地面遥测设备现状及发展趋势分析

闫 岩，李 杨

(解放军92941部队，辽宁 葫芦岛 125001)

0 引 言

遥测技术是相隔一定距离对被测对象进行测量，并把测量结果传送到接收地点的一种测量技术[1]。遥测系统是遥测技术的综合体现，而地面遥测系统作为航天遥测系统的组成部分,更是广泛应用于诸如飞航武器、火箭、卫星等飞行器的测量和控制，覆盖了航天飞行试验数据的实时采集、记录以及飞行器各设备工作状态的实时监控和数据处理，是确保航天飞行器飞行安全、性能稳定的重要手段[2-3]。

1 遥测技术发展历程

自20世纪50年代末至今,我国航天遥测系统的发展主要经历了以下几个阶段[4-5]:一是脉冲幅度调制(PAM)-调频(FM)-FM体制引苏仿制引进阶段；二是PAM-FM、脉冲幅度编码调制(PACM)-FM体制大容量遥测系统的独立研制阶段；三是全脉冲编码调制(PCM)体制、低速率数字化遥测系统的创新应用阶段；四是可编程、可扩展，传输体制符合PCM遥测国际标准，产品已形成通用化、系列化、模块化，码速率可达2 Mb/s的提高发展阶段；五是采用Turbo乘积码(TPC)编码技术，为适应飞行器科学试验和鉴定的遥测测量高可靠性，码率可达10 Mb/s的跨越发展阶段。

图1 航天遥测系统组成框图

飞行器从研制到定型，要历经多次飞行试验，而每次试验几乎均需使用遥测技术，以获取飞行器飞行中的特征参量，并利用获取的数据评判飞行试验结果[6]。航天遥测系统可分为飞行器遥测系统和地面遥测系统。如图1所示[3]，飞行器遥测系统主要由传感器、采编器、发射机及发射天线组成，地面遥测系统主要由接收天线、接收机、分路解调器及数据处理显示设备组成。

地面遥测系统在原理上与其他遥测系统相同，根据任务与使用环境的特殊性，具备以下使用特点[7-8]。

(1) 集成功能多

遥测设备集遥测、外测及安控等功能于一体，可以被动接收飞行器发射的调制射频信号，经下变频、副载波调制、基带解调，还原出多路数字信号，进而反映飞行器关键设备的参数、性能等工作状况；可以采用遥测信道接收的卫星定位和时间等信息，反映目标在大地坐标系的位置，取代传统扩频外测定位，弥补雷达低空定位能力的不足；可以对转发自中心安控台的安控指令进行副载波调制、上变频后，通过天线发射到受控目标，目标安控应答机可解调出相应指令，控制目标的飞行状态。

(2) 可靠性高，功能可扩展

一般来讲，遥测设备的最高码率达10 Mb/s，可基本满足航天飞行试验的需求，并且具有体积小、可靠性高、环境适应性强、功能可扩展、使用简单方便等特点[5]。采用模块化设计，以标准功能模块配置为基本平台，可根据科学试验需要灵活配置多种功能，传输频点、帧格式、采集路序等可编程，可在线修改。

(3) 自动化程度高，机动灵活性好

遥测自跟踪系统的跟踪距离一般比雷达或光学测量设备的作用距离远，并且天线波束宽度较宽，可以更早发现并截获目标。当目标进入视线范围内时，接收天线可自动搜索并捕获目标，以一定的跟踪精度连续跟踪目标，以最大接收增益可靠、连续地接收遥测信号。当目标偏离预定飞行轨道，天线自跟踪系统能在较大空域范围内搜索捕获目标并进行跟踪，获得重要的遥测信号。同时天线口径较大的遥测自跟踪系统还具有较高的测角精度，必要时可作为外弹道测量的辅助数据来源。

当前，伴随软件无线电技术、网络远程操控技术、信道编码技术的逐步应用[3]，航天遥测设备在几十年间取得了高速的发展。此外，伴随我国天链系列中继卫星系统的建成和投入使用，以及基于二维相控阵技术的天基遥测设备的研制成功，也为遥测设备由传统地基、海基向天地基一体化发展，由单套设备跟踪单个目标向单套设备跟踪多目标的发展提供了参考。

2 遥测设备发展面临的挑战

近年来，标准S频段，PCM-FM传输体制仍是航天遥测设备应用主流[3,6,9]，但伴随以飞航武器为主的飞行器逐步向复合制导、空域高远以及复杂电磁环境等方面的要求拓展，其发展也面临着新的挑战，主要体现在以下几方面。

2.1 发展受限于频段资源有限

对于被国际遥测标准IRIG106推荐的S频段(2 200～2 300 MHz)，标准带宽为200 Mbit/s，并且高端100 Mbit/s已被3G、4G手机信号商用，剩余的100 Mbit/s仅能完成2～3个目标的遥测用频，而且此频段受到的射频干扰也越来越多，无法满足多目标遥测测量及抗干扰需求[9]。同时，伴随复合制导类型武器的迅猛发展，被测参数的类型也将大幅增加，目前的10 Mb/s也将不能满足未来需要，遥测系统也会向更高码率发展，而码率的提高主要是升高工作频段和采取新的体制，因此遥测频段向高频段发展将是必然趋势。

2.2 发展受限于低空作用距离

当飞行器飞行距离超出遥测作用距离时,一般会在飞行航道上多点布置遥测地面接收站,一般多为陆基、海基形式，受地理环境、飞行航道及地球曲率影响，其低空作用距离将受限于视距[10]。即便采用船载布站的方式，也要考虑船艇距离靶标过近的隐患，必须要预先考虑测量的安全距离，但这样便可能严重影响被测飞行器中靶段最后关键数据的获取，不得不考虑其他手段来完成。因此适应大航程、低空测量遥测设备的研制对遥测系统及其技术提出了新的要求。

2.3 发展受限于多目标测量能力

伴随多弹头、多导弹、无人机群作战等概念的提出和发展，单套设备跟踪单个目标已不能满足日益复杂的国防现代化需求。依据飞行器试验航路，靠多台遥测设备布站接力完成目标的全程遥测测量也必将会增加试验成本[11]。那么应用何种技术使遥测设备适应未来单一空域内多种武器系统网络化的作战需要？如何在试验环境条件和目标特征日益变化的条件下提高遥测保障能力等问题都应是装备顶层设计者不应忽视和回避的问题。

3 遥测设备的发展趋势

3.1 拓展高频段

IRIG106标准推荐的S频段资源在飞行器技术高速发展的情况下已越来越拥挤，而且此频段存在的带宽窄、频率低等不利因素也会对飞行器遥测系统高数据量传输的需求产生影响，严重限制遥测系统的发展。目前，以美国和法国为代表的国家已开展了C频段遥测系统的研制和应用(如图2所示[12])，并相应进行了地面联调、地面捕获飞行及海面捕获飞行等大量的试验工作。C频段遥测设备已逐步走向工程应用领域，IRIG106已正式将此频段列入遥测的标准频段，其中的4.400～4.940 GHz频段在遥测中的应用已得到正式批准[9,12]。因此，为实现更高码率的可靠传输和高带宽需求，遥测系统向更高频段发展已成为必然，研制高频段的地面遥测设备将成为后续发展趋势。

图2 国外C频段遥测设备

3.2 探索新体制

遥测设备是典型的功率和频率受限系统，为了在有限的频带内实现高码率的数据传输，要求调制体制应具备更高的带宽效率，即已调波功率谱主瓣要尽可能占有信号能量，且波瓣尽量窄，具有快速滚降特性；同时由于飞行器遥测发射机受安装空间限制，功放通常工作在全饱和或接近饱和状态，因此调制体制应适应非线性状态发射机的要求；并且伴随遥测系统码率的逐步提高，PCM-FM体制占频带较宽、频谱效率较低和交调干扰较严重的问题愈发凸显，采用传统的PCM-FM体制很难实现多目标遥测及数据的高码率传输。如图3所示，SOQPSK-TG、ARTM-CPM是IRIG106-106-15标准规定的2种新的遥测体制[6]，能提供恒包络或近似包络特性，并且具有和PCM-FM体制一样的相位连续、幅度恒定的调制方式，相比较而言，该2种新的遥测体制频谱利用效率显著。

图3 几种调制体制信号频谱对比图

3.3 应用新技术

多径效应轻则引起测量误差，重则导致天线飞车，丢失目标，严重影响遥测设备的低空测量需求[13]。在工程实践上，就如何解决好低仰角跟踪引起的跟踪误差问题，主要做了GPS定位数据引导、中心数据引导、偏轴跟踪、单轴跟踪和双轴跟踪等方法的尝试[10]，前2种方法由于使用的局限性和约束性，并不能很好地解决问题。偏轴跟踪技术是使天线主动避开水平反射区以减小多径干扰的技术，当目标与天线主波束的夹角接近临界角时，天线仰角不再降低，而是指向临界角。单轴跟踪技术是在天线跟踪目标时，天线俯仰支路对误差信号不处理，适用于对低空水平飞行目标的跟踪。综合跟踪在应用自适应数据融合算法的基础上，利用测控网多信息源的优势对目标的位置进行最优估计，可以提升对目标跟踪的稳定性，在遥测领域的应用具有很大潜力[10,14]。

3.4 功能一体化

伴随武器系统与地面设备间需要进行测控、通信、干扰、无源定位等进一步的需求，未来飞行器将装载更为复杂的电子系统[2]，大量独立分布式测量单机要考虑设备间电磁兼容设计、互联互通和扩展性的需求，因此一个组成简单高效、接入灵活、响应速度快、安全可靠的天地一体化测控平台是遥测设备的发展方向[9]。同时，伴随C频段相控阵天线和信号处理技术的成熟，可以通过改变天线阵元相位改变波束方向，通过天线电扫描和机械扫描的结合，实现天线更大范围内的覆盖。地面遥测设备可采用相控阵天线，对天线的若干阵元进行分组，分别赋予遥测接收、通信和无源侦察、定位功能，实现多目标的遥测测量、弹地通信和武器抗干扰信号的监测及定位，进一步拓展遥测设备的功能。

4 结束语

本文通过总结梳理现阶段地面遥测设备的发展现状，分析了遥测设备发展面临的主要问题，并据此初步探讨了航天遥测设备的发展方向，旨在对遥测设备的设计研发提供参考。