(中國人民解放軍 92941部隊，遼寧 葫蘆島 125001)

0 引言

當前，對高速移動目標實施遙測任務的主要平臺有遙測地面站、遙測船載站以及遙測機載站等。遙測地面站和遙測船載站受視距影響較大，對低空目標作用距離短，對于大航程低空目標的全程測量需要布置多個測控站采用接力方式進行保障，保障設(shè)備數(shù)量需求多，保障難度較大；采用遙測機載站方式，可以通過升空解決視距限制，提高對低空目標的跟蹤距離，是對大航程低空目標跟蹤的有效方式，但飛機建設(shè)、飛機改造和單次使用成本均較高，且遙測機載站接收到的數(shù)據(jù)不能實時處理，時效性較差。

固定翼無人機技術(shù)近年來發(fā)展迅速，在戰(zhàn)場偵查、情報收集、遠程打擊中發(fā)揮了重要作用?？梢宰鳛檫b測中繼轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備平臺，通過和遙測地面站的搭配使用，提高對遠程低空目標的遙測能力。使用中高空固定翼無人機進行遙測中繼轉(zhuǎn)發(fā)測量具有多個特點：一是覆蓋范圍廣，中高空固定翼無人機一般可在7 000～14 000 m高度飛行，可以極大的提高遙測系統(tǒng)覆蓋范圍，可達近400公里。以2018年珠海航展的無人機為例，翼龍-II無人機飛行高度可達9 000 m，彩虹7無人機巡航高度可達9 000～13 000 m，云影無人機巡航高度可達14 000 m。二是留空時間長，固定翼無人機動輒幾十個小時的連續(xù)飛行時間，遠遠超出了有人測控飛機的留空時間。翼龍-II無人機持續(xù)飛行時間可達20多小時，彩虹5無人機持續(xù)飛行時間可達40小時，云影無人機持續(xù)飛行時間可達6小時。三是與傳統(tǒng)遙測機載站相比，中繼轉(zhuǎn)發(fā)測量系統(tǒng)體積小、重量輕、加裝方便。傳統(tǒng)測控飛機需要使用機艙內(nèi)空間加裝大量的測控裝備、操控臺和相關(guān)人員保障設(shè)施，遙測中繼轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)只需保留其中的天線、數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)和配套保障系統(tǒng)即可，可以大大減小體積和重量。四是使用成本低、保障簡單。相比較有人飛機的飛行條件和保障設(shè)施、無人飛機具有價格便宜、運行維護成本低、起降要求簡單等優(yōu)點。因此，固定翼無人機是一種性能優(yōu)異、值得研究的新型遙測中繼平臺。五是可以與現(xiàn)有遙測地面站、遙測船載站配合接力使用，提高現(xiàn)有裝備的使用效益。

本文第一部分簡要介紹提出基于固定翼無人機的遙測中繼轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)背景，并簡要分析了該技術(shù)的突出優(yōu)點；第二部分對組成該系統(tǒng)的無人機平臺系統(tǒng)、遙測中繼系統(tǒng)、遙測地面站三大部分進行簡要介紹；第三部分對該系統(tǒng)的總體設(shè)計技術(shù)、無人機平臺選型設(shè)計、相控陣天線選擇和設(shè)計、中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式設(shè)計以及相控陣天線自跟蹤技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)進行了初步分析，并簡要給出了解決思路。

1 基于中高空無人機的遙測中繼系統(tǒng)設(shè)計

無人機遙測中繼系統(tǒng)主要由無人機平臺、遙測中繼設(shè)備、遙測地面站三大部分組成，工作示意圖如圖1所示。

圖1 基于無人機的中繼測控系統(tǒng)工作示意圖

以下分別對三個部分進行簡要介紹。

1.1 無人機平臺

無人機平臺包括無人機和地面控制設(shè)備?？梢愿鶕?jù)實際任務需求，選取市場現(xiàn)有的中高空無人機進行加改裝實現(xiàn)。無人機作為遙測中繼系統(tǒng)的飛行平臺，需要具備一定重量的承載能力和任務載荷空間；需要為遙測中繼系統(tǒng)提供供電保障、并為遙測中繼系統(tǒng)提供實時位置、姿態(tài)信息；需要根據(jù)無人機外形進行遙測天線設(shè)計和加改裝。

1.2 遙測中繼系統(tǒng)

遙測中繼設(shè)備安裝在無人機平臺，主要由遙測接收天線、遙測中繼轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備、遙測發(fā)射天線、航姿測量設(shè)備等組成。系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 遙測中繼系統(tǒng)組成示意圖

1.2.1 遙測接收天線

用于接收導彈發(fā)出的遙測數(shù)據(jù)信號，采用相控陣天線方式，安裝在飛機頭部和下部，搭接完成對目標的遙測接收任務。根據(jù)無人機選型情況，無人機頭部方向可以采用二維掃描相控陣加透波天線罩防方式，機體下部采用一維或者二維掃描相控陣天線方式實現(xiàn)。

1.2.2 遙測中繼轉(zhuǎn)發(fā)處理系統(tǒng)

由一體化綜合射頻系統(tǒng)組成，用于接收天線發(fā)送的射頻信號，采用中頻轉(zhuǎn)發(fā)的方式將遙測信號轉(zhuǎn)發(fā)為另一個頻點進行發(fā)送。系統(tǒng)接收相控陣天線的遙測射頻信號，進行低噪聲放大、濾波、下變頻、AGC放大和分路，其中一路依次完成射頻(f1)放大、射頻(f1)濾波、下變頻、中頻濾波、AGC放大、分路、中頻濾波放大、上變頻、射頻(f2)濾波、放大，隨后再經(jīng)功率放大和收阻濾波輸出給遙測發(fā)射天線。另一路信號進入數(shù)據(jù)記錄器進行記錄，可用于事后處理。

1.2.3 遙測發(fā)射天線。

用于將轉(zhuǎn)發(fā)后的遙測信號重新向地面設(shè)備發(fā)送。天線可以采用全向微帶天線方式，具有體積小、功率低、安裝便捷的特點。

1.2.4 航姿測量設(shè)備。

航姿測量設(shè)備主要由捷聯(lián)慣性測量組合和天線GNSS等組成，實時、高精度測量載體的位置、速度及姿態(tài)等，用于為系統(tǒng)跟蹤目標提供支持。當無人機位置姿態(tài)測量數(shù)據(jù)精度滿足遙測中繼系統(tǒng)跟蹤需求時，也可直接使用無人機的位置姿態(tài)信息數(shù)據(jù)。

1.3 遙測地面站

遙測地面站用于對中繼遙測系統(tǒng)發(fā)送的目標信號進行接收處理。采用現(xiàn)有遙測地面站或遙測艦載站即可完成，不需重復建設(shè)。

2 基于中高空無人機的中繼測控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

基于中高空無人機的中繼測控系統(tǒng)是一種新的測控系統(tǒng)實現(xiàn)方式，系統(tǒng)總體設(shè)計時，首先需要根據(jù)實際測量需求和作用距離分析確定無人機平臺的飛行高度和速度，確定無人機平臺的選型；然后根據(jù)無人機平臺的飛行參數(shù)和空間、載荷、供電等能力，確定系統(tǒng)需達到的體積、重量、功耗等總體約束條件；進而完成系統(tǒng)總體設(shè)計，形成系統(tǒng)總體設(shè)計方案和無人機平臺加裝方案。

系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)時需要重點解決解決無人機選型及加改裝、遙測接收天線設(shè)計、中繼轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)計等若干關(guān)鍵技術(shù)，以下給出幾個核心關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 無人機平臺選型

為了完成對目標的跟蹤測量，需要根據(jù)測量需求合理確定無人機平臺的飛行高度。設(shè)計時需要綜合分析被跟蹤目標的飛行高度、飛行距離和飛行速度，計算出需完成測量的任務包絡，再根據(jù)測任務包絡確定無人機的最低飛行高度和飛行速度，并最終完成無人機平臺的選型。

國際通用遙測系統(tǒng)采用S頻段微波信號，其作用距離主要受到無線電視距影響和鏈路電平的限制。無線電視距是指在發(fā)射和接受天線之間保持無障礙通信的最大距離，它與地球曲率、大氣折射、地面反射、氣候、地形等諸多因素有關(guān)。在沒有地形地物遮擋的情況下，可以僅考慮地區(qū)曲率的影響進行計算，公式為：

(1)

式中，h1，h2分別為發(fā)射天線和接收天線的海拔高度，單位為m；R為視距距離，單位為km。根據(jù)公式可以得到被測目標與中繼測量系統(tǒng)無線電視距和目標飛行高度的關(guān)系，也可得出中繼測量系統(tǒng)與地面測控站之間的距離和飛行高度的關(guān)系。根據(jù)此公式，在確定測控目標的飛行包絡，地面測控站擬選位置后，可以確定出最小視距，從而可以得出無人機平臺的最低飛行高度。

無人機平臺選型時，還需考慮無人機速度對測量的貢獻率。無人機飛行速度越快，速度對跟蹤距離的貢獻率越大，跟蹤目標的時間越長，當無人機飛行速度不小于被測目標飛行速度時，無人機可以進行全程伴隨測量。

影響無人機平臺的主要參數(shù)包括無人機飛行的高度、速度、載荷空間和重量等因素。這些參數(shù)主要由無人機的尺寸和發(fā)動機類型決定?？捎糜诔休d中繼測控系統(tǒng)的中高空固定翼無人機主要采用活塞式航空發(fā)動機或燃氣渦輪發(fā)動機。通常中高空長航時無人機采用活塞式航空發(fā)動機，具有燃油經(jīng)濟效能高、飛行時間長、飛行高度適中、飛行速度慢等特點。該類型無人機巡航高度一般為3 000～9 000 m，巡航速度一般為150～250 km/h。高空無人機一般采用燃氣渦輪發(fā)動機，具有飛行時間長、飛行高度高、飛行速度快等特點。該類型無人機飛行巡航高度一般為10 000 m以上，巡航速度一般可達400～600 km/h。無人機尺寸和載荷能力為正比例關(guān)系，無人機體積越大，可承載的載荷空間和重量越大。一般中大型無人機的載荷能力可以達到150～400 kg，有些甚至可以達到1 000 kg。這里列舉幾型無人機供參考使用。

無人機型號彩虹-4B翼龍-II云影翼展18m20.5m17.8m載荷能力350kg480kg400kg飛行高度7000m9000m14000m最大速度180km/h370km/h620km/h最大航程3500km4000km約3000km續(xù)航時間30h20h6h起飛重量1330kg4200kg3000kg說明:數(shù)據(jù)來源于網(wǎng)絡公開報道

2.2 相控陣天線選擇設(shè)計和仿真分析

2.2.1 相控陣天線選擇和設(shè)計

中繼測控系統(tǒng)設(shè)計時，高增益天線是影響系統(tǒng)測控能力的核心指標、是影響系統(tǒng)體積和重量的核心內(nèi)容，對無人機平臺選型和加改裝具有十分重要的意義。因此在完成無人機選型后，應優(yōu)先進行系統(tǒng)天線的設(shè)計工作。

測控系統(tǒng)分析時，作用距離公式一般可以采用如下公式進行計算：

(2)

綜合考慮系統(tǒng)使用的載荷約束、大掃描角度跟蹤等要求，基于無人機平臺的中繼測控系統(tǒng)可以采用數(shù)字相控陣天線模式，在實現(xiàn)高增益的同時，采用相位控制的方式實現(xiàn)對測控目標的跟蹤。無人機通常處于被跟蹤目標上方，對飛行在其下方或者側(cè)下方的目標進行跟蹤。相控陣天線主要覆蓋無人機前下方、下方或側(cè)下方。為減少對無人機氣動布局和飛行性能的影響，根據(jù)無人機機身形狀和載荷空間，可以采取兩種天線加裝方式。一種是將天線加裝在無人機內(nèi)部，并在天線外部加裝透波天線罩；另一種是將天線加裝在無人機機身外部，采用共型天線直接貼裝在無人機蒙皮上。通常無人機在頭部設(shè)置有任務載荷空間，機身頭部可以采用二維相控陣掃描天線+透波天線罩方式，完成對前下方范圍的覆蓋；無人機機身面積較大，可以在無人機機身下方和側(cè)下方采用與機身共型的一維相控陣掃描天線方式，完成對無人機下方或側(cè)下方范圍的覆蓋。典型條件下、系統(tǒng)天線覆蓋范圍如圖3所示。

圖3 無人機中繼測控系統(tǒng)天線威力覆蓋范圍示意圖

2.2.2 相控陣天線仿真分析

無人機頭部空間小，對天線尺寸限制大，重點對無人機頭部安裝的二位相控陣掃描天線和天線跟蹤不同碼率典型目標威力進行仿真計算和分析。可以得出，當采用直徑600 mm圓形二維相控陣掃描天線時，低碼率遙測中繼威力可以與無人機對低空目標的通視距離基本相當。相控陣天線法向和30°掃描方向的方向圖仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 相控陣天線仿真方向圖

相控陣天線對不同碼速率目標跟蹤威力仿真計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 相控陣天線對不同碼率目標跟蹤威力圖

2.3 中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式設(shè)計

遙測中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝備的轉(zhuǎn)發(fā)體制可分為透明轉(zhuǎn)發(fā)和再生轉(zhuǎn)發(fā)兩種。透明轉(zhuǎn)發(fā)是轉(zhuǎn)發(fā)器通過濾波、變頻、放大等手段，對接收的弱信號進行增強，最終轉(zhuǎn)發(fā)至末端接收設(shè)備，整個過程只是頻譜搬移，無信號處理過程；再生轉(zhuǎn)發(fā)則是轉(zhuǎn)發(fā)器先解調(diào)接收信號，再將解調(diào)信息按終端需求的格式調(diào)制后輸出。透明轉(zhuǎn)發(fā)方式簡單，成本較低，對轉(zhuǎn)發(fā)信號格式無要求。轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲與轉(zhuǎn)發(fā)信號復合，影響末端接收性能；透明轉(zhuǎn)發(fā)器無信號處理設(shè)備，不能作為空基測控站使用。再生轉(zhuǎn)發(fā)從邏輯上等效為兩套收發(fā)設(shè)備，需要增加信號處理設(shè)備，對轉(zhuǎn)發(fā)信號格式有要求，相對復雜，成本較高。但是再生轉(zhuǎn)發(fā)形式轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲不會傳遞至末端接收，可有效提高鏈路距離；再生轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備可以作為空基測控站使用；

一般在滿足測控距離的條件下，可以采用透明轉(zhuǎn)發(fā)的方式，以降低系統(tǒng)復雜度和成本，減小系統(tǒng)重量和空間。無人機載中繼測控系統(tǒng)具體中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式需要根據(jù)實際任務需求、設(shè)備復雜度、無人機載荷重量和空間約束以及效費比等方面綜合考慮設(shè)計。

2.4 微系統(tǒng)技術(shù)

根據(jù)系統(tǒng)任務需求，中繼測控系統(tǒng)需要實現(xiàn)遙測接收、轉(zhuǎn)發(fā)、存儲、位置、航向、姿態(tài)測量、系統(tǒng)工作狀態(tài)數(shù)據(jù)采集等功能，系統(tǒng)功能較多，在進行系統(tǒng)設(shè)計時，載荷重量直接影響無人機平臺的選型與設(shè)計實現(xiàn)，對載荷的尺寸重量等提出了異?？量痰囊螅虼诵枰谙到y(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)時，需要采用微系統(tǒng)技術(shù)對載荷進行綜合化、輕量化、小型化設(shè)計。在結(jié)合芯片化、微組裝等微系統(tǒng)技術(shù)進行系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)時，首先采用理論模型、仿真優(yōu)化和測試驗證三者的有機結(jié)合的方案開展，重點基于立體互聯(lián)微組裝集成工程化技術(shù)，采用三維SiP封裝技術(shù)，將射頻前端進行整體設(shè)計，并進行模塊化封裝，然后與基帶采集處理系統(tǒng)模塊、天線進行集成，這種封裝集成方案可極大的縮短天線到基帶采集處理模塊的距離，使信號處理模塊要盡可能的靠近天線，這種集成方式可以簡化設(shè)計、降低能耗、提高系統(tǒng)可靠性，實現(xiàn)了射頻系統(tǒng)小型化，輕量化設(shè)計的要求。

2.5 相控陣天線自跟蹤技術(shù)

快速穩(wěn)定跟蹤目標是中繼轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，運動中跟蹤的實現(xiàn)，依賴慣導的位置姿態(tài)信息，雷達波控機在引導方式下工作時，接收慣導發(fā)送的位置姿態(tài)信息，解算出目標相對于無人機平臺的方位俯仰角(簡稱甲板角)，并將甲板角作為引導指令角引導飛機指向。

在正常情況下，雷達波控機在無人值守狀態(tài)下工作，自動尋找目標進行跟蹤，因此需要一套完善的自動工作算法流程，稱作自動任務模式，自動任務模式要實現(xiàn)天線伺服系統(tǒng)在自跟蹤狀態(tài)、數(shù)字引導狀態(tài)、搜索狀態(tài)之間的智能切換。優(yōu)先級順序是自跟蹤狀態(tài)優(yōu)先于數(shù)字引導狀態(tài)，數(shù)字引導狀態(tài)優(yōu)先于搜索狀態(tài)。

天線首先處于等待點等待目標出現(xiàn)，若滿足自跟蹤條件，則系統(tǒng)自動切入自跟蹤狀態(tài)對目標進行自動跟蹤；若不滿足自跟蹤條件，但是數(shù)字引導信息有效，滿足數(shù)字引導條件，則系統(tǒng)自動切入數(shù)字引導狀態(tài)對目標進行跟蹤；若不滿足自跟蹤條件，并且數(shù)字引導信息無效，則系統(tǒng)自動切入搜索狀態(tài)對目標進行跟蹤。為了防止在臨界點時系統(tǒng)在自跟蹤狀態(tài)和數(shù)字引導狀態(tài)或搜索控制狀態(tài)之間反復切換，自跟蹤狀態(tài)的判據(jù)應加入滯回區(qū)間。在自動任務模式下，波控機可以在數(shù)字引導狀態(tài)或者搜索狀態(tài)下穩(wěn)定過渡到自跟蹤狀態(tài)。

為了確保實際跟蹤效果，也可以考慮加入遠控模式，對波控機的工作方式進行人工干預。遠控計算機通過監(jiān)控鏈路對電子吊艙內(nèi)波控機下發(fā)各種工作方式指令，如自跟蹤、數(shù)字引導、程序控制、搜索和定點指向等，波控機根據(jù)遠控計算機下發(fā)的指令工作，并將工作方式和實時角度信息反饋至遠控計算機顯示。

通過以上自動任務模式和遠控方式，可以保證機載相控陣天線的穩(wěn)定跟蹤。

3 小結(jié)

本文在對現(xiàn)有主要遙測地面站特點進行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合遙測需求，提出了一種基于中高空無人機平臺的新的遙測中繼轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)實現(xiàn)方式，給出了系統(tǒng)的主要組成，簡要分析了系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，并對無人機平臺選型設(shè)計、相控陣天線選擇和設(shè)計、中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式設(shè)計以及相控陣天線自跟蹤技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)進行了初步分析，并給出了解決思路，后續(xù)將開展深入研究，以期此模式盡快得以工程應用。