小型航天飞行器遥测技术发展*

张高举，盛德卫，李少俊

(北京电子工程总体研究所，北京 100854)

0 引言

遥测技术是对一定距离以外的被测对象进行测量，并把测量结果发送到接收点的一种测量技术[1]。遥测系统是遥测技术的综合体现，由检测、采集、传输、记录、处理及显示等设备组成，覆盖了航天飞行试验中的测试、传输和数据处理等环节。遥测系统在航天飞行试验领域有着重要的作用和地位，是实现飞行器数据采集、记录、远程传输、实时监控和数据处理的重要系统，是确保飞行安全、缩短研制周期必不可少的重要手段[2-3]。

1 遥测技术回顾

我国遥测技术从20世纪50年代末期开始起步，大致经过了4个阶段：引进阶段、仿制阶段、独立研制阶段和提高发展阶段[4-5]。

(1) 引进阶段。1958年我国航天飞行器试验靶场始建之初，由原苏联引进的PTC-6等车载和固定式遥测系统。在苏联专家的指导下，我国第一代遥测技术人员用这些设备开创了我国的遥测事业。

(2) 仿制阶段。从1959年苏联专家撤走之后，我国遥测技术人员在PTC-6的基础上进行改进设计，将设备的测量路数进行扩展。

(3) 独立研制阶段。1964年大容量遥测系统设计开始到1986年S频段遥测系统启动为止的这段时间。

(4) 提高发展阶段。在改革开放的大环境下，遥测技术在第4阶段高速发展，采用IRIG标准推荐的标准S频段射频和调制体制，具有码率高、数据流多的功能。

飞行器从研制到定型，经历若干次飞行试验，几乎每次试验都需使用遥测系统，以获取飞行器飞行过程中的特征参量，例如关于飞行器飞行性能，飞行器上设备工作状态及性能等一系列参数，利用这些数据，可以评判试验结果[6]。航天遥测系统可分为飞行器遥测系统和地面遥测系统[7]，飞行器遥测系统主要由传感器、采编器、发射机和发射天线组成，地面遥测系统主要由接收天线、接收机、分路解调器和数据处理显示设备组成，航天遥测系统框图如图1所示。

小型航天飞行器遥测系统在原理上与其他遥测系统相同，但由于其任务与使用环境的特殊性，因而形成了自己的特点[8]：

(1) 遥测设备体积小，质量轻

一般来讲，小型航天飞行器本身体积都不大，对飞行器上遥测设备的体积、质量、功耗等指标要求极为严格，遥测设备在飞行器上其它设备之间的空隙中安装。遥测设备是小型航天飞行器的附加设备，应尽量避免因安装遥测设备引起飞行器本身的质量、质心和转动惯量的较大变化。

(2) 遥测系统快速反应

为适应小型航天飞行器试验的快速反应要求，飞行器遥测系统需要快速完成遥测站的展开、自检和系统本身状态设置；需要快速完成飞行器射前关键参数的检测，并及时上报数据处理结果；需要实时监测飞行试验关键参数的数据和曲线；试验结束后要现场快速处理全部遥测数据，供总体和各分系统分析，对试验结果进行快速、初步判断。

(3) 遥测系统独立性

遥测系统作为一种测量系统，具有较强的工作独立性，并自成体系。飞行器电气系统工作时，遥测系统不论加电与否，都不影响小型航天飞行器其他设备的电气特性和工作性能；反之，电气系统不加电，遥测系统也可以进行性能自检。遥测设备安装结构上也不影响其他设备的体积和结构。

小型航天飞行器遥测技术经过几十年努力，取得了不小进步和发展，结合软件无线电技术，又迸发出新的活力，标准S频段遥测系统，PCM-FM传输体制仍是国内遥测主流，码速率已提高至10 Mbit/s，数字化技术也使得遥测信号采集更加灵活多变，也易于计算机技术相结合，但作为小型航天飞行器飞行试验的特殊性，还存在一下几方面问题：

1)航天飞行试验一般是科学工程验证试验，飞行试验会对试验参试设备造成破坏，飞行器上遥测设备一般作为一次性使用的测量设备，其成本代价太高；

2) 当前单一遥测通道不能满足飞行器测量需求时，需在飞行器上安装多个遥测通道，会占用飞行器更多空间体积和研制成本；

3) 当飞行器飞行距离超出遥测作用距离时，通常在飞行航道上多点布置遥测地面接收站，而遥测地面接收站研制成本一般在几百万至千万之间，试验成本激增。

2 遥测需求变化

近些年，以导弹为主的小型航天飞行器技术发展有了新的变化，主要体现在几个方面，制导精确化，空域高远化，信息网络化，攻防一体化，环境复杂化。小型航天飞行器采用复合制导技术，不断拓展空域，向更高更远发展，向高速高机动发展，工作环境不断恶化，复杂电磁环境要求等等。作为小型航天飞行器研制过程的重要测量手段，遥测技术也面临新的挑战，主要体现在以下几个方面：

(1) 高码率。复合制导技术要求多种探测传感器提供制导所需的制导原始信息，各种信息复杂多样，相关控制参数也不断增加，其中以红外导引头为代表的红外图像信息都是几十Mbit/s甚至上百Mbit/s量级的数据，即使采取数据压缩技术，仍大大超出现有遥测系统的传输带宽。

(2) 多目标。武器系统发展到新的历史时期，单一功能的武器系统已不能满足日益复杂的国防现代化需求。单一空域内多种武器系统网络化作战，以无人机为代表的蜂群战术均代表了先进的军事理念及手段，这些武器系统的研制对遥测系统提出新的需求[9]。

(3) 一体化。遥测设备小型化是遥测的关键技术指标，随着元器件、集成电路技术和软件无线电技术的发展，使得以相近技术为基础的各种弹上设备具备一体化设计的基础，综合其功能需求，求同存异进行细化设计，形成新的一体化设备，实现小型化设计，例如遥测、遥控、外测一体化等。

(4) 远距离。扩大作战空域是提高防空效率，解决多次拦截、多目标饱和袭击的重要途径，也是精简装备、简化后勤供给、节省军费开支的重要方法，同时也是防御体系建设的重要技术指标，因此在新的武器系统研制过程中，在有限的体积质量约束下，需要实现更远的遥测距离。

3 遥测发展方向

随着小型航天飞行器技术的发展，各种新型系统发展突飞猛进，对飞行试验遥测提出了更高的要求，遥测参数种类的增多直接导致数据量的膨胀，空域的拓展也将传统遥测由视距微波通信向超视距微波通信发展，同时由于用户对使用、训练等系统效果评定和故障定位，将遥测技术应用从系统研制向售后保障拓展。传统遥测所能达到的数据量、作用距离、工作方式等都不能适应新的要求，遥测技术需要突破关键技术，在以下几个方面进一步发展以满足新形势下的遥测需求：

(1) 新体制。随着无线通信技术的发展，国外在遥测新技术研究与应用方面已取得了较大进展，FQPSK(feher-patented QPSK是一种近似恒包络调制方式)体制的频谱效率为PCM-FM体制的2倍，多调制指数连续相位调制体制Multi-hCPM的频谱效率为PCM-FM的3倍，正交频分复用OFDM(orthogonal frequency dicision multiplexing)技术把信息通过多个子载波传输，抗衰落能力强，频率利用率高，适合高速数据传输等，新的数字调制技术和新传输方式的应用，将为飞行试验遥测开创一条新的技术途经[10-11]。

(2) 新频段。遥测从P频段逐步发展至S频段，在射频与体制上采用了IRIG标准推荐的工作在2 200～2 300 MHz的PCM-FM体制，码率最高从409.6 kbit/s～2 Mbit/s再到现在的10 Mbit/s。新型号对遥测传输信息量的要求激增，最高码率提高到10 Mbit/s以上，提高码率的方式主要是采用新的体制和升高工作频段，因此遥测工作频段从传统的S向C,X频段逐渐扩展，甚至更高的Ku,Ka等频段，频段越高相应可用传输带宽也越宽[12]。

(3) 多目标测量。向实用化看齐，多发齐射，多系统协同已成为一种常态，使用训练中需要同时对所有参演的系统进行遥测，空中目标多达数十个，诸如此类的使用需求，传统的时分多址技术传输信息的时效性不强，频分多址技术受频段带宽限制，目标数量有限，因此需要向码分多址技术转变，或者采用其他复合传输体制例如直接序列扩频码分多址(DS-CDMA)，设备复杂性低，内在具有测距能力，抗干扰能力强，同时辅以提高频段，扩展遥测频段带宽等，以解决空中多目标的通信需求，目前已有部分项目中进行了尝试。

(4) 中继遥测技术。视距遥测可通过提高发射功率、采用MSD+TPC组合技术[13]、提高弹载天线和地面天线增益等手段，达到信道链路闭环；当出现超视距遥测时，传统模式是在飞行航道上多点接力遥测。我国目前在轨中继卫星有4颗(天链一号01星、02星、03星、04星)，其中04星与2017年3月完成在轨测试，用于替代01星的工作，天链二号卫星也在研制中，可保证在轨道高度1 000～1 500 km范围内本飞行器有超过90%以上的测控覆盖率，运载火箭遥测已率先进行中继遥测技术研究应用，因此，也需跟进中继遥测技术。飞行器测控系统图如图2所示，对多目标测量、中继遥测、协同通信、测控遥测一体化等提出新的需求。

(5) 微遥测技术。基于微系统设计和一体化设计思想，采用数字SoC技术、射频微组装混合集成电路技术及软件无线电技术，实现功能模块通用化设计，实现视频功能、射频功能一体化设计，实现信道收发共用一体化设计，实现信号采集处理与信号无线传输一体化设计，从而实现遥测、遥控、外测等一体化融合设计，使得遥测设备体积缩小50%左右，成本降低50%左右，同时积极跟踪电路集成技术和元器件的发展，最终实现遥测模块芯片化，形成真正的微遥测。微遥测技术及应用如图3,4所示。

通用可配置遥测技术：基于软件无线电技术发展，将遥测信号采集、编码功能与数字调制功能进行融合设计，结合直接数字频率合成(DDS)技术，在共同的数字处理器电路平台上，实现遥测码率可配置、遥测帧格式可配置、遥测调制体制可配置、遥测全频段(例如遥测S频段)频点可配置等，从而实现作业现场配置任务模式、形成通用遥测平台，以满足以用户使用训练为代表的需现场配置的遥测任务模式需求。

(6) 新型天线技术。遥测天线是遥测系统中必不可少也是至关重要的部件，其性能的好坏直接关系到整个系统能否正常发挥其作用与功能，现场配置遥测模式的使用，遥测、遥控等一体化设计技术等都需要发展超宽带遥测天线；遥测天线安装在小型航天飞行器壳体外部，直接影响小型航天飞行器的气动外形，因此遥测天线与舱体共形设计技术，与壳体结构防、隔热一体化设计技术也是近期一个热点[14]；信道链路也对遥测天线增益要求不断提高，可控天线阵列技术作为一个选项可有效增加天线定向发射增益。

(7) 新型遥测传感器技术。遥测传感器以电传感器为主，主要实现温度、噪声、冲击、振动、加速度等参数的测量。随着MEMS技术的发展，电传感器得到长足进步，适应大部分测量需求，但相对于遥测设备小型化要求还有差距。近几年，新型传感器技术蓬勃发展，以光纤技术为基础，利用光的振幅、相位、波长等的变化可以实现声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等测量，而且具备抗电磁干扰、抗原子辐射、质量轻、耐高温、耐腐蚀等优点[15]，布拉格光纤光栅作为一种光纤传感器，采用波长编码，可以实现不同参数的分布式测量。以温度传感器为例的方案设计原理框图如图5所示。

(8) 遥测数据处理技术。随着遥测参数的种类增多和数量增加，对遥测数据处理技术的要求也越来越高。关键遥测数据正常与否作为飞行试验发射条件，甚至遥测数据参与飞行试验的全过程，作为安全控制、指挥大厅显示等的数据源之一，遥测数据处理需要“边飞行、边监控、边处理、边发送”，对红外图像实时播放，对重要性能参数曲线进行实时监测，对需要比较的参数进行条图对比，对关键状态进行“灯”状指示，对脱靶等信息进行实时处理、快速判断，对外部所需信息进行实时挑路转发等功能需求，需要实现遥测数据的快速处理，自动判读，甚至智能诊断，以支持试验指挥及时对试验进程进行决策。

国内遥测设备研制生产厂家对multi-h CPM(多调制指数连续相位调制体制)体制、Ka等高频段遥测设备、光纤传感器等先进技术进行了研究、开发、试制和试用，但在形成产品方面和产品适用性方面还存在差距，例如multi-h CPM体制尚未形成标准，Ka频段遥测系统在大动态自跟踪方面还存在问题，光纤传感器在信号解调部分小型化方面还不满足小型航天飞行器使用需求。

4 结束语

目前的遥测技术处于快速发展阶段，但在多目标遥测系统中多使用FDMA技术，测量通道数量较少，尚未大规模开展类似“蜂群”目标的遥测；在一些项目中采用了部分状态可配置的遥测技术，无成熟平台可借鉴；中继遥测技术和新型传感器技术尚处于探索阶段，有使用需求，但尚无成熟设计和产品；微小遥测技术始终是遥测技术发展的一个重要方向，遥测数据处理技术获得长足进步，在自动判读和智能诊断领域仍需加倍努力。

遥测系统是小型航天飞行器系统的重要组成部分，是系统研制的重要测量手段，本文简要介绍了我国遥测技术发展历程和小型航天飞行器遥测技术特点，以需求为牵引，通过小型航天飞行器发展趋势分析，提出了遥测技术的关键技术和发展方向，并对相关技术进行了分析说明。