小型彈載遙測單元設計與實現

摘 要:導彈系統要求彈載遙測單元在盡量小的空間中盡可能采集和傳輸最多的系統參數，以提高試驗效率，減少系統研制成本。通過整合功能，減少了部件數量;通過采用大規?？删幊唐骷臀⒎庋b器件，提高了性能體積比，在緊湊空間內，實現彈載遙測單元的全部功能。該彈載遙測單元已應用于某導彈飛行試驗，實現模擬信號、數字信號和開關信號的實時采集和傳輸，試驗數據完整準確。試驗結果證明，遙測單元的設計可以滿足系統的使用要求。

關鍵詞:遙測;小型單元;FPGA;微封裝

中圖分類號:TP873.21文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)01-024-03

Design and Realization of Minitype Missile Telemetry Unit

YAO Changhong

(China Airborne Missile Academy，Luoyang，471009，China)

Abstract:Missile system needs telemetry unit can conceivably collect and transmit system parameter in small room，which can improve test efficiency and reduce development cost of missile system.The design can reduce parts number through incorporating function of telemetry unit and increase performance-to-volume，which has realized all function of telemetry unit in compact space.The missile telemetry unit has been used in on missile′s test，which transmits analog signals，digital signals and switch signals in real time.The test data are full and exact，which prove that the telemetry unit can be content with the missile system′s use requirement.

Keywords:telemetry;minitype unit;FPGA;micro encapsulation

0 引 言

彈載遙測系統是導彈飛行試驗中重要的測量手段。在導彈的研制和發射試驗中，利用無線電遙測技術可以實時獲取導彈內部各系統的工作狀態和導彈飛行軌跡，尤其是飛行試驗的寶貴數據，為評估導彈性能和分析故障提供依據。遙測系統由遙測單元和地面接收站組成，由于地面接收站通常為標準設備，因此本文的重點是遙測單元的設計與實現[1]。

某型導彈彈徑較小，各主艙段為了實現必要的功能，已占用了絕大部分的彈體體積，能夠為彈載遙測單元所使用的空間已非常有限，僅為Φ86 mm×75 mm。此外，為了在一次試驗中盡可能詳細而準確地反映導彈的實際工作狀態，各主艙段都要求測量各種彈載模擬信號、數字信號和開關信號，被測信號種類多，頻率高。因此，要求該彈載遙測單元應具備多信號處理方式、高信號采集速率和大容量數據傳輸量。查閱相關彈載遙測單元資料發現，以往的遙測單元不論是體積、采樣率，還是傳輸速率均不能滿足系統要求。因此，既要滿足導彈系統靶試試驗的測試需求，又要滿足彈載遙測單元安裝空間的要求，必須研制新型的小型化彈載遙測單元。

1 主要技術要求

(1) 遙測信號:導引信號、飛控信號、引信信號、舵機信號、電源信號;

(2) 信號種類:模擬信號為12路;數字信號為58路;開關信號為8路;

(3) 體積:Φ95 mm×75 mm;

(4) 供電電源:正壓電源為(+27±2.7) V，穩態消耗電流不大于1.2 A;負壓電源為(-27±2.7) V，穩態消耗電流不大于0.2 A;

(5) 作用距離:不小于20 km;

(6) 天線突出殼體部分應符合啟動要求。

2 設計與實現

為利用現有遙測接收設備資源，并考慮到國內靶場遙測設備的能力，遙測系統采用PCM-FM傳輸體制，全部遙測信息采用單信道傳輸方式，無線電頻段選擇S波段[2，3]。

2.1 設計思路

一般情況下，遙測單元由二次電源、信號調節器、采集編碼器、發射機、功率分配器、發射天線、電纜網以及結構組成，其組成框圖如圖1所示。

圖1 一般遙測單元組成框圖

一般遙測單元的各組成部件都是結構獨立的功能模塊，在方便調試和維護的同時也帶來電纜網復雜、空間利用率低等缺點[4，5]。本文設計的遙測單元，其安裝空間非常小，常規設計無法滿足要求，必須采用新的設計思路。

為了在有限的空間內實行全部遙測功能，本設計整合部件功能，將信號調節器與采集編碼器合并，減少部件與部件之間的信號傳輸;發射天線采用單片單點饋電式微帶天線，既省去功率分配器，又保證導彈氣動要求;結構由積木式變為堆棧式，提高空間利用率。

小型遙測發送組件由二次電源、信號處理器、發射機、發射天線、電纜網和結構組成，其組成框圖如圖2所示。

圖2 小型遙測單元組成框圖

遙測單元接收來自導彈各系統的模擬信號、數字信號和開關信號，在信號處理器中根據信號特征的不同，分別進行采集處理。模擬信號先進行幅值、阻抗等調理，再送入交換子，在邏輯控制下逐一選通模擬信號;被選通的模擬信號送入模/數轉換器進行模/數轉換，轉換成并行數字信號后進行數據綜合。數字信號和開關信號首先經隔離驅動器進行隔離與驅動，然后進行數據綜合;信號處理器將各類數據按照遙測幀格式排列成有序的串行PCM數據。發射機對PCM數據流進行調制和功率放大，再將調制信號送到發射天線向空間輻射。

2.2 系統作用距離計算

2.2.1 遙測單元參數

(1) 工作波長λ

工作波長λ計算公式如式(1):

λ=c/fc0

(1)

式中:c為光速3×108 m/s;

fc0為載波中心頻率。

將數值代入式(1)，得到λ=0.134 4 m。

(2) 發射功率:Pt=3 W(4.77 dBW)。

(3) 發射天線增益:Gt=-8 dB。

2.2.2 某遙測地面站參數

(1) 接收天線增益:Gr≥17 dB;

(2) 系統裕量:M=5 dB;

(3) 接收天線到LNA損耗:Lr=2 dB;

(4) 接收天線指向損耗:L0=0.5 dB;

(5) 大氣衰減:Lf=0.5 dB;

(6) 低噪放大器等效噪聲溫度:TLNA=80 K;

(7) 接收天線等效噪聲溫度:TA≤100 K;

(8) 環境溫度:T0=300 K;

(9) 發射機至天線損耗:Lt=0.5 dB;

(10) 等效噪聲溫度TΣ:等效噪聲溫度TΣ的計算公式為:

TΣ=TALr+1-1LrT0+TLNA

(2)

將數值代入式(2)，得到TΣ=254 K。

(11) 噪聲功率密度:噪聲功率密度N0的計算公式為:

N0=KTΣ

(3)

式中:K=1.38×10-23，為波爾茲曼常數。

將數值代入式(3)，得到N0=-204.55 dBW/Hz。

2.2.3 參數計算

(1) 接收機中頻帶寬BIF

射頻帶寬BWc=4.5 MHz，接收機中頻帶寬應不小于射頻帶寬，且匹配接收機中頻帶寬設置，取BIF=6 MHz，即68 dBW。

(2) 最低接收信號功率Sth

接收端最低輸入信號功率計算公式為:

Sth=8+BIF+N0

(4)

將數值代入式(4)，得到Sth=-128.5 dBW。

2.2.4 有效傳輸距離R計算

遙測系統在自由空間傳播條件下的作用距離計算公式為:

20lg R=-32.44+20lg fc0+Pt+Gt+

Gr-Pr-LΣ-M

(5)

式中:R為有效傳輸距離(單位:km);

LΣ為傳輸通道總損耗，LΣ=Lr+Lt+L0+Lf=3.5 dB;

M為系統裕量，M=5 dB。

將數值代入式(5)，得R=25.88 km。

因此，遙測系統有效傳輸距離滿足系統不小于20 km的要求。

2.3 硬件設計

為充分利用空間，遙測單元各部件采用框架式固定，堆棧式連接。

2.3.1 二次電源

外部輸入的電源為±27 V，各部件需要±15 V，+10 V，+5 V，+3.3 V，+1.5 V供電電源，因此需要通過二次電源變換，產生各部件所需電源。

根據計算分析，信號處理器的±15 V，+5 V，+3.3 V，+1.5 V電源工作電流較小，因此，線性電源模塊可以滿足使用要求。由于從±27 V變換到±15 V，再從+15 V變換到+5 V，壓降較大，電源轉換模塊的耗散能量較大，因此設計中通過串聯功率電阻，分擔模塊功耗，進行散熱處理。

發射機要求+10 V電源能提供1.5 A輸出電流，電源模塊輸入輸出壓降較大，輸出電流較高，若采用線性電源完成電壓轉換，由于其工作效率很低，大部分能量將轉化為熱量，給系統散熱帶來很大問題。本設計采用開關電源JZF2201模塊完成+27 V到+10 V的轉換。

2.3.2 信號處理器

為減小組件體積，減輕組件質量，信號調節器和采編器合并為信號處理器，完成對被測信號的調理、采集、編碼和控制。

信號處理器采用Altera公司的CYCLONE系列FPGA——EP1C6Q240I8作為主控器完成全部控制和功能實現，其顯著特點是以FPGA為中心，用一片就能完成模擬信號、數字和開關信號采集、時序控制、碼型轉換等功能，外圍僅需要擴展微封裝的信號調理電路、交換子、模/數轉換電路和電平變換電路，就能在有限的空間實現信號處理的全功能，具有硬件電路簡單且功耗小，時序控制準確且易實現的優點。信號處理器原理框圖如圖3所示[6]。

圖3 信號處理器原理框圖

通過信號調理后的模擬量信號進入信號處理器的交換子ADG406，選通相應的模擬量信號，送入模/數轉換器AD7892，然后由EP1C6輸出啟動轉換信號，啟動AD7892進行模/數轉換。

數字信號和開關信號經信號處理器的光隔電路隔離驅動后送入EP1C6。由于系統要求對數字信息和開關信息進行成組裝訂，因此數字信號和開關信號的采集采用緩沖方式。在EP1C6內部各開辟三塊緩沖區TEMPA，TEMPB，TEMPC，數據依次緩存于緩沖區，并設置數據更新標志。數字信號和開關信號的發送也成組進行，當信號處理器傳送幀尾標志時，分別查詢TEMPA，TEMPB，TEMPC的數據更新標志，并將數據輸入端口選擇到最近更新的一塊緩沖區，將這一緩沖區數據在下一幀送出。當沒有更新標志時，在下一幀仍輸出上一幀的并行數據。

2.3.3 發射機

發射機采用小型S波段鎖相式發射機，由調制前電路、晶體振蕩器、鑒相鑒頻器、環路濾波器、壓控振蕩器、分頻器等部分組成。發射機原理框圖如圖4所示[7-8]。

圖4 發射機原理框圖

PCM調制信號先經預調制電路，再與環路中的誤差電壓相加，共同控制壓控振蕩器。由于環路帶寬低于調制頻譜的下限，因此調制信號不參與環路的反饋，誤差電壓使壓控振蕩器仍鎖定在中心頻率上，對穩定載波實現頻率調制。

該發射機的鑒頻鑒相功能由集成電路ADF4107來實現。ADF4107外圍元器件數量較少，內部集成有可編程的分頻器，通過預留的數據端口可使用單片機寫入控制字，從而實現分頻功能。使用中，在不改變電路板設計的前提下，通過改變控制字即可實現環路帶寬的改變，并可進行相噪等的優化設計，能有效縮小發射機體積和重量。

2.3.4 發射天線

發射天線采用微帶共形天線陣。該發射天線由天線單元、多節阻抗變換器、功率分配網絡和連接器四部分組成，發射天線原理框圖如圖5所示[7，8]。

圖5 發射天線原理框圖

天線采用四單元矩形微帶天線并聯等幅同相饋電形式，四片矩形微帶天線均勻地分布在彈體四周，可形成近似全向的方向圖覆蓋。四片矩形微帶天線等幅同相激勵由饋電網絡提供。饋電網絡由微帶多節阻抗變換器和微帶功率分配器組成，對饋電網絡的要求是阻抗匹配，損耗小，頻帶寬和結構簡單等。

為了縮減天線的尺寸，本設計方案簡化了發射天線饋電網絡的結構，采用新型的等幅同相饋電網絡，將激勵分成等幅同相的四部分，用以激勵沿彈體四周均勻分布的四片矩形微帶天線，達到微小型共形天線的最優性

能，滿足系統作用距離的要求。

3 結 語

本設計整合部件功能，將信號調節器與采集編碼器合并，減少了部件與部件之間的信號傳輸;采用單片單點饋電式微帶天線，精簡了部件，保證了氣動要求;堆棧式結構設計，有效提高了彈體的空間利用率，最終在緊湊空間內實現了全部功能，實現了高性能體積比。該彈載遙測單元已成功應用于某導彈飛行試驗，試驗數據完整準確。試驗結果證明，遙測單元設計可滿足系統的使用要求，其設計思想和研制方法都能應用于小型導彈試驗中。

參考文獻

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