基于双臂螺旋天线的箭载天基遥测系统设计

王 健

东方空间技术北京有限公司,北京 100010

0 引言

在运载火箭整个任务过程中,天基遥测系统需要将近地轨道作业段有效载荷的姿态、冲击和速率等关键信息参数[1]及时下传到遥测大厅,以便发射指挥人员对载荷入轨状态进行现场分析判读。运载火箭测量系统主要由遥测子系统、外测子系统和安控子系统3部分组成,其中遥测子系统包括传统地基遥测系统和天基遥测系统。与地基遥测用于实现航区内高码率PCM全帧码流传输工作不同的是,天基遥测系统是为了实现载荷入轨段PCM全帧码流[2]中有效载荷信息参数的挑路、帧重构[3]、传输等任务而设计。更直观地讲,天基遥测系统既是发射现场第一时间判定发射任务成败的关键信息来源[4],也是缩短发射准备时间、短时间内高频次[5]执行发射任务的可靠保障,箭载天基遥测系统的稳定性、冗余性、快速响应性对于提升发射保障综合能力意义重大。

为此,国内外退役及现役运载火箭中均设计有不同尺寸类型、不同性能规格甚至不同工作方式的箭载天基遥测系统。其中最早有迹可循的是美国国家航空航天局(NASA)在其官网解密的一份缩略版《土星5号运载火箭技术手册》,里面提到了“土星5号”仪器舱的基本结构是一个由铝合金蜂窝夹层材料制成的短圆筒,天基遥测装置安装于仪器舱的蜂窝夹层[6]上,天基遥测天线选用两台倒F型振子线极化天线,近地轨道处天基遥测速率不到18 Kbps,天线安装角度及地面对应测控范围不详;上世纪90年代,欧洲航天局(ESA)研制的 “阿丽亚娜4”运载火箭采用三分集右旋圆极化天线,将低噪声放大器和天线集为一体,天线将接收到的空间电磁波信号直接送入低噪声放大器的输入端,近地轨道[7]距离条件下天基遥测速率在120 Kbps左右;步入20世纪以来,“胖五”作为我国运力最大的运载火箭,技术性能已跻身国际前列。由于公开资料较少,其具体天基技术参数不详;最近几年国内商业航天[8]迅猛发展,目前成功的数发商业火箭中,近地轨道距离条件下天基遥测速率均集中在500 Kbps以内。基于以上国内外研究现状,本文提出了一种基于双臂螺旋天线的箭载天基遥测系统设计。

1 系统总体设计

本系统主要由天基基带终端、天基射频前端及双臂螺旋天线3部分构成。其中基带终端信源为箭上综合采编装置的遥测数据全帧码流,基带终端在近地轨道作业段对信源进行位同步和帧同步处理后,从信源中挑出指定子帧的载荷参数,和基带终端遥测参数、射频前端遥测参数共同组成天基遥测帧,天基遥测帧在被编码交织、加扰处理后送往射频前端;射频前端集成有频率综合器及混频、放大、滤波模块,在对天基遥测帧进行信道编码、数据调制、放大滤波后送给双臂螺旋天线,最后由天线将天基遥测帧辐射到近地轨道周围空间[9]。系统总体设计如图1所示,其中频率基准分别作为工作时钟和本振信号分两路送给数字基带及频率综合器;基带终端信号处理流程如图2所示。

图1 系统总体设计框图

图2 基带终端信号处理流程图

2 天线仿真设计

天线是连接箭载天基遥测系统与地面天基检测站的关键媒介,天基天线的选型、仿真及设计对于箭载天基遥测系统的性能起着决定作用。目前国内箭载天基天线多选用传统振子线极化天线、单臂螺旋天线及扇区定向天线等天线类型。天基单臂螺旋天线在轴向模式下发生谐振时,其阻抗远低于50 Ω,而当添加一个短接到地面的螺旋线后,该天线可用作折叠天线,低阻抗可以调整到接近同轴电缆的参考阻抗50 Ω,本设计将双臂螺旋天线应用于箭载天基遥测系统中,与单臂螺旋天线比高出2 dB增益;与扇区定向天线、振子线极化天线相比简化了馈电网络,当然双臂螺旋天线的选用也对箭体的电磁兼容性提出了更苛刻的要求。

本设计为了能够更真实地模拟出天线在近地轨道处的工作环境及工作状态,选用高级数值仿真软件COMSOL中的电磁波、频域及重力场接口模块进行箭载天基天线的多物理场耦合仿真,双臂螺旋天线仿真设计流程如图3所示。

图3 双臂螺旋天线仿真设计流程图

2.1 数值模拟计算模型

天基双臂螺旋天线多物理场耦合[10]仿真模型由双臂螺旋辐射体、圆形接地板、调谐短截线、同轴电缆和包围空气区域的完美匹配层组成。螺旋臂的一端连接到射频电缆的内部导体销,另一端短接到接地板。两个螺旋结构沿z轴缠绕,并在顶端相连接,轴向模式的附加阻抗匹配短截线位于接地板的中心。本次耦合仿真中的所有金属零件都被模拟为理想电导体,其内部域不包含在分析范围中;同轴电缆内部导体与外部导体之间的空间用聚四氟乙烯材料填充,同轴型集总端口用于激励天线。除完美匹配层以外的所有域都由四面体网格划分。

2.2 仿真过程及结论分析

在完成双臂螺旋天线几何模型构建、材料参数设置、端口边界确认等前期准备工作的基础上,对仿真模型添加电磁波、频域及重力场接口,首先将中心频率设置为385 MHz。在设置物理场和查看网格过程中,对仿真模型中指定域和边界设置了 “物理场隐藏”,以便能够更清晰地观察在天线工作过程中近地轨道空间周围的电场强度。天线三维远场增益决定了天线将信号发射出去的能力,而天线极化决定着天线辐射出去的电磁波[11]在空间中的变化形式。在初步验证天线设计合理性基础上,将仿真模型中心频率设置为4.7713 GHz,对系统天线极化方式进行验证,仿真结果如图4所示。图4所示轴比图显示了双臂螺旋天线的圆极化程度。当它表现为理想圆极化时,轴比为 1 或 0 dB。当轴比低于 3 dB (红圈内)时为圆极化天线。在图4中,天线视轴处的轴比小于 3 dB,视轴是轴向模式的主要传播方向,平行于螺旋状扭转轴,表明本设计有助于抑制电磁波多路径传播场景下的相互干扰。

3 系统软件设计

本系统上位机软件主要实现对天基基带、天基变频板卡的配置及遥测数据的采集、显示、存储、分析功能。系统软件数据通信方式采用标准千兆以太网接口,上位机软件经由交换机通过UDP/IP协议向天基检测站发送控制指令,并采用组播的方式接受天基检测站发过来的遥测数据,数据传输稳定后,软件界面右上方四处状态指示灯变绿,在界面中间区域的“数据接受”区刷新显示接受到的数据,刷新时间间隔为50 ms,实时数据以.DAT文件进行存储记录,同时上位机界面下方实时绘制天基数据帧计数变化曲线,系统软件设计流程如图5所示。

本系统中箭载天基遥测数据地面解调接受过程中采用了以太网双冗余策略。对于地面天基检测站默认选择A通道进行解调后的天基遥测数据的传输,若A通道存在故障,则地面天基检测站切换到B通道进行天基遥测数据的再次发送,切换到B通道后不再进行切换操作,千兆以太网通讯仍异常则汇报故障。接受方即遥测大厅综合信息处理软件能够同时监听A、B两通道的天基遥测数据,对于重复的数据帧,根据标志位进行“去冗余”处理。A、B通道的切换控制权由天基遥测系统主控软件掌握,箭上其它分系统及单机设备不作干预。天基设备网络参数如图6所示。

图6 天基设备网络参数图

其中A、B通道终端IP分别为192.168.130.20、192.168.130.120,天基遥测数据地面发送端IP为192.168.130.79,两种通道状态下遥测端口与状态端口一致,分别为5011与5012。

4 系统测试

为了对箭载天基遥测系统设计可靠性与工程性进行验证,在搭建完整功能闭环测试平台的基础上,分2个阶段对系统进行了测试。

第1阶段为测试前检查天基箭上测量设备天基基带终端、射频前端、双臂螺旋天线的电气连接情况,包括天线高频电缆、测试电缆、电源线及相应接插件连接情况,检查无误后将天基遥测系统接入箭上电缆网。

第2阶段为在天基检测站上位机软件信息配置完成的基础上,登录上位机软件,软件右侧工作模式列表中勾选“测试模式”,界面下方消息提示栏中给出“初始化已全部完成!”提示,表明天基检测站地面上位机软件启动无误,对箭上设备加电后进行天基遥测功能测试。

天基遥测功能双通道测试结果如图7所示,由图中“运行状态”栏中的4个绿色指示灯可知,天基检测站可以准确无误地完成状态锁定,地面天基检测站“捕获”、“载波”、“帧同步”、“符号同步”功能正确,由后端综合信息处理软件解算可得遥测数据传输速率稳定保持在1.2 Mbps,图中红色帧计数曲线光滑无毛刺,表明箭地通信数据传输稳定可靠、无丢帧现象。其中黑色方框中“1ACFFC1D”前4个字节表示同步字,从第5个字节算起直至第67个字节(共63字节)为箭上天基数据消息一帧,数据结构完整,时标解算正确,满足设计需求。

5 结论

提出了一种基于双臂螺旋天线的箭载天基遥测系统设计,在通过COMSOL软件对系统双臂螺旋天线进行多物理场耦合仿真分析的基础上进行了天线设计,最后在整箭模拟飞行测试中进行了天基遥测系统空间衰减等效实验。实验结果表明,地面天基检测站可以精准完成箭载天基遥测系统状态锁定,遥测数据传输速率稳定保持在1.2 Mbps,通信链路余量充裕。