长征二号丙系列火箭遥测系统技术状态演变及发展方向

2023-09-27董齐齐景艳红

导弹与航天运载技术 2023年3期

董齐齐，景艳红

（北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

0 引言

遥测是将一定距离外被测对象的参数经过敏感、采集，通过传输媒介送到接收地点并进行解调、记录、处理的一种测量过程［1-3］。完成上述功能的设备组合称为遥测系统，它是航天测控系统中的重要组成部分。在运载火箭研制飞行试验中，遥测系统主要用于获取火箭内部各系统的工作状态参数和环境数据，为评定火箭的性能和进行故障分析提供依据。遥测系统性能的优劣直接影响火箭的研制进程及费用，影响飞行器性能的改进和提高［4-6］。

1 传统遥测系统总体架构

传统遥测系统主要由传输设备、供配电设备、中间装置、天馈设备、传感器、变换器等组成。总体架构如图1所示。

图1 传统遥测系统总体架构Fig.1 Overall architecture of the traditional telemetry system

传输设备一般由采编器和发射机组成，其作用是完成全箭各种测量参数的采集、编码并按预定的帧结构编帧，编帧形成的PCM 群信号经发射机进行频率调制、功率放大，送天馈系统辐射，通过无线信道发送至地面。

供配电设备一般由配电器、换流器、电池等组成，其作用是为箭上传输设备、中间装置、传感器、变换器等设备提供一次、二次电源，并完成转电、断电等关键性供配电控制动作。

中间装置一般由数字量变换器、模拟量变换器组成，其作用是将被测对象的电量参数经适当的变换与匹配，使之满足遥测传输设备的要求，实现信号调节和接口匹配功能。

天馈设备一般由功分器、天线、高频电缆组成，其作用是将发射机输出的射频信号向地面辐射，与地面接收设备共同实现箭地之间无线信号的传输。

传感器、变换器的作用是敏感外界环境中的噪声、温度、热流、压力以及结构件上的冲击、振动等信号，并将这些非电量信号转换成符合遥测传输设备采编要求的电信号。

随着新技术的发展与应用，遥测系统逐步增加了卫星导航接收、图像压缩处理、数据预处理、天基测控等设备。

2 长征二号丙火箭遥测系统技术状态演变

长征二号丙火箭于1982 年9 月9 日首次发射成功，至今已服役41年，是中国服役年限最长的火箭。长征二号丙系列火箭遥测系统作为电气系统的重要组成部分，从二十世纪八九十年代至今经历了3次重要的技术状态变化，单机电路设计由中小规模集成电路向大规模、超大规模集成电路演变，数据传输技术由低码率传输向高码率传输演变，数据采编技术由集中式采编向分布式采编演变。为了更好地阐述这3 次技术状态变化，将其划分为第1 代、第2 代、第3代遥测系统，三代遥测系统主要技术状态变化情况见表1。

表1 三代遥测系统主要技术状态比对Tab.1 Comparison of main technical states of the three generation telemetry system

2.1 第1代遥测系统

第1代遥测系统主要应用于二十世纪八九十年代至2007 年前后，时间跨度较大，在此期间，根据卫星需求长征二号丙火箭进行了技术改进，形成了长征二号丙/SD、长征二号丙/SM 系列改进型火箭，遥测系统也针对总体和其他系统的不同要求进行了更改和补充设计，形成了长征二号丙/SM系列改进型火箭遥测系统。

长征二号丙/SM系列改进型火箭遥测系统传输设备采用S 频段、PCM-FM 体制，传输容量为640 kbit/s，卫星导航采用单一GPS收星定位模式。系统组成包括高速采编器、S波段调频发射机、中间装置、供配电设备、信号转接装置、GPS接收机、传感器、变换器、箭上电缆网及天馈等。箭上设备布置示意如图2所示。

图2 第1代遥测系统箭上设备布置示意Fig.2 Layout of equipment on the first generation telemetry system

传输设备包括高速采编器和S 波段调频发射机。数据综合采用了集中采编模式，即中间装置和传感器、变换器输出的信号均送往高速采编器进行采集、编码并按预定的帧结构完成编帧。由于中间装置、传感器、变换器分布在全箭各个部段，如果这些设备与高速采编器直接通信的话，箭上电缆网会非常庞大和复杂，因此增加了信号转接装置。信号转接装置的作用是通过内部跳线将中间装置和传感器、变换器的输入、输出信号以及给这些设备供电的一、二次电源电压信号按类别转接后集中输出，从而到达简化箭上电缆网和单机接口的目的。另外，由于传输设备码速率较低，信道资源有限，且帧格式不可通过编程来调整，为了满足总体测量参数不断增加的需求，系统采用了信道复用技术，即利用整流罩分离作为切换点的控制信号，实现了利用同一遥测波道分时段传输整流罩三路高频振动信号和星箭界面冲击信号。

中间装置包括交直流信号变换器、交流信号变换器、指令信号变换器、脉冲信号变换器和数字信号变换器，用来测量控制系统和利用系统的各种电压、电流、指令、计算机字和平台加速度表脉冲等，完成遥测系统和控制、利用系统间的信号隔离和变换。

供配电设备包括配电器、换流器、电池。遥测电池为锌银蓄电池，经由配电器为遥测系统箭上各设备提供28 V 直流电源，换流器将输入的28 V 直流电源转换成+6 V、±21 V 电源输出给传感器、变换器进行供电。

箭上GPS设备包括两个L波段有源天线、一个主从式GPS接收机及高频馈线。箭上接收GPS卫星信息并进行初步解算，将解算结果作为被测数字信号插入遥测PCM 数据流中，通过遥测信道下传至地面站，经接收、解调后，从PCM 数据流中提取GPS 信息，再进行精确解算。

此阶段长征二号丙火箭成功发射了返回式卫星、美国摩托罗拉公司铱星、地球空间探测双星等多种轨道卫星，获得了“金牌火箭”的光荣称号。遥测系统也圆满完成了二十多次飞行任务，获取了全程遥测数据，为总体进行飞行结果分析和任务评定提供了强有力的判断依据。但是，由于箭上大部分设备为二十世纪八十年代设计的产品，使用的是中小规模的集成电路和元器件，设计生产和调试均要花费大量时间，且体积大、质量大、元器件进货困难，随着时代的进步和电子产品的不断更新换代，箭上的多数设备都已经落伍，并且在执行任务的过程中暴露出了各种问题和不足，已不能满足后续任务测量需求，因此在2007年开始启动长征二号丙火箭第2代遥测系统的研制工作。

2.2 第2代遥测系统

第2 代遥测系统主要应用于2007 年至2020 年前后，箭上设备均采用大规模和超大规模集成电路，单机实现了小型化、模块化设计，整机采用串屉式结构。此阶段遥测系统传输设备采用S 频段、PCM-FM体制，传输容量为2 Mbit/s，卫星导航采用GPS+GLONASS 收星定位模式，箭上增加了图像测量和数据预处理功能。系统组成主要包括中心程序器、远置单元、S波段调频发射机、数据预处理器、图像压缩采编处理器、摄像装置、中间装置、供配电设备、GNSS接收机、传感器、变换器、箭上电缆网及天馈。箭上设备布置示意如图3所示。

图3 第2代遥测系统箭上设备布置示意Fig.3 Layout of equipment on the arrow of the second generation telemetry system

传输设备包括中心程序器、两台远置单元和S波段调频发射机。数据综合采用分布式拓扑结构，即在火箭一级箱间段和二级箱间段各配置一台远置单元就近进行电量和非电量参数的采集、编码，将采编后的数据送往中心程序器。中心程序器为箭上传输设备的核心，实现全箭信号采集、综合编帧，具有平行延时和快记慢发功能。中心程序器设有8 个高速数字口，供远置单元、图像压缩采编处理器、数据预处理器、GNSS 接收机通信使用。远置单元设有6 个低速数字口，供数字量变换器、脉冲信号变换器、指令信号变换器通信使用。

中间装置包括直流信号变换器、交直流信号变换器、数字量变换器、指令信号变换器和脉冲信号变换器，用来测量控制系统和利用系统的各种电压、电流、指令、计算机字和惯组脉冲量等，完成遥测系统和控制、利用系统间的信号隔离和变换。

供配电设备包括配电器、换流器、电池。遥测电池为锌银蓄电池，经由配电器为遥测系统箭上各设备提供28 V 直流电源，换流器将输入的28 V 直流电源转换成+5 V、±15 V 电源输出给传感器、变换器进行供电。

由于控制系统要求卫星导航接收机定位数据参与辅助制导，因此遥测系统采用四分集GNSS接收机进行箭上GNSS数据接收处理。GNSS接收机采用64通道接收机，其中，GPS占40通道（10×4），GLONASS占24通道（6×4）。经分集处理后选16个（10个GPS卫星数据、6 个GLONASS 卫星数据）信号质量较高的卫星参与解算定位数据并下传。可以独立接收4副天线信号，并将原始测量数据以及接收到的16 颗星的导航电文经过打包处理后送入遥测传输信道，完成外弹道测量任务，同时将定位数据送控制系统进行复合制导。

箭上图像设备包括安装于二级尾段和整流罩内卫星支架上的两个摄像装置、安装于二级箱间段的图像压缩采编处理器。图像压缩采编处理器按照总体要求对两幅图像画面分时切换，图像数据经压缩后以恒定的512 kbit/s串行码速率送中心程序器。

数据预处理器用于完成箭上两路冲击和两路噪声信号的源码存储、采集、编码、预处理并将处理后的结果送入中心程序器。

这个阶段长征二号丙火箭成功发射了遥感系列卫星、巴基斯坦双星、中法海洋卫星等多种轨道卫星。遥测系统也圆满完成了三十多次飞行任务，获取了全程遥测数据，为总体进行飞行结果分析和任务评定提供了强有力的判断依据。特别是在2011年火箭发射失利的情况下，遥测系统获取的全程遥测数据以及图像数据为故障调查分析顺利开展提供了强有力的支撑。在此期间，长征二号丙遥测系统首次应用基于H.264视频压缩标准的图像子系统并首飞成功，首次通过快记慢发的模式对分离点速变和图像数据进行冗余传输。但是，随着时间的推移，部分设备在生产、调试、交付等过程中反映出来了一些瑕疵，例如部分电连接器面临停产，选用的元器件受限于当时条件可扩展性差，发射机为模拟发射机，点频更改复杂，不能实现多次更改，不具备TPC编码功能，不能适应后续码速率提升需求等，因此，在2020 年开始启动长征二号丙火箭第3代遥测系统的研制工作。

2.3 第3代遥测系统

第3代遥测系统于2020年启用，主要是在第2代遥测系统的基础上进行了系统升级。升级后遥测系统箭上设备采用产品化模块，各单机根据需求由各功能模块组合而成。箭上设备布置示意如图4所示。

其中，传输设备由新一代中心程序器、远置单元和数字发射机组成，传输容量最高可达10 Mbit/s，具备TPC编码功能，发射机点频可设置，取消了远置单元的数字量模块，将其与中心程序器的数字量模块进行优化整合；新设计的数字量变换器实现对控制系统十表惯组参数的测量；通过参数优化将原有3台模拟量变换器整合成两台，并选用了产品化模块，优化原有设计电路，提高了单机的抗干扰能力；选用了通用化低成本摄像装置。

经过系统升级设计后，遥测系统设备配套数量减少，单机和电缆网质量减轻约15 kg；通过采用产品化单机或产品化模块，缩短了研制生产周期，降低了研制生产成本；通过对各单机电路进行优化设计，提高了单机可靠性及系统可靠性。该状态遥测系统已经过十多次飞行任务考核，均获取了全程遥测数据，后续将继续执行各项飞行任务。

3 遥测系统未来发展方向

随着国内外技术快速发展、型号任务复杂、配套产品剧增，传统的型号主导驱动、纵向一统到底的研制模式，使得人力资源管理和专业技术发展难以形成合力，系统和单机产品横向统筹工作面临巨大的压力和挑战。为解决这一难题，实现“型号+产品双轮驱动”科研生产模式，需要在系统、单机（含模块）两个产品层级，针对架构、平台、型谱、货架4 个方面，系统性地梳理专业产品。未来遥测系统将基于统一系统平台、统一型谱产品进行设计，由信息获取、数据综合、无线测控和能源管理4个部分组成。

信息获取由数据获取与融合组成，数据获取涉及有线和无线获取技术。产品包括传感器和变换器、无线传感器、通用化摄像装置及图像压缩器、数据处理装置等，实现型号需求的力、热、图像等各类型非电量参数的测量、变换和输出。

数据综合由数据采集及转换、路由交换、智能处理、综合编帧、数据存储和故障检测几个细分功能组成，产品包括无线数据控制器及各类综合电子设备，实现外系统模拟量和数字量信号的采集、变换、传输、编帧、计算、存储等，采用“VPX 架构+标准化模块+定制化背板”，搭建高度集成的通用综合电子设备。

无线测控由地基测控、天基测控组成，产品包括地基、天基等各类无线传输设备，采用独立的射频设备完成型号需求的下行数据传输、上行指令控制等一系列功能。

能源管理由能源供应、转换和控制组成，产品包括型谱化锂电池、VPX架构固态配电设备及换流转接器等，实现型号需求的箭上设备供电、配电管理、换流转接等功能。