測量飛機

測量飛機，是一種以飛機為平台的空中機動測控站，一般被航天測控和數據採集網所常用，可以部署到很多有利的位置從而完成相應的測控任務。

測量飛機上裝載天線、遙測接收、記錄、時統、通信、數據處理等設備及控制台；有的在靠近機頭的外側有專用艙，以安裝光學跟蹤系統。測量飛機可部署在適宜的空域,配合和補充陸上測控站和海上測量船的工作，加強測控能力。

基本介紹

• 中文名：測量飛機
• 外文名：Measurement plane

發展歷程

背景

最早的測量飛機誕生於美國。20世紀60年代初美國國家航空航天局（NASA）認識到阿波羅計畫中的月球任務需要全球跟蹤和遙測能力。國防部（DOD）在其無人軌道及彈道飛彈試驗計畫中也面臨同樣的問題，由於陸地站受地理限制，測量船不足以迅速移動且運行費用極髙，顯然跟蹤網需要一種新方案，即需要一種裝有獲取、跟蹤、記錄遙測數據所需測量設備的空載平台，這就誕生了稱為“阿波羅靶場測暈飛機”（CARIA）的空中機動平台。測量飛機由此誕生。

第一架測量飛機

NASA和DOD聯合投資改造了8架C-135噴氣式貨物運輸機，在全球運行，接收並傳送太空人的話音，記錄來自阿波羅及其它NASA和DOD空中飛行器的遙測信息。命名為EC-135N高級靶場測量飛機於1968年1月投入使用，每架的基本改造費用為450萬美元。選定由空軍東靶場來管理和維護這些高級靶場測量飛機及機上設備，為試驗和鑑定部門脤務。

1975年12月，ASIA到東靶場七年並完成了阿波羅計畫後，改稱為髙級靶場測量飛機（縮寫名ARIA仍不變），作為空軍大型試驗和鑑定飛機合併計畫的一部分，轉移到俄亥俄州的懷特-帕特森空軍基地的第4950試驗聯隊。到達懷特-帕特森空軍基地後，ARIA機組進行了多次改造，包括重新安裝和改進測量分系統，將舊的波音商業民航改造成ARIA，命名為EC-18B，ARIA機組包括4架EC-ISSE和3架EC-1SB。

後來空軍又進行了一次合併，ARIA機組搬遷到加利福尼亞的愛德華空軍基地。第4950試驗聯隊與愛德華空軍基地的第6510試驗聯隊合併，組成新的第452飛行試驗中隊。

作用

（1）在彈道式飛彈和運載火箭的主動段，可接收、記錄和轉發遙測數據，彌補地面遙測站因火焰衰減收不到某些關鍵數據的缺陷；裝備光學跟蹤和攝影系統的飛機，可對多級火箭進行跟蹤和拍攝各級間分離的照片。

（2）在飛彈再入段，可有效地接收遙測數據並經通信衛星轉發給首區；裝備紫外光、可見光和紅外光譜測量儀的飛機，可測量飛彈再入體的光輻射特性。

（3）在巡航飛彈和低空中遠程空對空飛彈的飛行試驗中，可接收和實時轉發飛彈的遙測數據；為試驗區參試飛機提供超高頻無線電話音中繼；用機載安全停試系統對飛彈進行遙控。

（4）在載人太空飛行器的入軌段和再入段，可保障天地間的雙向話音通信，接收和記錄遙測數據，並實時轉發給地面接收站，必要時給太空飛行器傳送遙控指令。

特點

測量飛機可部署到最有利的位置完成測控任務，作為陸上站和測量船的補充。大型噴氣式測量飛機可在稠密大氣層之上飛行，對於光學測量，尤其是輻射光譜測量特別有利。測量飛機對再入目標和低空目標的跟蹤測控覆蓋能力比地面測控站大得多（見再入測量）。但是裝在飛機上的測量設備必須與精密定位系統相配合才能完成彈道測量任務。用機載光學設備測量彈道需要2架飛機同時工作，進行交會測量,並以恆星為背景拍攝目標，由恆星方位和照相機位置求得目標的相對位置和絕對位置。輻射測量飛機和遙測飛機需要的定位精度較低，工作過程也比較簡單。前者利用紫外光、可見光和紅外光譜測量儀器採集太空飛行器再入過程中的特性參數；後者利用遙測設備接收、處理、記錄來自太空飛行器的遙測數據。

對遠程低飛目標跟飛測控，可以克服地面觀測仰角低、測控範圍小的困難；從高空探測飛行中段和再入段的飛彈與誘餌的紅外輻射，可以降低地面輻射和稠密大氣對探測距離和精度的不利影響；以伴航方式進行近距離實況記錄，可以得到高清晰影像；落點觀測，包括彈頭地面落點位置觀測和海上濺落水柱或特有的染色劑漂浮物位置的觀測。此外，測量飛機的平台和裝機設備可根據需要靈活組合。

由於測量飛機上的觀測設備均以機體作為參考基準，因此在進行目標觀測的同時要測定機體的位置和姿態，一般用導航星與慣導的組合系統進行測量。對測量精度高的外測設備，還需考慮姿態穩定和機體變形測量與修正措施。

分類

基本類型

遙測飛機以中小型運輸機為平台，安裝帶有寬波束或電子掃描跟蹤天線的遙測設備。

伴航實況記錄飛機以機動性強的殲擊機為平台安裝高速或普通攝像與攝影設備。

紅外探測飛機以中型運輸機為平台，安裝高靈敏度全波段紅外探測設備。

落點測量飛機以直升機為平台，安裝光學測量設備。

綜合多功能測控飛機以大中型運輸機為平台，安裝外測、遙測、安全控制和目標特性測量設備，具備地面綜合測控站功能。

按用途分

彈道測量飛機測量運載火箭和太空飛行器軌跡的稱為彈道測量飛機，機上測量設備必須與精密定位系統相配合，用光學設備測彈道時需要兩架飛機同時工作，進行交會測量並以恆星為背景拍攝目標，由恆星方位和照相機位置求得目標的相對位置和絕對位置。

輻射測量飛機測量太空飛行器再入過程中光輻射特性的稱為輻射測量飛機，採用紫外光、可見光和紅外光譜儀獲取太空飛行器再入時的特性參數。

遙測飛機接收、記錄和轉發太空飛行器和話音信息的稱為遙測飛機，利用遙測設備，接收、處理、記錄來自太空飛行器的遙測數據。

工作原理

ARIA是一種收集、記錄及中繼遙測數據的活動空基平台。ARIA能夠接收和跟蹤遙測信號，主要工作頻段是S波段（2200〜2300MHz）。ARIA可部署到全球，接收來自運載火箭、空間探測器、彈道飛彈、再入飛行器以及巡航飛彈的遙測數據。通常用於飛行器地面軌跡上沒有遙測接收站或受地理限制無法設站的區域。這些區域通常是在地面站覆蓋不到的遠洋或偏僻的陸地，所有數據都記錄在磁帶上，用於亊後分析，所有或部分數據通過衛星或視距線路實時或事後轉送到試驗部門或靶場。

基本配置

ARIA測量設備的基本功能是接收記錄太空飛行器和飛彈的遙測信號。數字遙測數據可通過UHF通信衛星或L波段視距線路實時轉發到地面站。ARIA用戶經常要求通過HF無線電或衛星通信用話音把選定參數的機上測量和時間關係報告給他們。也往往要求事後重放記錄數據的某些選定磁軌通過衛星傳送給他們。利用機上磁帶複製能力可將ARIA數據磁帶快速傳送，保障時間緊迫的任務後分析評價。

數據獲取

ARIA機頭天線罩內有一個2.1m拋物面反射器和一個焦點交叉隅極子陣饋源，用來獲取和跟蹤遙測RF信號。這是世畀上最大的機載跟蹤遙測天線。天線陣包括4套按十字形對稱排列的交叉偶極子。該數據獲取系統能夠接收2000〜2400MHz範圍內的S波段遙測數據，然而將接收範圍擴展到S波段高端的計畫正在進行中，從而能夠接收2000〜2400MHz內的數據。比較器網路形成右旋、左旋極化的和、差信道。然後差信道經AM調製到和信道上，用於自動跟蹤。

天線有二種跟蹤方式。當操作員選用自動跟蹤方式時，天線系統電氣上模擬偏軸圓錐掃描，產生誤差信號。誤差信號指示出信號在哪個方向上偏離了軸線，然後計算機給天線控制機構和驅動裝置發指令，轉動天線跟蹤信號。自動跟蹤方式下，天線也可由彈道處理設備（TPU）或速率記憶裝置來控制。如果天線由TPU自動控制，利用用戶飛行器的預定彈道和ARIA的位置數據引導天線定位。這種模式下，飛行器的彈道一旦不正常，天線連續跟蹤飛行器，實際彈道與預定彈道之間的偏差越積累越大。採用速率記憶跟蹤時，天線轉動速率記在暫存器中，一旦出現信號丟失，天線仍以丟失前的同一速率繼續轉動。對於短暫黑障的信號消失，這種方式極為有用，最後一種方式是手動跟蹤。該方式下，操作員可通過手輪或操縱桿控制天線位置，可以用音頻信號和信號誤差計幫助跟蹤。

天線位置在方位上限制在中心線的-100°〜+100°之間，仰角上限為100°，下限為30°。最大手動轉速為45°/s，最大自動轉速為17°/s，發射狀態下,天線饋源可長期承受100W載波的發射信號。

遙測系統

含有遙測信息的射頻信號在遙測分系統中進行處理，從載波中解調出數據，對基帶視頻或檢波前的數據進行記錄、進一步處理、轉發出去或進行任一組合處理。利用UHP或VHF多路耦合器，可以從一個天線和信道以最小的相互干擾輸出多路等幅信號，允許多路數據同時傳送。ARIA遙測接收機是雙通道接收機_，可以解調標準IRIG遙測信號以及非標準遙測和通信信號。射頻機櫃裡有6台接收機，可以解調2200〜2300MHz頻率範圍內的同步（AM、PM、PSK）和異步（AM、FM）遙測信號。接收機可配置成數據、跟蹤、或數據和跟蹤接收機，每台接收機有9個獨立的IF頻寬、低噪聲綜合調諧頭、手動及自動搜尋和鎖定、10個視頻濾波器頻寬。

數據處理

數據分離分系統能處理來自遙測分系統的頻分和時分多路視頻信號。該數據分離分系統能夠處理兩個獨立的FM、PCM/BPSK，PCM/FM和(或)PCM純數據鏈路。當一台接收機的兩條信道都被鎖定，視頻組合器給出一路輸出，該輸出是接收機兩路視頻信號的合成信號，按兩個AGC電壓之比組合。如果接收機信道中有一條失鎖，相應的鎖定邏輯輸出電平改變，使組合電路轉換到剩下的那個鎖定信道。如果兩條信道都失鎖，組合器的運行同兩條信道都鎖定時一樣。檢波後組合器的合成視頻輸出可根據數據格式不同傳送到PSK解調器、PCM位同步器或FM副載波鑒頻器。然後數據繼續傳送去進行其它事件的檢測、處理、記錄，和(或)通過TACSAT轉發出去。

數據轉發

通常經同步軌道上的UHF衛星進行數據轉發。為此安裝了一台柯林斯AN/ARC-146TACSAT衛星終端，其輸入信號是70MHz，輸出信號高於200低於300MHz，只能發射數據。數據既可是PCM數字數據也可是FM模擬數據_。大多數ARIA有3個數據轉發天線_，一個固定交叉偶極子天線，一個固定刀形天線，一個可控交叉偶極子天線。

記錄及定時

記錄系統包括兩台頻寬為2MHz的AN/USH-3014道Kodai數據磁帶機及其相應的測試設備。來自遙測接收機的檢前和檢後視頻信號都可直接記錄在磁帶機上，檢後信號也可以進行寬頻FM記錄。藉助數據多路復用能將幾路低頻信號的信道組合到一起，從而可將幾路信號記錄在一條磁軌上，最多能同時容納23路輸入信號。藉助相加放大器可將多路輸出信號線性獨立地合成為1路、2路或3路複合輸出。

兩套時間碼產生器以100%的備份提供很高的系統可靠性。每套時間碼產生器從銣頻標接收100KHz的輸入信號。利用搬運時鐘或全球發播的高頻定時信號完成與世界標準時的初始同步。時間碼產生器的輸出包括6種基本的IRIG時間碼，調製的交流和直流轉換的A、B、C、D、E、G和H碼。還有4路精密脈衝和5路延遲的同步速率脈衝信號。銣頻標精度是2×10^-12，主頻標一旦出故癉，可用精度為1×10^-8的第二頻標。GPS時統不久將替代銣時鐘。

通信

HF通信系統是一個全雙工複合無線電系統，包括3台接收機，3台發射機，及其相應的天線、控制和狀態指示器。該系統的特性是靈敏度高、噪聲低，發射功率1000W，工作頻率為2.0〜29.9999MHz,信道間隔為0.1KHz,總共有280000條信道。獨立的單邊帶和雙邊帶通信能力、包括上邊帶、下邊帶、上上邊帶、下下邊帶、調幅，自備復用設備可將4路聲音輸入合成一路。所有ARIA都配有HF通信用的翼尖端天線、尾桿天線_，以及僅接收的LORAN天線。EC-135則還有38.1米的拖線天線。

所有ARIA上都安裝了標準的AIC-18對講系統，分成兩個可獨立工作或互連工作的環路，每個環路還可分割，讓操作員建立專用的對講環路。

發展趨勢

測量飛機的發展趨勢是選用更高性能的運輸飛機，並用相控陣天線取代拋物面天線，對多目標進行跟蹤和數據採集，提高其測控能力。