基于雙臂螺旋天線的箭載天基遙測系統(tǒng)設(shè)計

王 健

東方空間技術(shù)北京有限公司,北京 100010

0 引言

在運(yùn)載火箭整個任務(wù)過程中,天基遙測系統(tǒng)需要將近地軌道作業(yè)段有效載荷的姿態(tài)、沖擊和速率等關(guān)鍵信息參數(shù)[1]及時下傳到遙測大廳,以便發(fā)射指揮人員對載荷入軌狀態(tài)進(jìn)行現(xiàn)場分析判讀。運(yùn)載火箭測量系統(tǒng)主要由遙測子系統(tǒng)、外測子系統(tǒng)和安控子系統(tǒng)3部分組成,其中遙測子系統(tǒng)包括傳統(tǒng)地基遙測系統(tǒng)和天基遙測系統(tǒng)。與地基遙測用于實(shí)現(xiàn)航區(qū)內(nèi)高碼率PCM全幀碼流傳輸工作不同的是,天基遙測系統(tǒng)是為了實(shí)現(xiàn)載荷入軌段PCM全幀碼流[2]中有效載荷信息參數(shù)的挑路、幀重構(gòu)[3]、傳輸?shù)热蝿?wù)而設(shè)計。更直觀地講,天基遙測系統(tǒng)既是發(fā)射現(xiàn)場第一時間判定發(fā)射任務(wù)成敗的關(guān)鍵信息來源[4],也是縮短發(fā)射準(zhǔn)備時間、短時間內(nèi)高頻次[5]執(zhí)行發(fā)射任務(wù)的可靠保障,箭載天基遙測系統(tǒng)的穩(wěn)定性、冗余性、快速響應(yīng)性對于提升發(fā)射保障綜合能力意義重大。

為此,國內(nèi)外退役及現(xiàn)役運(yùn)載火箭中均設(shè)計有不同尺寸類型、不同性能規(guī)格甚至不同工作方式的箭載天基遙測系統(tǒng)。其中最早有跡可循的是美國國家航空航天局(NASA)在其官網(wǎng)解密的一份縮略版《土星5號運(yùn)載火箭技術(shù)手冊》,里面提到了“土星5號”儀器艙的基本結(jié)構(gòu)是一個由鋁合金蜂窩夾層材料制成的短圓筒,天基遙測裝置安裝于儀器艙的蜂窩夾層[6]上,天基遙測天線選用兩臺倒F型振子線極化天線,近地軌道處天基遙測速率不到18 Kbps,天線安裝角度及地面對應(yīng)測控范圍不詳;上世紀(jì)90年代,歐洲航天局(ESA)研制的 “阿麗亞娜4”運(yùn)載火箭采用三分集右旋圓極化天線,將低噪聲放大器和天線集為一體,天線將接收到的空間電磁波信號直接送入低噪聲放大器的輸入端,近地軌道[7]距離條件下天基遙測速率在120 Kbps左右;步入20世紀(jì)以來,“胖五”作為我國運(yùn)力最大的運(yùn)載火箭,技術(shù)性能已躋身國際前列。由于公開資料較少,其具體天基技術(shù)參數(shù)不詳;最近幾年國內(nèi)商業(yè)航天[8]迅猛發(fā)展,目前成功的數(shù)發(fā)商業(yè)火箭中,近地軌道距離條件下天基遙測速率均集中在500 Kbps以內(nèi)?；谝陨蠂鴥?nèi)外研究現(xiàn)狀,本文提出了一種基于雙臂螺旋天線的箭載天基遙測系統(tǒng)設(shè)計。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)主要由天基基帶終端、天基射頻前端及雙臂螺旋天線3部分構(gòu)成。其中基帶終端信源為箭上綜合采編裝置的遙測數(shù)據(jù)全幀碼流,基帶終端在近地軌道作業(yè)段對信源進(jìn)行位同步和幀同步處理后,從信源中挑出指定子幀的載荷參數(shù),和基帶終端遙測參數(shù)、射頻前端遙測參數(shù)共同組成天基遙測幀,天基遙測幀在被編碼交織、加擾處理后送往射頻前端;射頻前端集成有頻率綜合器及混頻、放大、濾波模塊,在對天基遙測幀進(jìn)行信道編碼、數(shù)據(jù)調(diào)制、放大濾波后送給雙臂螺旋天線,最后由天線將天基遙測幀輻射到近地軌道周圍空間[9]。系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示,其中頻率基準(zhǔn)分別作為工作時鐘和本振信號分兩路送給數(shù)字基帶及頻率綜合器;基帶終端信號處理流程如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

圖2 基帶終端信號處理流程圖

2 天線仿真設(shè)計

天線是連接箭載天基遙測系統(tǒng)與地面天基檢測站的關(guān)鍵媒介,天基天線的選型、仿真及設(shè)計對于箭載天基遙測系統(tǒng)的性能起著決定作用。目前國內(nèi)箭載天基天線多選用傳統(tǒng)振子線極化天線、單臂螺旋天線及扇區(qū)定向天線等天線類型。天基單臂螺旋天線在軸向模式下發(fā)生諧振時,其阻抗遠(yuǎn)低于50 Ω,而當(dāng)添加一個短接到地面的螺旋線后,該天線可用作折疊天線,低阻抗可以調(diào)整到接近同軸電纜的參考阻抗50 Ω,本設(shè)計將雙臂螺旋天線應(yīng)用于箭載天基遙測系統(tǒng)中,與單臂螺旋天線比高出2 dB增益;與扇區(qū)定向天線、振子線極化天線相比簡化了饋電網(wǎng)絡(luò),當(dāng)然雙臂螺旋天線的選用也對箭體的電磁兼容性提出了更苛刻的要求。

本設(shè)計為了能夠更真實(shí)地模擬出天線在近地軌道處的工作環(huán)境及工作狀態(tài),選用高級數(shù)值仿真軟件COMSOL中的電磁波、頻域及重力場接口模塊進(jìn)行箭載天基天線的多物理場耦合仿真,雙臂螺旋天線仿真設(shè)計流程如圖3所示。

圖3 雙臂螺旋天線仿真設(shè)計流程圖

2.1 數(shù)值模擬計算模型

天基雙臂螺旋天線多物理場耦合[10]仿真模型由雙臂螺旋輻射體、圓形接地板、調(diào)諧短截線、同軸電纜和包圍空氣區(qū)域的完美匹配層組成。螺旋臂的一端連接到射頻電纜的內(nèi)部導(dǎo)體銷,另一端短接到接地板。兩個螺旋結(jié)構(gòu)沿z軸纏繞,并在頂端相連接,軸向模式的附加阻抗匹配短截線位于接地板的中心。本次耦合仿真中的所有金屬零件都被模擬為理想電導(dǎo)體,其內(nèi)部域不包含在分析范圍中;同軸電纜內(nèi)部導(dǎo)體與外部導(dǎo)體之間的空間用聚四氟乙烯材料填充,同軸型集總端口用于激勵天線。除完美匹配層以外的所有域都由四面體網(wǎng)格劃分。

2.2 仿真過程及結(jié)論分析

在完成雙臂螺旋天線幾何模型構(gòu)建、材料參數(shù)設(shè)置、端口邊界確認(rèn)等前期準(zhǔn)備工作的基礎(chǔ)上,對仿真模型添加電磁波、頻域及重力場接口,首先將中心頻率設(shè)置為385 MHz。在設(shè)置物理場和查看網(wǎng)格過程中,對仿真模型中指定域和邊界設(shè)置了 “物理場隱藏”,以便能夠更清晰地觀察在天線工作過程中近地軌道空間周圍的電場強(qiáng)度。天線三維遠(yuǎn)場增益決定了天線將信號發(fā)射出去的能力,而天線極化決定著天線輻射出去的電磁波[11]在空間中的變化形式。在初步驗(yàn)證天線設(shè)計合理性基礎(chǔ)上,將仿真模型中心頻率設(shè)置為4.7713 GHz,對系統(tǒng)天線極化方式進(jìn)行驗(yàn)證,仿真結(jié)果如圖4所示。圖4所示軸比圖顯示了雙臂螺旋天線的圓極化程度。當(dāng)它表現(xiàn)為理想圓極化時,軸比為 1 或 0 dB。當(dāng)軸比低于 3 dB (紅圈內(nèi))時為圓極化天線。在圖4中,天線視軸處的軸比小于 3 dB,視軸是軸向模式的主要傳播方向,平行于螺旋狀扭轉(zhuǎn)軸,表明本設(shè)計有助于抑制電磁波多路徑傳播場景下的相互干擾。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)上位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)對天基基帶、天基變頻板卡的配置及遙測數(shù)據(jù)的采集、顯示、存儲、分析功能。系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)通信方式采用標(biāo)準(zhǔn)千兆以太網(wǎng)接口,上位機(jī)軟件經(jīng)由交換機(jī)通過UDP/IP協(xié)議向天基檢測站發(fā)送控制指令,并采用組播的方式接受天基檢測站發(fā)過來的遙測數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定后,軟件界面右上方四處狀態(tài)指示燈變綠,在界面中間區(qū)域的“數(shù)據(jù)接受”區(qū)刷新顯示接受到的數(shù)據(jù),刷新時間間隔為50 ms,實(shí)時數(shù)據(jù)以.DAT文件進(jìn)行存儲記錄,同時上位機(jī)界面下方實(shí)時繪制天基數(shù)據(jù)幀計數(shù)變化曲線,系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖5所示。

本系統(tǒng)中箭載天基遙測數(shù)據(jù)地面解調(diào)接受過程中采用了以太網(wǎng)雙冗余策略。對于地面天基檢測站默認(rèn)選擇A通道進(jìn)行解調(diào)后的天基遙測數(shù)據(jù)的傳輸,若A通道存在故障,則地面天基檢測站切換到B通道進(jìn)行天基遙測數(shù)據(jù)的再次發(fā)送,切換到B通道后不再進(jìn)行切換操作,千兆以太網(wǎng)通訊仍異常則匯報故障。接受方即遙測大廳綜合信息處理軟件能夠同時監(jiān)聽A、B兩通道的天基遙測數(shù)據(jù),對于重復(fù)的數(shù)據(jù)幀,根據(jù)標(biāo)志位進(jìn)行“去冗余”處理。A、B通道的切換控制權(quán)由天基遙測系統(tǒng)主控軟件掌握,箭上其它分系統(tǒng)及單機(jī)設(shè)備不作干預(yù)。天基設(shè)備網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如圖6所示。

圖6 天基設(shè)備網(wǎng)絡(luò)參數(shù)圖

其中A、B通道終端IP分別為192.168.130.20、192.168.130.120,天基遙測數(shù)據(jù)地面發(fā)送端IP為192.168.130.79,兩種通道狀態(tài)下遙測端口與狀態(tài)端口一致,分別為5011與5012。

4 系統(tǒng)測試

為了對箭載天基遙測系統(tǒng)設(shè)計可靠性與工程性進(jìn)行驗(yàn)證,在搭建完整功能閉環(huán)測試平臺的基礎(chǔ)上,分2個階段對系統(tǒng)進(jìn)行了測試。

第1階段為測試前檢查天基箭上測量設(shè)備天基基帶終端、射頻前端、雙臂螺旋天線的電氣連接情況,包括天線高頻電纜、測試電纜、電源線及相應(yīng)接插件連接情況,檢查無誤后將天基遙測系統(tǒng)接入箭上電纜網(wǎng)。

第2階段為在天基檢測站上位機(jī)軟件信息配置完成的基礎(chǔ)上,登錄上位機(jī)軟件,軟件右側(cè)工作模式列表中勾選“測試模式”,界面下方消息提示欄中給出“初始化已全部完成!”提示,表明天基檢測站地面上位機(jī)軟件啟動無誤,對箭上設(shè)備加電后進(jìn)行天基遙測功能測試。

天基遙測功能雙通道測試結(jié)果如圖7所示,由圖中“運(yùn)行狀態(tài)”欄中的4個綠色指示燈可知,天基檢測站可以準(zhǔn)確無誤地完成狀態(tài)鎖定,地面天基檢測站“捕獲”、“載波”、“幀同步”、“符號同步”功能正確,由后端綜合信息處理軟件解算可得遙測數(shù)據(jù)傳輸速率穩(wěn)定保持在1.2 Mbps,圖中紅色幀計數(shù)曲線光滑無毛刺,表明箭地通信數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠、無丟幀現(xiàn)象。其中黑色方框中“1ACFFC1D”前4個字節(jié)表示同步字,從第5個字節(jié)算起直至第67個字節(jié)(共63字節(jié))為箭上天基數(shù)據(jù)消息一幀,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完整,時標(biāo)解算正確,滿足設(shè)計需求。

5 結(jié)論

提出了一種基于雙臂螺旋天線的箭載天基遙測系統(tǒng)設(shè)計,在通過COMSOL軟件對系統(tǒng)雙臂螺旋天線進(jìn)行多物理場耦合仿真分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了天線設(shè)計,最后在整箭模擬飛行測試中進(jìn)行了天基遙測系統(tǒng)空間衰減等效實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,地面天基檢測站可以精準(zhǔn)完成箭載天基遙測系統(tǒng)狀態(tài)鎖定,遙測數(shù)據(jù)傳輸速率穩(wěn)定保持在1.2 Mbps,通信鏈路余量充裕。