大器內(nèi)部設(shè)計(jì)了功率放大器和數(shù)控衰減器兩個(gè)模塊，通過(guò)這兩個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)線路傳輸損失的精確補(bǔ)償，確保線路傳輸?shù)倪b測(cè)信號(hào)強(qiáng)度能夠滿(mǎn)足后端有源合路器內(nèi)部功放的信號(hào)輸入要求。具體實(shí)現(xiàn)如下：功放設(shè)計(jì)增益15dB(加法)，數(shù)控衰減器設(shè)計(jì)衰減增益從0～15dB可調(diào)；數(shù)控衰減器通過(guò)4位鈕子開(kāi)關(guān)控制實(shí)現(xiàn)16擋逐級(jí)衰減控制，最低擋0dB衰減，最高擋15dB衰減，每擋1dB步進(jìn)值。通過(guò)“加減法”功率補(bǔ)償控制，本遙測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同機(jī)上改裝線路環(huán)境。

圖5 有源放大功分器內(nèi)部組成

如圖6所示，導(dǎo)彈遙測(cè)信號(hào)在最終射頻合路前，必須再次進(jìn)行功率補(bǔ)償，確保射頻合路后遙測(cè)天線的輻射功率與導(dǎo)彈自身遙測(cè)的輻射功率相當(dāng)，這樣在開(kāi)艙前后和投放過(guò)程中，導(dǎo)彈遙測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度波動(dòng)較小，是實(shí)現(xiàn)武器投放分離過(guò)程平穩(wěn)接收導(dǎo)彈遙測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。這里采用飽和功率放大技術(shù)，將輸出遙測(cè)信號(hào)始終控制在35dBm左右，與彈載遙測(cè)信號(hào)功率相同。

圖6 有源放大合路器內(nèi)部組成

3.3 射頻合路信號(hào)隔離關(guān)鍵技術(shù)

為了確保測(cè)試系統(tǒng)遙測(cè)與彈載遙測(cè)信號(hào)之間不相互干擾，射頻合路通道的隔離度控制十分關(guān)鍵。隔離度主要靠各個(gè)通道濾波器的帶外抑制來(lái)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(shè)計(jì)中，主要采用交叉耦合和公共諧振腔技術(shù)，其主要方法是將不相鄰的兩個(gè)諧振腔引入耦合，使濾波器在有限頻率處產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)，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(gè)四極子結(jié)構(gòu)耦合。

圖7 6階交叉耦合濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

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(chǎn)生傳輸零點(diǎn)，該濾波器設(shè)計(jì)的帶外抑制達(dá)到了-65dB以下，而合路器設(shè)計(jì)一般要求-50dB就可滿(mǎn)足使用要求。

圖8 6階交叉耦合濾波器的S參數(shù)響應(yīng)

4 工程應(yīng)用與案例分析

4.1 內(nèi)埋武器試驗(yàn)遙測(cè)監(jiān)控方案

圖9 某試驗(yàn)機(jī)內(nèi)埋武器投放遙測(cè)監(jiān)控方案

參見(jiàn)圖9，某試驗(yàn)機(jī)采用射頻合路遙測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)后，其遙測(cè)監(jiān)控方案如下：

機(jī)彈分離前，本場(chǎng)試飛測(cè)試遙測(cè)地面站跟蹤機(jī)載小型測(cè)試遙測(cè)信號(hào)(F1)，同時(shí)接收導(dǎo)彈遙測(cè)信號(hào)(F2)，ADAS監(jiān)控大廳同時(shí)解調(diào)F1和F2遙測(cè)信號(hào),為武器投放試驗(yàn)遙測(cè)監(jiān)控和指揮決策提供機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)和彈載測(cè)量數(shù)據(jù)。機(jī)彈分離后，本場(chǎng)試飛測(cè)試遙測(cè)地面站持續(xù)跟蹤機(jī)載測(cè)試遙測(cè)信號(hào)(F1)，保障試驗(yàn)機(jī)返回本場(chǎng)或執(zhí)行其他任務(wù)；靶場(chǎng)地面遙測(cè)接收站在試驗(yàn)機(jī)起飛后開(kāi)始跟蹤接收導(dǎo)彈遙測(cè)信號(hào)(F2)，在機(jī)彈分離后持續(xù)跟蹤彈載遙測(cè)信號(hào)直至試驗(yàn)任務(wù)結(jié)束。

4.2 三階互調(diào)干擾案例分析

在射頻合路系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生互調(diào)干擾，也稱(chēng)交調(diào)干擾。在互調(diào)干擾中，三階互調(diào)干擾最為嚴(yán)重。三階互調(diào)是指當(dāng)兩個(gè)信號(hào)在一個(gè)線性系統(tǒng)中，由于非線性因素存在，使一個(gè)信號(hào)的二次諧波與另一個(gè)信號(hào)的基波產(chǎn)生差拍后所產(chǎn)生的寄生信號(hào)。比如F1的二次諧波是2F1，它與F2產(chǎn)生的寄生信號(hào)為2F1-F2。由于一個(gè)信號(hào)是二次諧波，另一個(gè)是基波信號(hào)，它們倆合成為三階信號(hào)，其中2F1-F2被稱(chēng)為三階互調(diào)信號(hào)，即產(chǎn)生三階互調(diào)的條件是：2F1±F2=F3。

三階互調(diào)一般是由于非線性因素(濾波器，合路器，連接器無(wú)源器件表現(xiàn)出了非線性特性)產(chǎn)生的，射頻信號(hào)通過(guò)合路器會(huì)產(chǎn)生無(wú)源互調(diào)信號(hào)，產(chǎn)生三階互調(diào)干擾。三階互調(diào)干擾是由合路器的固有特性產(chǎn)生的，很難排除，但是可以人為設(shè)置新的頻率組，從而避開(kāi)互調(diào)干擾。因此，合理設(shè)置遙測(cè)頻點(diǎn)可以避免三階互調(diào)干擾有用信號(hào)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從內(nèi)埋武器發(fā)射(投放)試驗(yàn)遙測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)的需求出發(fā)，分析了內(nèi)埋武器投放的關(guān)鍵過(guò)程特點(diǎn)，確認(rèn)射頻合路手段是實(shí)現(xiàn)內(nèi)埋武器遙測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)方案的最佳選擇，提出了內(nèi)埋武器遙測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)射頻合路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。射頻合路遙測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)成功解決了內(nèi)埋武器投放全過(guò)程的數(shù)據(jù)獲取問(wèn)題，是保障內(nèi)埋武器試驗(yàn)開(kāi)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，但也存在占用遙測(cè)頻率資源寬和易產(chǎn)生干擾信號(hào)等問(wèn)題，需要深入開(kāi)展研究予以解決。