基于雙臂螺旋天線的箭載天基遙測系統設計

王 健

東方空間技術北京有限公司,北京 100010

0 引言

在運載火箭整個任務過程中,天基遙測系統需要將近地軌道作業段有效載荷的姿態、沖擊和速率等關鍵信息參數[1]及時下傳到遙測大廳,以便發射指揮人員對載荷入軌狀態進行現場分析判讀。運載火箭測量系統主要由遙測子系統、外測子系統和安控子系統3部分組成,其中遙測子系統包括傳統地基遙測系統和天基遙測系統。與地基遙測用于實現航區內高碼率PCM全幀碼流傳輸工作不同的是,天基遙測系統是為了實現載荷入軌段PCM全幀碼流[2]中有效載荷信息參數的挑路、幀重構[3]、傳輸等任務而設計。更直觀地講,天基遙測系統既是發射現場第一時間判定發射任務成敗的關鍵信息來源[4],也是縮短發射準備時間、短時間內高頻次[5]執行發射任務的可靠保障,箭載天基遙測系統的穩定性、冗余性、快速響應性對于提升發射保障綜合能力意義重大。

為此,國內外退役及現役運載火箭中均設計有不同尺寸類型、不同性能規格甚至不同工作方式的箭載天基遙測系統。其中最早有跡可循的是美國國家航空航天局(NASA)在其官網解密的一份縮略版《土星5號運載火箭技術手冊》,里面提到了“土星5號”儀器艙的基本結構是一個由鋁合金蜂窩夾層材料制成的短圓筒,天基遙測裝置安裝于儀器艙的蜂窩夾層[6]上,天基遙測天線選用兩臺倒F型振子線極化天線,近地軌道處天基遙測速率不到18 Kbps,天線安裝角度及地面對應測控范圍不詳;上世紀90年代,歐洲航天局(ESA)研制的 “阿麗亞娜4”運載火箭采用三分集右旋圓極化天線,將低噪聲放大器和天線集為一體,天線將接收到的空間電磁波信號直接送入低噪聲放大器的輸入端,近地軌道[7]距離條件下天基遙測速率在120 Kbps左右;步入20世紀以來,“胖五”作為我國運力最大的運載火箭,技術性能已躋身國際前列。由于公開資料較少,其具體天基技術參數不詳;最近幾年國內商業航天[8]迅猛發展,目前成功的數發商業火箭中,近地軌道距離條件下天基遙測速率均集中在500 Kbps以內。基于以上國內外研究現狀,本文提出了一種基于雙臂螺旋天線的箭載天基遙測系統設計。

1 系統總體設計

本系統主要由天基基帶終端、天基射頻前端及雙臂螺旋天線3部分構成。其中基帶終端信源為箭上綜合采編裝置的遙測數據全幀碼流,基帶終端在近地軌道作業段對信源進行位同步和幀同步處理后,從信源中挑出指定子幀的載荷參數,和基帶終端遙測參數、射頻前端遙測參數共同組成天基遙測幀,天基遙測幀在被編碼交織、加擾處理后送往射頻前端;射頻前端集成有頻率綜合器及混頻、放大、濾波模塊,在對天基遙測幀進行信道編碼、數據調制、放大濾波后送給雙臂螺旋天線,最后由天線將天基遙測幀輻射到近地軌道周圍空間[9]。系統總體設計如圖1所示,其中頻率基準分別作為工作時鐘和本振信號分兩路送給數字基帶及頻率綜合器;基帶終端信號處理流程如圖2所示。

圖1 系統總體設計框圖

圖2 基帶終端信號處理流程圖

2 天線仿真設計

天線是連接箭載天基遙測系統與地面天基檢測站的關鍵媒介,天基天線的選型、仿真及設計對于箭載天基遙測系統的性能起著決定作用。目前國內箭載天基天線多選用傳統振子線極化天線、單臂螺旋天線及扇區定向天線等天線類型。天基單臂螺旋天線在軸向模式下發生諧振時,其阻抗遠低于50 Ω,而當添加一個短接到地面的螺旋線后,該天線可用作折疊天線,低阻抗可以調整到接近同軸電纜的參考阻抗50 Ω,本設計將雙臂螺旋天線應用于箭載天基遙測系統中,與單臂螺旋天線比高出2 dB增益;與扇區定向天線、振子線極化天線相比簡化了饋電網絡,當然雙臂螺旋天線的選用也對箭體的電磁兼容性提出了更苛刻的要求。

本設計為了能夠更真實地模擬出天線在近地軌道處的工作環境及工作狀態,選用高級數值仿真軟件COMSOL中的電磁波、頻域及重力場接口模塊進行箭載天基天線的多物理場耦合仿真,雙臂螺旋天線仿真設計流程如圖3所示。

圖3 雙臂螺旋天線仿真設計流程圖

2.1 數值模擬計算模型

天基雙臂螺旋天線多物理場耦合[10]仿真模型由雙臂螺旋輻射體、圓形接地板、調諧短截線、同軸電纜和包圍空氣區域的完美匹配層組成。螺旋臂的一端連接到射頻電纜的內部導體銷,另一端短接到接地板。兩個螺旋結構沿z軸纏繞,并在頂端相連接,軸向模式的附加阻抗匹配短截線位于接地板的中心。本次耦合仿真中的所有金屬零件都被模擬為理想電導體,其內部域不包含在分析范圍中;同軸電纜內部導體與外部導體之間的空間用聚四氟乙烯材料填充,同軸型集總端口用于激勵天線。除完美匹配層以外的所有域都由四面體網格劃分。

2.2 仿真過程及結論分析

在完成雙臂螺旋天線幾何模型構建、材料參數設置、端口邊界確認等前期準備工作的基礎上,對仿真模型添加電磁波、頻域及重力場接口,首先將中心頻率設置為385 MHz。在設置物理場和查看網格過程中,對仿真模型中指定域和邊界設置了 “物理場隱藏”,以便能夠更清晰地觀察在天線工作過程中近地軌道空間周圍的電場強度。天線三維遠場增益決定了天線將信號發射出去的能力,而天線極化決定著天線輻射出去的電磁波[11]在空間中的變化形式。在初步驗證天線設計合理性基礎上,將仿真模型中心頻率設置為4.7713 GHz,對系統天線極化方式進行驗證,仿真結果如圖4所示。圖4所示軸比圖顯示了雙臂螺旋天線的圓極化程度。當它表現為理想圓極化時,軸比為 1 或 0 dB。當軸比低于 3 dB (紅圈內)時為圓極化天線。在圖4中,天線視軸處的軸比小于 3 dB,視軸是軸向模式的主要傳播方向,平行于螺旋狀扭轉軸,表明本設計有助于抑制電磁波多路徑傳播場景下的相互干擾。

3 系統軟件設計

本系統上位機軟件主要實現對天基基帶、天基變頻板卡的配置及遙測數據的采集、顯示、存儲、分析功能。系統軟件數據通信方式采用標準千兆以太網接口,上位機軟件經由交換機通過UDP/IP協議向天基檢測站發送控制指令,并采用組播的方式接受天基檢測站發過來的遙測數據,數據傳輸穩定后,軟件界面右上方四處狀態指示燈變綠,在界面中間區域的“數據接受”區刷新顯示接受到的數據,刷新時間間隔為50 ms,實時數據以.DAT文件進行存儲記錄,同時上位機界面下方實時繪制天基數據幀計數變化曲線,系統軟件設計流程如圖5所示。

本系統中箭載天基遙測數據地面解調接受過程中采用了以太網雙冗余策略。對于地面天基檢測站默認選擇A通道進行解調后的天基遙測數據的傳輸,若A通道存在故障,則地面天基檢測站切換到B通道進行天基遙測數據的再次發送,切換到B通道后不再進行切換操作,千兆以太網通訊仍異常則匯報故障。接受方即遙測大廳綜合信息處理軟件能夠同時監聽A、B兩通道的天基遙測數據,對于重復的數據幀,根據標志位進行“去冗余”處理。A、B通道的切換控制權由天基遙測系統主控軟件掌握,箭上其它分系統及單機設備不作干預。天基設備網絡參數如圖6所示。

圖6 天基設備網絡參數圖

其中A、B通道終端IP分別為192.168.130.20、192.168.130.120,天基遙測數據地面發送端IP為192.168.130.79,兩種通道狀態下遙測端口與狀態端口一致,分別為5011與5012。

4 系統測試

為了對箭載天基遙測系統設計可靠性與工程性進行驗證,在搭建完整功能閉環測試平臺的基礎上,分2個階段對系統進行了測試。

第1階段為測試前檢查天基箭上測量設備天基基帶終端、射頻前端、雙臂螺旋天線的電氣連接情況,包括天線高頻電纜、測試電纜、電源線及相應接插件連接情況,檢查無誤后將天基遙測系統接入箭上電纜網。

第2階段為在天基檢測站上位機軟件信息配置完成的基礎上,登錄上位機軟件,軟件右側工作模式列表中勾選“測試模式”,界面下方消息提示欄中給出“初始化已全部完成!”提示,表明天基檢測站地面上位機軟件啟動無誤,對箭上設備加電后進行天基遙測功能測試。

天基遙測功能雙通道測試結果如圖7所示,由圖中“運行狀態”欄中的4個綠色指示燈可知,天基檢測站可以準確無誤地完成狀態鎖定,地面天基檢測站“捕獲”、“載波”、“幀同步”、“符號同步”功能正確,由后端綜合信息處理軟件解算可得遙測數據傳輸速率穩定保持在1.2 Mbps,圖中紅色幀計數曲線光滑無毛刺,表明箭地通信數據傳輸穩定可靠、無丟幀現象。其中黑色方框中“1ACFFC1D”前4個字節表示同步字,從第5個字節算起直至第67個字節(共63字節)為箭上天基數據消息一幀,數據結構完整,時標解算正確,滿足設計需求。

5 結論

提出了一種基于雙臂螺旋天線的箭載天基遙測系統設計,在通過COMSOL軟件對系統雙臂螺旋天線進行多物理場耦合仿真分析的基礎上進行了天線設計,最后在整箭模擬飛行測試中進行了天基遙測系統空間衰減等效實驗。實驗結果表明,地面天基檢測站可以精準完成箭載天基遙測系統狀態鎖定,遙測數據傳輸速率穩定保持在1.2 Mbps,通信鏈路余量充裕。