適用于野外環(huán)境的無(wú)線測(cè)發(fā)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄒 凱，王健康，朱孟龍，李 愷，張臨志，梁 君，張 翔，尹蔚華

(1. 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076；2. 中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院，北京 100074；3. 重慶航天火箭電子技術(shù)有限公司，重慶 400039)

0 引言

目前，目標(biāo)飛行器的需求量正在逐漸增加[1-4]。根據(jù)任務(wù)需求，本文中飛行器的發(fā)射地點(diǎn)需要選取在戈壁灘或沙漠腹地的公路旁，此類地點(diǎn)缺乏對(duì)地面設(shè)備和人員的保障設(shè)施和防護(hù)掩體。在野外完成飛行器的部署后，發(fā)射時(shí)間需要協(xié)調(diào)，存在長(zhǎng)期等候命令和收到命令后立即發(fā)射的情況[5]。此外，在飛行器發(fā)射后，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其飛行狀態(tài)，在異常時(shí)地面應(yīng)立刻發(fā)送安控指令，實(shí)現(xiàn)飛行器的安控自毀[6-8]。因此，對(duì)測(cè)發(fā)控系統(tǒng)提出了設(shè)備部署時(shí)間短、發(fā)控距離遠(yuǎn)、待命時(shí)間長(zhǎng)和具備安控指令遠(yuǎn)距離上行能力的要求。

有線測(cè)發(fā)控系統(tǒng)包括位于飛行器附近的前端設(shè)備和位于防護(hù)掩體的后端設(shè)備[9-11]。前端設(shè)備與飛行器通過數(shù)十米長(zhǎng)的臍帶電纜連接，采用RS-422、CAN[12]、1553B[13-14]或Flexray[15]總線等有線方式通信，前端設(shè)備與后端設(shè)備之間通過光纖進(jìn)行遠(yuǎn)距離有線通信，試驗(yàn)人員操作后端設(shè)備實(shí)現(xiàn)飛行器的發(fā)控。在飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)，為防止前端設(shè)備受到高溫尾焰的燒蝕和碎片的沖擊而損壞，通常采用鋼甲房防護(hù)。因此，有線測(cè)發(fā)控系統(tǒng)設(shè)備部署耗時(shí)較長(zhǎng)，發(fā)控距離受光纖長(zhǎng)度限制，臍帶電纜因發(fā)動(dòng)機(jī)火焰燒蝕而損壞，增加發(fā)射成本和二次發(fā)射的準(zhǔn)備時(shí)間。此外，在飛行器發(fā)射后，有線測(cè)發(fā)控系統(tǒng)無(wú)法發(fā)送安控指令，需要配置額外的安控?cái)?shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)安控功能[6]。因此，針對(duì)本文中飛行器的需求，有線測(cè)發(fā)控系統(tǒng)并非最優(yōu)選擇，需要利用無(wú)線測(cè)發(fā)控系統(tǒng)遠(yuǎn)距離通信的優(yōu)勢(shì)以滿足任務(wù)需求[16]。

1 無(wú)線測(cè)發(fā)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

野外發(fā)射任務(wù)對(duì)測(cè)發(fā)控系統(tǒng)提出了如下要求：

1)地面設(shè)備便于攜帶和部署，對(duì)野外惡劣環(huán)境具備一定程度的防護(hù)能力；

2)由于野外無(wú)人員防護(hù)掩體，為保障人員安全，后端操作人員和設(shè)備需要距離飛行器發(fā)射點(diǎn)1 km以上；

3)在飛行器上電自檢完成后，需要具備8小時(shí)以內(nèi)的無(wú)人值守待命能力，收到發(fā)射命令后需要在10 min內(nèi)完成發(fā)射；

4)地面能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)飛行器的飛行狀態(tài)，在發(fā)生故障或超出限制區(qū)域時(shí)立刻發(fā)送安控指令，使飛行器安控自毀。

常規(guī)有線/無(wú)線測(cè)發(fā)控系統(tǒng)前端設(shè)備具備對(duì)飛行器地面供電、火工品和發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火回路保護(hù)/解保/點(diǎn)火控制與器載設(shè)備狀態(tài)測(cè)量等功能。前端設(shè)備在運(yùn)輸、部署、自檢和器地間接口測(cè)試過程中會(huì)消耗大量的人力和時(shí)間。

隨著無(wú)線通信技術(shù)傳輸速率、穩(wěn)定性、可靠性、安全性與抗干擾能力的不斷提升，已經(jīng)可以滿足作為測(cè)發(fā)控指令上行通信的要求，如Zigbee[17]、5G[18]、直接序列擴(kuò)頻通信(DSSS)[19-21]等通信體制，使用具有抗干擾與加密功能的無(wú)線通信鏈路替代器地之間的有線測(cè)發(fā)控通信鏈路，可以降低地面設(shè)備的復(fù)雜程度，實(shí)現(xiàn)器地?zé)o纜化，減少測(cè)試項(xiàng)目，提高野外惡劣環(huán)境下設(shè)備的可靠性。同時(shí)，無(wú)線通信鏈路兼具安控指令的上行能力，實(shí)現(xiàn)測(cè)發(fā)控與安控上行無(wú)線鏈路一體化設(shè)計(jì)，無(wú)需單獨(dú)配置安控?cái)?shù)據(jù)鏈路。

在常用的測(cè)發(fā)控?zé)o線通信體制中，Zigbee通信距離較短[17]，難以滿足遠(yuǎn)距離測(cè)發(fā)控和安控指令上行的要求；5G通信通常需要在發(fā)射場(chǎng)架設(shè)基站[18]，在野外環(huán)境很難實(shí)現(xiàn)；基于直接序列擴(kuò)頻(DSSS)的脈沖編碼調(diào)制(PCM)通信具有抗干擾能力強(qiáng)、通信距離遠(yuǎn)、無(wú)需依賴基站的優(yōu)點(diǎn)，適合作為野外無(wú)線測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的通信鏈路。

飛行器常規(guī)安控通信鏈路主要包括傳統(tǒng)的脈沖編碼直接序列擴(kuò)頻載波相位調(diào)制體制(PCM-DSSS-BPSK或PCM-DSSS-DPSK)和較新的多音組合編碼調(diào)頻體制(主字母調(diào)頻High-Alpha-FM)，目前應(yīng)用較廣泛的體制為PCM-DSSS-BPSK。為保證無(wú)線測(cè)發(fā)控系統(tǒng)上行通信鏈路與現(xiàn)有安控設(shè)備兼容，選用L頻段PCM-DSSS-BPSK通信體制，頻率范圍與常規(guī)安控通信鏈路相同，用于傳輸測(cè)發(fā)控和安控指令，因此可適配大多數(shù)地面安控設(shè)備。下行鏈路沿用火箭遙測(cè)常用的S頻段PCM-FM通信體制，作為遙測(cè)數(shù)據(jù)下行鏈路，以減少對(duì)器載遙測(cè)設(shè)備的改動(dòng)，保證與現(xiàn)有測(cè)控站及遙測(cè)車的兼容性。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為減少地面設(shè)備在野外環(huán)境的部署時(shí)間和難度，無(wú)線測(cè)發(fā)控系統(tǒng)采用器地一體化設(shè)計(jì)方式，將前端設(shè)備的功能集成于器載設(shè)備，取消器地間臍帶電纜，后端設(shè)備直接通過無(wú)線鏈路實(shí)現(xiàn)與飛行器通信以執(zhí)行測(cè)發(fā)控任務(wù)，從而減少地面設(shè)備數(shù)量，節(jié)省部署和測(cè)試時(shí)間。因此，測(cè)發(fā)控系統(tǒng)包括位于后端安全區(qū)的地面設(shè)備和飛行器器載設(shè)備兩部分，通過無(wú)線鏈路進(jìn)行通信。在發(fā)射準(zhǔn)備階段與飛行階段，地面設(shè)備通過遙控鏈路向器載設(shè)備分別發(fā)送測(cè)發(fā)控指令與安控指令，器載設(shè)備通過遙測(cè)鏈路向地面設(shè)備發(fā)送指令回令和飛行器遙測(cè)數(shù)據(jù)。

為實(shí)現(xiàn)飛行器在發(fā)射場(chǎng)的長(zhǎng)時(shí)間休眠，對(duì)器載配電與遙測(cè)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，加入休眠管制銷與火工品管制器，使飛行器具備遙控上電/斷電、低功耗休眠、火工品和發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火回路保護(hù)/解保/點(diǎn)火控制以及器載設(shè)備狀態(tài)測(cè)量等功能，實(shí)現(xiàn)無(wú)線測(cè)發(fā)控功能閉環(huán)。為便于總測(cè)和發(fā)射場(chǎng)故障排查時(shí)使用地面電源為飛行器供電和接收有線遙測(cè)數(shù)據(jù)，飛行器預(yù)留地面供電輸入及有線遙測(cè)輸出接口。無(wú)線測(cè)發(fā)控系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 無(wú)線測(cè)發(fā)控系統(tǒng)組成與連接關(guān)系

發(fā)控盒用于存儲(chǔ)危險(xiǎn)指令，包括火工品和發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火回路保護(hù)/解保/控制等指令，通過串口向指控機(jī)發(fā)送，經(jīng)指控機(jī)二次確認(rèn)后才可上行轉(zhuǎn)發(fā)。指控機(jī)存儲(chǔ)常規(guī)指令，包括諸元數(shù)據(jù)、慣導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)、存儲(chǔ)器擦除與啟動(dòng)記錄等。

地面數(shù)據(jù)鏈作為地面設(shè)備的核心，采用主備機(jī)熱備份方式。指控機(jī)按照IP地址使用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通過交換機(jī)將數(shù)據(jù)和指令發(fā)送至地面數(shù)據(jù)鏈主機(jī)或備機(jī)。地面數(shù)據(jù)鏈對(duì)指令進(jìn)行編碼、擴(kuò)頻、調(diào)制與功率放大后，變?yōu)镻CM-DSSS-BPSK體制射頻信號(hào)，發(fā)送至定向伺服天線。為避免地面數(shù)據(jù)鏈主/備機(jī)遙控射頻信號(hào)相互干擾，在不發(fā)送遙控指令時(shí)，遙控射頻鏈路處于關(guān)閉狀態(tài)。指控機(jī)通過IP地址選擇一臺(tái)地面數(shù)據(jù)鏈發(fā)送遙控指令，收到指令的地面數(shù)據(jù)鏈開啟遙控射頻鏈路，在與飛行器建立無(wú)線鏈路連接后發(fā)送指令，隨后將鏈路關(guān)閉。

定向伺服天線接收飛行器的遙測(cè)射頻信號(hào)并進(jìn)行功率放大后，發(fā)送至地面數(shù)據(jù)鏈的主機(jī)和備機(jī)，主機(jī)和備機(jī)同時(shí)對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)與解碼后，使用UDP組播網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通過不同的組播地址經(jīng)過交換機(jī)向指控機(jī)與顯示機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)原碼。指控機(jī)與顯示機(jī)可根據(jù)組播地址選擇遙測(cè)數(shù)據(jù)源，并在本地實(shí)時(shí)解析后顯示飛行器的各項(xiàng)遙測(cè)參數(shù)，同時(shí)進(jìn)行本地存儲(chǔ)。在飛行器飛行過程中，指控機(jī)解析遙測(cè)數(shù)據(jù)獲取飛行器的實(shí)時(shí)位置，經(jīng)解算得到定向伺服天線的方位角和俯仰角指向，通過RS-422接口將指向數(shù)據(jù)發(fā)送至伺服平臺(tái)，從而帶動(dòng)天線轉(zhuǎn)動(dòng)跟隨飛行器，以保持最高的收發(fā)通信增益。

控制電池采用鋰電池，經(jīng)過休眠管制器為器載數(shù)據(jù)鏈提供休眠供電，同時(shí)直接為飛控計(jì)算機(jī)供電，通過插入和拔出休眠管制器的休眠管制銷可以控制器載數(shù)據(jù)鏈休眠供電的通斷狀態(tài)；器載數(shù)據(jù)鏈通過遙控天線接收遙控射頻信號(hào)，經(jīng)過功率放大、解調(diào)、解擴(kuò)與解碼后，通過RS-422接口發(fā)送至安控裝置、飛控計(jì)算機(jī)與火工品管制器，同時(shí)根據(jù)遙控指令，驅(qū)動(dòng)飛控計(jì)算機(jī)內(nèi)部控制電池并網(wǎng)繼電器(以下簡(jiǎn)稱“電池并網(wǎng)繼電器”)的通斷狀態(tài)，進(jìn)而由飛控計(jì)算機(jī)向全器配電。器載數(shù)據(jù)鏈接收中心程序器發(fā)送的有線PCM遙測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)組幀、調(diào)制與功率放大后變?yōu)檫b測(cè)射頻信號(hào)，由遙測(cè)天線對(duì)外發(fā)送。器載數(shù)據(jù)鏈具有休眠與喚醒兩種狀態(tài)：在休眠狀態(tài)下，僅從遙控鏈路接收指令，不發(fā)送遙測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)行功耗極低；在喚醒狀態(tài)下，接收遙控指令，同時(shí)通過遙測(cè)鏈路發(fā)送數(shù)據(jù)，全功率運(yùn)行。

1.3 測(cè)發(fā)控流程設(shè)計(jì)

當(dāng)飛行器通過發(fā)射架起豎前處于斷電狀態(tài)，在起豎后，操作人員拔出休眠管制銷后，器載數(shù)據(jù)鏈的休眠供電支路接通，器載數(shù)據(jù)鏈上電并進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)，此時(shí)操作人員可以撤離。

地面設(shè)備部署完成后，開始飛行器上電自檢，地面設(shè)備發(fā)送指令喚醒器載數(shù)據(jù)鏈，此時(shí)器載數(shù)據(jù)鏈開始發(fā)送遙測(cè)信號(hào)，隨后發(fā)送指令使器載數(shù)據(jù)鏈驅(qū)動(dòng)電池并網(wǎng)繼電器接通，此時(shí)飛控計(jì)算機(jī)上電并使電池并網(wǎng)繼電器自鎖，開始向其他器載設(shè)備配電，進(jìn)入飛行器的自檢流程。自檢完成后，地面設(shè)備連續(xù)發(fā)送指令，由器載數(shù)據(jù)鏈轉(zhuǎn)發(fā)至飛控計(jì)算機(jī)，使電池并網(wǎng)繼電器的自鎖功能失效，隨后驅(qū)動(dòng)電池并網(wǎng)繼電器斷開，此時(shí)除器載數(shù)據(jù)鏈外其他器載設(shè)備斷電。接下來(lái)地面設(shè)備發(fā)送指令使器載數(shù)據(jù)鏈進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)，器載數(shù)據(jù)鏈只接收喚醒指令，不發(fā)送遙測(cè)信號(hào)，功耗僅為50 mW，此時(shí)飛行器進(jìn)入休眠狀態(tài)，可長(zhǎng)時(shí)間等待發(fā)射命令。若控制電池按照電壓32 V，容量25 Ah設(shè)計(jì)，器載數(shù)據(jù)鏈在休眠狀態(tài)下8 h僅耗電0.012 5 Ah，剩余電量仍然可以滿足飛行器發(fā)射與飛行需求。

在收到發(fā)射命令后，飛行器首先按照與自檢相同的流程上電，隨后地面設(shè)備發(fā)送指令，由器載數(shù)據(jù)鏈轉(zhuǎn)發(fā)至火工品管制器，使飛行器火工品與發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火回路解保；接下來(lái)發(fā)送一系列測(cè)發(fā)控指令，由器載數(shù)據(jù)鏈轉(zhuǎn)發(fā)至飛控計(jì)算機(jī)，從而完成飛行器發(fā)射流程。

在飛行過程中，若出現(xiàn)異常情況，地面設(shè)備發(fā)送安控指令，器載數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)盏街噶詈篁?qū)動(dòng)安控裝置執(zhí)行自毀，同時(shí)通過RS-422接口轉(zhuǎn)發(fā)至飛控計(jì)算機(jī)。

在發(fā)射階段，若需要終止發(fā)射流程，可先發(fā)送指令使飛行器火工品與發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火回路進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，隨后按照自檢完成后相同的指令發(fā)送流程使飛行器進(jìn)入休眠狀態(tài)，隨后由操作人員插入休眠管制銷，使器載數(shù)據(jù)鏈斷電，實(shí)現(xiàn)全器斷電。

2 無(wú)線通信鏈路設(shè)計(jì)

在野外發(fā)射場(chǎng)景下，由于沒有防護(hù)掩體，試驗(yàn)人員與飛行器之間需要更遠(yuǎn)的安全距離，以保證發(fā)射時(shí)的人員安全。根據(jù)本文中飛行器的設(shè)計(jì)要求，在無(wú)線鏈路通視無(wú)遮擋時(shí)，需要保證不低于1 km的測(cè)發(fā)控通信距離和不低于80 km的安控指令上行距離。針對(duì)此需求，分別對(duì)遙控鏈路和遙測(cè)鏈路的性能指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

根據(jù)無(wú)線通信距離計(jì)算公式，上行鏈路通信應(yīng)滿足式(1)：

Pr1≤Pt1+Gt1-LFS1+Gr1-R

(1)

根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備的性能，Pr1為器載數(shù)據(jù)鏈的接收靈敏度，在碼速率20 kbps，誤碼率低于1×10-6時(shí)，優(yōu)于-117 dBm；Pt1為地面數(shù)據(jù)鏈發(fā)射功率，本文設(shè)計(jì)采用2 W功放；Gt1為定向伺服天線增益，波束角15°內(nèi)不低于14 dB；Gr1為遙控天線增益，波束角170°內(nèi)不低于-6 dB；R為信道余量，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取6 dB，LFS為空間自由損耗，計(jì)算參照公式(2)：

LFS1=32.44+20lgd1+20lgf1

(2)

其中：d1為遙控鏈路通信距離，單位為km，f1為L(zhǎng)頻段遙控射頻載波頻率，對(duì)公式(1)與公式(2)進(jìn)行整理，得到：

20lgd1≤Pt1+Gt1-32.44-20lgf1+Gr1-Pr1-R

(3)

經(jīng)過計(jì)算得到，上行遙控鏈路通信距離最長(zhǎng)為100 km，滿足測(cè)發(fā)控通信距離不短于1 km和安控指令上行距離不短于80 km的要求。在飛行器飛行過程中，通過多站接力可實(shí)現(xiàn)飛行全程安控指令的上行發(fā)送。

參照式(3)，下行遙測(cè)鏈路的通信距離d2可通過式(4)計(jì)算：

20lgd2≤Pt2+Gt2-32.44-20lgf2+Gr2-Pr2-R

(4)

根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備的性能，Pr2為地面數(shù)據(jù)鏈的接收靈敏度，在碼速率5 Mbps，誤碼率低于1×10-4時(shí)，優(yōu)于-124 dBm；Pt2為器載數(shù)據(jù)鏈發(fā)射功率，本文設(shè)計(jì)采用5 W功放；Gt2為遙測(cè)天線增益，波束角130°內(nèi)不低于14 dB；Gr2為定向伺服天線增益，波束角15°內(nèi)不低于15 dB；f2為S頻段通用遙測(cè)射頻載波頻率。

經(jīng)過計(jì)算得到，下行鏈路通信距離最長(zhǎng)為200 km，滿足測(cè)發(fā)控通信距離不短于1 km的要求。

最后，通過拉距試驗(yàn)，驗(yàn)證了計(jì)算的通信距離與實(shí)際通信距離一致，滿足設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)場(chǎng)景如圖2所示。

圖2 拉距試驗(yàn)場(chǎng)景

3 器載數(shù)據(jù)鏈設(shè)計(jì)

器載數(shù)據(jù)鏈作為飛行器與地面設(shè)備上行遙控指令和下行遙測(cè)數(shù)據(jù)通信處理的重要載體，是無(wú)線測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的核心設(shè)備。為實(shí)現(xiàn)飛行器上電自檢后的長(zhǎng)時(shí)間休眠，器載數(shù)據(jù)鏈需要具備低功耗休眠功能，并在喚醒后能夠控制全器設(shè)備上電。由于現(xiàn)有器載遙測(cè)設(shè)備不具備此功能，需要針對(duì)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的器載數(shù)據(jù)鏈的內(nèi)部組成與連接關(guān)系如圖3所示。

當(dāng)控制電池通過休眠供電支路為器載數(shù)據(jù)鏈提供休眠供電時(shí)，休眠/喚醒模塊中的低功率二次電源向帶通濾波器、載波檢測(cè)芯片與控制芯片供電，高功率二次電源模塊不對(duì)外供電。因此，除休眠/喚醒模塊外，其他模塊斷電，器載數(shù)據(jù)鏈的處于“休眠”狀態(tài)。由于低功率二次電源、載波檢測(cè)芯片與控制芯片均選用低功耗元器件，休眠/喚醒模塊的休眠功耗維持在50 mW以內(nèi)。此時(shí)，器載數(shù)據(jù)鏈通過遙控天線接收射頻信號(hào)，經(jīng)過帶通濾波器濾波后選擇遙控射頻信號(hào)頻帶內(nèi)的信號(hào)發(fā)送至載波檢測(cè)芯片，進(jìn)而將信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電壓模擬量，發(fā)送至控制芯片，由控制芯片采集并判斷信號(hào)強(qiáng)：

1)當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度超過設(shè)定的閾值時(shí)，控制芯片向高功率二次電源模塊發(fā)送的供電控制指令變?yōu)椤坝行А睜顟B(tài)，高功率二次電源模塊開始向功放濾波模塊、上下變頻模塊、基帶模塊、處理器模塊、繼電器驅(qū)動(dòng)模塊和安控指令模塊供電，器載數(shù)據(jù)鏈被喚醒，處理器模塊將器載數(shù)據(jù)鏈自身的遙測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過基帶模塊、上下變頻模塊和功放濾波模塊的編碼、調(diào)制和功率放大后，轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)，通過遙測(cè)天線發(fā)送；對(duì)遙控天線接收的射頻信號(hào)，經(jīng)過功放濾波模塊、上下變頻模塊和基帶模塊的功率放大、解調(diào)、解擴(kuò)和解碼后，發(fā)送至處理器模塊進(jìn)行指令識(shí)別，當(dāng)識(shí)別到“喚醒”指令時(shí)，處理器模塊向高功率二次電源模塊發(fā)送的供電保持指令變?yōu)椤坝行А睜顟B(tài)并維持，使高功率二次電源模塊保持供電輸出狀態(tài)，器載數(shù)據(jù)鏈將保持“喚醒”狀態(tài)；

2)若接收到的射頻信號(hào)是與遙控射頻信號(hào)頻帶內(nèi)的干擾信號(hào)或是其他的遙控指令，則供電保持指令保持“無(wú)效”狀態(tài)，控制芯片設(shè)定在收到遙控射頻信號(hào)頻帶內(nèi)信號(hào)的強(qiáng)度低于閾值10 s后，供電控制指令變?yōu)椤盁o(wú)效”狀態(tài)，此時(shí)高功率二次電源模塊停止供電輸出，器載數(shù)據(jù)鏈恢復(fù)“休眠”狀態(tài)。

器載數(shù)據(jù)鏈喚醒后，當(dāng)收到飛行器上電指令時(shí)，處理器模塊通過繼電器驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電池并網(wǎng)繼電器閉合，實(shí)現(xiàn)全器上電，此時(shí)飛控計(jì)算機(jī)向器載數(shù)據(jù)鏈供電。中心程序器上電后開始向器載數(shù)據(jù)鏈發(fā)送有線PCM數(shù)據(jù)，經(jīng)過接口模塊的電平轉(zhuǎn)換后由處理器模塊接收，并將有線PCM數(shù)據(jù)與自身遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行組幀，經(jīng)過處理后，通過遙測(cè)天線發(fā)送。處理器模塊將收到的測(cè)發(fā)控指令通過接口模塊由RS-422接口轉(zhuǎn)發(fā)至飛控計(jì)算機(jī)和火工品管制器，當(dāng)收到安控指令時(shí)，對(duì)指令內(nèi)容進(jìn)行校驗(yàn)后，安控指令模塊使用RS-422接口向安控裝置發(fā)送安控指令，實(shí)現(xiàn)飛行器自毀，同時(shí)還會(huì)將安控指令轉(zhuǎn)發(fā)至飛控計(jì)算機(jī)。

在器載數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)盏斤w行器斷電指令后，處理器模塊通過繼電器驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電池并網(wǎng)繼電器斷開，此時(shí)飛控計(jì)算機(jī)不再向器載數(shù)據(jù)鏈供電。收到“休眠”指令時(shí)，處理器模塊將供電保持指令變?yōu)椤盁o(wú)效”狀態(tài)，待休眠/喚醒模塊中控制芯片收到遙控頻帶內(nèi)射頻信號(hào)的強(qiáng)度低于閾值10 s后，供電控制指令變?yōu)椤盁o(wú)效”狀態(tài)，此時(shí)高功率二次電源模塊停止供電輸出，器載數(shù)據(jù)鏈進(jìn)入“休眠”狀態(tài)，直至休眠供電支路不再供電時(shí)，器載數(shù)據(jù)鏈斷電。

4 地面數(shù)據(jù)鏈設(shè)計(jì)

4.1 防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為適應(yīng)野外的惡劣環(huán)境，地面數(shù)據(jù)鏈在工作過程中需要具備防風(fēng)、沙、微量降雨和耐高溫防等環(huán)境防護(hù)能力，同時(shí)兼具部署迅速的特點(diǎn)。根據(jù)使用的環(huán)境條件，地面數(shù)據(jù)鏈采用設(shè)備與包裝箱一體化設(shè)計(jì)方式，具備部署迅速的優(yōu)點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 地面數(shù)據(jù)鏈實(shí)物

針對(duì)防護(hù)需求，包裝箱采用抗老化的改性PP材料通過注塑工藝成型，在頂蓋閉合狀態(tài)下具備抗重壓、防水與防撞擊等特性，達(dá)到IP67防護(hù)等級(jí)。上位機(jī)選用加固計(jì)算機(jī)，具備IP53防護(hù)等級(jí)，通過卡扣固定在接口面板上，方便快速拆卸和安裝。電源轉(zhuǎn)換模塊、蓄電池、數(shù)據(jù)鏈模塊與功放模塊經(jīng)過三防加固后，通過減振支架固定在包裝箱內(nèi)。電源開關(guān)、加解密接口、有線遙測(cè)接口和射頻接口的電連接器布置在接口面板上，均選用具有三防特性的加固產(chǎn)品。接口面板與包裝箱之間的縫隙通過密封條密封，防止沙塵或雨水在頂蓋開啟的狀態(tài)下進(jìn)入包裝箱內(nèi)。散熱風(fēng)扇和充電模塊安裝于接口面板背部，接口面板預(yù)留通風(fēng)口，可通過風(fēng)扇主動(dòng)散熱，以便在野外的高溫環(huán)境中使用。

在沙塵或小雨環(huán)境中使用時(shí)，可斷開外部電源，使用地面數(shù)據(jù)鏈自帶的蓄電池供電，并將包裝箱的頂蓋打開約20°，防止沙塵或雨水通過通風(fēng)口進(jìn)入包裝箱，如圖5所示。

圖5 地面數(shù)據(jù)鏈防護(hù)運(yùn)行狀態(tài)

4.2 功能設(shè)計(jì)

地面數(shù)據(jù)鏈組成與連接關(guān)系如圖6所示。充電模塊通過外接220 V交流電源為包裝箱內(nèi)部的蓄電池充電，在充電和使用過程中可顯示蓄電池的剩余電量。電源轉(zhuǎn)換模塊可分別使用外部220 V交流、直流電源和包裝箱內(nèi)的蓄電池作為供電輸入，為數(shù)據(jù)鏈模塊、功放模塊、上位機(jī)與風(fēng)扇供電，供電輸入的通斷狀態(tài)通過接口面板的電源開關(guān)控制。數(shù)據(jù)鏈模塊通過網(wǎng)絡(luò)接口與上位機(jī)通信，通過射頻接口和控制接口與功放模塊連接，并將加解密接口及有線遙測(cè)接口通過電纜引出至接口面板的電連接器。上位機(jī)向數(shù)據(jù)鏈模塊發(fā)送配置參數(shù)，并接收數(shù)據(jù)鏈模塊的參數(shù)反饋。數(shù)據(jù)鏈模塊通過控制接口控制功放模塊的開關(guān)狀態(tài)。

圖6 地面數(shù)據(jù)鏈組成與連接關(guān)系

在發(fā)送上行遙控指令時(shí)，上位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)接口收到指控機(jī)發(fā)送的遙控指令后，轉(zhuǎn)發(fā)至數(shù)據(jù)鏈模塊，經(jīng)過編碼、擴(kuò)頻和調(diào)制后，發(fā)送至功放模塊進(jìn)行功率放大后輸出。

在收到遙測(cè)信號(hào)后，數(shù)據(jù)鏈模塊進(jìn)行解調(diào)和解碼，并將處理后的遙測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，由上位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)組播發(fā)送。數(shù)據(jù)鏈模塊也可通過有線遙測(cè)接口接收有線遙測(cè)數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)至上位機(jī)。若遙測(cè)數(shù)據(jù)被加密，數(shù)據(jù)鏈模塊可以通過加解密接口與外部的加解密機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解密。

5 火工品管制與測(cè)量設(shè)計(jì)

5.1 火工品管制設(shè)計(jì)

在本文設(shè)計(jì)的無(wú)線測(cè)發(fā)控系統(tǒng)中，使用火工品管制器負(fù)責(zé)器上火工品的短路保護(hù)。為增加飛行器在裝配、測(cè)試與運(yùn)輸過程中火工品保護(hù)的可靠性，設(shè)置多級(jí)火工品管制措施，防止由于單級(jí)管制故障或地面誤發(fā)火工品發(fā)火指令，造成火工品誤發(fā)火。器載火工品管制設(shè)備的連接關(guān)系如圖7所示。

圖7 器載火工品管制與發(fā)火設(shè)備連接關(guān)系

火工品電源由器載控制電池供電，從供電至火工品發(fā)火支路經(jīng)過3級(jí)管控。由于發(fā)動(dòng)機(jī)誤點(diǎn)火將引起重大安全事故，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火支路增加1級(jí)管控，采用4級(jí)管制，管制層級(jí)關(guān)系如下：

1)控制電池向飛控計(jì)算機(jī)提供火工品供電，飛控計(jì)算機(jī)通過RS-422接口接收器載數(shù)據(jù)鏈的遙控指令，通過電磁繼電器對(duì)自身火工品供電正母線和負(fù)母線進(jìn)行通斷控制，在飛行器裝配、測(cè)試與運(yùn)輸過程中，正負(fù)母線均斷開；在進(jìn)入火工品測(cè)試和發(fā)射流程時(shí)，正負(fù)母線接通；

2)飛控計(jì)算機(jī)根據(jù)接收的遙控指令或飛行控制時(shí)序，對(duì)各火工品發(fā)火支路進(jìn)行單獨(dú)控制，以按需實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火等動(dòng)作；

3)火工品管制器通過RS-422接口接收器載數(shù)據(jù)鏈的指令，實(shí)現(xiàn)各火工品支路的短路保護(hù)與解除保護(hù)狀態(tài)切換，在短路保護(hù)時(shí)，將火工品供電輸入的正極與負(fù)極短接，防止靜電或非期望供電造成火工品誤發(fā)火；在解除保護(hù)時(shí)，將火工品的正極與火工品發(fā)火供電支路的正極接通，可按需進(jìn)行火工品發(fā)火；

4)在火工品管制器的發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火支路增加了發(fā)動(dòng)機(jī)安全銷，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火頭進(jìn)行短路保護(hù)，由火工品管制器控制發(fā)動(dòng)機(jī)安全銷的保護(hù)狀態(tài)，在短路保護(hù)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)安全銷將發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火頭的正極與負(fù)極短接，防止發(fā)動(dòng)機(jī)誤點(diǎn)火；在解除保護(hù)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)安全銷將發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火頭的正極與發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火支路的正極接通，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火。

5.2 測(cè)量設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)器載設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在飛控計(jì)算機(jī)中設(shè)置測(cè)量電路，對(duì)控制電池輸出電壓、火工品母線輸出電壓以及火工品發(fā)火支路的供電狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量。在火工品管制器中設(shè)置測(cè)量電路，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)安全銷的短路保護(hù)狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量。

中心程序器負(fù)責(zé)接收測(cè)量數(shù)據(jù)并進(jìn)行編碼，發(fā)送至器載數(shù)據(jù)鏈，繼而通過遙測(cè)信號(hào)發(fā)送至地面設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

6 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過飛行器的飛行試驗(yàn)，對(duì)本文設(shè)計(jì)的無(wú)線測(cè)發(fā)控系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。

6.1 飛行試驗(yàn)測(cè)發(fā)控流程

飛行試驗(yàn)的測(cè)發(fā)控流程如下：

1)飛行器在發(fā)射陣地通過發(fā)射架起豎后，拔下休眠管制銷，使飛行器由斷電狀態(tài)進(jìn)入休眠狀態(tài)；

2)在距離飛行器1.5 km遠(yuǎn)的操作場(chǎng)地布置地面設(shè)備，并將定向伺服天線對(duì)準(zhǔn)飛行器；

3)通過地面設(shè)備發(fā)送指令使飛行器喚醒，開始上電自檢流程；

4)在自檢完成后，地面設(shè)備發(fā)送指令使飛行器休眠，隨后等待發(fā)射命令；

5)在收到發(fā)射命令后，地面設(shè)備發(fā)送指令使飛行器喚醒，隨后完成發(fā)射流程；

6)在飛行過程中，指控機(jī)根據(jù)地面數(shù)據(jù)鏈接收的遙測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)解析出飛行器的位置，并驅(qū)動(dòng)定向伺服天線指向飛行器，若飛行狀態(tài)出現(xiàn)異常，則立刻發(fā)送安控指令。

6.2 飛行試驗(yàn)結(jié)果分析

在飛行試驗(yàn)飛行器自檢和發(fā)射流程中，測(cè)發(fā)控指令執(zhí)行全部正常，未出現(xiàn)指令無(wú)響應(yīng)情況；自檢和發(fā)射流程之間的低功耗休眠時(shí)間約35 min。由于飛行器全程飛行正常，因此未驗(yàn)證安控指令上行功能。在飛行器發(fā)射后，定向伺服天線持續(xù)跟蹤飛行器，直至飛行器飛行距離增加導(dǎo)致遙測(cè)信號(hào)誤碼率提高，指控計(jì)算機(jī)無(wú)法解析飛行器的實(shí)時(shí)位置時(shí)切換為根據(jù)預(yù)裝飛行軌跡程控跟蹤。

通過統(tǒng)計(jì)發(fā)射前遙測(cè)數(shù)據(jù)誤碼率，驗(yàn)證遙測(cè)數(shù)據(jù)接收正常。下行遙測(cè)數(shù)據(jù)誤碼率統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 下行遙測(cè)數(shù)據(jù)誤碼率統(tǒng)計(jì)

通過在下行遙測(cè)數(shù)據(jù)中回傳上行遙控指令并加入校驗(yàn)，能夠準(zhǔn)確獲取飛行器接收的上行遙控指令數(shù)據(jù)，并與地面存儲(chǔ)的上行遙控指令數(shù)據(jù)對(duì)比，實(shí)現(xiàn)上行通信鏈路的誤碼率統(tǒng)計(jì)。在發(fā)射前，上行遙控指令全部正確傳輸，結(jié)合填充數(shù)據(jù)進(jìn)行誤碼率統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 上行遙控指令誤碼率統(tǒng)計(jì)

7 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)飛行器在野外發(fā)射的場(chǎng)景，設(shè)計(jì)了一種適用于野外部署的無(wú)線測(cè)發(fā)控系統(tǒng)，具有部署時(shí)間短、發(fā)控距離遠(yuǎn)、待命時(shí)間長(zhǎng)和具備安控指令上行功能的特點(diǎn)，并完成了飛行器的飛行試驗(yàn)任務(wù)，測(cè)發(fā)控功能全部正常。但本文設(shè)計(jì)的無(wú)線測(cè)發(fā)控系統(tǒng)仍存在改進(jìn)之處，如地面設(shè)備集成度較低，后續(xù)可將地面數(shù)據(jù)鏈與定向伺服天線進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)；地面設(shè)備中交換機(jī)通過網(wǎng)線與指控機(jī)和多臺(tái)顯示機(jī)連接并通信，鋪設(shè)復(fù)雜，后續(xù)可替換為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的通信形式。

該方案除應(yīng)用于飛行器的野外發(fā)射場(chǎng)景外，也可應(yīng)用于小型固體火箭飛行器的飛行試驗(yàn)，能夠顯著提高對(duì)于發(fā)射場(chǎng)的環(huán)境適應(yīng)能力。