电子战条件下航天遥测系统设计的思路与建议

(1.解放军91550部队91分队，辽宁 大连 116000；2.中国西南电子技术研究所，成都 610036)

1 引 言

航天遥测系统完成导弹靶场试验、卫星发射、航天器飞行过程中飞行器工作状态参数测量、传输，是航天飞行器试验和运行过程不可缺少的支持系统，遥测系统都由“天、地”两部分即弹(箭、星)载遥测分系统和地面遥测接收分系统通过空间传输构成；而“电子战”(EW)伴随电磁信号在军事行动中的应用而诞生，已成为现代信息化战争的一种主要作战方式。为了阻止敌方航天军事力量形成战斗力，航天遥测信号历来都是电子战的重要目标，航天遥测技术和侦察对抗技术此消彼涨。

电子战技术不断发展的形势对航天遥测系统设计提出了越来越高要求。本文对遥测系统工作原理、技术发展、新型航天器对遥测系统技术需求以及电子侦察对抗技术特点逐一分析，提出了增加反侦察干扰的基于“软件无线电”架构的遥测系统模型，并讨论其关键技术。

2 航天遥测系统及其技术发展

航天遥测系统是航天工程中不可缺少的重要支持系统，在航天飞行器的试验和运行阶段提供获取飞行器内部各系统工作状态和环境参数并传输至地面，作为获取飞行器试验过程工作状态参数的主要手段，在航天器实时飞行监控、性能评定、设计改进方面发挥着不可替代作用。下面从航天遥测系统的组成和原理、技术体制发展历史、被测量特点与需求变化、技术发展方向与面临挑战等几方面进行简单介绍。

航天遥测系统组成包括采集、发送、接收、处理几部分，工作的基本原理是：将待测的非电参数用各传感器转换为电信号(待测量本身是电信号的则不需要此过程)，各路电信号通过信号调理成符合采集规范的信号并按照一定体制形成适合单一信道传输的群信号，再调制发射，接收端接收到信号后进行一系列逆过程，先解调、再恢复出各路遥测信号，遥测信号经过后端数据处理进行显示、记录和判读。从系统工作模式讲，航天遥测系统弹(箭、星)上采用一种广播式发送；地面只要在其发射天线覆盖区域内均可接收，因此，遥测接收站可以与外测和遥控系统统一建固定站，也可以单独建设移动站。

航天遥测起步于20世纪50年代初，目的是将众多遥测参数有效合并起来实现公用信道的传输并保证系统的误码率性能，其发展的几十年历史主要伴随多路传输体制研究和调制体制研究。遥测多路传输体制经历了频分(FDM)、时分(TDM)、数字脉冲编码(PCM)和分包遥测体制几个阶段；调制方式由模拟调制过渡到数字调制。国际上已形成了涵盖遥测系统的相应规范，如CCSDS标准、IRIG标准等。

航天飞行器的被测参数从性质上分为电量和非电量，从特性区分为缓变量和速变量参数。随着航天飞行器系统功能越来越复杂，待测参数越来越多、要求的量化精度也越来越高，带来信息流量增加，要求遥测系统支持的信息流量更高。

PCM-FM是当前航天遥测系统采用的主要体制，随着技术发展，又不断在PCM-FM的基础上逐步发展其它技术。如采用多符号检测(MSD)技术和Turbo乘积码(TPC)技术，大大提升了遥测系统的性能。工程应用表明，同时采用MSD技术和TPC技术相对于传统FM技术可获得8 dB以上的信道增益。另一方面，众多新的调制体制不断应用于遥测系统，如FQPSK-B、FQPSK-JR、SOQPSK-TG等新型体制由于具有频带利用率高等突出特点，也已被列入IRIG-106标准中。在遥测系统工程实现上，通过应用软件无线电(Software Defined Radio,SDR)技术实现测速、测距、测角、遥测、遥控等多功能综合，以统一载波代替原分离设备，并具备软件功能现场重构能力；另一方面，数据中继卫星系统(TDRSS)建立后，导弹、火箭和中低轨卫星的遥测有由“直接对地遥测”向“天基中继遥测”发展的趋势。

3 侦察对抗技术发展

鉴于航天遥测系统在发展航天武器装备过程中的重要作用和地位，特别是遥测参数中包含大量令人感兴趣的工作状态信息，成为窥探航天技术和武器装备发展动态的重要途径。因此，针对航天遥测系统的侦察干扰必然是热点和重点:和平时期，开展侦察手段获取信息，掌握别国航天发展动态；战时，实施干扰，阻止对方获得正确的航天遥测信息，使其不能达到试验目的或不能正确判断航天器状态，阻止对方利用空间。

对航天遥测系统而言，高可靠性、高码率和低误码率是其最重要的指标，为了获得好的性能，总希望弹(箭、星)载分系统发射功率足够并具有宽的对地覆盖能力，火箭和导弹遥测天线往往采用全向覆盖。但是，这也给敌方截获、侦察带来有利条件。目前，针对航天遥测系统的侦察接收主要包括地基、空基的抵近接收方式和卫星侦察方式，如就获取遥测数据而言，还可针对遥测终端的计算机网络窃取数据文件(不属于本文的讨论范围)。

遥测系统只有返向发送的电信号，针对遥测系统的侦察属于电子侦察，其包含两方面目的：一是通过对辐射源定位，测算敌方试验靶场位置和飞行器粗略外弹道特性等参数；二是获取遥测信号内涵信息，从遥测参数判断航天装备的技术水平、发展动态。我们谈遥测系统对抗仅就遥测信号本身的对抗，不考虑航天器平台的对抗或针对接收站的硬打击。从理论上，遥测系统对抗可采取干扰传感器和传输链路，但干扰传感器的实施难度较大，遥测对抗采取主要技术手段还是针对遥测传输链路的干扰。

目前，典型的遥测对抗战法是：平时侦察遥测信号，开展参数测量和信息解调，积累其遥测信号规律和信息处理方法，总结和分析遥测体制；战时依据数据库结合实时测量参数引导干扰设备发射瞄准的干扰信号，干扰方式以装载电子对抗载荷的空基和天基平台进入遥测站接收天线波束或旁瓣实施干扰。由于遥测传输属于一种广播式的传输，在飞行器遥测发射机天线覆盖范围内均可建站接收，遥测系统干扰实施起来并不容易，需要先验信息和辅助情报系统支持，因此，从局部单点设备级干扰无法造成系统性的性能下降和失效，对抗技术已经向系统对抗、网络对抗、体系对抗方面发展。

在电子侦察对抗装备技术方面，也顺应了“软件化”的发展趋势，通过设计具有高度灵活性的通用硬件平台，而将众多功能用软件方式实现，这样可以依据目标特性变化和技术发展进行功能调整和升级，以达到快速形成战斗力的目的。

电子系统的侦察对抗与防护始终处于“矛和盾”的关系，遥测系统技术发展引发对其侦察和干扰技术的研究，侦察对抗能力的提升又必然促使任务功能电子系统设计中充分考虑其抗截获、抗干扰能力，这也是遥测系统设计需要考虑的重要因素。

4 电子战条件下遥测系统设计的思路和建议

如前所述，遥测系统需要支持的信息流量增加，遥测系统设计更追求高码率、低误码、保密性好、抗干扰能力强，下面我们将提出一些思路供参考。

4.1 系统模型

设计遥测系统应优先考虑采用基于“软件无线电”的数字遥测系统方案。自1992年软件无线电的概念首次提出以来，软件无线电技术已经在各种电子系统中发挥了巨大作用。采用软件无线电技术实现遥测系统就是构造一个开放式的标准化通用硬件平台(系统组成如图1所示)，在航天器发射端，遥测参数实现非电信号到电信号转换以后，采集、调理、编码、加密、调制等都可以采用软件方法实现；接收站采用的综合基带是软件无线电技术较好的体现，整个接收站以一种“天线+射频信道+综合基带和计算机”模式组成。这种基于软件无线电技术的遥测系统通过软件升级重新配置，可以实现遥测传输能力扩展、更改传输信号波形、更换编译码方式、更换加密密钥等，因此，只有采用“软件无线电”架构才能很好适应不断增长的遥测需求和技术发展，以极小的代价不断提升遥测系统抗截获、抗干扰能力。

图1 数字遥测系统组成框图Fig.1 Block diagram of digital telemetry system

4.2 降低码率

扩大遥测信道容量以满足新型航天飞行器测量需要。要解决遥测容量问题，可采取的方式主要包括增加通道、提高码率、提高传输效率。增加通道的方案可以是采用独立多频点分路遥测，也可以采用OFDM等新体制；高码率传输也是一条途径，目前CCSDS标准规定的USB遥测码率为2 Mbit/s，新型系统又将码率提高到5 Mbit/s甚至10 Mbit/s；提高传输效率可选择调制体制、编码方式和数据压缩技术。增加通道和提高码率都需要提高系统的EIRP值，要满足全向辐射特性，天线增益难以提高，必须增加遥测系统发射功率，系统代价高，并且将牺牲系统的抗截获性能。因此，在电子战环境下，增加频点和提高码率都不算理想的解决方案，数据压缩(广义)则是在飞行器上对遥测参数按照其特性进行预处理，CCSDS标准中也对遥测数据压缩的信源编码技术进行了描述，基本方法是采用抽取特征参数，去掉部分数据中的冗余，再按照自适应熵编码处理。另外，还可以通过对实时性要求不高的缓变量进行缓存，在空隙时段下传以平衡数据流量，降低对遥测系统传输能力的要求。由此可见，数据压缩方案在不降低系统抗截获性能的情况下可实现信道容量扩展；但是，数据压缩提高了信息密度，误码对系统的影响加大，因此，系统设计最好采用无损压缩，并在压缩效率和误码性能间进行平衡。

飞行器遥测系统数据压缩的原理图如图2所示。其中，多通道采集器根据参数类型分类选取采样率。

图2 遥测系统数据压缩部分工作原理框图Fig.2 Schematic block diagram of data compression part of telemetry system

4.3 “三抗”设计

抗截获、抗侦收、抗干扰(“三抗”)的技术手段必不可少，遥测信号侦收过程是通过截获遥测信号并对信息解码实施窃取数据，在这里我们只考虑针对遥测系统的无线侦收；干扰手段则包括单音/多音干扰、噪声阻塞干扰、数据篡改和伪造等，因此，抗侦收、抗干扰可采取数据加密、信号扩频等方式。数据加密方法在通信系统中已相当成熟，遥测应用原理相同，为了保护信息的保密性、抗密码破译，建议最好采用一次一密，并通过遥测系统开辟高安全等级的密钥通道传输。扩频信号展宽频带降低带内信号谱密度并具有不可预测特性，使侦察接收机难以检测；扩频信号是通过相关检测，如果不掌握扩频码(跳频图形)参数则无法解调信号，因此具有良好保密性。可见，信号扩频技术是有效应对侦察干扰的手段之一，建议可选择直接序列扩频(DS)、跳频(FH)或混合扩频体制；但是，由于遥测系统本身要求较高数据率，要想获得扩频增益必须努力提高扩频码率，而这又给工程实现增加难度，需要在系统设计时折衷考虑。

同时，新型天线技术也可以提升系统“三抗”性能。如前所述，为使地面站可靠接收，弹(箭)载遥测系统天线采用全向覆盖，但这给侦察和干扰创造了条件。随着数字波束形成(DBF)技术的发展，这种状况有望解决。根据飞行器平台的姿态参数和地面站布站参数，可以通过多个天线阵元合成满足覆盖地面站的天线波束，这样既能提高天线增益，又可以对抗针对遥测信号的侦察。遥测地面接收站也一样可以在天线方面采取一定措施，比如应用自适应调零天线技术，利用方向图的变化，自动调整波束的零点位置，使之对准干扰信号的方向，同时保证天线主波束(对有用信号)处于最佳接收状态。波束形成、自适应信号处理及自适应算法控制等都依赖于数字信号处理，采用基于“软件无线电”的硬件平台正好可以提供条件。

5 结束语

随着飞行器对遥测系统需求发展和针对遥测系统的电子战技术发展，遥测系统设计将面临越来越多的难题。本文从需求分析和电子战技术发展的现状及趋势着手，提出了针对电子战条件下遥测系统设计的思路，希望对感兴趣的人员提供一些参考，其工程应用还需要大量的深入研究。

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