基于系留氣球的測控系統研究

汪 洋1，趙伊寧2，李夢超，杜以林

(1.中國人民解放軍92941部隊44分隊，遼寧 葫蘆島 125001；2.北京航天飛行控制中心，北京 100091；3.北京機電工程研究所，北京 100074)

0 引言

當前，對導彈動目標實施遙測任務的主要平臺有車載遙測站、遙測船以及遙測飛機等。采用車載遙測站和遙測船的方式，因受視距限制，作用距離較短，需布置多個遙測站才能滿足長距離的全程遙測任務，且保障設備需求較多，其難度較大；遙測飛機能夠通過升空解決視距影響，但此種情形帶來的問題是，飛機、飛機改造以及單次使用成本均較高，同時，飛機起降需要機場保障，且對天氣條件有一定要求，保障需求較高，并且遙測飛機接收到的數據不能實時處理，時效性較差。

系留氣球是一種自身不帶動力，依靠浮力升空的浮空飛行器，是近些年研究和應用較多的平臺形式，其具備的特點為：第一，滯空時間長，大型系留氣球可連續滯空30天以上；第二，系統覆蓋范圍大，一般系留氣球部署高度可達4 km以上，系統覆蓋范圍可達200 km以上，美國JLENS系統探測距離為550 km，俄羅斯美洲豹探測距離超過700 km；第三，載荷能力強，理論上其搭載的任務載荷沒有尺寸限制；第四，生存能力強，系留氣球的球體結構材料，一般具有很好的透波性，在受到炮火飽和攻擊后，獲得足夠的回收和維修時間；第五，費效比較高，載荷1噸的系留氣球產品，留空一天僅需花費3 000～4 000元；第六，系統要求低，可以采用系留纜繩實現電源、信號與信息的雙向傳遞。在美國，系留氣球的應用已經覆蓋軍用及民用的各個領域，2017年，美國TALONS系統首次在海軍現役艦船上開展試驗，該系統為一款翼傘系統，由海事應用物力公司研發，具有低成本、完全自動化的特點，可攜帶重量不超過68 kg的情報、監視、偵查和通信載荷，達到150 m～450 m的飛行高度。因此，采用系留氣球構建遙測站，一方面可以通過升空解決視距問題，另一方面，由于充分利用系留氣球的系留纜繩特點，可以比較簡單地構建測控系統，是一種值得研究開發的新型平臺。

本文第一部分簡要介紹提出基于系留氣球的測控系統技術的背景，并簡要分析了該技術的突出優點；第二部分對組成該系統的球體結構、系留纜繩、任務載荷、錨泊平臺、地面控制系統的五部分進行簡要介紹；第三部分對該系統的總體設計技術、相控陣與天線罩一體化設計技術、微系統技術等關鍵技術進行了初步分析，并簡要給出了解決思路。

1 基于系留氣球的測控系統組成

系留氣球載測控系統主要由球體結構、系留纜繩、任務載荷、錨泊平臺、地面控制系統五大部分組成，示意圖如圖1所示。

圖1 基于系留氣球的測控系統示意圖

以下分別對五個部分進行簡要介紹。

1.1 球體結構

承載平臺所使用的系留氣球的外形一般可為水滴或紡錘形。但系留氣球存在一定的限制性，其本身不具有動力，同時有不具有操縱面，這些限制性需要系動氣球擁有氣動穩定性。系留氣球具有三層結構，分別是連接層、承力層和阻氦層。氣球的囊體材料由多層播磨和織物粘合組成。

系留氣球的結構可以分為四個部分，頭錐構成了氣球的前部，氦氣囊和空氣囊兩個氣囊組成了氣球的中部，充氣尾翼構成了氣球的后端，氣球的下部安裝整流罩，整流罩也被稱為防風罩。充氣的尾翼的布局通常為十字形或者倒Y字形，這兩種形式的布局，都可以對加強系留氣球的穩定性。當前，國外對系留氣球的尾翼通常采用倒Y字形結構布局，這樣會在保證其穩定性的情況下，增強其可操作性和工程穩定性。

1.2 系留纜繩

系纜纜繩包括多個側系纜和一個主系纜，側系纜分成多股，將力分散在球體側面；主系纜連接在球體的主節點上，從而保證在載荷重量改變時不會影響系留氣球仰角。多個側線纜也可以為載荷提供安裝空間；主系纜為復合纜，集成了承力纜(一般為復合材料織物如芳綸)、供電纜(一般為高壓)和通信纜(可以是電纜或光纜)，一方面可以提供拉力約束球體，另一方面為氣球設備載荷提供能源，并實現控制指令的上傳和載荷數據的下傳。

1.3 任務載荷

載荷安裝在球體腹部，由以下主要部分組成：

1)任務載荷控制器。任務載荷控制器用于接收、響應地面控制系統發出的控制指令，并對球上設備的工作狀態的進行控制。

2)二次電源模塊。二次電源模塊負責將通過系留纜繩提供的電源轉換成任務載荷各個模塊所需要的電源，并符合系統設計的電源品質。

3)環境和狀態感知模塊。環境和狀態感知模塊包含環境參數傳感器和組合導航設備兩大部分，其中環境參數傳感器能夠將任務載荷處的溫度、電壓等環境參數送給任務載荷控制器，慣導衛星組合導航設備通過慣導衛星組合導航設備，可獲取載荷的位置、姿態以及時間信息，并通過衛星信息，及時修正位置及姿態誤差。

4)數據傳輸模塊。該模塊在任務載荷控制器的綜合控制下，一方面負責接收由地面提供的指令信息，另一方面將采集到的遙測信息進行回傳。

5)遙測數據采集系統。該系統是任務載荷的主體部分，采用相控陣天線和一體化綜合射頻系統組成，一體化綜合射頻系統一方面接收相控陣天線接收的遙測射頻信號，進行濾波、放大，下變頻至中頻后采樣，將采樣后的數字信號送入DBF和信號處理設備，在數字域進行數字波束成形和極化合成及解調調制等信號處理，然后送至數據傳輸模塊，由數據傳輸模塊傳遞至地面控制系統。

1.4 錨泊平臺

錨泊平臺是球載測控接收站系統的操控平臺，一般有陣地式、車載式和艦載式三種，錨泊平臺的主要作用是確保系留氣球能夠安全可靠地升空和回收，并在指定的高度上正常工作，當氣球在地面系留時，能夠方便地對氣球及球上設備進行維護和修理。

大型系留氣球所使用的錨泊平臺一般是陣地式的錨泊平臺，其通常的組成部分有：圓形導軌、機械轉臺、旋轉基座、系留塔、水平橫梁、防護艙和控制艙、絞盤等。車載式錨泊平臺組成部分有：系留塔、水平支臂、絞盤、控制艙和半掛車等。該平臺一般稱為錨泊車，適用小型系留氣球。艦載式錨泊平臺通常，在艦艇的后甲板的左右兩側分別安裝了單條導軌，兩條導軌之間存在一定距離，導軌的上架有可以前后移動的滑架，滑架允許360°旋轉，同時系留系統固定在滑架上。在構建基于系留氣球的測控系統時，可以根據任務特點分別應用三種錨泊平臺于不同的場景。

1.5 地面控制系統

地面控制中心包括遙控、遙測和指揮系統。地面控制中心將用來檢測，同時控制氣球上的通信設備設施。其不僅可以完成連續監測升空氣球的各項工作數據和環境數據，比如升空高度、風速、溫度、氣球姿態、供電狀態等，還能完成遙測數據的分析與處理。

2 基于系留氣球的測控系統關鍵技術分析

基于系留氣球的測控系統是一種新的測控系統實現方式，系統設計和實現時需要解決系留氣球設計和載荷設計中的若干關鍵技術，以下給出幾個核心關鍵技術。

2.1 系統總體設計技術

系統總體設計中，重點解決系留氣球設計和選型問題，是該測控系統的關鍵環節之一，設計中需要重點根據作用距離確定氣球升空高度，并根據升空高度和載荷能力需求約束，確定系留氣球的種類和尺寸，從而支撐完成系留氣球的設計與實現。

1)升空高度的設計。

系留氣球需要根據需求合理設置聲控的高度以盡可能降低系統對系留氣球的要求。由于測控系統使用微波通信，工作于微波視距，該視距存在兩個制約條件：無線電視距和鏈路電平。無線電視線距離指兩個天線之間保持無障礙通信的最大通信距離，該距離與地球曲率、大氣折射、地面反射、氣候、地形等諸多因素有關。根據以往來自測控系統數據和得出的結論，數學模型可以簡化為只用地球曲率計算的幾何視線距離作為無線電視距。僅使用地球曲率計算的視線距離公式為：

(1)

式中，h1、h2為天線高度，單位m；R為視線距離，單位km。根據公式可以得到目標與測控站無線電視距和目標飛行高度的關系，根據此公式，在確定測控目標的飛行包絡后，可以確定出最小視距，從而可以確定氣球升空高度。

2)載荷能力約束。

測控系統分析時，作用距離公式一般可以采用如下公示進行：

(2)

在確定升空高度、載荷能力等重要參數后，可以完成系留氣球的選型與設計。

2.2 微系統射頻集成技術

根據系統任務需求，載荷部分具備將前端(導彈、飛行器)遙測信號接收并將采集到遙測數據下傳到地面測控站和將地面指令發送到導彈、飛行器實現遙控功能，同時還要完成系留氣球本身控制是系統核心。載荷體積重量直接決定系留氣球測控系統的升空高度、滯空時間和系統成本，是本系統設計關鍵，應進行綜合規劃高集成度設計力圖保證系統功能前提下實現系統輕小。首先系統分析任務剖面，將功能接近的模塊合并，如姿態控制計算機和測控轉發處理器可硬件合并軟件分時處理，在此基礎上采用三維SiP封裝和SOC等微系統技術達到系統輕小。對于射頻部分應分析系統上下行全部工作頻率選擇適當帶寬，采用濾波器組分時采集或全帶寬高速采集數字濾波實現射頻信道集成。通過綜合孔徑技術實現天線公用，綜合以上微系統射頻集成技術最終實現系統小體積輕量化要求。

2.3 相控陣與天線罩一體化設計技術

測控系統設計實現時，高增益天線是其中的核心關鍵內容，根據系統使用約束的輕量化和大掃描角度要求，基于系留氣球的測控系統采用數字相控陣模式，在實現高增益的同時，采用相位控制的方式實現對測控目標的跟蹤，其中相控陣天線系統包括相控陣天線陣面、頻綜模塊、數字波束形成模塊、基帶信號采集模塊、電源模塊等部分，對電路部分，采用上述微系統技術與其余系統進行一體化綜合化設計；考慮到環境對系統性能的影響，需要采用柔面天線罩實現對相控陣天保護，為了達到系統效果最優，在相控陣設計實現時進行相控陣天線和柔面天線罩一體化設計。

3 小結

本文在對現有主要遙測遙控收發系統特點進行分析的基礎上，結合導彈、飛行器遙測遙控需求，提出了一種基于基于系留氣球的新的測控系統實現方式，并進行了使用便捷性和低成本性分析。給出了系留氣球的測控系統的主要組成，簡要分析了關鍵技術技術體系，并對總體設計技術、微系統射頻集成技術以及相控陣與天線罩一體化設計技術等關鍵技術進行了初步分析，進行了初步系統設計和實現途徑，后續將開展進一步研究，以期此模式在導彈飛行器遙測遙控領域盡快得以廣泛應用。