一種小型化靶載遙測系統(tǒng)

黎剛果，黃開達，劉 峰，汪 洋

(中國人民解放軍92941部隊，遼寧 葫蘆島 125001)

0 引言

隨著飛行器射程越來越大、遙測數(shù)據(jù)碼率越來越高、飛行速度越來越快，試驗的重要性越來越大，試驗任務靶區(qū)的試驗危險區(qū)范圍也越來越大，陸基和?；臏y量設備受視距的影響，將無法獲得中靶段的遙測數(shù)據(jù)。

解決這一問題，主要有2種方法。一是研究利用中高空的測量平臺如無人中繼平臺、中高空飛機和臨近空間飛艇等，并在平臺上加裝遙測測量設備[1-2]。文獻[1]研究了基于無人中繼的靶標遠程測控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)距離200 km目標的測控。文獻[2]針對無人機目標的地面統(tǒng)一測控系統(tǒng)，對機載及地面測控設備的技術實現(xiàn)進行了較為詳細描述，但沒有研究加裝于靶船的靶載遙測設備。采用這種方法雖然可以有效地實現(xiàn)目標測控，但是研制成本高，研制周期長，使用保障復雜。二是研究加裝于靶船的靶載遙測系統(tǒng)，采用無人值守的方式完成導彈中靶段遙測信號的測量。實現(xiàn)中靶段遙測數(shù)據(jù)測量的功能，需要采用遙測接收、衛(wèi)星授時定位及FPGA等多種技術手段。不少學者已開展了相關技術研究，文獻[3-7]基于OEM板對GNSS數(shù)據(jù)處理及相關功能進行了技術實現(xiàn)。文獻[8-11]對數(shù)字通信及數(shù)字信號處理相關的FPGA技術實現(xiàn)進行了描述。文獻[12-16]對遙測接收解調(diào)方法的技術實現(xiàn)進行了描述。上述文獻中所研究的技術應用方向不同，但目前沒有在靶載遙測設備方面進行應用研究。因此，本文融合使用遙測接收、衛(wèi)星授時定位及FPGA等多種技術手段，設計了一種小型化靶載遙測系統(tǒng)，將其加裝于靶船上，用于獲取中靶段遙測數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)組成與功能

小型化靶載遙測系統(tǒng)主要由射頻接收設備、衛(wèi)星授時定位設備、數(shù)據(jù)綜合處理設備和電源等組成如圖1所示，用于完成導彈中靶段遙測數(shù)據(jù)獲取和靶船位置的定位。射頻接收設備主要用于完成對彈上遙測信號的接收和下變頻，由于彈上遙測系統(tǒng)頻段為S頻段，系統(tǒng)射頻接收頻段也為S頻段。衛(wèi)星授時定位設備主要用于系統(tǒng)授時，并完成自身的定位。數(shù)據(jù)綜合處理設備主要用于完成中頻信號的解調(diào)，遙測數(shù)據(jù)處理，時間信息及定位數(shù)據(jù)的處理，系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲等功能。電源為系統(tǒng)進行供電。

圖1 小型化靶載遙測系統(tǒng)組成Fig.1 Components of the miniaturized telemetry system carried by target

1.1 射頻接收設備

射頻接收設備用于完成對彈上S頻段遙測信號的接收和下變頻，主要包括天線、低噪聲放大器(LNA)、自動增益控制(AGC)和下變頻單元等。天線接收射頻遙測信號后，經(jīng)由LNA后送下變頻單元，下變頻單元將射頻信號下變頻至中頻信號，將中頻信號輸出至數(shù)據(jù)綜合處理設備。

1.2 衛(wèi)星授時定位設備

衛(wèi)星授時定位設備用于系統(tǒng)授時，并完成靶船的定位，為事后數(shù)據(jù)處理提供絕對時間和絕對位置，主要由天線、授時定位單元等組成。天線接收空間的BDS、GPS信號，送至定位授時單元。授時定位單元完成對天線信號的接收處理，通過接收的衛(wèi)星信號完成對恒溫晶振的馴服，將授時定位信息輸出至數(shù)據(jù)綜合處理設備。

1.3 數(shù)據(jù)綜合處理設備

數(shù)據(jù)綜合處理設備用于完成遙測信號解調(diào)、遙測數(shù)據(jù)處理和授時定位信息的處理，主要由中頻解調(diào)單元、時間位置信息處理單元和遙測數(shù)據(jù)處理單元等組成。中頻解調(diào)單元對射頻接收設備輸出的中頻信號進行處理，完成載波解調(diào)獲得遙測PCM信號，對遙測PCM信號進行位同步、幀同步和副幀同步等相關功能，將同步后的數(shù)據(jù)輸出至遙測數(shù)據(jù)處理單元。授時定位信息處理單元接收衛(wèi)星授時定位設備輸出的授時定位信息，處理后保存授時定位信息，同時將具有一定格式的時間信息輸出至遙測數(shù)據(jù)處理單元。遙測數(shù)據(jù)處理單元將時間信息與同步后的遙測數(shù)據(jù)進行匹配，形成固定格式的遙測數(shù)據(jù)幀并保存。

1.4 電源

電源主要完成電源管理、電平轉換等功能，通過寬壓輸入的DC-DC電源轉換模塊，將輸入的直流電源轉換成系統(tǒng)其他設備所需的電平等級，為系統(tǒng)供電。

2 技術實現(xiàn)

由于靶標載體安裝位置受限，系統(tǒng)設計時遵循小型化的原則，對各設備的結構進行合理布局。電氣接口和通信接口采用標準化設計，保證系統(tǒng)各設備間的互聯(lián)互通。

2.1 射頻接收設備

天線采用全向天線，完成S頻段射頻信號的接收，采用正交對稱振子加極化電橋的方式，對稱振子帶等化波束腔，使得天線不同方位面的方向圖旋轉對稱性好，口面處加天線罩密封。天線后面另加金屬腔，用于安裝LNA。LNA主要由低噪聲場效應管、MMIC放大器和保護電路等幾部分組成，完成S頻段射頻信號的低噪聲放大功能。天線輸出接口為N型接口。

下變頻單元用于完成射頻信號到中頻信號的下變頻，選擇2次變頻方案，遙測信號經(jīng)2次混頻后輸出中頻信號，其中低本振為低頻窄帶小步進頻綜，高本振為S頻段寬帶大步進頻綜，帶寬覆蓋S頻段輸入帶寬，2個本振聯(lián)動實現(xiàn)S頻段寬帶小步進頻率覆蓋。下變頻單元通過串口通信，實現(xiàn)整個下變頻單元的控制功能，與天線一起總計功耗約20 W。

2.2 衛(wèi)星授時定位設備

天線選取零相位中心天線，用于完成BDS B1，B3及GPS L1，L2等衛(wèi)星信號的接收，主要包括天線模塊和射頻前端。天線模塊包含了BDS B1，B3及GPS L1，L2共4個接收頻段，射頻前端由接收濾波器和LNA組成，將信號經(jīng)過濾波、低噪聲放大后送給授時定位單元。天線輸出接口為TNC型接口。

授時定位單元用于完成衛(wèi)星信號的下變頻及GNSS數(shù)據(jù)的處理，采用授時定位OEM板卡[3-7]，主要由射頻部分、GNSS接收機基帶信號芯片、外部處理器和IO接口等部分組成，完成射頻信號的下變頻處理、時鐘產(chǎn)生單元、模擬信號的數(shù)字化、導航信號處理、數(shù)據(jù)收發(fā)和接口控制等功能。授時定位單元通過網(wǎng)絡接口進行通信和控制，通過1 pps接口輸出1 pps信號，通過串口輸出時間位置信息，與天線一起總計功耗約20 W。

2.3 數(shù)據(jù)綜合處理設備

數(shù)據(jù)綜合處理設備用于完成遙測信號解調(diào)、遙測數(shù)據(jù)處理和授時定位信息的處理，接收射頻接收設備輸出的中頻信號，衛(wèi)星授時定位設備輸出的1 pps信號和時間位置信息，采用FPGA技術設計實現(xiàn)中頻解調(diào)單元、時間位置信息處理單元和遙測數(shù)據(jù)處理單元等主要功能單元[8-11]，設備總功耗約為20 W。

2.3.1 中頻解調(diào)單元

中頻解調(diào)單元為數(shù)據(jù)綜合處理設備中最為復雜的一個單元，主要完成一個數(shù)據(jù)流中頻遙測信號的接收、解調(diào)和同步等功能，包括NCO模塊、濾波器模塊、解調(diào)模塊和同步模塊等[12-17]，其設計框圖如圖2所示。

圖2 中頻解調(diào)單元設計框圖Fig.2 Design diagram of IF demodulation unit

2.3.1.1 NCO模塊

NCO模塊用于產(chǎn)生可控的正弦波或余弦波，設計采用直接數(shù)字頻率合成技術(DDS)[18-20]，其數(shù)學表達式為：

fout=fclk·K/2N。

(1)

由式(1)可知，DDS輸出信號的頻率fout由系統(tǒng)工作時鐘fclk、相位累加器位寬N以及頻率控制字K三個參量共同決定，通過控制頻率控制K就可以改變輸出信號頻率fout。其工作原理為：在輸入時鐘fclk的驅(qū)動下，頻率控制字K在N位相位累加器中進行線性累加，得到的相位值之后對波形ROM存儲表進行尋址，輸出相應的幅度碼，ROM表里存儲的是一個周期的波形信號的采樣幅度量化值，從而得到數(shù)字波形信號，然后經(jīng)過數(shù)模轉化得到波形不平滑的階梯波，最后再通過低通濾波器對其平滑濾波以消除不需要諧波及雜散信號，就可以得到所需頻率為fout的波形信號。

2.3.1.2 濾波器模塊

濾波器模塊用于實現(xiàn)對數(shù)字信號的濾波處理，包含無限沖擊響應(FIR)濾波器、積分級聯(lián)梳狀(CIC)濾波器等功能單元[21-22]。其中FIR濾波器的數(shù)學表達式為：

(2)

由式(2)可知，F(xiàn)IR濾波器輸出序列只與各輸入有關，其相位是嚴格線性的，結構是非遞歸的，所以在理論上和實際上都是穩(wěn)定的。FIR濾波器設計實現(xiàn)時可采用的基本結構有直接型、級聯(lián)型和線性相位等三種結構，其中線性相位結構對稱，可以減少所需乘法器數(shù)量。系統(tǒng)中設計采用線性相位結構實現(xiàn)FIR濾波器。

CIC濾波器包括積分部分和梳狀部分兩個基本部分，單級CIC濾波器的傳遞函數(shù)為：

H(z)=HI(z)·Hc(z)=(1-z-DM)/(1-z-1)，

(3)

式中，D為微分延遲，一般取1或2；M為抽取因子。

由式(3)可知，CIC濾波器的實現(xiàn)只需要加法器、積分器和寄存器，多級CIC濾波器采用單級CIC濾波器級聯(lián)實現(xiàn)。

2.3.1.3 解調(diào)模塊

解調(diào)模塊用于實現(xiàn)對期望基帶數(shù)字信號的提取，采用叉積鑒頻的方法實現(xiàn)，其數(shù)學表達式為：

I(n)×Q(n-1)-Q(n)×I(n-1)≈k·s(n)，

(4)

式中，I(n)，Q(n)分別為濾波輸出的I路信號和Q路信號；s(n)為期望得到的基帶數(shù)字信號。其工作原理為：對I路和Q路信號進行延遲，I路延遲信號與Q路信號經(jīng)乘法器進行乘積，Q路延遲信號與I路信號經(jīng)乘法器進行乘積，2個乘積之差輸出經(jīng)濾波后即可得到基帶信號。

2.3.1.4 同步模塊

同步模塊用于從基帶數(shù)字信號中提取期望的串行數(shù)據(jù)信息，主要包括位同步、幀同步和副幀同步等功能單元。位同步從解調(diào)輸出的基帶數(shù)字信號中提取碼同步時鐘，進行最佳碼元判決，得到串行數(shù)據(jù)信息流，采用數(shù)字鎖相環(huán)方法來實現(xiàn)，主要由積分、碼元判決、鑒相、低通濾波和碼NCO等部件所組成。幀同步接收來自位同步器的PCM串行信號和同步時鐘，按照給定的數(shù)據(jù)幀格式規(guī)范完成數(shù)據(jù)幀格式的提取，產(chǎn)生幀同步脈沖和字同步脈沖以及幀鎖定狀態(tài)指示并輸出。副幀同步在幀同步器同步的基礎上，接收來自幀同步器的PCM數(shù)據(jù)及定時信號，按照給定的數(shù)據(jù)格式規(guī)范完成數(shù)據(jù)副幀格式的提取，產(chǎn)生副幀同步脈沖和副幀鎖定狀態(tài)指示并輸出。

2.3.2 時間位置信息處理單元

時間位置信息處理單元用于時間和位置信息的處理，為遙測數(shù)據(jù)提供絕對時間和同步信號，主要包括時間信息處理模塊和位置信息處理模塊。時間信息處理模塊通過串口接收時間信息，按照遙測數(shù)據(jù)具體幀格式計算時間信息輸出頻率，并根據(jù)1 pps信號進行同步，按該頻率將時間信息輸出至遙測數(shù)據(jù)處理單元。位置信息處理模塊通過串口接收位置信息，按照規(guī)定格式對信息進行處理，處理后保存定位結果。

2.3.3 遙測數(shù)據(jù)處理單元

當前鋼結構施工期間存在較多的項目環(huán)節(jié)，項目成本、質(zhì)量、安全管理、進度管理以及控制等方面均存在問題。具體而言，在工程項目的推進過程中，施工環(huán)節(jié)存在較多的不確定性影響因素，工程變動難免會影響造價成本，為企業(yè)帶來了一定的經(jīng)濟損失。安裝期間，由于技術人員沒有掌握正確的施工技術，也會影響工程的推進效果，甚至延誤工期，造成不良經(jīng)濟損失。運輸與安裝鋼結構構件時，也會因損壞以及污染等問題延長施工進度，技術人員需要重新調(diào)配構件，導致工期延誤。工程項目推進期間，施工人員需要進行現(xiàn)場操作，會受多種因素的影響導致技術以及安全等問題，從而影響鋼結構的施工效果。

遙測數(shù)據(jù)處理單元用于固定格式遙測數(shù)據(jù)的組幀處理和記錄，主要包括同步信息處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊。同步信息處理模塊根據(jù)幀同步脈沖、副幀同步脈沖、幀鎖定狀態(tài)和副幀鎖定狀態(tài)等輸入，將遙測數(shù)據(jù)進行組幀并保存至數(shù)據(jù)緩存區(qū)。數(shù)據(jù)處理模塊接收時間信息處理模塊輸出的時間信息，同時讀取緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)，將時間信息與同步后的遙測數(shù)據(jù)進行匹配，形成固定格式的遙測數(shù)據(jù)幀并保存。

2.4 電源

電源選用便攜式鋰電池包，采用四串八并的結構，電池包總容量約512 W·h，系統(tǒng)總功率約60 W，可保證約8 h的使用時間。電源管理部分主要包括主控模塊、電池保護模塊、電池均衡模塊和充放電模塊等。

3 系統(tǒng)使用效能分析

根據(jù)如下公式對系統(tǒng)遙測作用距離R進行計算：

L=Pt+Gt-L1-Lr-La+Gr-Pr-Pmin，

(5)

L=92.42+20log2.25+20logR，

(6)

無線電測量過程中，測量設備和飛行目標間視距Rsj計算公式如下：

(7)

式中，h1，h2分別為測量設備和飛行器的高度。

假設小型化靶載遙測系統(tǒng)在靶上加裝高度為0 m，則當Rsj為16 km時，飛行器的高度為15 m，這表明系統(tǒng)在16 km處可對15 m高度的飛行器進行有效測量。一般情況下，當飛行器目標距靶標16 km時，飛行器高度遠大于15 m，系統(tǒng)使用不受視距的影響，對飛行器中靶段可以進行有效測量，彌補陸基和海基測量設備的不足。

4 結束語

小型化靶載遙測系統(tǒng)融合了遙測接收、衛(wèi)星授時定位及FPGA等多種技術手段，實現(xiàn)了授時定位和遙測測量等功能；射頻接收設備、衛(wèi)星授時定位設備、數(shù)據(jù)綜合處理設備和電源等主要組成均采用了小型化的設計保障了系統(tǒng)的便攜性，適用于靶載使用環(huán)境。系統(tǒng)使用效能分析表明，可以彌補陸基和?；臏y量設備受視距影響的不足，獲取飛行器中靶段遙測數(shù)據(jù)，在大射程飛行器試驗任務中具有廣泛的推廣應用前景。此外在小型化靶載遙測系統(tǒng)的基礎上，下一步可以對遙測數(shù)據(jù)應用進行深入挖掘，結合光學攝錄設備，構建光遙一體化系統(tǒng)，完成中靶段遙測數(shù)據(jù)接收和中靶時況記錄的任務。