黎剛果，黃開(kāi)達(dá)，劉 峰，汪 洋

(中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001)

0 引言

隨著飛行器射程越來(lái)越大、遙測(cè)數(shù)據(jù)碼率越來(lái)越高、飛行速度越來(lái)越快，試驗(yàn)的重要性越來(lái)越大，試驗(yàn)任務(wù)靶區(qū)的試驗(yàn)危險(xiǎn)區(qū)范圍也越來(lái)越大，陸基和?；臏y(cè)量設(shè)備受視距的影響，將無(wú)法獲得中靶段的遙測(cè)數(shù)據(jù)。

解決這一問(wèn)題，主要有2種方法。一是研究利用中高空的測(cè)量平臺(tái)如無(wú)人中繼平臺(tái)、中高空飛機(jī)和臨近空間飛艇等，并在平臺(tái)上加裝遙測(cè)測(cè)量設(shè)備[1-2]。文獻(xiàn)[1]研究了基于無(wú)人中繼的靶標(biāo)遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)距離200 km目標(biāo)的測(cè)控。文獻(xiàn)[2]針對(duì)無(wú)人機(jī)目標(biāo)的地面統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)，對(duì)機(jī)載及地面測(cè)控設(shè)備的技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了較為詳細(xì)描述，但沒(méi)有研究加裝于靶船的靶載遙測(cè)設(shè)備。采用這種方法雖然可以有效地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)測(cè)控，但是研制成本高，研制周期長(zhǎng)，使用保障復(fù)雜。二是研究加裝于靶船的靶載遙測(cè)系統(tǒng)，采用無(wú)人值守的方式完成導(dǎo)彈中靶段遙測(cè)信號(hào)的測(cè)量。實(shí)現(xiàn)中靶段遙測(cè)數(shù)據(jù)測(cè)量的功能，需要采用遙測(cè)接收、衛(wèi)星授時(shí)定位及FPGA等多種技術(shù)手段。不少學(xué)者已開(kāi)展了相關(guān)技術(shù)研究，文獻(xiàn)[3-7]基于OEM板對(duì)GNSS數(shù)據(jù)處理及相關(guān)功能進(jìn)行了技術(shù)實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[8-11]對(duì)數(shù)字通信及數(shù)字信號(hào)處理相關(guān)的FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了描述。文獻(xiàn)[12-16]對(duì)遙測(cè)接收解調(diào)方法的技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了描述。上述文獻(xiàn)中所研究的技術(shù)應(yīng)用方向不同，但目前沒(méi)有在靶載遙測(cè)設(shè)備方面進(jìn)行應(yīng)用研究。因此，本文融合使用遙測(cè)接收、衛(wèi)星授時(shí)定位及FPGA等多種技術(shù)手段，設(shè)計(jì)了一種小型化靶載遙測(cè)系統(tǒng)，將其加裝于靶船上，用于獲取中靶段遙測(cè)數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)組成與功能

小型化靶載遙測(cè)系統(tǒng)主要由射頻接收設(shè)備、衛(wèi)星授時(shí)定位設(shè)備、數(shù)據(jù)綜合處理設(shè)備和電源等組成如圖1所示，用于完成導(dǎo)彈中靶段遙測(cè)數(shù)據(jù)獲取和靶船位置的定位。射頻接收設(shè)備主要用于完成對(duì)彈上遙測(cè)信號(hào)的接收和下變頻，由于彈上遙測(cè)系統(tǒng)頻段為S頻段，系統(tǒng)射頻接收頻段也為S頻段。衛(wèi)星授時(shí)定位設(shè)備主要用于系統(tǒng)授時(shí)，并完成自身的定位。數(shù)據(jù)綜合處理設(shè)備主要用于完成中頻信號(hào)的解調(diào)，遙測(cè)數(shù)據(jù)處理，時(shí)間信息及定位數(shù)據(jù)的處理，系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。電源為系統(tǒng)進(jìn)行供電。

圖1 小型化靶載遙測(cè)系統(tǒng)組成Fig.1 Components of the miniaturized telemetry system carried by target

1.1 射頻接收設(shè)備

射頻接收設(shè)備用于完成對(duì)彈上S頻段遙測(cè)信號(hào)的接收和下變頻，主要包括天線、低噪聲放大器(LNA)、自動(dòng)增益控制(AGC)和下變頻單元等。天線接收射頻遙測(cè)信號(hào)后，經(jīng)由LNA后送下變頻單元，下變頻單元將射頻信號(hào)下變頻至中頻信號(hào)，將中頻信號(hào)輸出至數(shù)據(jù)綜合處理設(shè)備。

1.2 衛(wèi)星授時(shí)定位設(shè)備

衛(wèi)星授時(shí)定位設(shè)備用于系統(tǒng)授時(shí)，并完成靶船的定位，為事后數(shù)據(jù)處理提供絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)位置，主要由天線、授時(shí)定位單元等組成。天線接收空間的BDS、GPS信號(hào)，送至定位授時(shí)單元。授時(shí)定位單元完成對(duì)天線信號(hào)的接收處理，通過(guò)接收的衛(wèi)星信號(hào)完成對(duì)恒溫晶振的馴服，將授時(shí)定位信息輸出至數(shù)據(jù)綜合處理設(shè)備。

1.3 數(shù)據(jù)綜合處理設(shè)備

數(shù)據(jù)綜合處理設(shè)備用于完成遙測(cè)信號(hào)解調(diào)、遙測(cè)數(shù)據(jù)處理和授時(shí)定位信息的處理，主要由中頻解調(diào)單元、時(shí)間位置信息處理單元和遙測(cè)數(shù)據(jù)處理單元等組成。中頻解調(diào)單元對(duì)射頻接收設(shè)備輸出的中頻信號(hào)進(jìn)行處理，完成載波解調(diào)獲得遙測(cè)PCM信號(hào)，對(duì)遙測(cè)PCM信號(hào)進(jìn)行位同步、幀同步和副幀同步等相關(guān)功能，將同步后的數(shù)據(jù)輸出至遙測(cè)數(shù)據(jù)處理單元。授時(shí)定位信息處理單元接收衛(wèi)星授時(shí)定位設(shè)備輸出的授時(shí)定位信息，處理后保存授時(shí)定位信息，同時(shí)將具有一定格式的時(shí)間信息輸出至遙測(cè)數(shù)據(jù)處理單元。遙測(cè)數(shù)據(jù)處理單元將時(shí)間信息與同步后的遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，形成固定格式的遙測(cè)數(shù)據(jù)幀并保存。

1.4 電源

電源主要完成電源管理、電平轉(zhuǎn)換等功能，通過(guò)寬壓輸入的DC-DC電源轉(zhuǎn)換模塊，將輸入的直流電源轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)其他設(shè)備所需的電平等級(jí)，為系統(tǒng)供電。

2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

由于靶標(biāo)載體安裝位置受限，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)遵循小型化的原則，對(duì)各設(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理布局。電氣接口和通信接口采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)各設(shè)備間的互聯(lián)互通。

2.1 射頻接收設(shè)備

天線采用全向天線，完成S頻段射頻信號(hào)的接收，采用正交對(duì)稱(chēng)振子加極化電橋的方式，對(duì)稱(chēng)振子帶等化波束腔，使得天線不同方位面的方向圖旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性好，口面處加天線罩密封。天線后面另加金屬腔，用于安裝LNA。LNA主要由低噪聲場(chǎng)效應(yīng)管、MMIC放大器和保護(hù)電路等幾部分組成，完成S頻段射頻信號(hào)的低噪聲放大功能。天線輸出接口為N型接口。

下變頻單元用于完成射頻信號(hào)到中頻信號(hào)的下變頻，選擇2次變頻方案，遙測(cè)信號(hào)經(jīng)2次混頻后輸出中頻信號(hào)，其中低本振為低頻窄帶小步進(jìn)頻綜，高本振為S頻段寬帶大步進(jìn)頻綜，帶寬覆蓋S頻段輸入帶寬，2個(gè)本振聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)S頻段寬帶小步進(jìn)頻率覆蓋。下變頻單元通過(guò)串口通信，實(shí)現(xiàn)整個(gè)下變頻單元的控制功能，與天線一起總計(jì)功耗約20 W。

2.2 衛(wèi)星授時(shí)定位設(shè)備

天線選取零相位中心天線，用于完成BDS B1，B3及GPS L1，L2等衛(wèi)星信號(hào)的接收，主要包括天線模塊和射頻前端。天線模塊包含了BDS B1，B3及GPS L1，L2共4個(gè)接收頻段，射頻前端由接收濾波器和LNA組成，將信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、低噪聲放大后送給授時(shí)定位單元。天線輸出接口為T(mén)NC型接口。

授時(shí)定位單元用于完成衛(wèi)星信號(hào)的下變頻及GNSS數(shù)據(jù)的處理，采用授時(shí)定位OEM板卡[3-7]，主要由射頻部分、GNSS接收機(jī)基帶信號(hào)芯片、外部處理器和IO接口等部分組成，完成射頻信號(hào)的下變頻處理、時(shí)鐘產(chǎn)生單元、模擬信號(hào)的數(shù)字化、導(dǎo)航信號(hào)處理、數(shù)據(jù)收發(fā)和接口控制等功能。授時(shí)定位單元通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行通信和控制，通過(guò)1 pps接口輸出1 pps信號(hào)，通過(guò)串口輸出時(shí)間位置信息，與天線一起總計(jì)功耗約20 W。

2.3 數(shù)據(jù)綜合處理設(shè)備

數(shù)據(jù)綜合處理設(shè)備用于完成遙測(cè)信號(hào)解調(diào)、遙測(cè)數(shù)據(jù)處理和授時(shí)定位信息的處理，接收射頻接收設(shè)備輸出的中頻信號(hào)，衛(wèi)星授時(shí)定位設(shè)備輸出的1 pps信號(hào)和時(shí)間位置信息，采用FPGA技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中頻解調(diào)單元、時(shí)間位置信息處理單元和遙測(cè)數(shù)據(jù)處理單元等主要功能單元[8-11]，設(shè)備總功耗約為20 W。

2.3.1 中頻解調(diào)單元

中頻解調(diào)單元為數(shù)據(jù)綜合處理設(shè)備中最為復(fù)雜的一個(gè)單元，主要完成一個(gè)數(shù)據(jù)流中頻遙測(cè)信號(hào)的接收、解調(diào)和同步等功能，包括NCO模塊、濾波器模塊、解調(diào)模塊和同步模塊等[12-17]，其設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 中頻解調(diào)單元設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Design diagram of IF demodulation unit

2.3.1.1 NCO模塊

NCO模塊用于產(chǎn)生可控的正弦波或余弦波，設(shè)計(jì)采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(DDS)[18-20]，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

fout=fclk·K/2N。

(1)

由式(1)可知，DDS輸出信號(hào)的頻率fout由系統(tǒng)工作時(shí)鐘fclk、相位累加器位寬N以及頻率控制字K三個(gè)參量共同決定，通過(guò)控制頻率控制K就可以改變輸出信號(hào)頻率fout。其工作原理為：在輸入時(shí)鐘fclk的驅(qū)動(dòng)下，頻率控制字K在N位相位累加器中進(jìn)行線性累加，得到的相位值之后對(duì)波形ROM存儲(chǔ)表進(jìn)行尋址，輸出相應(yīng)的幅度碼，ROM表里存儲(chǔ)的是一個(gè)周期的波形信號(hào)的采樣幅度量化值，從而得到數(shù)字波形信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)化得到波形不平滑的階梯波，最后再通過(guò)低通濾波器對(duì)其平滑濾波以消除不需要諧波及雜散信號(hào)，就可以得到所需頻率為fout的波形信號(hào)。

2.3.1.2 濾波器模塊

濾波器模塊用于實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信號(hào)的濾波處理，包含無(wú)限沖擊響應(yīng)(FIR)濾波器、積分級(jí)聯(lián)梳狀(CIC)濾波器等功能單元[21-22]。其中FIR濾波器的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(2)

由式(2)可知，F(xiàn)IR濾波器輸出序列只與各輸入有關(guān)，其相位是嚴(yán)格線性的，結(jié)構(gòu)是非遞歸的，所以在理論上和實(shí)際上都是穩(wěn)定的。FIR濾波器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)可采用的基本結(jié)構(gòu)有直接型、級(jí)聯(lián)型和線性相位等三種結(jié)構(gòu)，其中線性相位結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，可以減少所需乘法器數(shù)量。系統(tǒng)中設(shè)計(jì)采用線性相位結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)FIR濾波器。

CIC濾波器包括積分部分和梳狀部分兩個(gè)基本部分，單級(jí)CIC濾波器的傳遞函數(shù)為：

H(z)=HI(z)·Hc(z)=(1-z-DM)/(1-z-1)，

(3)

式中，D為微分延遲，一般取1或2；M為抽取因子。

由式(3)可知，CIC濾波器的實(shí)現(xiàn)只需要加法器、積分器和寄存器，多級(jí)CIC濾波器采用單級(jí)CIC濾波器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)。

2.3.1.3 解調(diào)模塊

解調(diào)模塊用于實(shí)現(xiàn)對(duì)期望基帶數(shù)字信號(hào)的提取，采用叉積鑒頻的方法實(shí)現(xiàn)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

I(n)×Q(n-1)-Q(n)×I(n-1)≈k·s(n)，

(4)

式中，I(n)，Q(n)分別為濾波輸出的I路信號(hào)和Q路信號(hào)；s(n)為期望得到的基帶數(shù)字信號(hào)。其工作原理為：對(duì)I路和Q路信號(hào)進(jìn)行延遲，I路延遲信號(hào)與Q路信號(hào)經(jīng)乘法器進(jìn)行乘積，Q路延遲信號(hào)與I路信號(hào)經(jīng)乘法器進(jìn)行乘積，2個(gè)乘積之差輸出經(jīng)濾波后即可得到基帶信號(hào)。

2.3.1.4 同步模塊

同步模塊用于從基帶數(shù)字信號(hào)中提取期望的串行數(shù)據(jù)信息，主要包括位同步、幀同步和副幀同步等功能單元。位同步從解調(diào)輸出的基帶數(shù)字信號(hào)中提取碼同步時(shí)鐘，進(jìn)行最佳碼元判決，得到串行數(shù)據(jù)信息流，采用數(shù)字鎖相環(huán)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要由積分、碼元判決、鑒相、低通濾波和碼NCO等部件所組成。幀同步接收來(lái)自位同步器的PCM串行信號(hào)和同步時(shí)鐘，按照給定的數(shù)據(jù)幀格式規(guī)范完成數(shù)據(jù)幀格式的提取，產(chǎn)生幀同步脈沖和字同步脈沖以及幀鎖定狀態(tài)指示并輸出。副幀同步在幀同步器同步的基礎(chǔ)上，接收來(lái)自幀同步器的PCM數(shù)據(jù)及定時(shí)信號(hào)，按照給定的數(shù)據(jù)格式規(guī)范完成數(shù)據(jù)副幀格式的提取，產(chǎn)生副幀同步脈沖和副幀鎖定狀態(tài)指示并輸出。

2.3.2 時(shí)間位置信息處理單元

時(shí)間位置信息處理單元用于時(shí)間和位置信息的處理，為遙測(cè)數(shù)據(jù)提供絕對(duì)時(shí)間和同步信號(hào)，主要包括時(shí)間信息處理模塊和位置信息處理模塊。時(shí)間信息處理模塊通過(guò)串口接收時(shí)間信息，按照遙測(cè)數(shù)據(jù)具體幀格式計(jì)算時(shí)間信息輸出頻率，并根據(jù)1 pps信號(hào)進(jìn)行同步，按該頻率將時(shí)間信息輸出至遙測(cè)數(shù)據(jù)處理單元。位置信息處理模塊通過(guò)串口接收位置信息，按照規(guī)定格式對(duì)信息進(jìn)行處理，處理后保存定位結(jié)果。

2.3.3 遙測(cè)數(shù)據(jù)處理單元

當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)施工期間存在較多的項(xiàng)目環(huán)節(jié)，項(xiàng)目成本、質(zhì)量、安全管理、進(jìn)度管理以及控制等方面均存在問(wèn)題。具體而言，在工程項(xiàng)目的推進(jìn)過(guò)程中，施工環(huán)節(jié)存在較多的不確定性影響因素，工程變動(dòng)難免會(huì)影響造價(jià)成本，為企業(yè)帶來(lái)了一定的經(jīng)濟(jì)損失。安裝期間，由于技術(shù)人員沒(méi)有掌握正確的施工技術(shù)，也會(huì)影響工程的推進(jìn)效果，甚至延誤工期，造成不良經(jīng)濟(jì)損失。運(yùn)輸與安裝鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)，也會(huì)因損壞以及污染等問(wèn)題延長(zhǎng)施工進(jìn)度，技術(shù)人員需要重新調(diào)配構(gòu)件，導(dǎo)致工期延誤。工程項(xiàng)目推進(jìn)期間，施工人員需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作，會(huì)受多種因素的影響導(dǎo)致技術(shù)以及安全等問(wèn)題，從而影響鋼結(jié)構(gòu)的施工效果。

遙測(cè)數(shù)據(jù)處理單元用于固定格式遙測(cè)數(shù)據(jù)的組幀處理和記錄，主要包括同步信息處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊。同步信息處理模塊根據(jù)幀同步脈沖、副幀同步脈沖、幀鎖定狀態(tài)和副幀鎖定狀態(tài)等輸入，將遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行組幀并保存至數(shù)據(jù)緩存區(qū)。數(shù)據(jù)處理模塊接收時(shí)間信息處理模塊輸出的時(shí)間信息，同時(shí)讀取緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)，將時(shí)間信息與同步后的遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，形成固定格式的遙測(cè)數(shù)據(jù)幀并保存。

2.4 電源

電源選用便攜式鋰電池包，采用四串八并的結(jié)構(gòu)，電池包總?cè)萘考s512 W·h，系統(tǒng)總功率約60 W，可保證約8 h的使用時(shí)間。電源管理部分主要包括主控模塊、電池保護(hù)模塊、電池均衡模塊和充放電模塊等。

3 系統(tǒng)使用效能分析

根據(jù)如下公式對(duì)系統(tǒng)遙測(cè)作用距離R進(jìn)行計(jì)算：

L=Pt+Gt-L1-Lr-La+Gr-Pr-Pmin，

(5)

L=92.42+20log2.25+20logR，

(6)

無(wú)線電測(cè)量過(guò)程中，測(cè)量設(shè)備和飛行目標(biāo)間視距Rsj計(jì)算公式如下：

(7)

式中，h1，h2分別為測(cè)量設(shè)備和飛行器的高度。

假設(shè)小型化靶載遙測(cè)系統(tǒng)在靶上加裝高度為0 m，則當(dāng)Rsj為16 km時(shí)，飛行器的高度為15 m，這表明系統(tǒng)在16 km處可對(duì)15 m高度的飛行器進(jìn)行有效測(cè)量。一般情況下，當(dāng)飛行器目標(biāo)距靶標(biāo)16 km時(shí)，飛行器高度遠(yuǎn)大于15 m，系統(tǒng)使用不受視距的影響，對(duì)飛行器中靶段可以進(jìn)行有效測(cè)量，彌補(bǔ)陸基和海基測(cè)量設(shè)備的不足。

4 結(jié)束語(yǔ)

小型化靶載遙測(cè)系統(tǒng)融合了遙測(cè)接收、衛(wèi)星授時(shí)定位及FPGA等多種技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了授時(shí)定位和遙測(cè)測(cè)量等功能；射頻接收設(shè)備、衛(wèi)星授時(shí)定位設(shè)備、數(shù)據(jù)綜合處理設(shè)備和電源等主要組成均采用了小型化的設(shè)計(jì)保障了系統(tǒng)的便攜性，適用于靶載使用環(huán)境。系統(tǒng)使用效能分析表明，可以彌補(bǔ)陸基和海基的測(cè)量設(shè)備受視距影響的不足，獲取飛行器中靶段遙測(cè)數(shù)據(jù)，在大射程飛行器試驗(yàn)任務(wù)中具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。此外在小型化靶載遙測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，下一步可以對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用進(jìn)行深入挖掘，結(jié)合光學(xué)攝錄設(shè)備，構(gòu)建光遙一體化系統(tǒng)，完成中靶段遙測(cè)數(shù)據(jù)接收和中靶時(shí)況記錄的任務(wù)。