武器试验遥测转发系统设计

许艳芝，亓盛元

(1.中国飞行试验研究院发动机所，陕西 西安 710089；2.中国飞行试验研究院测试所，陕西 西安 710089)

1 引 言

在导弹等武器的研制试飞中，常用遥测系统跟踪和获取导弹运动信息、弹上各关键部件的工作状态信息和弹上环境信息，为导弹性能的评定、故障分析和设计方案改进提供依据[1]。弹载遥测系统一般由信息采集、遥测发射、射频天线等组件构成。信息采集组件采集弹上信息，输出PCM数据流[2]。遥测发射组件采用频率调制方式(FM)将PCM数据流调制到S波段载波上。遥测射频信号最后通过天线极化成电磁波辐射到自由空间中[3]。

地面遥测接收系统一般采用抛物面天线跟踪接收导弹遥测发射信号，然后通过射频接收模块解调还原出PCM数据。PCM数据一方面用于实时监控试验关键过程参数，一方面完整记录进行事后处理分析。遥测传输记录导弹的内部工作参数，是获取武器试飞数据的重要手段，是飞行试验顺利开展的重要保障。

目前，三代机武器挂载多采用外挂方式，试验武器的弹载遥测信号为自身加装的遥测天线辐射信号，地面接收不受影响。对于内埋武器试验，由于导弹密封在武器舱中，武器舱门关闭屏蔽了弹载遥测信号，在舱门打开之前，地面接收机无法正常接收到内埋武器的遥测信号，影响试验的正常进行。为了保证武器发射(投放)前，以及投放过程中的武器关键测试数据能够正常遥测传输，必须通过转发方式获得弹载遥测数据。

2 遥测转发方案设计

2.1 遥测转发需求分析

对于内埋武器的飞行试验，需要通过转发手段获得内埋挂载、武器投放全过程遥测信号，才能完整地获得试验全过程的测试数据。现代隐身飞机的内埋武器舱可在飞机飞行的全包线范围内使用，内埋武器的遥测转发也必须保证在各种飞行条件和武器发射条件下稳定可靠工作。

因此，全过程、全包线内保证弹载遥测数据发射和接收是内埋武器遥测转发的基本需求。

2.2 内埋武器投放关键过程分析

内埋武器投放过程、机弹分离过程非常快，从武器舱开舱到武器发射出舱，两三秒左右便可完成，是武器投放的关键过程。保证该过程导弹遥测信号的可靠传输和接收是遥测转发方案设计成功的关键。

假设在没有遥测转发的情况下，若以导弹在舱内为投放前的状态，表示为1，完全出舱表示为0；以投放前导弹遥测信号未出现的状态表示为0，完全出舱后遥测信号出现表示为1；t0时刻武器舱开舱，t1时刻导弹与弹架分离投放出舱；那么导弹投放过程中，从地面接收看导弹遥测信号的变化如下(如图1所示)：

(1)武器舱门关闭，导弹在舱内，遥测信号被屏蔽，地面站接收不到弹载遥测信号；

(2)武器舱门打开，导弹在舱内，遥测信号辐射出舱，地面站能够接收弹载遥测信号；

(3)武器投放开始，弹射系统将导弹弹射出舱，导弹出舱过程中，弹载遥测信号逐渐增强，完全出舱后信号趋于稳定；

(4)武器出舱，舱门关闭，机弹分离，地面站跟踪接收弹载遥测信号直至试验结束。

图1 内埋武器发射过程导弹遥测信号状态图

假设武器舱开舱和投放过程连续，那么从武器舱开舱到机弹分离结束，导弹遥测信号是一个从无到有、由弱到强的增大的过程。因此，在武器投放全过程中，只要在机上能够通过转发手段实现导弹遥测信号的持续稳定发射，保证发射前后和发射过程中弹载遥测信号的辐射强度不变，地面遥测接收站就可以全过程接收和记录弹上的遥测数据。

2.3 内埋武器遥测转发方案设计

2.3.1 方案1 异步PCM数据插入转发方式

将弹载测试PCM数据采用异步方式插入到试飞测试系统的PCM流中，并通过遥测传输(F1频率)进行监控，导弹遥测地面站可以通过接收F1频率信号解调和记录弹载遥测数据，或者可以通过ADAS地面站进行数据转发。在武器投放过程中，武器舱开舱，导弹遥测信号(F2频率)出现，那么在机弹分离前，导弹遥测地面站必须在短时间内(1s)完成从F1频率向F2频率接收的转换，才能持续跟踪导弹飞行和接收弹载遥测数据。由于投放过程时间短，导弹出舱运动变化率快，现有接收系统在信号切换过程中易导致遥测信号跟踪丢失，再次捕捉也较为困难；即使能够顺利完成切换并跟踪，在机弹分离时刻，也会由于信号切换而导致机弹分离关键过程的部分遥测数据丢失，如图2所示。因此，异步PCM数据插入方案不能满足内埋武器试验的遥测转发需求，易导致遥测跟踪接收失败。

图2 异步PCM数据插入遥测转发试验方案

2.3.2 方案2 射频转发方式

通过射频转发方式将导弹遥测信号(F2)从内埋弹舱中转发出来，射频遥测转发实现与弹载遥测信号独立发射相同的信号强度，无论内埋武器舱关闭还是开启，导弹遥测地面站均可以接收弹载遥测信号。在弹射分离过程中，武器舱门打开，导弹未从弹架分离前，通过转发系统发射的导弹遥测信号(F2)和导弹独立发射的遥测信号同时存在。机弹分离后，导弹遥测地面站持续跟踪导弹飞行，接收弹载遥测信号，如图3所示。因此，射频遥测转发方案可以保证整个试验过程导弹遥测信号连续稳定发射，导弹遥测信号接收地面跟踪无信号切换过程，适用于内埋武器的遥测转发方案。

图3 射频遥测转发试验方案

目前，在试飞遥测领域，一般使用S波段信号传输遥测数据，弹载遥测信号和机载测试遥测信号均使用此频段。试验机的机载测试系统一般通过2～3个遥测天线辐射信号，导弹遥测信号转发也需要通过S波段天线发射信号，但是内埋武器试验机一般都采用隐身设计，对加装遥测天线有限制。从综合射频考虑，合理的方案是将导弹遥测信号与机载测试遥测信号进行射频合路，然后通过测试系统天线发射信号。

最终可行的方案是通过射频合路转发系统将导弹的遥测信号(S波段)与试飞测试系统的遥测信号(S波段)进行合路，再通过测试系统遥测天线转发导弹的遥测信号。测试系统的上下两个遥测天线同时转发弹载遥测信号，可实现飞机在机动投放过程中导弹遥测信号的全向传输。因此，内埋武器遥测射频合路转发系统设计必须解决两项关键问题：(1)转发射频信号的增益控制，确保信号转发稳定可靠；(2)射频合路通道的隔离度控制，确保测试系统遥测与弹载遥测信号之间不相互干扰。

3 射频合路转发系统设计

3.1 射频合路转发系统组成

如图4所示，整个内埋武器射频合路遥测转发系统由两部分组成：导弹部分和机载测试系统部分。导弹部分负责将弹载遥测射频信号输出到测试系统，主要由遥测采发组合、定向耦合器和脱落插座组成。遥测采发组合负责采集弹上测试数据并输出射频信号，定向耦合器将遥测信号定向输出给导弹外部的机载测试系统，两个系统之间的信号对接由脱落插座完成。测试系统部分负责完成导弹遥测射频信号增益控制、射频合路及信号发射功能，主要由有源放大功分器和有源放大合路器及信号发射天线构成。有源放大功分器负责补偿弹载遥测信号的线路传输损失并进行二分路，有源放大合路器完成弹载遥测信号的最终放大并与机载测试系统遥测信号进行射频合路；测试系统上下两个天线将有源放大合路器输出的信号发射至地面遥测接收站。

图4 射频合路遥测转发系统组成

3.2 信号功率补偿控制关键技术

为了确保弹载遥测信号转发稳定可靠，信号增益控制十分关键。如图5所示，在有源放大器内部设计了功率放大器和数控衰减器两个模块，通过这两个模块实现射频信号线路传输损失的精确补偿，确保线路传输的遥测信号强度能够满足后端有源合路器内部功放的信号输入要求。具体实现如下：功放设计增益15dB(加法)，数控衰减器设计衰减增益从0～15dB可调；数控衰减器通过4位钮子开关控制实现16挡逐级衰减控制，最低挡0dB衰减，最高挡15dB衰减，每挡1dB步进值。通过“加减法”功率补偿控制，本遥测转发系统能够适应不同机上改装线路环境。

图5 有源放大功分器内部组成

如图6所示，导弹遥测信号在最终射频合路前，必须再次进行功率补偿，确保射频合路后遥测天线的辐射功率与导弹自身遥测的辐射功率相当，这样在开舱前后和投放过程中，导弹遥测信号的强度波动较小，是实现武器投放分离过程平稳接收导弹遥测数据的关键。这里采用饱和功率放大技术，将输出遥测信号始终控制在35dBm左右，与弹载遥测信号功率相同。

图6 有源放大合路器内部组成

3.3 射频合路信号隔离关键技术

为了确保测试系统遥测与弹载遥测信号之间不相互干扰，射频合路通道的隔离度控制十分关键。隔离度主要靠各个通道滤波器的带外抑制来保证，如果带外抑制性能不好，那么端口的优化都是徒劳的。在本系统合路器的滤波器设计中，主要采用交叉耦合和公共谐振腔技术，其主要方法是将不相邻的两个谐振腔引入耦合，使滤波器在有限频率处产生传输零点，以提高带外抑制。本系统中采用了6阶交叉耦合，如图7所示，在2-5，1-6两处引入交叉耦合，形成两个四极子结构耦合。

图7 6阶交叉耦合滤波器拓扑结构

该交叉耦合滤波器得到的S参数曲线如图8所示，由于存在产生传输零点，该滤波器设计的带外抑制达到了-65dB以下，而合路器设计一般要求-50dB就可满足使用要求。

图8 6阶交叉耦合滤波器的S参数响应

4 工程应用与案例分析

4.1 内埋武器试验遥测监控方案

图9 某试验机内埋武器投放遥测监控方案

参见图9，某试验机采用射频合路遥测转发系统后，其遥测监控方案如下：

机弹分离前，本场试飞测试遥测地面站跟踪机载小型测试遥测信号(F1)，同时接收导弹遥测信号(F2)，ADAS监控大厅同时解调F1和F2遥测信号,为武器投放试验遥测监控和指挥决策提供机载测试系统数据和弹载测量数据。机弹分离后，本场试飞测试遥测地面站持续跟踪机载测试遥测信号(F1)，保障试验机返回本场或执行其他任务；靶场地面遥测接收站在试验机起飞后开始跟踪接收导弹遥测信号(F2)，在机弹分离后持续跟踪弹载遥测信号直至试验任务结束。

4.2 三阶互调干扰案例分析

在射频合路系统中会产生互调干扰，也称交调干扰。在互调干扰中，三阶互调干扰最为严重。三阶互调是指当两个信号在一个线性系统中，由于非线性因素存在，使一个信号的二次谐波与另一个信号的基波产生差拍后所产生的寄生信号。比如F1的二次谐波是2F1，它与F2产生的寄生信号为2F1-F2。由于一个信号是二次谐波，另一个是基波信号，它们俩合成为三阶信号，其中2F1-F2被称为三阶互调信号，即产生三阶互调的条件是：2F1±F2=F3。

三阶互调一般是由于非线性因素(滤波器，合路器，连接器无源器件表现出了非线性特性)产生的，射频信号通过合路器会产生无源互调信号，产生三阶互调干扰。三阶互调干扰是由合路器的固有特性产生的，很难排除，但是可以人为设置新的频率组，从而避开互调干扰。因此，合理设置遥测频点可以避免三阶互调干扰有用信号。

5 结束语

本文从内埋武器发射(投放)试验遥测转发的需求出发，分析了内埋武器投放的关键过程特点，确认射频合路手段是实现内埋武器遥测转发方案的最佳选择，提出了内埋武器遥测转发射频合路系统的设计方案。射频合路遥测转发技术成功解决了内埋武器投放全过程的数据获取问题，是保障内埋武器试验开展的关键技术之一，但也存在占用遥测频率资源宽和易产生干扰信号等问题，需要深入开展研究予以解决。