適用于野外環境的無線測發控系統設計與實現

鄒 凱，王健康，朱孟龍，李 愷，張臨志，梁 君，張 翔，尹蔚華

(1. 中國運載火箭技術研究院，北京 100076；2. 中國航天空氣動力技術研究院，北京 100074；3. 重慶航天火箭電子技術有限公司，重慶 400039)

0 引言

目前，目標飛行器的需求量正在逐漸增加[1-4]。根據任務需求，本文中飛行器的發射地點需要選取在戈壁灘或沙漠腹地的公路旁，此類地點缺乏對地面設備和人員的保障設施和防護掩體。在野外完成飛行器的部署后，發射時間需要協調，存在長期等候命令和收到命令后立即發射的情況[5]。此外，在飛行器發射后，需要實時監測其飛行狀態，在異常時地面應立刻發送安控指令，實現飛行器的安控自毀[6-8]。因此，對測發控系統提出了設備部署時間短、發控距離遠、待命時間長和具備安控指令遠距離上行能力的要求。

有線測發控系統包括位于飛行器附近的前端設備和位于防護掩體的后端設備[9-11]。前端設備與飛行器通過數十米長的臍帶電纜連接，采用RS-422、CAN[12]、1553B[13-14]或Flexray[15]總線等有線方式通信，前端設備與后端設備之間通過光纖進行遠距離有線通信，試驗人員操作后端設備實現飛行器的發控。在飛行器發動機點火時，為防止前端設備受到高溫尾焰的燒蝕和碎片的沖擊而損壞，通常采用鋼甲房防護。因此，有線測發控系統設備部署耗時較長，發控距離受光纖長度限制，臍帶電纜因發動機火焰燒蝕而損壞，增加發射成本和二次發射的準備時間。此外，在飛行器發射后，有線測發控系統無法發送安控指令，需要配置額外的安控數據鏈實現安控功能[6]。因此，針對本文中飛行器的需求，有線測發控系統并非最優選擇，需要利用無線測發控系統遠距離通信的優勢以滿足任務需求[16]。

1 無線測發控系統設計

1.1 需求分析

野外發射任務對測發控系統提出了如下要求：

1)地面設備便于攜帶和部署，對野外惡劣環境具備一定程度的防護能力；

2)由于野外無人員防護掩體，為保障人員安全，后端操作人員和設備需要距離飛行器發射點1 km以上；

3)在飛行器上電自檢完成后，需要具備8小時以內的無人值守待命能力，收到發射命令后需要在10 min內完成發射；

4)地面能夠實時監測飛行器的飛行狀態，在發生故障或超出限制區域時立刻發送安控指令，使飛行器安控自毀。

常規有線/無線測發控系統前端設備具備對飛行器地面供電、火工品和發動機點火回路保護/解保/點火控制與器載設備狀態測量等功能。前端設備在運輸、部署、自檢和器地間接口測試過程中會消耗大量的人力和時間。

隨著無線通信技術傳輸速率、穩定性、可靠性、安全性與抗干擾能力的不斷提升，已經可以滿足作為測發控指令上行通信的要求，如Zigbee[17]、5G[18]、直接序列擴頻通信(DSSS)[19-21]等通信體制，使用具有抗干擾與加密功能的無線通信鏈路替代器地之間的有線測發控通信鏈路，可以降低地面設備的復雜程度，實現器地無纜化，減少測試項目，提高野外惡劣環境下設備的可靠性。同時，無線通信鏈路兼具安控指令的上行能力，實現測發控與安控上行無線鏈路一體化設計，無需單獨配置安控數據鏈路。

在常用的測發控無線通信體制中，Zigbee通信距離較短[17]，難以滿足遠距離測發控和安控指令上行的要求；5G通信通常需要在發射場架設基站[18]，在野外環境很難實現；基于直接序列擴頻(DSSS)的脈沖編碼調制(PCM)通信具有抗干擾能力強、通信距離遠、無需依賴基站的優點，適合作為野外無線測發控系統的通信鏈路。

飛行器常規安控通信鏈路主要包括傳統的脈沖編碼直接序列擴頻載波相位調制體制(PCM-DSSS-BPSK或PCM-DSSS-DPSK)和較新的多音組合編碼調頻體制(主字母調頻High-Alpha-FM)，目前應用較廣泛的體制為PCM-DSSS-BPSK。為保證無線測發控系統上行通信鏈路與現有安控設備兼容，選用L頻段PCM-DSSS-BPSK通信體制，頻率范圍與常規安控通信鏈路相同，用于傳輸測發控和安控指令，因此可適配大多數地面安控設備。下行鏈路沿用火箭遙測常用的S頻段PCM-FM通信體制，作為遙測數據下行鏈路，以減少對器載遙測設備的改動，保證與現有測控站及遙測車的兼容性。

1.2 系統設計

為減少地面設備在野外環境的部署時間和難度，無線測發控系統采用器地一體化設計方式，將前端設備的功能集成于器載設備，取消器地間臍帶電纜，后端設備直接通過無線鏈路實現與飛行器通信以執行測發控任務，從而減少地面設備數量，節省部署和測試時間。因此，測發控系統包括位于后端安全區的地面設備和飛行器器載設備兩部分，通過無線鏈路進行通信。在發射準備階段與飛行階段，地面設備通過遙控鏈路向器載設備分別發送測發控指令與安控指令，器載設備通過遙測鏈路向地面設備發送指令回令和飛行器遙測數據。

為實現飛行器在發射場的長時間休眠，對器載配電與遙測設備進行改進，加入休眠管制銷與火工品管制器，使飛行器具備遙控上電/斷電、低功耗休眠、火工品和發動機點火回路保護/解保/點火控制以及器載設備狀態測量等功能，實現無線測發控功能閉環。為便于總測和發射場故障排查時使用地面電源為飛行器供電和接收有線遙測數據，飛行器預留地面供電輸入及有線遙測輸出接口。無線測發控系統組成如圖1所示。

圖1 無線測發控系統組成與連接關系

發控盒用于存儲危險指令，包括火工品和發動機點火回路保護/解保/控制等指令，通過串口向指控機發送，經指控機二次確認后才可上行轉發。指控機存儲常規指令，包括諸元數據、慣導對準、存儲器擦除與啟動記錄等。

地面數據鏈作為地面設備的核心，采用主備機熱備份方式。指控機按照IP地址使用TCP/IP網絡協議通過交換機將數據和指令發送至地面數據鏈主機或備機。地面數據鏈對指令進行編碼、擴頻、調制與功率放大后，變為PCM-DSSS-BPSK體制射頻信號，發送至定向伺服天線。為避免地面數據鏈主/備機遙控射頻信號相互干擾，在不發送遙控指令時，遙控射頻鏈路處于關閉狀態。指控機通過IP地址選擇一臺地面數據鏈發送遙控指令，收到指令的地面數據鏈開啟遙控射頻鏈路，在與飛行器建立無線鏈路連接后發送指令，隨后將鏈路關閉。

定向伺服天線接收飛行器的遙測射頻信號并進行功率放大后，發送至地面數據鏈的主機和備機，主機和備機同時對射頻信號進行解調與解碼后，使用UDP組播網絡協議通過不同的組播地址經過交換機向指控機與顯示機發送數據原碼。指控機與顯示機可根據組播地址選擇遙測數據源，并在本地實時解析后顯示飛行器的各項遙測參數，同時進行本地存儲。在飛行器飛行過程中，指控機解析遙測數據獲取飛行器的實時位置，經解算得到定向伺服天線的方位角和俯仰角指向，通過RS-422接口將指向數據發送至伺服平臺，從而帶動天線轉動跟隨飛行器，以保持最高的收發通信增益。

控制電池采用鋰電池，經過休眠管制器為器載數據鏈提供休眠供電，同時直接為飛控計算機供電，通過插入和拔出休眠管制器的休眠管制銷可以控制器載數據鏈休眠供電的通斷狀態；器載數據鏈通過遙控天線接收遙控射頻信號，經過功率放大、解調、解擴與解碼后，通過RS-422接口發送至安控裝置、飛控計算機與火工品管制器，同時根據遙控指令，驅動飛控計算機內部控制電池并網繼電器(以下簡稱“電池并網繼電器”)的通斷狀態，進而由飛控計算機向全器配電。器載數據鏈接收中心程序器發送的有線PCM遙測數據，經組幀、調制與功率放大后變為遙測射頻信號，由遙測天線對外發送。器載數據鏈具有休眠與喚醒兩種狀態：在休眠狀態下，僅從遙控鏈路接收指令，不發送遙測數據，運行功耗極低；在喚醒狀態下，接收遙控指令，同時通過遙測鏈路發送數據，全功率運行。

1.3 測發控流程設計

當飛行器通過發射架起豎前處于斷電狀態，在起豎后，操作人員拔出休眠管制銷后，器載數據鏈的休眠供電支路接通，器載數據鏈上電并進入低功耗休眠狀態，此時操作人員可以撤離。

地面設備部署完成后，開始飛行器上電自檢，地面設備發送指令喚醒器載數據鏈，此時器載數據鏈開始發送遙測信號，隨后發送指令使器載數據鏈驅動電池并網繼電器接通，此時飛控計算機上電并使電池并網繼電器自鎖，開始向其他器載設備配電，進入飛行器的自檢流程。自檢完成后，地面設備連續發送指令，由器載數據鏈轉發至飛控計算機，使電池并網繼電器的自鎖功能失效，隨后驅動電池并網繼電器斷開，此時除器載數據鏈外其他器載設備斷電。接下來地面設備發送指令使器載數據鏈進入低功耗休眠狀態，器載數據鏈只接收喚醒指令，不發送遙測信號，功耗僅為50 mW，此時飛行器進入休眠狀態，可長時間等待發射命令。若控制電池按照電壓32 V，容量25 Ah設計，器載數據鏈在休眠狀態下8 h僅耗電0.012 5 Ah，剩余電量仍然可以滿足飛行器發射與飛行需求。

在收到發射命令后，飛行器首先按照與自檢相同的流程上電，隨后地面設備發送指令，由器載數據鏈轉發至火工品管制器，使飛行器火工品與發動機點火回路解保；接下來發送一系列測發控指令，由器載數據鏈轉發至飛控計算機，從而完成飛行器發射流程。

在飛行過程中，若出現異常情況，地面設備發送安控指令，器載數據鏈收到指令后驅動安控裝置執行自毀，同時通過RS-422接口轉發至飛控計算機。

在發射階段，若需要終止發射流程，可先發送指令使飛行器火工品與發動機點火回路進入保護狀態，隨后按照自檢完成后相同的指令發送流程使飛行器進入休眠狀態，隨后由操作人員插入休眠管制銷，使器載數據鏈斷電，實現全器斷電。

2 無線通信鏈路設計

在野外發射場景下，由于沒有防護掩體，試驗人員與飛行器之間需要更遠的安全距離，以保證發射時的人員安全。根據本文中飛行器的設計要求，在無線鏈路通視無遮擋時，需要保證不低于1 km的測發控通信距離和不低于80 km的安控指令上行距離。針對此需求，分別對遙控鏈路和遙測鏈路的性能指標進行設計。

根據無線通信距離計算公式，上行鏈路通信應滿足式(1)：

Pr1≤Pt1+Gt1-LFS1+Gr1-R

(1)

根據現有設備的性能，Pr1為器載數據鏈的接收靈敏度，在碼速率20 kbps，誤碼率低于1×10-6時，優于-117 dBm；Pt1為地面數據鏈發射功率，本文設計采用2 W功放；Gt1為定向伺服天線增益，波束角15°內不低于14 dB；Gr1為遙控天線增益，波束角170°內不低于-6 dB；R為信道余量，根據經驗選取6 dB，LFS為空間自由損耗，計算參照公式(2)：

LFS1=32.44+20lgd1+20lgf1

(2)

其中：d1為遙控鏈路通信距離，單位為km，f1為L頻段遙控射頻載波頻率，對公式(1)與公式(2)進行整理，得到：

20lgd1≤Pt1+Gt1-32.44-20lgf1+Gr1-Pr1-R

(3)

經過計算得到，上行遙控鏈路通信距離最長為100 km，滿足測發控通信距離不短于1 km和安控指令上行距離不短于80 km的要求。在飛行器飛行過程中，通過多站接力可實現飛行全程安控指令的上行發送。

參照式(3)，下行遙測鏈路的通信距離d2可通過式(4)計算：

20lgd2≤Pt2+Gt2-32.44-20lgf2+Gr2-Pr2-R

(4)

根據現有設備的性能，Pr2為地面數據鏈的接收靈敏度，在碼速率5 Mbps，誤碼率低于1×10-4時，優于-124 dBm；Pt2為器載數據鏈發射功率，本文設計采用5 W功放；Gt2為遙測天線增益，波束角130°內不低于14 dB；Gr2為定向伺服天線增益，波束角15°內不低于15 dB；f2為S頻段通用遙測射頻載波頻率。

經過計算得到，下行鏈路通信距離最長為200 km，滿足測發控通信距離不短于1 km的要求。

最后，通過拉距試驗，驗證了計算的通信距離與實際通信距離一致，滿足設計要求。試驗場景如圖2所示。

圖2 拉距試驗場景

3 器載數據鏈設計

器載數據鏈作為飛行器與地面設備上行遙控指令和下行遙測數據通信處理的重要載體，是無線測發控系統的核心設備。為實現飛行器上電自檢后的長時間休眠，器載數據鏈需要具備低功耗休眠功能，并在喚醒后能夠控制全器設備上電。由于現有器載遙測設備不具備此功能，需要針對需求進行設計。本文設計的器載數據鏈的內部組成與連接關系如圖3所示。

當控制電池通過休眠供電支路為器載數據鏈提供休眠供電時，休眠/喚醒模塊中的低功率二次電源向帶通濾波器、載波檢測芯片與控制芯片供電，高功率二次電源模塊不對外供電。因此，除休眠/喚醒模塊外，其他模塊斷電，器載數據鏈的處于“休眠”狀態。由于低功率二次電源、載波檢測芯片與控制芯片均選用低功耗元器件，休眠/喚醒模塊的休眠功耗維持在50 mW以內。此時，器載數據鏈通過遙控天線接收射頻信號，經過帶通濾波器濾波后選擇遙控射頻信號頻帶內的信號發送至載波檢測芯片，進而將信號強度轉換為電壓模擬量，發送至控制芯片，由控制芯片采集并判斷信號強：

1)當信號強度超過設定的閾值時，控制芯片向高功率二次電源模塊發送的供電控制指令變為“有效”狀態，高功率二次電源模塊開始向功放濾波模塊、上下變頻模塊、基帶模塊、處理器模塊、繼電器驅動模塊和安控指令模塊供電，器載數據鏈被喚醒，處理器模塊將器載數據鏈自身的遙測數據，經過基帶模塊、上下變頻模塊和功放濾波模塊的編碼、調制和功率放大后，轉換為射頻信號，通過遙測天線發送；對遙控天線接收的射頻信號，經過功放濾波模塊、上下變頻模塊和基帶模塊的功率放大、解調、解擴和解碼后，發送至處理器模塊進行指令識別，當識別到“喚醒”指令時，處理器模塊向高功率二次電源模塊發送的供電保持指令變為“有效”狀態并維持，使高功率二次電源模塊保持供電輸出狀態，器載數據鏈將保持“喚醒”狀態；

2)若接收到的射頻信號是與遙控射頻信號頻帶內的干擾信號或是其他的遙控指令，則供電保持指令保持“無效”狀態，控制芯片設定在收到遙控射頻信號頻帶內信號的強度低于閾值10 s后，供電控制指令變為“無效”狀態，此時高功率二次電源模塊停止供電輸出，器載數據鏈恢復“休眠”狀態。

器載數據鏈喚醒后，當收到飛行器上電指令時，處理器模塊通過繼電器驅動模塊驅動電池并網繼電器閉合，實現全器上電，此時飛控計算機向器載數據鏈供電。中心程序器上電后開始向器載數據鏈發送有線PCM數據，經過接口模塊的電平轉換后由處理器模塊接收，并將有線PCM數據與自身遙測數據進行組幀，經過處理后，通過遙測天線發送。處理器模塊將收到的測發控指令通過接口模塊由RS-422接口轉發至飛控計算機和火工品管制器，當收到安控指令時，對指令內容進行校驗后，安控指令模塊使用RS-422接口向安控裝置發送安控指令，實現飛行器自毀，同時還會將安控指令轉發至飛控計算機。

在器載數據鏈收到飛行器斷電指令后，處理器模塊通過繼電器驅動模塊驅動電池并網繼電器斷開，此時飛控計算機不再向器載數據鏈供電。收到“休眠”指令時，處理器模塊將供電保持指令變為“無效”狀態，待休眠/喚醒模塊中控制芯片收到遙控頻帶內射頻信號的強度低于閾值10 s后，供電控制指令變為“無效”狀態，此時高功率二次電源模塊停止供電輸出，器載數據鏈進入“休眠”狀態，直至休眠供電支路不再供電時，器載數據鏈斷電。

4 地面數據鏈設計

4.1 防護結構設計

為適應野外的惡劣環境，地面數據鏈在工作過程中需要具備防風、沙、微量降雨和耐高溫防等環境防護能力，同時兼具部署迅速的特點。根據使用的環境條件，地面數據鏈采用設備與包裝箱一體化設計方式，具備部署迅速的優點，如圖4所示。

圖4 地面數據鏈實物

針對防護需求，包裝箱采用抗老化的改性PP材料通過注塑工藝成型，在頂蓋閉合狀態下具備抗重壓、防水與防撞擊等特性，達到IP67防護等級。上位機選用加固計算機，具備IP53防護等級，通過卡扣固定在接口面板上，方便快速拆卸和安裝。電源轉換模塊、蓄電池、數據鏈模塊與功放模塊經過三防加固后，通過減振支架固定在包裝箱內。電源開關、加解密接口、有線遙測接口和射頻接口的電連接器布置在接口面板上，均選用具有三防特性的加固產品。接口面板與包裝箱之間的縫隙通過密封條密封，防止沙塵或雨水在頂蓋開啟的狀態下進入包裝箱內。散熱風扇和充電模塊安裝于接口面板背部，接口面板預留通風口，可通過風扇主動散熱，以便在野外的高溫環境中使用。

在沙塵或小雨環境中使用時，可斷開外部電源，使用地面數據鏈自帶的蓄電池供電，并將包裝箱的頂蓋打開約20°，防止沙塵或雨水通過通風口進入包裝箱，如圖5所示。

圖5 地面數據鏈防護運行狀態

4.2 功能設計

地面數據鏈組成與連接關系如圖6所示。充電模塊通過外接220 V交流電源為包裝箱內部的蓄電池充電，在充電和使用過程中可顯示蓄電池的剩余電量。電源轉換模塊可分別使用外部220 V交流、直流電源和包裝箱內的蓄電池作為供電輸入，為數據鏈模塊、功放模塊、上位機與風扇供電，供電輸入的通斷狀態通過接口面板的電源開關控制。數據鏈模塊通過網絡接口與上位機通信，通過射頻接口和控制接口與功放模塊連接，并將加解密接口及有線遙測接口通過電纜引出至接口面板的電連接器。上位機向數據鏈模塊發送配置參數，并接收數據鏈模塊的參數反饋。數據鏈模塊通過控制接口控制功放模塊的開關狀態。

圖6 地面數據鏈組成與連接關系

在發送上行遙控指令時，上位機通過網絡接口收到指控機發送的遙控指令后，轉發至數據鏈模塊，經過編碼、擴頻和調制后，發送至功放模塊進行功率放大后輸出。

在收到遙測信號后，數據鏈模塊進行解調和解碼，并將處理后的遙測數據發送至上位機，由上位機通過網絡接口實現數據組播發送。數據鏈模塊也可通過有線遙測接口接收有線遙測數據并轉發至上位機。若遙測數據被加密，數據鏈模塊可以通過加解密接口與外部的加解密機通信，實現數據解密。

5 火工品管制與測量設計

5.1 火工品管制設計

在本文設計的無線測發控系統中，使用火工品管制器負責器上火工品的短路保護。為增加飛行器在裝配、測試與運輸過程中火工品保護的可靠性，設置多級火工品管制措施，防止由于單級管制故障或地面誤發火工品發火指令，造成火工品誤發火。器載火工品管制設備的連接關系如圖7所示。

圖7 器載火工品管制與發火設備連接關系

火工品電源由器載控制電池供電，從供電至火工品發火支路經過3級管控。由于發動機誤點火將引起重大安全事故，發動機點火支路增加1級管控，采用4級管制，管制層級關系如下：

1)控制電池向飛控計算機提供火工品供電，飛控計算機通過RS-422接口接收器載數據鏈的遙控指令，通過電磁繼電器對自身火工品供電正母線和負母線進行通斷控制，在飛行器裝配、測試與運輸過程中，正負母線均斷開；在進入火工品測試和發射流程時，正負母線接通；

2)飛控計算機根據接收的遙控指令或飛行控制時序，對各火工品發火支路進行單獨控制，以按需實現點火等動作；

3)火工品管制器通過RS-422接口接收器載數據鏈的指令，實現各火工品支路的短路保護與解除保護狀態切換，在短路保護時，將火工品供電輸入的正極與負極短接，防止靜電或非期望供電造成火工品誤發火；在解除保護時，將火工品的正極與火工品發火供電支路的正極接通，可按需進行火工品發火；

4)在火工品管制器的發動機點火支路增加了發動機安全銷，對發動機點火頭進行短路保護，由火工品管制器控制發動機安全銷的保護狀態，在短路保護時，發動機安全銷將發動機點火頭的正極與負極短接，防止發動機誤點火；在解除保護時，發動機安全銷將發動機點火頭的正極與發動機點火支路的正極接通，實現發動機點火。

5.2 測量設計

為實現器載設備狀態的實時監測，在飛控計算機中設置測量電路，對控制電池輸出電壓、火工品母線輸出電壓以及火工品發火支路的供電狀態進行測量。在火工品管制器中設置測量電路，對發動機安全銷的短路保護狀態進行測量。

中心程序器負責接收測量數據并進行編碼，發送至器載數據鏈，繼而通過遙測信號發送至地面設備進行監測。

6 試驗結果與分析

通過飛行器的飛行試驗，對本文設計的無線測發控系統進行了驗證。

6.1 飛行試驗測發控流程

飛行試驗的測發控流程如下：

1)飛行器在發射陣地通過發射架起豎后，拔下休眠管制銷，使飛行器由斷電狀態進入休眠狀態；

2)在距離飛行器1.5 km遠的操作場地布置地面設備，并將定向伺服天線對準飛行器；

3)通過地面設備發送指令使飛行器喚醒，開始上電自檢流程；

4)在自檢完成后，地面設備發送指令使飛行器休眠，隨后等待發射命令；

5)在收到發射命令后，地面設備發送指令使飛行器喚醒，隨后完成發射流程；

6)在飛行過程中，指控機根據地面數據鏈接收的遙測數據實時解析出飛行器的位置，并驅動定向伺服天線指向飛行器，若飛行狀態出現異常，則立刻發送安控指令。

6.2 飛行試驗結果分析

在飛行試驗飛行器自檢和發射流程中，測發控指令執行全部正常，未出現指令無響應情況；自檢和發射流程之間的低功耗休眠時間約35 min。由于飛行器全程飛行正常，因此未驗證安控指令上行功能。在飛行器發射后，定向伺服天線持續跟蹤飛行器，直至飛行器飛行距離增加導致遙測信號誤碼率提高，指控計算機無法解析飛行器的實時位置時切換為根據預裝飛行軌跡程控跟蹤。

通過統計發射前遙測數據誤碼率，驗證遙測數據接收正常。下行遙測數據誤碼率統計如表1所示。

表1 下行遙測數據誤碼率統計

通過在下行遙測數據中回傳上行遙控指令并加入校驗，能夠準確獲取飛行器接收的上行遙控指令數據，并與地面存儲的上行遙控指令數據對比，實現上行通信鏈路的誤碼率統計。在發射前，上行遙控指令全部正確傳輸，結合填充數據進行誤碼率統計如表2所示。

表2 上行遙控指令誤碼率統計

7 結束語

本文針對飛行器在野外發射的場景，設計了一種適用于野外部署的無線測發控系統，具有部署時間短、發控距離遠、待命時間長和具備安控指令上行功能的特點，并完成了飛行器的飛行試驗任務，測發控功能全部正常。但本文設計的無線測發控系統仍存在改進之處，如地面設備集成度較低，后續可將地面數據鏈與定向伺服天線進行一體化設計；地面設備中交換機通過網線與指控機和多臺顯示機連接并通信，鋪設復雜，后續可替換為無線網絡的通信形式。

該方案除應用于飛行器的野外發射場景外，也可應用于小型固體火箭飛行器的飛行試驗，能夠顯著提高對于發射場的環境適應能力。