董齊齊，景艷紅

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

0 引言

遙測是將一定距離外被測對象的參數(shù)經(jīng)過敏感、采集，通過傳輸媒介送到接收地點并進行解調(diào)、記錄、處理的一種測量過程［1-3］。完成上述功能的設備組合稱為遙測系統(tǒng)，它是航天測控系統(tǒng)中的重要組成部分。在運載火箭研制飛行試驗中，遙測系統(tǒng)主要用于獲取火箭內(nèi)部各系統(tǒng)的工作狀態(tài)參數(shù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，為評定火箭的性能和進行故障分析提供依據(jù)。遙測系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接影響火箭的研制進程及費用，影響飛行器性能的改進和提高［4-6］。

1 傳統(tǒng)遙測系統(tǒng)總體架構(gòu)

傳統(tǒng)遙測系統(tǒng)主要由傳輸設備、供配電設備、中間裝置、天饋設備、傳感器、變換器等組成?？傮w架構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)遙測系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture of the traditional telemetry system

傳輸設備一般由采編器和發(fā)射機組成，其作用是完成全箭各種測量參數(shù)的采集、編碼并按預定的幀結(jié)構(gòu)編幀，編幀形成的PCM 群信號經(jīng)發(fā)射機進行頻率調(diào)制、功率放大，送天饋系統(tǒng)輻射，通過無線信道發(fā)送至地面。

供配電設備一般由配電器、換流器、電池等組成，其作用是為箭上傳輸設備、中間裝置、傳感器、變換器等設備提供一次、二次電源，并完成轉(zhuǎn)電、斷電等關(guān)鍵性供配電控制動作。

中間裝置一般由數(shù)字量變換器、模擬量變換器組成，其作用是將被測對象的電量參數(shù)經(jīng)適當?shù)淖儞Q與匹配，使之滿足遙測傳輸設備的要求，實現(xiàn)信號調(diào)節(jié)和接口匹配功能。

天饋設備一般由功分器、天線、高頻電纜組成，其作用是將發(fā)射機輸出的射頻信號向地面輻射，與地面接收設備共同實現(xiàn)箭地之間無線信號的傳輸。

傳感器、變換器的作用是敏感外界環(huán)境中的噪聲、溫度、熱流、壓力以及結(jié)構(gòu)件上的沖擊、振動等信號，并將這些非電量信號轉(zhuǎn)換成符合遙測傳輸設備采編要求的電信號。

隨著新技術(shù)的發(fā)展與應用，遙測系統(tǒng)逐步增加了衛(wèi)星導航接收、圖像壓縮處理、數(shù)據(jù)預處理、天基測控等設備。

2 長征二號丙火箭遙測系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)演變

長征二號丙火箭于1982 年9 月9 日首次發(fā)射成功，至今已服役41年，是中國服役年限最長的火箭。長征二號丙系列火箭遙測系統(tǒng)作為電氣系統(tǒng)的重要組成部分，從二十世紀八九十年代至今經(jīng)歷了3次重要的技術(shù)狀態(tài)變化，單機電路設計由中小規(guī)模集成電路向大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路演變，數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)由低碼率傳輸向高碼率傳輸演變，數(shù)據(jù)采編技術(shù)由集中式采編向分布式采編演變。為了更好地闡述這3 次技術(shù)狀態(tài)變化，將其劃分為第1 代、第2 代、第3代遙測系統(tǒng)，三代遙測系統(tǒng)主要技術(shù)狀態(tài)變化情況見表1。

表1 三代遙測系統(tǒng)主要技術(shù)狀態(tài)比對Tab.1 Comparison of main technical states of the three generation telemetry system

2.1 第1代遙測系統(tǒng)

第1代遙測系統(tǒng)主要應用于二十世紀八九十年代至2007 年前后，時間跨度較大，在此期間，根據(jù)衛(wèi)星需求長征二號丙火箭進行了技術(shù)改進，形成了長征二號丙/SD、長征二號丙/SM 系列改進型火箭，遙測系統(tǒng)也針對總體和其他系統(tǒng)的不同要求進行了更改和補充設計，形成了長征二號丙/SM系列改進型火箭遙測系統(tǒng)。

長征二號丙/SM系列改進型火箭遙測系統(tǒng)傳輸設備采用S 頻段、PCM-FM 體制，傳輸容量為640 kbit/s，衛(wèi)星導航采用單一GPS收星定位模式。系統(tǒng)組成包括高速采編器、S波段調(diào)頻發(fā)射機、中間裝置、供配電設備、信號轉(zhuǎn)接裝置、GPS接收機、傳感器、變換器、箭上電纜網(wǎng)及天饋等。箭上設備布置示意如圖2所示。

圖2 第1代遙測系統(tǒng)箭上設備布置示意Fig.2 Layout of equipment on the first generation telemetry system

傳輸設備包括高速采編器和S 波段調(diào)頻發(fā)射機。數(shù)據(jù)綜合采用了集中采編模式，即中間裝置和傳感器、變換器輸出的信號均送往高速采編器進行采集、編碼并按預定的幀結(jié)構(gòu)完成編幀。由于中間裝置、傳感器、變換器分布在全箭各個部段，如果這些設備與高速采編器直接通信的話，箭上電纜網(wǎng)會非常龐大和復雜，因此增加了信號轉(zhuǎn)接裝置。信號轉(zhuǎn)接裝置的作用是通過內(nèi)部跳線將中間裝置和傳感器、變換器的輸入、輸出信號以及給這些設備供電的一、二次電源電壓信號按類別轉(zhuǎn)接后集中輸出，從而到達簡化箭上電纜網(wǎng)和單機接口的目的。另外，由于傳輸設備碼速率較低，信道資源有限，且?guī)袷讲豢赏ㄟ^編程來調(diào)整，為了滿足總體測量參數(shù)不斷增加的需求，系統(tǒng)采用了信道復用技術(shù)，即利用整流罩分離作為切換點的控制信號，實現(xiàn)了利用同一遙測波道分時段傳輸整流罩三路高頻振動信號和星箭界面沖擊信號。

中間裝置包括交直流信號變換器、交流信號變換器、指令信號變換器、脈沖信號變換器和數(shù)字信號變換器，用來測量控制系統(tǒng)和利用系統(tǒng)的各種電壓、電流、指令、計算機字和平臺加速度表脈沖等，完成遙測系統(tǒng)和控制、利用系統(tǒng)間的信號隔離和變換。

供配電設備包括配電器、換流器、電池。遙測電池為鋅銀蓄電池，經(jīng)由配電器為遙測系統(tǒng)箭上各設備提供28 V 直流電源，換流器將輸入的28 V 直流電源轉(zhuǎn)換成+6 V、±21 V 電源輸出給傳感器、變換器進行供電。

箭上GPS設備包括兩個L波段有源天線、一個主從式GPS接收機及高頻饋線。箭上接收GPS衛(wèi)星信息并進行初步解算，將解算結(jié)果作為被測數(shù)字信號插入遙測PCM 數(shù)據(jù)流中，通過遙測信道下傳至地面站，經(jīng)接收、解調(diào)后，從PCM 數(shù)據(jù)流中提取GPS 信息，再進行精確解算。

此階段長征二號丙火箭成功發(fā)射了返回式衛(wèi)星、美國摩托羅拉公司銥星、地球空間探測雙星等多種軌道衛(wèi)星，獲得了“金牌火箭”的光榮稱號。遙測系統(tǒng)也圓滿完成了二十多次飛行任務，獲取了全程遙測數(shù)據(jù)，為總體進行飛行結(jié)果分析和任務評定提供了強有力的判斷依據(jù)。但是，由于箭上大部分設備為二十世紀八十年代設計的產(chǎn)品，使用的是中小規(guī)模的集成電路和元器件，設計生產(chǎn)和調(diào)試均要花費大量時間，且體積大、質(zhì)量大、元器件進貨困難，隨著時代的進步和電子產(chǎn)品的不斷更新?lián)Q代，箭上的多數(shù)設備都已經(jīng)落伍，并且在執(zhí)行任務的過程中暴露出了各種問題和不足，已不能滿足后續(xù)任務測量需求，因此在2007年開始啟動長征二號丙火箭第2代遙測系統(tǒng)的研制工作。

2.2 第2代遙測系統(tǒng)

第2 代遙測系統(tǒng)主要應用于2007 年至2020 年前后，箭上設備均采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，單機實現(xiàn)了小型化、模塊化設計，整機采用串屜式結(jié)構(gòu)。此階段遙測系統(tǒng)傳輸設備采用S 頻段、PCM-FM體制，傳輸容量為2 Mbit/s，衛(wèi)星導航采用GPS+GLONASS 收星定位模式，箭上增加了圖像測量和數(shù)據(jù)預處理功能。系統(tǒng)組成主要包括中心程序器、遠置單元、S波段調(diào)頻發(fā)射機、數(shù)據(jù)預處理器、圖像壓縮采編處理器、攝像裝置、中間裝置、供配電設備、GNSS接收機、傳感器、變換器、箭上電纜網(wǎng)及天饋。箭上設備布置示意如圖3所示。

圖3 第2代遙測系統(tǒng)箭上設備布置示意Fig.3 Layout of equipment on the arrow of the second generation telemetry system

傳輸設備包括中心程序器、兩臺遠置單元和S波段調(diào)頻發(fā)射機。數(shù)據(jù)綜合采用分布式拓撲結(jié)構(gòu)，即在火箭一級箱間段和二級箱間段各配置一臺遠置單元就近進行電量和非電量參數(shù)的采集、編碼，將采編后的數(shù)據(jù)送往中心程序器。中心程序器為箭上傳輸設備的核心，實現(xiàn)全箭信號采集、綜合編幀，具有平行延時和快記慢發(fā)功能。中心程序器設有8 個高速數(shù)字口，供遠置單元、圖像壓縮采編處理器、數(shù)據(jù)預處理器、GNSS 接收機通信使用。遠置單元設有6 個低速數(shù)字口，供數(shù)字量變換器、脈沖信號變換器、指令信號變換器通信使用。

中間裝置包括直流信號變換器、交直流信號變換器、數(shù)字量變換器、指令信號變換器和脈沖信號變換器，用來測量控制系統(tǒng)和利用系統(tǒng)的各種電壓、電流、指令、計算機字和慣組脈沖量等，完成遙測系統(tǒng)和控制、利用系統(tǒng)間的信號隔離和變換。

供配電設備包括配電器、換流器、電池。遙測電池為鋅銀蓄電池，經(jīng)由配電器為遙測系統(tǒng)箭上各設備提供28 V 直流電源，換流器將輸入的28 V 直流電源轉(zhuǎn)換成+5 V、±15 V 電源輸出給傳感器、變換器進行供電。

由于控制系統(tǒng)要求衛(wèi)星導航接收機定位數(shù)據(jù)參與輔助制導，因此遙測系統(tǒng)采用四分集GNSS接收機進行箭上GNSS數(shù)據(jù)接收處理。GNSS接收機采用64通道接收機，其中，GPS占40通道（10×4），GLONASS占24通道（6×4）。經(jīng)分集處理后選16個（10個GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)、6 個GLONASS 衛(wèi)星數(shù)據(jù)）信號質(zhì)量較高的衛(wèi)星參與解算定位數(shù)據(jù)并下傳。可以獨立接收4副天線信號，并將原始測量數(shù)據(jù)以及接收到的16 顆星的導航電文經(jīng)過打包處理后送入遙測傳輸信道，完成外彈道測量任務，同時將定位數(shù)據(jù)送控制系統(tǒng)進行復合制導。

箭上圖像設備包括安裝于二級尾段和整流罩內(nèi)衛(wèi)星支架上的兩個攝像裝置、安裝于二級箱間段的圖像壓縮采編處理器。圖像壓縮采編處理器按照總體要求對兩幅圖像畫面分時切換，圖像數(shù)據(jù)經(jīng)壓縮后以恒定的512 kbit/s串行碼速率送中心程序器。

數(shù)據(jù)預處理器用于完成箭上兩路沖擊和兩路噪聲信號的源碼存儲、采集、編碼、預處理并將處理后的結(jié)果送入中心程序器。

這個階段長征二號丙火箭成功發(fā)射了遙感系列衛(wèi)星、巴基斯坦雙星、中法海洋衛(wèi)星等多種軌道衛(wèi)星。遙測系統(tǒng)也圓滿完成了三十多次飛行任務，獲取了全程遙測數(shù)據(jù)，為總體進行飛行結(jié)果分析和任務評定提供了強有力的判斷依據(jù)。特別是在2011年火箭發(fā)射失利的情況下，遙測系統(tǒng)獲取的全程遙測數(shù)據(jù)以及圖像數(shù)據(jù)為故障調(diào)查分析順利開展提供了強有力的支撐。在此期間，長征二號丙遙測系統(tǒng)首次應用基于H.264視頻壓縮標準的圖像子系統(tǒng)并首飛成功，首次通過快記慢發(fā)的模式對分離點速變和圖像數(shù)據(jù)進行冗余傳輸。但是，隨著時間的推移，部分設備在生產(chǎn)、調(diào)試、交付等過程中反映出來了一些瑕疵，例如部分電連接器面臨停產(chǎn)，選用的元器件受限于當時條件可擴展性差，發(fā)射機為模擬發(fā)射機，點頻更改復雜，不能實現(xiàn)多次更改，不具備TPC編碼功能，不能適應后續(xù)碼速率提升需求等，因此，在2020 年開始啟動長征二號丙火箭第3代遙測系統(tǒng)的研制工作。

2.3 第3代遙測系統(tǒng)

第3代遙測系統(tǒng)于2020年啟用，主要是在第2代遙測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行了系統(tǒng)升級。升級后遙測系統(tǒng)箭上設備采用產(chǎn)品化模塊，各單機根據(jù)需求由各功能模塊組合而成。箭上設備布置示意如圖4所示。

其中，傳輸設備由新一代中心程序器、遠置單元和數(shù)字發(fā)射機組成，傳輸容量最高可達10 Mbit/s，具備TPC編碼功能，發(fā)射機點頻可設置，取消了遠置單元的數(shù)字量模塊，將其與中心程序器的數(shù)字量模塊進行優(yōu)化整合；新設計的數(shù)字量變換器實現(xiàn)對控制系統(tǒng)十表慣組參數(shù)的測量；通過參數(shù)優(yōu)化將原有3臺模擬量變換器整合成兩臺，并選用了產(chǎn)品化模塊，優(yōu)化原有設計電路，提高了單機的抗干擾能力；選用了通用化低成本攝像裝置。

經(jīng)過系統(tǒng)升級設計后，遙測系統(tǒng)設備配套數(shù)量減少，單機和電纜網(wǎng)質(zhì)量減輕約15 kg；通過采用產(chǎn)品化單機或產(chǎn)品化模塊，縮短了研制生產(chǎn)周期，降低了研制生產(chǎn)成本；通過對各單機電路進行優(yōu)化設計，提高了單機可靠性及系統(tǒng)可靠性。該狀態(tài)遙測系統(tǒng)已經(jīng)過十多次飛行任務考核，均獲取了全程遙測數(shù)據(jù)，后續(xù)將繼續(xù)執(zhí)行各項飛行任務。

3 遙測系統(tǒng)未來發(fā)展方向

隨著國內(nèi)外技術(shù)快速發(fā)展、型號任務復雜、配套產(chǎn)品劇增，傳統(tǒng)的型號主導驅(qū)動、縱向一統(tǒng)到底的研制模式，使得人力資源管理和專業(yè)技術(shù)發(fā)展難以形成合力，系統(tǒng)和單機產(chǎn)品橫向統(tǒng)籌工作面臨巨大的壓力和挑戰(zhàn)。為解決這一難題，實現(xiàn)“型號+產(chǎn)品雙輪驅(qū)動”科研生產(chǎn)模式，需要在系統(tǒng)、單機（含模塊）兩個產(chǎn)品層級，針對架構(gòu)、平臺、型譜、貨架4 個方面，系統(tǒng)性地梳理專業(yè)產(chǎn)品。未來遙測系統(tǒng)將基于統(tǒng)一系統(tǒng)平臺、統(tǒng)一型譜產(chǎn)品進行設計，由信息獲取、數(shù)據(jù)綜合、無線測控和能源管理4個部分組成。

信息獲取由數(shù)據(jù)獲取與融合組成，數(shù)據(jù)獲取涉及有線和無線獲取技術(shù)。產(chǎn)品包括傳感器和變換器、無線傳感器、通用化攝像裝置及圖像壓縮器、數(shù)據(jù)處理裝置等，實現(xiàn)型號需求的力、熱、圖像等各類型非電量參數(shù)的測量、變換和輸出。

數(shù)據(jù)綜合由數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換、路由交換、智能處理、綜合編幀、數(shù)據(jù)存儲和故障檢測幾個細分功能組成，產(chǎn)品包括無線數(shù)據(jù)控制器及各類綜合電子設備，實現(xiàn)外系統(tǒng)模擬量和數(shù)字量信號的采集、變換、傳輸、編幀、計算、存儲等，采用“VPX 架構(gòu)+標準化模塊+定制化背板”，搭建高度集成的通用綜合電子設備。

無線測控由地基測控、天基測控組成，產(chǎn)品包括地基、天基等各類無線傳輸設備，采用獨立的射頻設備完成型號需求的下行數(shù)據(jù)傳輸、上行指令控制等一系列功能。

能源管理由能源供應、轉(zhuǎn)換和控制組成，產(chǎn)品包括型譜化鋰電池、VPX架構(gòu)固態(tài)配電設備及換流轉(zhuǎn)接器等，實現(xiàn)型號需求的箭上設備供電、配電管理、換流轉(zhuǎn)接等功能。

4 結(jié)束語

長征二號丙系列火箭遙測系統(tǒng)從二十世紀八九十年代至今經(jīng)歷了3次重要的技術(shù)狀態(tài)變化并取得了重大技術(shù)成果，隨著國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展及型號任務需求提高，下一代遙測系統(tǒng)將采取統(tǒng)一化的平臺和架構(gòu)，采用通用化、型譜化的貨架產(chǎn)品。