临近空间高速飞行器测控关键技术分析与总结

李 彬，苏汉生，贺峥光，吴晓蕊

（1. 空间物理重点实验室，北京，100076；2. 中国运载火箭技术研究院，北京，100076）

0 引 言

临近空间高速飞行器具有高速飞行、续航能力长、重复使用、变轨机动等特点，这些特点使得相应的测控系统和导弹、无人机、卫星等的测控系统具有明显的不同，带来了许多新的挑战，主要表现在全程飞行过程中等离子鞘套所引发的黑障问题、高机动性所导致的动态性问题、高可靠性安控问题以及高温环境下特种参数测量问题等。

临近空间测控与通信系统面临的问题涉及到材料、制造、机械、电子、通信等专业，并具有突出的多学科交叉特征。这些问题的解决，有利于相关专业的发展，同时可为新一代战略导弹研制，奠定可靠的技术基础。

1 临界空间测控难点与挑战

1.1 “黑障”问题

飞行器在大气中高速飞行，当空气密度和飞行器速度达到一定值时，飞行器周围的温度达到或超过空气电离的阀值温度，分子热运动加剧，相互间的碰撞会使气体分子和被烧蚀的防热材料产生电离，成为部分电离气体，或称等离子体，飞行器周围的等离子体包覆层被称为等离子鞘，如图1 所示。

图1 等离子鞘Fig.1 Plasma Sheath

飞行器周围流场等离子体分布特性和变化规律受到壁面条件，如壁面温度、烧蚀和催化特性等因素的影响，与飞行器外形，飞行高度、速度和姿态，表面防热材料等多种因素密切相关。而飞行器周围流场中的等离子体参数（电子数密度和电子与其他粒子的碰撞频率）和它的空间分布，直接关系到电磁波的传输特性。

高速飞行器周围等离子鞘中的电磁波传输有其明显特点：相对于飞行器上接收或发射天线，等离子鞘高速流动；与电磁波波长相比，飞行器头身部等离子鞘的厚度很簿；在等离子鞘内电子密度分布的变化十分剧烈；当飞行器周围气流变成湍流流态时，等离子鞘的状态更为复杂。飞行器上电磁波通过等离子鞘传播过程中，会被等离子鞘反射、吸收，引起无线信号强度衰减，并出现偏折、延时、相移等效应，降低飞行器测控通信性能，导致作用距离缩短，误码率增大及信噪比下降等。情况严重时电磁波传输完全中断，出现返回式航天器和洲际弹道导弹再入时遇到的“再入通信中断”或“黑障”问题。

1.2 高动态测控问题

临近空间飞行器高动态测控需求是临近空间高动态飞行器带来的特殊问题之一。高速飞行器飞行速度经常达到十几、甚至二十几马赫，加速度达到20，加速度也很大。其轨道机动性高，甚至设计成跳跃式弹道。对于临近空间测控所采用的Ka 频段，加上目标的大动态导致飞行器的多普勒频率、多普勒变化率以及多普勒二阶变化率都比以往的测控系统要严酷的多。采用Ka 频段的测控天线波束较窄，而轨道高度又低，目标在天线波束内驻留时间极短，对角度捕获和跟踪带来极大困难。因此，相比传统航天测控、无人机测控，临近空间的高动态、高频段对测控信号的捕获、跟踪和测量提出了新的、更大的挑战。

1.3 长时间高温环境下测量问题

临近空间飞行器具备全球快速到达、对全球任意目标监视打击能力，需要对飞行过程进行全程弹道监测，以获取飞行器位置、姿态、速度等信息，用于指挥员实时掌握和评估飞行器状态、突防效果和打击精度。并针对导弹飞行故障和预警反击等问题，需要地面指挥所实时向飞行器发送安全控制指令，确保飞行器在预定地域坠毁和自毁。为了适应全程弹道监测和全程安全控制的要求，需要连续不断地、没有缝隙的高覆盖率测控。

临近空间环境复杂，飞行器高速的特性对测控系统提出了很多全新的特种参数测量要求。高温压力、高温温度、长时间热流、微烧蚀厚度、高精度的过载、大气密度、等离子体密度等参数测量，利用传统测量手段都无法实现，特种参数的获取是亟待解决的问题。同时由于飞行器长时间在大气层内高速飞行，表面温度高、环境恶劣，对飞行器表面安装的传感器设备的防隔热设计提出了巨大挑战。

1.4 飞行器设备轻小型化问题

测控与通信系统是集传统弹头遥测、外测和弹体遥测、外测和无线安控于一体的综合系统，系统复杂且安装空间狭小。根据临近空间飞行器的自身特点，能提供给测控系统的质量及空间尺寸分配非常有限，因此需要针对飞行器结构及测控系统特点，对设备开展小型化、轻质化、柔性化等设计，并对部分设备进行集成化设计，以达到减少体积的目的。

2 临近空间测控关键技术分析

2.1 等离子体鞘套下通信技术

针对高速滑翔飞行器在临近空间飞行可能会遇到“黑障”问题，测控系统在等离子体鞘套下通信技术方面，通过仿真预示和地面模拟两方面技术攻关，建立了飞行器平台条件下等离子体对无线信号影响的评估手段，搭建了一整套系统级的等离子体通信影响地面模拟试验系统，为各阶段测控系统方案设计和等离子体环境下的通信性能评估提供了手段。针对技术攻关过程中遇到的预示偏差大和地面试验精度低等问题，测控系统通过仿真预示联合实飞反演、多种地面试验相互印证的方式，有效支持了测控通信黑障预测任务。

2.1.1 仿真预示联合实飞反演

等离子体对无线信号影响的预测分为两部分，热环境专业根据飞行器外形、飞行高度、飞行速度等参数计算得出天线窗口处的等离子体电子密度，电磁专业根据等离子体电子密度，结合气体密度和气体温度计算各无线信号穿过等离子体鞘套后的衰减结果，预测流程见图2。

图2 等离子体预测流程Fig.2 Plasma Indication Process

为了解决等离子通信仿真预示偏差大的问题，测控系统开展了基于飞行试验真实数据的等离子体反演分析，利用地面航区各无线接收站点的Ka 频段及S频段无线数据，结合实际飞行轨迹、设备实测指标，实现了飞行器各飞行段落下Ka频段及S频段无线数据反演分析，获取了真实飞行状态下通信信号在等离子体环境下的的实飞衰减数据，为进一步修正等离子体鞘套对电磁波衰减模型，提升仿真预示精度，提供了解决思路和技术途径。

2.1.2 多种地面试验相互印证

技术攻关过程中测控系统开展了等离子鞘套下多体制通信特性试验，通过在给定的电子密度等离子体中测量电磁波衰减情况，验证等离子体衰减仿真评估手段的准确度。然而地面模拟设备产生的等离子体流场与实际飞行器周围形成的等离子体鞘套之间的差异性，以及地面模拟设备实测标定方法的误差，给地面模拟试验的验证效果带来了较大的影响。

电弧风洞、高频等离子体风洞和高温激波管（粉末激波管）产生的等离子体与真实等离子体的参数差异如表1 所示。

表1 等离子体产生设备的参数差异Tab.1 Parameters Difference of Plasma Equipment

为了克服地面等离子体模拟设备的差异性，技术攻关过程中采用辉光放电装置和高频等离子体风洞两种模拟设备下的试验数据进行相互对比验证，其中辉光放电设备采用微波法进行电子密度标定，高频等离子体风洞采用微波和静电探针两种方法进行了标定，鉴于目前等离子体电子密度诊断技术的水平限制，上述测量方法的精度基本可保证量级准确。通过对两组数据进行对比分析（见表2），可见高频等离子体风洞的电子密度普遍较辉光放电要高，但整体偏差不大，二者有一定的相互印证和相互补充作用。

表2 不同等离子体模拟设备下的试验数据对比Tab.2 Comparison of Results under Different Plasma Equipment

综合工程等离子体通信方面技术攻关成果和经验，后续建议采用多专业联合方式，针对等离子体通信问题开展进一步探索与研究。

a）改善气动外形。

相关研究表明，飞行器端头钝度越小，形成的等离子体鞘套越较薄，有利于电磁波的穿透。采用了大钝头球锥外形的飞行器，不利于克服黑障是。随着飞行器技术的发展，采用小钝度细长锥体外形的飞行器，可以提高飞行速度，缩短飞行时间，同时它的等离子体鞘套也比大钝头体薄，有利于克服再入通讯黑障问题。

b）发汗冷却技术。

将现有的烧蚀端头改为发汗冷却端头，可以保持高速飞行过程中端头外形不变，利用这一技术，选择含亲电子物质的液体或气体作为发汗剂，通过端头多空壁向外喷射，可起到冷却降温作用，同时达到化学减轻等离子体的效果，降低等离子体鞘套的电子密度。

c）减少防热材料的杂质含量。

飞行器防热材料中一般含有碱金属和杂质，由于其电离电位很低，高温下极易电离，可使等离子体鞘套的电子密度增加2～3 个数量级，因此防热材料的烧蚀污染是造成中低空再入通讯中断的主要原因，以某项目为例，由于低空烧蚀严重，实际的通讯中断在20 s以上。因此，减少飞行器放热材料中碱金属等杂质含量，是克服等离子体通信黑障的一条主要措施。

d）针对性选择天线位置。

在飞行器设计中，天线窗口位置可选择在电子密度低、鞘套薄的区域。飞行器端头附近，电子密度较高，等离子体鞘套较厚，沿飞行器轴线方向，电子密度逐渐降低，且高电子密度区紧靠飞行器表面，形成薄层等离子体鞘套。因此天线窗口开在飞行器后部有利于电磁波传输。

2.2 临界空间测控新方法

针对高速滑翔飞行器在临近空间飞行可能会遇到“黑障”现象，提高测控系统工作频段可显著减轻通信信号的衰减，因此Ka 频段测控系统具有明显优势。

2.2.1 Ka 频段测控设备低功耗设计

Ka 频段测控设备功耗主要在功放部分，通过研究GaN 等新材料的Ka 频段功率放大器及其弹载环境适应性，大大缓解发射功率和功耗之间的矛盾。采用热传导方式进行散热，将功放内部的热量传递到结构体上，再在结构体上增加散热设施辅助散热。为进一步提高功率放大器的散热，在设计电路时充分考虑合成效率问题，同时要考虑温度特性进行相应的设计补偿，从而提高功放的效率，降低热能的产生及功耗的消耗。

2.2.2 Ka 频段快速捕获及跟踪技术

本项目通过使用多通道并行部分相关和FFT 相结合的捕获方法实现Ka 频段信号的快捕，原理见图3。

图3 Ka 频段信号快速捕获方法Fig.3 Fast Acquisition Method of Ka Band Signal

其主要思路为：将多普勒搜索范围等分为多个频段，每个频段宽度相同，依次搜索每个频段，遍历所有频道和伪码相位后，得到相关峰，再在相关峰所在频道和相邻频道重新搜索；在每个频段内为减少捕获时间，将输入伪码采用多路并行部分相关。输入数据数字下变频去掉载波后，与本地产生的各组不同相位的伪码相乘解扩和累加，实现部分相关。部分相关后得到的各组数据，分别进行FFT 分析。若FFT 幅度的最大值超过门限，则认为捕获完成，根据FFT 最大值的位置以及当前频带可以得到载波多普勒值，调整载波NCO 以消除频偏。若未超过门限，则调整码NCO使本地伪码滑动半个码片，继续重复上述过程，若一个多普勒搜索区间内未发现相关峰，则换下一个区间继续搜索，直到捕获完成。捕获确认完成后发出DLL环路工作指示，开启跟踪环路。

根据飞行试验产品测试验证，采用以上方案可实现捕获时间小于等于0.8 s 的设计要求，后续将进一步优化设计算法，在压缩捕获时间的同时，重点优化代码设计，提高捕获及跟踪稳定性。

2.2.3 高增益信道编译码技术

针对Ka 频段测控信号空间衰减大的问题，拟采用高增益信道编译码技术作为有效的补偿方法。其中，喷泉编码具有良好的抗突发、抗闪断特性，可以有效恢复离散数据；而Turbo 乘积码（TPC、LDPC 码）和低密度奇偶校验码（TPC、LDPC 码）都是性能接近香农极限的高增益编码，可以在一定程度上缓解信道增益不足。

本项目采用喷泉码与高增益编码（TPC、LDPC 码）组成级联编码，综合两类编码的优势以达到兼备抗突发、闪断传输和获得信道增益、补偿空间衰减的目的。级联编码如图4 所示。

图4 级联编码Fig.4 Concatenated Coding

综合飞行器Ka 频段新测控体制方面技术攻关成果和经验，后续建议采用深入开展弹地联合设计、推进生产工艺优化升级等方面进一步探索与研究。

a）深入开展弹上地面联合设计。

相较传统测控频段，Ka 频段具有更窄波束的特点，可以减小来自其他方向干扰的易感性，并能够提高其抗多径干扰的能力，但同时窄波束也带来了飞行过程中地面站跟踪捕获难度大的问题。为提高信号捕获和跟踪的能力，飞行器测控系统需与地面设备方面进行深入的联合对接，针对不同飞行剖面和测控需求，对信标引导、多波束天线跟踪和相控阵天线跟踪等多种跟踪捕获方案进行联合优化设计，综合解决窄波束条件下的跟踪捕获问题。

b）推进生产工艺优化升级。

相较于传统测控频段，Ka 频段无线信号随距离增加衰减急速增大，需研制大功率传输设备实现无线链路的稳定可靠通信。然而受限于传统器件生产工艺，Ka 频段功放的效率过低，导致新体制测控系统设备发热过高，从而无法长时间工作。而通过在设备外表面粘贴相变吸热材料的方式，虽然可以大幅提升大功率Ka 频段设备的工作时长，但在所增加的设备尺寸和质量与飞行器的狭小空间相互制约。升级大功率器件的生产工艺，进一步提高功放效率是提升临近空间飞行器Ka 频段测控设备长时间工作性能的必要手段。

2.3 天地海基多体制联合测控

Ka 频段中继测控传输距离较远，天线波束宽度窄，为了满足导弹在飞行过程中姿态变化的使用要求，相控阵天线必须有在飞行过程中始终精确对准中继星并按策略切换卫星的能力，同时需解决长时间远距离飞行条件下的天地基设备导引问题。测控系统通过测控/控制/结构联合优化设计，提高测控指向精度；通过测控/姿控/弹道协同迭代设计，解决了偏差状态下飞行器对卫星捕获的难题。

2.3.1 测控/控制/结构联合优化设计

对星的最佳设计状态是按照当前实际的飞行位置，设计飞行姿态保证天线中心指向中继星。实际飞行中，测控系统、控制系统及结构系统的多种设计因素会影响窗口对星的精度。

表3 给出了影响天线对星的偏差因素，可见按极限累加总计偏差2.3°，按照均方叠加为1.4°，仍在适应范围内。任务前根据当时卫星的准确位置信息，综合使用不同卫星的飞行时间进行Ka 诸元设计，以保证卫星位置造成的指向角偏差小于0.5°。

表3 天线对星指向偏差分析Tab.3 Analysis of Antenna Pointing Deviation to Satellite

2.3.2 测控/姿控/弹道协同迭代设计

远距离飞行过程中，飞行器与卫星相对位置变化大且需要进行卫星切换，为实现Ka 频段高码率通信，需要天线精确地实时指向卫星。测控系统与姿控及弹道专业协同设计，提出飞行过程中跟踪位置-姿态剖面，使天线窗口指向卫星的精度不受飞行时间偏差的影响，实现天线窗口粗定向；在此基础上，飞行器根据卫星位置、自身位置与姿态实时解算相控阵天线指向角指令，对天线指向进行高精度调节。综合导航偏差、天线安装偏差与卫星位置偏差等因素，采用该项技术在高速飞行过程中能够实现优于2°的卫星指向精度，如图5 所示。

图5 主动调姿与卫星切换Fig.5 Attitude Adjustment and Satellite Switching

通过力热约束-卫星可见性飞行走廊联合优化，结合宽波束S 频段测控技术解决了强机动飞行过程中飞行器对卫星的捕获难题。飞行器在长时间飞行段中，测控需要由宽波束S 频段测控单一手段实现，为保证该段测控不中断，提出在高速飞行力热耦合轨迹设计基础上，增加卫星可见性约束，完成了测控不中断、力热环境能适应、考核剖面能覆盖的综合优化飞行轨迹。

3 结束语

通过对临近空间高速飞行测控通信基础理论和工程设计方法的研究与攻关，攻克了以等离子体鞘套下通信技术和Ka 频段综合测控技术为代表的一系列核心关键技术，建立了高速飞行器天/地基一体化、遥测遥控和跟踪定位“三合一”的飞行器Ka 频段测控新体制，并经过多发飞行试验验证，形成了适用于临近空间高速飞行条件下高可靠测控通信能力，取得了临近空间高速飞行条件下测控通信领域的重大突破。