一种遥测接收设备布站方案的设计

刘 艳，李彩容

(中国人民解放军91550部队，辽宁大连116021)

0 引言

遥测系统是导弹、卫星、无人机等飞行器在试验和运行过程中不可缺少的重要支撑系统，系统所获得的飞行器工作状态参数、环境参数和其他载荷的测量数据，可为检验飞行器的性能及故障分析提供依据。遥测接收设备是靶场测控网中不可缺少的测量设备，接收下行信号，以陆基或海基活动安装的方式来完成飞行目标的测量。由于其灵活多变的安装方式，需要根据测量要求来设计遥测接收设备的布站方案。本文结合工作实际，在布站点方式、布站点选择及布站点测量等方面提出一些方式方法。针对该遥测接收设备的技术特点，进行了遥测作用距离、视距和方向图的计算。布站方案的研究，对于靶场试验遥测数据的采集、遥测接收和发射系统的设计以及遥测地面站的布置具有决定性的指导意义。

1 布站点方式选择的原则

1.1 布站点方式

主要布站方式有单站全弹道接收、双站备份全弹道接收、首尾布站接力接收和首中尾多站接力接收等方式。

1.1.1 单站全弹道接收

采用单站全弹道接收时，布站点一般选在发射点侧后方1～5 km处，左右均可。这种方式一般使用在射程不远的试验项目上。由于一般火箭、导弹和炮弹的遥测方向图在弹轴方向存在零区，地面站在此方向上无法可靠接收信号。另外，由于火箭、导弹发射时尾焰是高温等离子体，对遥测信号有较大影响，造成信号衰减和噪声，通常不要把遥测接收设备布置在正后方，避开这个方向。

1.1.2 双站备份全弹道接收

采用双站备份全弹道接收时，布站点一般选在发射点侧后方1～5 km处，各布一站。另一种方法为发射点侧后方1～3 km处布一站，落点危险区外侧前方布一站。这种方式一般使用在射程不远的试验项目上。要求2站都能单独地实现全弹道数据接收。采用此种布站方式可有效地消除单站多径效应干扰带来的影响。

1.1.3 首尾布站接力接收

采用首尾布站接力接收时，布站点一般选在发射点侧后方1～3 km处布置一站，落点危险区外侧前方布置一站。2站接收的侧重点不同。一个重点接收发射区的遥测数据，一个重点接收落区的遥测数据。这种方式一般使用在射程较远，单站不能可靠全弹道接收数据的试验项目上。

1.1.4 首中尾多站接力接收

采用首中尾多站接力接收时，布站点一般选在发射点侧后方1～3 km处布一站，落点危险区外侧前方布一站。中间点则布站于飞行弹道安全线外，一般选取弹道投影线10 km以外，重点录取弹道中间点的数据。这种方式一般使用在射程相对较远的试验项目上。

1.2 布站点的选择

根据布站方式确定点位大致位置后，进行具体点的选择。根据弹上和地面的遥测设备参数、结合路况、地势和通信等条件。除了主要点位以外，一般在该区域另外选择1个或2个备用点。

1.2.1 参数计算

计算所选的点位是否能满足试验所要求的接收距离，视距能否满足要求。同时，根据预知的弹道计算该点位能否满足天线的最大跟踪速度和最大加速度、目标能否过顶、是否在目标飞行的危险区域范围以外。

1.2.2 地势选择

地势引起的传播余隙、多径效应对遥测信号接收影响很大。在布站时地势的选择非常重要。一个好的点位，是指地势高、开阔且相对平坦，在点位附近没有其他高地。当天线接收到的信号不仅有直射波，而且还有从地面(海面)反射的反射波时，设备收到的信号为2个信号之和，在极限情况下，2个信号相位相反，将引起接收信号严重衰落。引起多径效应的反射波主要由较为平坦的地面、海面所反射。在与飞行目标的弹道连线上尽量避免有足够大的传播余隙和足够小的多径效应区域。避免多径效应的另外一种方式是接收天线主波瓣角避开接收天线的地面反射波，要求信号接收过程中，接收天线的俯仰角不要低于半波瓣角即可改善信号质量。

1.2.3 站点外围环境考虑

一个点位的选择必须考虑到通信的便利和畅通。保证本站与指挥员通信、时统通信和引导数据通信遥测实时传输通信的畅通。地面站点附近应该尽量避免有其他无线电干扰源。在天线接收的方向波瓣内避开电视发射塔、移动通信基站、高压线和热噪声(热电厂、供热厂)等干扰源，防止其他无线电设施的干扰及辐射，同时还要考虑到达所选站点路况的影响。遥测地面接收设备一般为车载，选择点位要考虑所选站点附近路况，保证地面站能够顺利抵达测试点位。

1.3 点位测量要求

通常点位选定后要进行点位测量。测量的内容主要包括:

①提供点位测试坐标系下的三维坐标数据;

②距离点位1 km左右，设置一个容易观测识别的方位标，并测量方位标的数据;

③提供点位与飞行目标连线内其他较高目标如山体等高程和距离，用于视距和传播余隙的计算;

④提供点位与飞行目标连线内可能出现的多径效应反射区位置信息，包括大致的距离和面积;

⑤落区布站提供地面站指向发射点或指向等待接收点所需的方位标。

2 布站方式的计算

2.1 接收作用距离的计算

遥测接收设备的空间传输距离是指遥测系统根据不同的无线电测控系统要求，选择合适的设备技术参数，具有良好的信号接收能力所达到的传输距离。是指在正常通视条件下，遥测地面站能按规定的指标接收并解调被测对象(导弹、卫星等)遥测信号的最远距离。是遥测接收设备各项技术指标的综合体现。遥测接收设备只有下行接收信号，为信标工作方式，空间传输距离的方程可用下式来表示:

式中，R为发、收之间距离(m);Pt为发射功率(W);Gt为发射天线增益;Gr为接收天线增益;λ为工作波长(m);Pr接收门限功率，即接收系统灵敏度;M为安全裕量，一般取2～4倍(即3～6 dB);LΣ为传输通道总损耗。

电磁波在自由空间传播的路径损耗为:

式中，f为电磁波的频率(MHz);R为传输距离(km);L为空间传播的路径损耗(dB)。

传输通道总损耗包括发射天线和发射机之间的电缆损耗、发射天线的指向损耗、大气损耗、发射天线与接收天线之间极化失配造成的极化损耗、接收天线指向损耗，接收天线与接收机或者LNA之间的电缆损耗、调制过程和解调引入的损耗等;M值的选取决定于设计者对信道参数(包括传输条件)预测的准确度，在预测准确和有实测数据校正时，M取1～3 dB，否则应取3～6 dB。

2.2 视距的计算

所谓视距是指视线所能达到的最远距离。由于遥测信号是在视距范围内传输的，必须考虑地球曲率对传输信号的影响。视距主要与发射天线和接收天线有关。考虑到大气不均匀性对电波传播轨迹的影响，在标准大气压折射的情况下视距计算公式可修正为:

式中，dv为视距(km);h1为接收天线的高度(m);h2为发射天线的高度(m)。

由于视距的存在，信号接收受到一定的影响，根据收发天线的距离可分为3个区域:d≺0．7dv的区域为亮区;0．7dv≺d≺ ( 1．2 ～1．4)dv的区域为半阴影区;d≻ (1．2～1．4)dv区域为阴影区。在半阴影区时，信号接收受到影响;在阴影区，不能接收信号。

2.3 方向图影响计算

由于遥测弹在飞行过程中其姿态不断变化，对地面设备接收会造成影响。当弹上方向图不是均匀的全方向图时，地面设备收到的信号强弱不仅受到距离变化的影响，也随着弹体姿态的变化而变化。

3 计算结果分析

假设接收设备导弹飞行器的遥测发射频率f=2 250．5 MHz;设发射功率 Pt=5 W(6．99 dBW);发射天线增益Gt=－10 dB;接收天线增益Gr≥20 dB;接收天线到LNA损耗Lr=2 dB;接收天线指向损耗Lo=0．5 dB;大气衰减Lt=0．5 dB(接收天线仰角大于等于5°);发射机至天线损耗Lf=0．5 dB;M取5 dB;传输通道总损耗LΣ=Lr+Lo+Lt+Lf=3．5 dB。不同的接收灵敏度，由式(1)和式(2)进行遥测作用距离的计算，计算的结果如表1所示。

表1 不同的接收灵敏度遥测作用距离

根据遥测作用距离，由式(3)进行视距的计算。假设遥测作用距离250 km，接收天线布置在陆地或海平面，接收天线的高度1 km，要求发射天线的高度844 m。亮区为 175 km，半阴影区为 175～300 km，阴影区为300 km，半阴影区遥测接收受到影响。

建立一个以发射点为原点，OX轴位于过原点O的水平面内，X轴指向导弹瞄准的方向;OY轴过原点O的铅垂线，向上为正;OZ轴位于过原点O的水平面内，与OX轴、OY轴构成右手直角坐标系。根据理论弹道数据，绘制在弹道曲线。A(x1，y1，z1)是某一瞬间的弹体位置，B(x2，y2，z2)是接收天线的位置，AB是连接发射天线和接收天线的距离向量，也就是接收天线的方向向量。

为了保证遥测系统具有足够的作用距离，数据接收时接收到满足误码率要求的遥测数据，在系统设计时必须根据任务的要求，结合试验时的具体接收条件进行详细计算。遥测作用距离的计算比较复杂，PCM-FM遥测系统规定，系统误码率为模拟系统在信号精度为5%对应的接收机所需信噪比(S/N)in≥20 dB时的作用距离;数字系统是在误码率Pe=1×10－4时的作用距离。遥测作用距离不仅与遥测发射机的发射功率和发射天线的辐射特性有关，还与所使用的遥测地面接收设备的性能以及布站位置有关。受视距的影响，单纯地提高发射功率和增大接收天线增益，系统作用距离不会提高。所以，要想保证遥测有足够远的作用距离，还要提高飞行器(导弹、卫星等)的飞行高度，或者增加接收天线的高度。

4 结束语

研究遥测接收设备布站方案，主要目的是高质量地完成靶场测控系统中遥测设备的测量任务，提高遥测接收设备的作用距离，减小视距、传播余隙和多径效应等因素的影响，扩大遥测接收设备的应用范围。遥测接收设备可结合试验任务的测量要求，灵活机动地布站，这种方式不仅可以提高靶场测控网的测量能力，还可以提高遥测数据采集的效率，缩短试验周期。随着遥测遥控的发展以及遥测数据中图像的加入，对遥测传输码速率的要求越来越高，对遥测有效作用距离提出了更高的挑战。本文对影响遥测设备布站中几个关键因素的讨论和分析，是提高遥测作用距离的一个发展方向。然而，从本质上提高遥测作用距离，还需要对新的遥测体制进行研究使用，研究采用较高带宽效率和功率效率的新体制。比如现在国内外已经出现的主要包括:GMSK、FQPSK、SOQPSK、Multi-h CPM和COFDM等。

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