黎刚果，黄开达，刘 峰，汪 洋

(中国人民解放军92941部队，辽宁 葫芦岛 125001)

0 引言

随着飞行器射程越来越大、遥测数据码率越来越高、飞行速度越来越快，试验的重要性越来越大，试验任务靶区的试验危险区范围也越来越大，陆基和海基的测量设备受视距的影响，将无法获得中靶段的遥测数据。

解决这一问题，主要有2种方法。一是研究利用中高空的测量平台如无人中继平台、中高空飞机和临近空间飞艇等，并在平台上加装遥测测量设备[1-2]。文献[1]研究了基于无人中继的靶标远程测控系统，可以实现距离200 km目标的测控。文献[2]针对无人机目标的地面统一测控系统，对机载及地面测控设备的技术实现进行了较为详细描述，但没有研究加装于靶船的靶载遥测设备。采用这种方法虽然可以有效地实现目标测控，但是研制成本高，研制周期长，使用保障复杂。二是研究加装于靶船的靶载遥测系统，采用无人值守的方式完成导弹中靶段遥测信号的测量。实现中靶段遥测数据测量的功能，需要采用遥测接收、卫星授时定位及FPGA等多种技术手段。不少学者已开展了相关技术研究，文献[3-7]基于OEM板对GNSS数据处理及相关功能进行了技术实现。文献[8-11]对数字通信及数字信号处理相关的FPGA技术实现进行了描述。文献[12-16]对遥测接收解调方法的技术实现进行了描述。上述文献中所研究的技术应用方向不同，但目前没有在靶载遥测设备方面进行应用研究。因此，本文融合使用遥测接收、卫星授时定位及FPGA等多种技术手段，设计了一种小型化靶载遥测系统，将其加装于靶船上，用于获取中靶段遥测数据。

1 系统组成与功能

小型化靶载遥测系统主要由射频接收设备、卫星授时定位设备、数据综合处理设备和电源等组成如图1所示，用于完成导弹中靶段遥测数据获取和靶船位置的定位。射频接收设备主要用于完成对弹上遥测信号的接收和下变频，由于弹上遥测系统频段为S频段，系统射频接收频段也为S频段。卫星授时定位设备主要用于系统授时，并完成自身的定位。数据综合处理设备主要用于完成中频信号的解调，遥测数据处理，时间信息及定位数据的处理，系统数据存储等功能。电源为系统进行供电。

图1 小型化靶载遥测系统组成Fig.1 Components of the miniaturized telemetry system carried by target

1.1 射频接收设备

射频接收设备用于完成对弹上S频段遥测信号的接收和下变频，主要包括天线、低噪声放大器(LNA)、自动增益控制(AGC)和下变频单元等。天线接收射频遥测信号后，经由LNA后送下变频单元，下变频单元将射频信号下变频至中频信号，将中频信号输出至数据综合处理设备。

1.2 卫星授时定位设备

卫星授时定位设备用于系统授时，并完成靶船的定位，为事后数据处理提供绝对时间和绝对位置，主要由天线、授时定位单元等组成。天线接收空间的BDS、GPS信号，送至定位授时单元。授时定位单元完成对天线信号的接收处理，通过接收的卫星信号完成对恒温晶振的驯服，将授时定位信息输出至数据综合处理设备。

1.3 数据综合处理设备

数据综合处理设备用于完成遥测信号解调、遥测数据处理和授时定位信息的处理，主要由中频解调单元、时间位置信息处理单元和遥测数据处理单元等组成。中频解调单元对射频接收设备输出的中频信号进行处理，完成载波解调获得遥测PCM信号，对遥测PCM信号进行位同步、帧同步和副帧同步等相关功能，将同步后的数据输出至遥测数据处理单元。授时定位信息处理单元接收卫星授时定位设备输出的授时定位信息，处理后保存授时定位信息，同时将具有一定格式的时间信息输出至遥测数据处理单元。遥测数据处理单元将时间信息与同步后的遥测数据进行匹配，形成固定格式的遥测数据帧并保存。

1.4 电源

电源主要完成电源管理、电平转换等功能，通过宽压输入的DC-DC电源转换模块，将输入的直流电源转换成系统其他设备所需的电平等级，为系统供电。

2 技术实现

由于靶标载体安装位置受限，系统设计时遵循小型化的原则，对各设备的结构进行合理布局。电气接口和通信接口采用标准化设计，保证系统各设备间的互联互通。

2.1 射频接收设备

天线采用全向天线，完成S频段射频信号的接收，采用正交对称振子加极化电桥的方式，对称振子带等化波束腔，使得天线不同方位面的方向图旋转对称性好，口面处加天线罩密封。天线后面另加金属腔，用于安装LNA。LNA主要由低噪声场效应管、MMIC放大器和保护电路等几部分组成，完成S频段射频信号的低噪声放大功能。天线输出接口为N型接口。

下变频单元用于完成射频信号到中频信号的下变频，选择2次变频方案，遥测信号经2次混频后输出中频信号，其中低本振为低频窄带小步进频综，高本振为S频段宽带大步进频综，带宽覆盖S频段输入带宽，2个本振联动实现S频段宽带小步进频率覆盖。下变频单元通过串口通信，实现整个下变频单元的控制功能，与天线一起总计功耗约20 W。

2.2 卫星授时定位设备

天线选取零相位中心天线，用于完成BDS B1，B3及GPS L1，L2等卫星信号的接收，主要包括天线模块和射频前端。天线模块包含了BDS B1，B3及GPS L1，L2共4个接收频段，射频前端由接收滤波器和LNA组成，将信号经过滤波、低噪声放大后送给授时定位单元。天线输出接口为TNC型接口。

授时定位单元用于完成卫星信号的下变频及GNSS数据的处理，采用授时定位OEM板卡[3-7]，主要由射频部分、GNSS接收机基带信号芯片、外部处理器和IO接口等部分组成，完成射频信号的下变频处理、时钟产生单元、模拟信号的数字化、导航信号处理、数据收发和接口控制等功能。授时定位单元通过网络接口进行通信和控制，通过1 pps接口输出1 pps信号，通过串口输出时间位置信息，与天线一起总计功耗约20 W。

2.3 数据综合处理设备

数据综合处理设备用于完成遥测信号解调、遥测数据处理和授时定位信息的处理，接收射频接收设备输出的中频信号，卫星授时定位设备输出的1 pps信号和时间位置信息，采用FPGA技术设计实现中频解调单元、时间位置信息处理单元和遥测数据处理单元等主要功能单元[8-11]，设备总功耗约为20 W。

2.3.1 中频解调单元

中频解调单元为数据综合处理设备中最为复杂的一个单元，主要完成一个数据流中频遥测信号的接收、解调和同步等功能，包括NCO模块、滤波器模块、解调模块和同步模块等[12-17]，其设计框图如图2所示。

图2 中频解调单元设计框图Fig.2 Design diagram of IF demodulation unit

2.3.1.1 NCO模块

NCO模块用于产生可控的正弦波或余弦波，设计采用直接数字频率合成技术(DDS)[18-20]，其数学表达式为：

fout=fclk·K/2N。

(1)

由式(1)可知，DDS输出信号的频率fout由系统工作时钟fclk、相位累加器位宽N以及频率控制字K三个参量共同决定，通过控制频率控制K就可以改变输出信号频率fout。其工作原理为：在输入时钟fclk的驱动下，频率控制字K在N位相位累加器中进行线性累加，得到的相位值之后对波形ROM存储表进行寻址，输出相应的幅度码，ROM表里存储的是一个周期的波形信号的采样幅度量化值，从而得到数字波形信号，然后经过数模转化得到波形不平滑的阶梯波，最后再通过低通滤波器对其平滑滤波以消除不需要谐波及杂散信号，就可以得到所需频率为fout的波形信号。

2.3.1.2 滤波器模块

滤波器模块用于实现对数字信号的滤波处理，包含无限冲击响应(FIR)滤波器、积分级联梳状(CIC)滤波器等功能单元[21-22]。其中FIR滤波器的数学表达式为：

(2)

由式(2)可知，FIR滤波器输出序列只与各输入有关，其相位是严格线性的，结构是非递归的，所以在理论上和实际上都是稳定的。FIR滤波器设计实现时可采用的基本结构有直接型、级联型和线性相位等三种结构，其中线性相位结构对称，可以减少所需乘法器数量。系统中设计采用线性相位结构实现FIR滤波器。

CIC滤波器包括积分部分和梳状部分两个基本部分，单级CIC滤波器的传递函数为：

H(z)=HI(z)·Hc(z)=(1-z-DM)/(1-z-1)，

(3)

式中，D为微分延迟，一般取1或2；M为抽取因子。

由式(3)可知，CIC滤波器的实现只需要加法器、积分器和寄存器，多级CIC滤波器采用单级CIC滤波器级联实现。

2.3.1.3 解调模块

解调模块用于实现对期望基带数字信号的提取，采用叉积鉴频的方法实现，其数学表达式为：

I(n)×Q(n-1)-Q(n)×I(n-1)≈k·s(n)，

(4)

式中，I(n)，Q(n)分别为滤波输出的I路信号和Q路信号；s(n)为期望得到的基带数字信号。其工作原理为：对I路和Q路信号进行延迟，I路延迟信号与Q路信号经乘法器进行乘积，Q路延迟信号与I路信号经乘法器进行乘积，2个乘积之差输出经滤波后即可得到基带信号。

2.3.1.4 同步模块

同步模块用于从基带数字信号中提取期望的串行数据信息，主要包括位同步、帧同步和副帧同步等功能单元。位同步从解调输出的基带数字信号中提取码同步时钟，进行最佳码元判决，得到串行数据信息流，采用数字锁相环方法来实现，主要由积分、码元判决、鉴相、低通滤波和码NCO等部件所组成。帧同步接收来自位同步器的PCM串行信号和同步时钟，按照给定的数据帧格式规范完成数据帧格式的提取，产生帧同步脉冲和字同步脉冲以及帧锁定状态指示并输出。副帧同步在帧同步器同步的基础上，接收来自帧同步器的PCM数据及定时信号，按照给定的数据格式规范完成数据副帧格式的提取，产生副帧同步脉冲和副帧锁定状态指示并输出。

2.3.2 时间位置信息处理单元

时间位置信息处理单元用于时间和位置信息的处理，为遥测数据提供绝对时间和同步信号，主要包括时间信息处理模块和位置信息处理模块。时间信息处理模块通过串口接收时间信息，按照遥测数据具体帧格式计算时间信息输出频率，并根据1 pps信号进行同步，按该频率将时间信息输出至遥测数据处理单元。位置信息处理模块通过串口接收位置信息，按照规定格式对信息进行处理，处理后保存定位结果。

2.3.3 遥测数据处理单元

当前钢结构施工期间存在较多的项目环节，项目成本、质量、安全管理、进度管理以及控制等方面均存在问题。具体而言，在工程项目的推进过程中，施工环节存在较多的不确定性影响因素，工程变动难免会影响造价成本，为企业带来了一定的经济损失。安装期间，由于技术人员没有掌握正确的施工技术，也会影响工程的推进效果，甚至延误工期，造成不良经济损失。运输与安装钢结构构件时，也会因损坏以及污染等问题延长施工进度，技术人员需要重新调配构件，导致工期延误。工程项目推进期间，施工人员需要进行现场操作，会受多种因素的影响导致技术以及安全等问题，从而影响钢结构的施工效果。

遥测数据处理单元用于固定格式遥测数据的组帧处理和记录，主要包括同步信息处理模块、数据处理模块。同步信息处理模块根据帧同步脉冲、副帧同步脉冲、帧锁定状态和副帧锁定状态等输入，将遥测数据进行组帧并保存至数据缓存区。数据处理模块接收时间信息处理模块输出的时间信息，同时读取缓存区中的数据，将时间信息与同步后的遥测数据进行匹配，形成固定格式的遥测数据帧并保存。

2.4 电源

电源选用便携式锂电池包，采用四串八并的结构，电池包总容量约512 W·h，系统总功率约60 W，可保证约8 h的使用时间。电源管理部分主要包括主控模块、电池保护模块、电池均衡模块和充放电模块等。

3 系统使用效能分析

根据如下公式对系统遥测作用距离R进行计算：

L=Pt+Gt-L1-Lr-La+Gr-Pr-Pmin，

(5)

L=92.42+20log2.25+20logR，

(6)

无线电测量过程中，测量设备和飞行目标间视距Rsj计算公式如下：

(7)

式中，h1，h2分别为测量设备和飞行器的高度。

假设小型化靶载遥测系统在靶上加装高度为0 m，则当Rsj为16 km时，飞行器的高度为15 m，这表明系统在16 km处可对15 m高度的飞行器进行有效测量。一般情况下，当飞行器目标距靶标16 km时，飞行器高度远大于15 m，系统使用不受视距的影响，对飞行器中靶段可以进行有效测量，弥补陆基和海基测量设备的不足。

4 结束语

小型化靶载遥测系统融合了遥测接收、卫星授时定位及FPGA等多种技术手段，实现了授时定位和遥测测量等功能；射频接收设备、卫星授时定位设备、数据综合处理设备和电源等主要组成均采用了小型化的设计保障了系统的便携性，适用于靶载使用环境。系统使用效能分析表明，可以弥补陆基和海基的测量设备受视距影响的不足，获取飞行器中靶段遥测数据，在大射程飞行器试验任务中具有广泛的推广应用前景。此外在小型化靶载遥测系统的基础上，下一步可以对遥测数据应用进行深入挖掘，结合光学摄录设备，构建光遥一体化系统，完成中靶段遥测数据接收和中靶时况记录的任务。