電子戰(zhàn)條件下航天遙測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路與建議

(1.解放軍91550部隊(duì)91分隊(duì)，遼寧 大連 116000；2.中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

1 引 言

航天遙測(cè)系統(tǒng)完成導(dǎo)彈靶場(chǎng)試驗(yàn)、衛(wèi)星發(fā)射、航天器飛行過(guò)程中飛行器工作狀態(tài)參數(shù)測(cè)量、傳輸，是航天飛行器試驗(yàn)和運(yùn)行過(guò)程不可缺少的支持系統(tǒng)，遙測(cè)系統(tǒng)都由“天、地”兩部分即彈(箭、星)載遙測(cè)分系統(tǒng)和地面遙測(cè)接收分系統(tǒng)通過(guò)空間傳輸構(gòu)成；而“電子戰(zhàn)”(EW)伴隨電磁信號(hào)在軍事行動(dòng)中的應(yīng)用而誕生，已成為現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的一種主要作戰(zhàn)方式。為了阻止敵方航天軍事力量形成戰(zhàn)斗力，航天遙測(cè)信號(hào)歷來(lái)都是電子戰(zhàn)的重要目標(biāo)，航天遙測(cè)技術(shù)和偵察對(duì)抗技術(shù)此消彼漲。

電子戰(zhàn)技術(shù)不斷發(fā)展的形勢(shì)對(duì)航天遙測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了越來(lái)越高要求。本文對(duì)遙測(cè)系統(tǒng)工作原理、技術(shù)發(fā)展、新型航天器對(duì)遙測(cè)系統(tǒng)技術(shù)需求以及電子偵察對(duì)抗技術(shù)特點(diǎn)逐一分析，提出了增加反偵察干擾的基于“軟件無(wú)線電”架構(gòu)的遙測(cè)系統(tǒng)模型，并討論其關(guān)鍵技術(shù)。

2 航天遙測(cè)系統(tǒng)及其技術(shù)發(fā)展

航天遙測(cè)系統(tǒng)是航天工程中不可缺少的重要支持系統(tǒng)，在航天飛行器的試驗(yàn)和運(yùn)行階段提供獲取飛行器內(nèi)部各系統(tǒng)工作狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)并傳輸至地面，作為獲取飛行器試驗(yàn)過(guò)程工作狀態(tài)參數(shù)的主要手段，在航天器實(shí)時(shí)飛行監(jiān)控、性能評(píng)定、設(shè)計(jì)改進(jìn)方面發(fā)揮著不可替代作用。下面從航天遙測(cè)系統(tǒng)的組成和原理、技術(shù)體制發(fā)展歷史、被測(cè)量特點(diǎn)與需求變化、技術(shù)發(fā)展方向與面臨挑戰(zhàn)等幾方面進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

航天遙測(cè)系統(tǒng)組成包括采集、發(fā)送、接收、處理幾部分，工作的基本原理是：將待測(cè)的非電參數(shù)用各傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(待測(cè)量本身是電信號(hào)的則不需要此過(guò)程)，各路電信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理成符合采集規(guī)范的信號(hào)并按照一定體制形成適合單一信道傳輸?shù)娜盒盘?hào)，再調(diào)制發(fā)射，接收端接收到信號(hào)后進(jìn)行一系列逆過(guò)程，先解調(diào)、再恢復(fù)出各路遙測(cè)信號(hào)，遙測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)后端數(shù)據(jù)處理進(jìn)行顯示、記錄和判讀。從系統(tǒng)工作模式講，航天遙測(cè)系統(tǒng)彈(箭、星)上采用一種廣播式發(fā)送；地面只要在其發(fā)射天線覆蓋區(qū)域內(nèi)均可接收，因此，遙測(cè)接收站可以與外測(cè)和遙控系統(tǒng)統(tǒng)一建固定站，也可以單獨(dú)建設(shè)移動(dòng)站。

航天遙測(cè)起步于20世紀(jì)50年代初，目的是將眾多遙測(cè)參數(shù)有效合并起來(lái)實(shí)現(xiàn)公用信道的傳輸并保證系統(tǒng)的誤碼率性能，其發(fā)展的幾十年歷史主要伴隨多路傳輸體制研究和調(diào)制體制研究。遙測(cè)多路傳輸體制經(jīng)歷了頻分(FDM)、時(shí)分(TDM)、數(shù)字脈沖編碼(PCM)和分包遙測(cè)體制幾個(gè)階段；調(diào)制方式由模擬調(diào)制過(guò)渡到數(shù)字調(diào)制。國(guó)際上已形成了涵蓋遙測(cè)系統(tǒng)的相應(yīng)規(guī)范，如CCSDS標(biāo)準(zhǔn)、IRIG標(biāo)準(zhǔn)等。

航天飛行器的被測(cè)參數(shù)從性質(zhì)上分為電量和非電量，從特性區(qū)分為緩變量和速變量參數(shù)。隨著航天飛行器系統(tǒng)功能越來(lái)越復(fù)雜，待測(cè)參數(shù)越來(lái)越多、要求的量化精度也越來(lái)越高，帶來(lái)信息流量增加，要求遙測(cè)系統(tǒng)支持的信息流量更高。

PCM-FM是當(dāng)前航天遙測(cè)系統(tǒng)采用的主要體制，隨著技術(shù)發(fā)展，又不斷在PCM-FM的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展其它技術(shù)。如采用多符號(hào)檢測(cè)(MSD)技術(shù)和Turbo乘積碼(TPC)技術(shù)，大大提升了遙測(cè)系統(tǒng)的性能。工程應(yīng)用表明，同時(shí)采用MSD技術(shù)和TPC技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)FM技術(shù)可獲得8 dB以上的信道增益。另一方面，眾多新的調(diào)制體制不斷應(yīng)用于遙測(cè)系統(tǒng)，如FQPSK-B、FQPSK-JR、SOQPSK-TG等新型體制由于具有頻帶利用率高等突出特點(diǎn)，也已被列入IRIG-106標(biāo)準(zhǔn)中。在遙測(cè)系統(tǒng)工程實(shí)現(xiàn)上，通過(guò)應(yīng)用軟件無(wú)線電(Software Defined Radio,SDR)技術(shù)實(shí)現(xiàn)測(cè)速、測(cè)距、測(cè)角、遙測(cè)、遙控等多功能綜合，以統(tǒng)一載波代替原分離設(shè)備，并具備軟件功能現(xiàn)場(chǎng)重構(gòu)能力；另一方面，數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(TDRSS)建立后，導(dǎo)彈、火箭和中低軌衛(wèi)星的遙測(cè)有由“直接對(duì)地遙測(cè)”向“天基中繼遙測(cè)”發(fā)展的趨勢(shì)。

3 偵察對(duì)抗技術(shù)發(fā)展

鑒于航天遙測(cè)系統(tǒng)在發(fā)展航天武器裝備過(guò)程中的重要作用和地位，特別是遙測(cè)參數(shù)中包含大量令人感興趣的工作狀態(tài)信息，成為窺探航天技術(shù)和武器裝備發(fā)展動(dòng)態(tài)的重要途徑。因此，針對(duì)航天遙測(cè)系統(tǒng)的偵察干擾必然是熱點(diǎn)和重點(diǎn):和平時(shí)期，開(kāi)展偵察手段獲取信息，掌握別國(guó)航天發(fā)展動(dòng)態(tài)；戰(zhàn)時(shí)，實(shí)施干擾，阻止對(duì)方獲得正確的航天遙測(cè)信息，使其不能達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康幕虿荒苷_判斷航天器狀態(tài)，阻止對(duì)方利用空間。

對(duì)航天遙測(cè)系統(tǒng)而言，高可靠性、高碼率和低誤碼率是其最重要的指標(biāo)，為了獲得好的性能，總希望彈(箭、星)載分系統(tǒng)發(fā)射功率足夠并具有寬的對(duì)地覆蓋能力，火箭和導(dǎo)彈遙測(cè)天線往往采用全向覆蓋。但是，這也給敵方截獲、偵察帶來(lái)有利條件。目前，針對(duì)航天遙測(cè)系統(tǒng)的偵察接收主要包括地基、空基的抵近接收方式和衛(wèi)星偵察方式，如就獲取遙測(cè)數(shù)據(jù)而言，還可針對(duì)遙測(cè)終端的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)竊取數(shù)據(jù)文件(不屬于本文的討論范圍)。

遙測(cè)系統(tǒng)只有返向發(fā)送的電信號(hào)，針對(duì)遙測(cè)系統(tǒng)的偵察屬于電子偵察，其包含兩方面目的：一是通過(guò)對(duì)輻射源定位，測(cè)算敵方試驗(yàn)靶場(chǎng)位置和飛行器粗略外彈道特性等參數(shù)；二是獲取遙測(cè)信號(hào)內(nèi)涵信息，從遙測(cè)參數(shù)判斷航天裝備的技術(shù)水平、發(fā)展動(dòng)態(tài)。我們談遙測(cè)系統(tǒng)對(duì)抗僅就遙測(cè)信號(hào)本身的對(duì)抗，不考慮航天器平臺(tái)的對(duì)抗或針對(duì)接收站的硬打擊。從理論上，遙測(cè)系統(tǒng)對(duì)抗可采取干擾傳感器和傳輸鏈路，但干擾傳感器的實(shí)施難度較大，遙測(cè)對(duì)抗采取主要技術(shù)手段還是針對(duì)遙測(cè)傳輸鏈路的干擾。

目前，典型的遙測(cè)對(duì)抗戰(zhàn)法是：平時(shí)偵察遙測(cè)信號(hào)，開(kāi)展參數(shù)測(cè)量和信息解調(diào)，積累其遙測(cè)信號(hào)規(guī)律和信息處理方法，總結(jié)和分析遙測(cè)體制；戰(zhàn)時(shí)依據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合實(shí)時(shí)測(cè)量參數(shù)引導(dǎo)干擾設(shè)備發(fā)射瞄準(zhǔn)的干擾信號(hào)，干擾方式以裝載電子對(duì)抗載荷的空基和天基平臺(tái)進(jìn)入遙測(cè)站接收天線波束或旁瓣實(shí)施干擾。由于遙測(cè)傳輸屬于一種廣播式的傳輸，在飛行器遙測(cè)發(fā)射機(jī)天線覆蓋范圍內(nèi)均可建站接收，遙測(cè)系統(tǒng)干擾實(shí)施起來(lái)并不容易，需要先驗(yàn)信息和輔助情報(bào)系統(tǒng)支持，因此，從局部單點(diǎn)設(shè)備級(jí)干擾無(wú)法造成系統(tǒng)性的性能下降和失效，對(duì)抗技術(shù)已經(jīng)向系統(tǒng)對(duì)抗、網(wǎng)絡(luò)對(duì)抗、體系對(duì)抗方面發(fā)展。

在電子偵察對(duì)抗裝備技術(shù)方面，也順應(yīng)了“軟件化”的發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)設(shè)計(jì)具有高度靈活性的通用硬件平臺(tái)，而將眾多功能用軟件方式實(shí)現(xiàn)，這樣可以依據(jù)目標(biāo)特性變化和技術(shù)發(fā)展進(jìn)行功能調(diào)整和升級(jí)，以達(dá)到快速形成戰(zhàn)斗力的目的。

電子系統(tǒng)的偵察對(duì)抗與防護(hù)始終處于“矛和盾”的關(guān)系，遙測(cè)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展引發(fā)對(duì)其偵察和干擾技術(shù)的研究，偵察對(duì)抗能力的提升又必然促使任務(wù)功能電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中充分考慮其抗截獲、抗干擾能力，這也是遙測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮的重要因素。

4 電子戰(zhàn)條件下遙測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路和建議

如前所述，遙測(cè)系統(tǒng)需要支持的信息流量增加，遙測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)更追求高碼率、低誤碼、保密性好、抗干擾能力強(qiáng)，下面我們將提出一些思路供參考。

4.1 系統(tǒng)模型

設(shè)計(jì)遙測(cè)系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先考慮采用基于“軟件無(wú)線電”的數(shù)字遙測(cè)系統(tǒng)方案。自1992年軟件無(wú)線電的概念首次提出以來(lái)，軟件無(wú)線電技術(shù)已經(jīng)在各種電子系統(tǒng)中發(fā)揮了巨大作用。采用軟件無(wú)線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)遙測(cè)系統(tǒng)就是構(gòu)造一個(gè)開(kāi)放式的標(biāo)準(zhǔn)化通用硬件平臺(tái)(系統(tǒng)組成如圖1所示)，在航天器發(fā)射端，遙測(cè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)非電信號(hào)到電信號(hào)轉(zhuǎn)換以后，采集、調(diào)理、編碼、加密、調(diào)制等都可以采用軟件方法實(shí)現(xiàn)；接收站采用的綜合基帶是軟件無(wú)線電技術(shù)較好的體現(xiàn)，整個(gè)接收站以一種“天線+射頻信道+綜合基帶和計(jì)算機(jī)”模式組成。這種基于軟件無(wú)線電技術(shù)的遙測(cè)系統(tǒng)通過(guò)軟件升級(jí)重新配置，可以實(shí)現(xiàn)遙測(cè)傳輸能力擴(kuò)展、更改傳輸信號(hào)波形、更換編譯碼方式、更換加密密鑰等，因此，只有采用“軟件無(wú)線電”架構(gòu)才能很好適應(yīng)不斷增長(zhǎng)的遙測(cè)需求和技術(shù)發(fā)展，以極小的代價(jià)不斷提升遙測(cè)系統(tǒng)抗截獲、抗干擾能力。

圖1 數(shù)字遙測(cè)系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of digital telemetry system

4.2 降低碼率

擴(kuò)大遙測(cè)信道容量以滿足新型航天飛行器測(cè)量需要。要解決遙測(cè)容量問(wèn)題，可采取的方式主要包括增加通道、提高碼率、提高傳輸效率。增加通道的方案可以是采用獨(dú)立多頻點(diǎn)分路遙測(cè)，也可以采用OFDM等新體制；高碼率傳輸也是一條途徑，目前CCSDS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的USB遙測(cè)碼率為2 Mbit/s，新型系統(tǒng)又將碼率提高到5 Mbit/s甚至10 Mbit/s；提高傳輸效率可選擇調(diào)制體制、編碼方式和數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)。增加通道和提高碼率都需要提高系統(tǒng)的EIRP值，要滿足全向輻射特性，天線增益難以提高，必須增加遙測(cè)系統(tǒng)發(fā)射功率，系統(tǒng)代價(jià)高，并且將犧牲系統(tǒng)的抗截獲性能。因此，在電子戰(zhàn)環(huán)境下，增加頻點(diǎn)和提高碼率都不算理想的解決方案，數(shù)據(jù)壓縮(廣義)則是在飛行器上對(duì)遙測(cè)參數(shù)按照其特性進(jìn)行預(yù)處理，CCSDS標(biāo)準(zhǔn)中也對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)壓縮的信源編碼技術(shù)進(jìn)行了描述，基本方法是采用抽取特征參數(shù)，去掉部分?jǐn)?shù)據(jù)中的冗余，再按照自適應(yīng)熵編碼處理。另外，還可以通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的緩變量進(jìn)行緩存，在空隙時(shí)段下傳以平衡數(shù)據(jù)流量，降低對(duì)遙測(cè)系統(tǒng)傳輸能力的要求。由此可見(jiàn)，數(shù)據(jù)壓縮方案在不降低系統(tǒng)抗截獲性能的情況下可實(shí)現(xiàn)信道容量擴(kuò)展；但是，數(shù)據(jù)壓縮提高了信息密度，誤碼對(duì)系統(tǒng)的影響加大，因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)最好采用無(wú)損壓縮，并在壓縮效率和誤碼性能間進(jìn)行平衡。

飛行器遙測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)壓縮的原理圖如圖2所示。其中，多通道采集器根據(jù)參數(shù)類型分類選取采樣率。

圖2 遙測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)壓縮部分工作原理框圖Fig.2 Schematic block diagram of data compression part of telemetry system

4.3 “三抗”設(shè)計(jì)

抗截獲、抗偵收、抗干擾(“三抗”)的技術(shù)手段必不可少，遙測(cè)信號(hào)偵收過(guò)程是通過(guò)截獲遙測(cè)信號(hào)并對(duì)信息解碼實(shí)施竊取數(shù)據(jù)，在這里我們只考慮針對(duì)遙測(cè)系統(tǒng)的無(wú)線偵收；干擾手段則包括單音/多音干擾、噪聲阻塞干擾、數(shù)據(jù)篡改和偽造等，因此，抗偵收、抗干擾可采取數(shù)據(jù)加密、信號(hào)擴(kuò)頻等方式。數(shù)據(jù)加密方法在通信系統(tǒng)中已相當(dāng)成熟，遙測(cè)應(yīng)用原理相同，為了保護(hù)信息的保密性、抗密碼破譯，建議最好采用一次一密，并通過(guò)遙測(cè)系統(tǒng)開(kāi)辟高安全等級(jí)的密鑰通道傳輸。擴(kuò)頻信號(hào)展寬頻帶降低帶內(nèi)信號(hào)譜密度并具有不可預(yù)測(cè)特性，使偵察接收機(jī)難以檢測(cè)；擴(kuò)頻信號(hào)是通過(guò)相關(guān)檢測(cè)，如果不掌握擴(kuò)頻碼(跳頻圖形)參數(shù)則無(wú)法解調(diào)信號(hào)，因此具有良好保密性?？梢?jiàn)，信號(hào)擴(kuò)頻技術(shù)是有效應(yīng)對(duì)偵察干擾的手段之一，建議可選擇直接序列擴(kuò)頻(DS)、跳頻(FH)或混合擴(kuò)頻體制；但是，由于遙測(cè)系統(tǒng)本身要求較高數(shù)據(jù)率，要想獲得擴(kuò)頻增益必須努力提高擴(kuò)頻碼率，而這又給工程實(shí)現(xiàn)增加難度，需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)折衷考慮。

同時(shí)，新型天線技術(shù)也可以提升系統(tǒng)“三抗”性能。如前所述，為使地面站可靠接收，彈(箭)載遙測(cè)系統(tǒng)天線采用全向覆蓋，但這給偵察和干擾創(chuàng)造了條件。隨著數(shù)字波束形成(DBF)技術(shù)的發(fā)展，這種狀況有望解決。根據(jù)飛行器平臺(tái)的姿態(tài)參數(shù)和地面站布站參數(shù)，可以通過(guò)多個(gè)天線陣元合成滿足覆蓋地面站的天線波束，這樣既能提高天線增益，又可以對(duì)抗針對(duì)遙測(cè)信號(hào)的偵察。遙測(cè)地面接收站也一樣可以在天線方面采取一定措施，比如應(yīng)用自適應(yīng)調(diào)零天線技術(shù)，利用方向圖的變化，自動(dòng)調(diào)整波束的零點(diǎn)位置，使之對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)的方向，同時(shí)保證天線主波束(對(duì)有用信號(hào))處于最佳接收狀態(tài)。波束形成、自適應(yīng)信號(hào)處理及自適應(yīng)算法控制等都依賴于數(shù)字信號(hào)處理，采用基于“軟件無(wú)線電”的硬件平臺(tái)正好可以提供條件。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著飛行器對(duì)遙測(cè)系統(tǒng)需求發(fā)展和針對(duì)遙測(cè)系統(tǒng)的電子戰(zhàn)技術(shù)發(fā)展，遙測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)將面臨越來(lái)越多的難題。本文從需求分析和電子戰(zhàn)技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀及趨勢(shì)著手，提出了針對(duì)電子戰(zhàn)條件下遙測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路，希望對(duì)感興趣的人員提供一些參考，其工程應(yīng)用還需要大量的深入研究。

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