飞行器遥测跟踪的多模式自动转换方法研究*

张 娜，刘 颖，付庆勇，张 军，吕彦东

（中国人民解放军63850部队 白城 137000）

引 言

遥测是飞行器试验任务重要的测试手段之一，而保证遥测数据有效性是完成试验任务的关键环节之一。遥测数据有效性主要由遥测跟踪系统、信道系统、解调系统等部分共同保证，其中遥测跟踪系统用于控制天线始终对准目标，以获得最强的射频遥测信号[1]。

遥测跟踪系统常用的跟踪模式有自跟踪、外引导、程控引导等自动跟踪模式，也有手动跟踪模式，这些跟踪模式在不同遥测试验中各有优点，同时也存在自身的不足之处，因此经常需要多种跟踪模式变换使用、协同工作，才能确保遥测数据的有效性[2]。本文主要针对遥测全轨道跟踪过程中经常需要变换跟踪模式的问题，力图建立一种遥测多模式自动转换方法，评估并约束遥测试验中的各种跟踪模式，实现遥测天线的自动跟踪、自动评估、自动转换，从而提高跟踪的时效性和稳定性。

1 遥测跟踪的多模式联合工作需求

飞行器试验中需要通过遥测获取足够的试验数据信息，但飞行试验最突出的特点是飞行过程的不确定性，如飞行距离、飞行航线、空中动作等变化导致实际情况与理论上存在着较大的差异，一旦飞行试验出现异常情况，遥测数据将是分析故障原因和改进系统设计的重要参考依据之一。因此，如何快速、准确跟踪捕获到异常飞行的空间目标，是遥测跟踪系统必须解决的问题之一。

遥测地面站可靠接收遥测数据的基本前提是遥测天线始终对准目标，在跟踪飞行正常的空间目标时，目标飞行航线一般较为稳定，因而遥测天线运动轨迹也较为平滑，不易丢失目标。而在跟踪飞行异常或进行特定动作的空间目标时，由于目标距离、高度、姿态等可能发生剧烈变化，导致遥测天线极易丢失目标[3]。下面试举例分析。

图1是某型导弹靶试过程中的飞行高度示意图，导弹发动机二级点火失败，导弹快速下降。该型导弹以往多次试验中，飞行航迹与理论弹道吻合良好，对遥测而言适合采用程序跟踪模式，即根据理论弹道及射击诸元计算出遥测天线每秒应处于的方位、俯仰角度，装订到天控驱动系统，待接收到起飞信号后天线自动按预设的角度值进行有序运转。一旦武器飞行异常，由于高度和距离的急剧变化，天线采用程序跟踪将无法捕获目标，为此在遥测接收信号变差时，需要快速转换到外引导跟踪或自跟踪模式。

图2是某飞行器航迹图，其中遥测地面站布置在落点附近，针对挂飞速度、飞行高度、弹载发射天线等技术参数，采用自跟踪模式实现对该飞行器遥测信号的接收。但是载机进行转弯动作时，由于该飞行器挂于载机下方，辐射的遥测信号大部分被遮挡，只有极少部分通过直射或多径反射到达遥测地面站，造成自跟踪接收机收到的遥测信号幅值较小，且电信号参数不稳定，不利于遥测地面站采用自跟踪模式，因此需要转换到外引导跟踪模式。载机转弯过程时间较短，转弯后迅速进入投弹准备程序，准备过程中遥测和雷达设备均能有效跟踪该飞行器。但投弹时，由于载机伴飞和已分离的飞行器相对目标较小，雷达在一段时间内不能可靠分辨、捕获目标，因此需要再次将跟踪模式由外引导转换到自跟踪模式。

图1 某型导弹飞行异常图Fig.1 Abnormal trajectory of a missile

图2 某机载飞行器转弯图Fig.2 Trajectory of an airborne craft

在各种飞行试验中，为了可靠跟踪、捕获空间目标，遥测地面站经常需要在自跟踪、外引导、程控引导等跟踪模式之间转换。以往的转换方法是一旦发现某种跟踪方式不能有效捕获遥测目标后，马上通过人眼观察其它几种跟踪方式提供的参数信息，如引导数据是否有效、自跟踪误差信号和AGC电平等，通过人工判别转换到适合的跟踪模式。这种方法存在随意性强、反应慢等缺点，而跟踪模式转换的时刻通常都是被跟踪目标执行特定动作或飞行异常开始的时刻，该时段的遥测数据对于分析系统性能具有非常关键的作用，因此有必要提高遥测跟踪模式的时效性和稳定性，使遥测跟踪模式由手动切换向自动控制方向发展[4]。

2 遥测跟踪的多模式自动转换

遥测有自跟踪、外引导、程控等多种跟踪方式，每种跟踪模式都具有其自身特点，是否满足跟踪状态是由多个条件决定的。遥测跟踪多模式自动转换的核心就是在跟踪空间目标的同时，评估其它跟踪模式的有效性，一旦出现遥测信号接收异常的情况，将自动转入最有可能再次跟踪到目标的跟踪模式，实现遥测全程跟踪过程中的自动、无人操作。

2.1 自跟踪模式

常用的自跟踪体制，其跟踪环路基本相同，以圆锥扫描体制和单脉冲单通道体制使用最为广泛，区别在于馈源网络和接收机的角误差检出设备不同[5]。以圆锥扫描自跟踪体制为例，自跟踪状态由跟踪接收机提供的参数决定，自跟踪模式唯一的信号来源是空间无线电遥测信号，状态是否有效的决定因素是方位误差电压Ua、俯仰误差电压Ue、第一级AGC增益电压Uagc1、第二级AGC增益电压Uagc2，其中Ua、Ue大于1.0V为有效，Uagc1、Uagc2大于1.0V为有效。设当前时间t0，之前一段时间为Δtb，实质上就是根据Δtb区间的Ua、Ue、Uagc1、Uagc2的统计数据，估算出t0时刻转换到自跟踪模式的可靠程度。自跟踪模式的有效性计算公式如式（1）所示。

其中，FAuto表示自跟踪模式有效性的估算结果，n为参与计算的数据元素长度，αi为参与计算的数据元素优先因子，FU为参与计算的单个数据的有效性。

FAuto值越大，表示自跟踪模式的可靠性越高。当目标相对于测站的运动是以水平方向为主时，α1取值较大；当目标相对于测站的运动是以垂直方向为主时，α2取值较大。当目标信号较强或是距离较近时，α3取值较大；当目标信号较弱或是距离较远时，α4取值较大。

2.2 外引导模式

外引导跟踪是遥测地面站频繁采用的一种跟踪模式，特别是在再次捕获过程中得到了广泛应用。外引导跟踪就是采用光测、雷测等实时传输的目标空间定位信息，经过一系列转换计算后，得出当前遥测天线应处于的角度，通过直接将角度信息发送给ADU单元实现对目标信号的跟踪。外引导数据包含外测数据的时间、数据状态、距离、方位角度、俯仰角度等信息，判断外引导数据是否连续有效的依据是根据t0时刻之前Δtb区间的数据状态s、距离R、角度A和E，模拟出t0时刻之后的目标弹道信息，并跟踪这些信息，计算出t0时刻转换到外引导模式的可信程度[4]。外引导数据的有效性公式如式（2）所示。

其中，Fcon为外引导数据有效性的估算结果，n为参与计算的数据元素长度，βi为参与计算的数据元素加权因子；R、A、E为外引导的数据值。

Fcon值越大，表示外引导数据的有效性越高。当外引导设备以雷达为主时，β取值较大。当外引1导设备以光测设备为主时，β2和β3取值较大，其中，当目标相对于测站的运动是以水平方向为主时，β2取值相对更大一些；当目标相对于测站的运动是以垂直方向为主时，β3取值相对更大一些。

外引导数据一般每秒传输20次，在短时间内就能积累较多的数据，在估算出数据有效性的基础上，外引导模式的有效性如式（3）所示。

其中，FUsher表示外引导模式有效性的估算结果，Fs为转换时刻外引导数据有效性的估计值，αi表示参与计算的数据元素优先因子。

FUsher值越大，表示外引导模式的有效性越高。为提高Fs在外引导模式有效性计算中的比重，通常将α1取值较大，α2取值较小。

2.3 程控跟踪模式

程控跟踪就是根据预先给定的理论弹道信息，计算并驱动遥测天线转动到相应时刻的方位、俯仰位置。该跟踪方式对于跟踪飞行轨迹稳定的目标非常有效，特别是某些发射后无动力、无制导的飞行器。其最大的缺点是：一旦飞行器飞行异常，程控跟踪依旧按预定程序执行，将无法接收到弹道变化后的目标遥测信号。为尽可能保障遥测信号的完整接收，时刻需要监视程控跟踪状态，必要时需要快速转换到外引导模式或自跟踪模式。

某些特殊情况下，如飞行器从高空转为低空巡航时，雷达不易跟踪目标，若自跟踪状态也不能满足，则需要转换到程控跟踪。程控跟踪状态有效的主要决定因素是目标当前实测的距离、高度、横偏、矢量速度与相应时刻理论弹道的差异，其中实测目标参数由各种外测设备提供。设当前时间t0，飞行距离r0，高度h0，横偏p0，速度v0，理论弹道相近时刻的参数依次为之前一段时间为Δtb，之后一段时间为Δtf，实质上就是根据Δtb区间的理论弹道与实测参数、Δtf区间的理论弹道与模拟计算的弹道参数，计算出t0时刻前后飞行器实际飞行与实验模拟之间的差异，进行弹道相似分析后，确定t0时刻转换到程控跟踪模式的有效程度。程控跟踪模式Δtb内的弹道相似系数计算公式如式（4）所示。

其中，Fsim1表示程控跟踪前Δtb的弹道相似性估算结果，n为参与计算的数据元素长度，β为参与计算的数据元素加权因子，r、h、p为程控跟踪模式下获得的目标空间位置信息，r′、h′、p′为实验室模拟的目标理论弹道。

Fsim1值越大，表示弹道相似性越高。对于弹道中段或平飞段，β取值较大；对于弹道上升段，β12取值较大；对于弹道下降段，β3取值较大。

程控跟踪模式的有效性不仅取决于前段Δtb时间内的相似性，而且需要根据已知数据推算后段时间Δtf内的相似性，计算出该模式的总有效性[5]，计算公式如式（5）所示。

其中，FPro为程控跟踪模式有效性的估算结果，α为参与计算的分时加权因子，F(r,h,p)为实验室弹道模拟函数。

FPro值越大，表示程控跟踪模式的有效性越高。为提高Fsim1在程控跟踪模式有效性计算中的比重，通常将α1取值较大，α2取值较小。

图3 遥测跟踪模式转换Fig.3 Multi-mode switching for telemetry tracking

2.4 遥测跟踪模式转换程序设计

在多种跟踪模式的实时控制中，每次只能有一个跟踪模式处于工作状态，且由于每种飞行器空中飞行状态不一，相应有一种较合适的跟踪方式，即该跟踪模式在转换时具有一定的优先权。在计算各种跟踪模式当前时刻有效性的基础上，通过加权比较择优，转换至合适的跟踪模式。遥测跟踪模式转换如图3所示。

由此得到，遥测多模式自动转换跟踪方式优选计算公式为：

式（6）中权值α的选取，需要根据试验中的不同情况而定。一般而言，自跟踪是首选，其次是外引导，最后是程控跟踪。但是，在一些特殊情况下，需要做一些调整。例如，遥测地面站位于火箭尾焰覆盖区、目标疾速转弯、机翼遮挡天线等情况，会造成遥测信号衰减，自跟踪容易丢失，此时应降低自跟踪权值，提高外引导权值。在涉及诸如机弹分离等多目标切换的情况下，雷达识别会出现空白期，此时应提高自跟踪权值，降低外引导权值。而对于一些相对成熟的飞行器试验，产品性能稳定，理论弹道精确，则可以适当提高程控跟踪的权值。

表1列出了不同情况下各权值选取的参考值。

表1 权值选取Table 1 Selection of weight

2.5 遥测跟踪多模式自动转换方法在飞行器飞行试验中的应用

为验证该方法的合理性，在航模搭载信号源模拟验证飞行试验中，一台遥测地面站采用手动操作，另外一台采用多模式自动转换跟踪方式进行操作，遥测数据记录时刻以同一时刻的同一帧计数为准，连续工作20min，Δt取120s。由于航模转弯和俯冲对遥测信号的影响，遥测数据必然会出现或多或少的数据丢失情况。在多次挂飞试验中，遥测跟踪系统根据不同飞行情况，按表1分别预设模式1：自跟踪优先权值为0.8，外引导优先权值为0.7；模式2：自跟踪优先权值为0.7，外引导优先权值为0.8。经过试后数据处理，这两种参数设置的多模式自动转换跟踪方式与手动操作方式的遥测数据录取率对比如图4所示[6]。

图4 多模式自动转换跟踪方式和手动操作的数据录取率对比Fig.4 Data acceptance rate comparison of multi-mode automatic switching and manual operation

通过图4可以看出，多模式自动转换跟踪方式的总体数据录取率要大于手动操作，且由于目标进行较长时间的飞行，通视条件较好，满足自跟踪模式的时间较多，因此预设自跟踪模式优先的数据录取率也较大。

在某飞行器修正技术试验中，一台遥测地面站采用程控操作，另外一台采用多模式自动转换跟踪方式进行操作，并设置程控跟踪方式具有较高的优先权值，其它初始参数设置不变。在对一次异常飞行的遥测数据进行试后处理后，不同跟踪方式的两台遥测地面站数据录取率如图5所示。

图5 多模式自动转换跟踪与程控跟踪的数据录取率对比Fig.5 Data acceptance rate comparison of multi-mode automatic switching and program-control-tracking

由图5可以看出，多模式自动转换跟踪方法的数据录取率远大于程控跟踪。实际情况是该目标主动段飞行后就偏离正常航道，此时程控跟踪继续采用原有模式，而多模式自动转换跟踪方式在信号变差时自动切换到外引导模式，提高了试验任务的数据有效性。

3 结束语

本文通过一种遥测跟踪多模式自动转换方法实现飞行器试验中遥测天线的自动跟踪，可以适应各种试验过程中的意外情况，最大限度地跟踪捕获目标，大幅度提高遥测试验中的数据有效性，为飞行器性能分析和设计方案改进提供有力的依据。