未來飛行器測控通信體系結構及關鍵技術

雷 厲,胡建平,朱勤專

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

1 引 言

飛行器測控通信技術屬于集雷達、通信、導航、自動控制、計算機及網絡等學科的綜合應用技術,用于實現對飛行器的跟蹤測軌(外測)、遙測(內測)、遙控和信息傳輸。飛行器測控系統始于對火箭的靶場測量,隨著技術的進步和應用的擴展,測控系統在跟蹤測軌、遙測和遙控的基礎上兼容了信息傳輸功能,因此又叫“測控通信系統”或“測控與信息傳輸系統”。

在國際上,經過70多年的發展,測控系統的體制從“分離”過渡到了“統一載波”[1];信號形式從常規到擴頻;承載平臺從陸基、海基發展到天基;應用模式從單站到多站組網工作;服務目標對象從導彈、運載火箭、航天器到無人機、臨近空間飛行器,以及跨界的空天飛機;同時服務的目標數量從單個到多個目標;用途從軍用到民用和科學探索;作用距離從航空高度到遙遠的深空。

在未來一段時期,飛行器的種類和數目將持續增加,任務操作越來越復雜,這不僅需要繼續提高測控通信能力,擴大服務范圍,還需要研究和建立性能良好、安全可靠、可靈活重構、開放互聯、支持互操作的,面向航天器、航天靶場、臨近空間飛行器、無人機的天空地一體化測控通信體系,以實現測控資源的綜合利用和統一管理。

2 未來測控通信任務需求

根據可能的任務需求和技術發展趨勢,未來20年對測控通信系統的要求可以歸納如下。

(1)“高”

高覆蓋:載人空間站、載人登月、深空探測、高超音速臨近空間飛行器等要求測控通信覆蓋率越高越好,甚至達到地球或其它星體表面的100%。

高精度:共位同步衛星的位置精度要求達到米級;近地軌道衛星的位置精度要求達到30 cm;編隊飛行衛星的相對位置測量精度要求達到納米級,相對速度測量精度要求達到每秒微米級;月球和深空探測的測速精度要求為0.001mm/s,測距精度要求為1 m。采用差分單向測距(Δ DOR)時延可達0.5 ns(相當于15 nrad)的精度,引入脈塞時頻系統和同波束干涉(SBI)技術進一步可達5 nrad。

高頻段:為滿足日益增長的數傳容量、測量精度、抗干擾和減小“黑障”影響等要求,星地鏈路將向Ka頻段轉移,空間鏈路將使用V頻段和光學頻段。

高速率:中繼衛星、月球探測、火星探測、臨近空間站的數傳速率要求達到1～20 Gbit/s。

高安全防護能力:為了應對未來空間威脅和日益復雜的電磁環境,測控系統需要進一步提升安全防護和自我生存能力。

(2)“遠”

高超音速臨近空間飛行器的航程將達半個地球表面;火星探測的最遠距離達到4×108km。

(3)“快”

速度快:高超音速臨近空間飛行器飛行速度將達到20 Mach以上,將要求解決極快速度捕獲和“黑障”效應問題。

響應快:航天靶場要求支持快速響應發射;應急測控要求測控設備以最快的速度完成任務準備。

(4)“多”

多目標同時測控:星座、星群、編隊飛行、無人機群等要求同時多目標測控通信。

多飛行器組網:多個飛行器構成無線自組織網絡,可以提高性價比。

多種測控手段綜合運用:無線電跟蹤測量、跟蹤與中繼、全球衛星定位、脈沖星X射線導航、相對導航等手段的綜合運用,可以取長補短,滿足多樣性任務要求。

(5)“通”

通用化開放式系統結構:按層次劃分系統結構,各層次間采用標準的接口。以方便不同系統之間的互聯、互通和互操作;硬件和軟件的移植和重用;系統功能的增強和擴充;提高系統的冗余和重構能力。

(6)“軟”

軟件無線電:在具有開放性、標準化的通用硬件平臺上,通過基于開放式系統互連的分層軟件體系,實現多功能綜合的測控基帶、數傳基帶和應答機。

(7)“網”

網絡化測控通信體系:未來需采用互聯網技術實現天基、空基和地基測控通信資源的綜合利用。

(8)“省”

省投入:建立多波束測控站;盡量使用天基測控資源、采用多飛行器組網等可減少地基站的數量。

省維護成本:用戶要求提供遠程診斷、維護能力。

3 未來測控通信系統的體系結構

在未來20年左右的時間內,航天器、航天靶場、臨近空間、無人機四大應用領域的飛行器測控通信系統將在現有基礎上,通過各自性能提高、手段完善、網絡化演進等歷程,最終統一為天空地一體化測控通信網,以實現測控通信任務統一指揮控制、飛行器態勢綜合顯示、測控通信資源綜合利用并可持續發展的目的。

3.1 中期各應用領域測控通信系統的體系結構

3.1.1 未來航天器測控通信系統的體系結構

航天器測控通信系統的任務范圍包括地球任務、月球任務、火星任務等太陽系范圍內的任務,以及更遠太空中的航天任務[2]。

航天器測控通信的功能與業務:為航天器提供測控和通信服務。除了無線電外測跟蹤業務外,自主定位的航天器還可應用全球衛星導航定位系統和慣性導航設備進行定位。編隊飛行衛星和星座將用相對測量手段進一步提高測量精度。

航天器測控通信體系的構成:由地球局域網(包括近地中繼單元、中低軌衛星網絡和地基測控通信站,其中地基測控站含陸基固定、機動站和海上測量船)、月球局域網、火星局域網組成,如圖1所示。

圖1 航天器測控通信系統的體系結構Fig.1 Architecture of spacecraft TT&C communication system

網絡結構:在現有的無線電點對點連接和鏈路中繼方式的基礎上,采用不斷發展的互聯網技術,為太陽系的用戶提供無處不在的端-端連接,進一步發展為“行星際互聯網(IPN)”。

行星際互聯網的基本思路:在低延時的遙遠環境中部署標準的因特網,建立適應長延時空間環境的骨干鏈路來連接這些分布的因特網,創建低延時和高延時的中繼網關。

行星際互聯網的構成如下:

(1)行星際骨干網絡。涵蓋目前使用的地基近地航天器測控網和深空網,用于提供地球、月球、外層空間的行星及其衛星、放置在行星拉格朗日引力穩定點的中繼站之間的測控通信,它包括直接和多跳無線鏈路。

(2)行星區域網。包含行星衛亞子網和行星表面子網。行星衛星子網提供地—星中繼服務和行星表面節點的測控通信服務,行星表面子網用于連接運載器、著陸器、漫游器、巡視車,以及分布于一個點對點(Ad Hoc)網絡中的傳感器。

(3)行星際外部網。包括星座、編隊和衛星群網絡。

頻譜結構:根據國際電聯、無線電委員會的規定和現狀,未來航天器測控通信主要使用UHF、L、S、C、X、Ka無線電頻段和光學頻段,其中UHF頻段主要用于火星中繼衛星到火星表面的測控,L頻段主要用于自主導航和定時,S、C頻段主要用于測控,X、Ka頻段主要用于地-月、地-火、地-日拉格朗日點的測控和任務數據傳輸。

測控(導航)結構:包括無線電跟蹤測量、遙控和遙測;全球衛星定位系統的應用,即自主定位、授時和時間同步;跟蹤與中繼衛星的應用;相對導航技術的應用。

安全結構:為需要數據安全的用戶提供可供選擇的數據保護業務,包括加密和認證。尤其是遙控信息的端-端保護,通常有3種安全業務方案:網絡層安全業務、應用層安全業務和應用層/網絡層混合安全業務。另外,還需要從信號體制和信號處理上防止信號被非法獲取和人為干擾。

3.1.2 未來航天靶場測控與監視系統的體系結構

航天靶場的任務:對運載器、導彈和其它新概念飛行器等的發射支持,具備支持覆蓋地球表面和低地球軌道的快速反應發射、全射向發射、全球機動發射、在軌操作、軌道轉移和再入的能力。監視將成為靶場的重要功能之一。

航天靶場測控與監視體系的構成:由天基資源(包括全球衛星定位系統、跟蹤與中繼衛星系統和其它星座)、空基資源(包括測控與監視飛機、無人機、飛艇)和地基測控與監視站,以及航天靶場指揮與操作中心構成,如圖2所示。

圖2 航天靶場測控與監視系統體系結構Fig.2 Architecture of aerospace site TT&C and surveillance system

網絡結構:中期以點對點連接為主,逐漸將天基、空基和地基資源通過網絡無縫綜合。

頻譜結構:航天靶場將主要使用 L、S、C、X、Ka頻段,其中L頻段用于衛星定位與授時,S、C、X頻段用于一般運載和導彈的測控,Ka頻段用于衛星中繼和超高聲速導彈的測控。

測控與監視結構:以天基測控資源(全球衛星定位系統、跟蹤與中繼衛星系統或其它星座的應用)為主,輔以空基和地基無線電跟蹤測量。測控與監視空域可以覆蓋半個地球。

安全結構:主要從信號體制、信號處理和數據保護上采取措施。

3.1.3 未來臨近空間測控通信系統的體系結構

臨近空間通常是地球表面以上20～100km高度之間的空域[3],是當前開發利用較少的空域,它不但把“空”和“天”銜接起來了,也將成為新的作戰空間。2005年8月8日美國國防部公布的《無人機系統線路圖2005-2030》中也新增加了發展臨近空間無人飛艇等內容[4]。

臨近空間飛行器可分為低動態飛行器和高動態飛行器。低動態飛行器包括自由浮空器、半可控浮空器、平流層飛艇、升浮一體飛行器、太陽能無人機等。高動態飛行器包括超音速有動力巡航飛行器、高超音速有動力巡航飛行器(HCV)、無動力通用再入飛行器(CAV)、空天往返飛行器(如空天飛機、應急軌道飛行器)等。

臨近空間飛行器測控通信系統的任務:對低動態、高動態臨近空間飛行器提供從起飛或發射、飛行/作戰、降落等全過程的測控和數據傳輸支持。

臨近空間飛行器測控通信體系的構成:由天基資源(包括全球衛星定位系統、跟蹤與中繼衛星系統和其它星座)和地基測控站,以及臨近空間飛行器指揮與操作中心構成,如圖3所示。

圖3 臨近空間測控通信系統體系結構Fig.3 Architecture of near space TT&C communication system

網絡結構:中期以點對點連接為主,逐漸將天基和地基資源通過網絡無縫綜合。

頻譜結構:根據國際電聯(ITU)的規定,臨近空間飛行器可使用L頻段(1885～1980MHz,2110～2170MHz)、Ka頻段(下行:27.5～28.35GHz,上行:31.0～31.3GHz)和V頻段(下行:47.2～47.5GHz,上行:47.9～48.2GHz)。

測控結構:由地基測控站提供視距測控和數傳支持,由天基資源提供超視距,甚至全程測控與數傳支持。

安全結構:主要從信號體制、信號處理和數據保護上采取措施。

3.1.4 未來無人機測控通信系統的體系結構

在未來,無人機的應用范圍將越來越大,甚至代替有人機作戰。

無人機測控通信系統的任務:在無人機起飛或發射、空中作業或作戰、著陸或回收等階段提供定位、遙控、遙測和數據傳輸支持。

無人機測控通信體系的構成:由天基資源(全球衛星定位系統、跟蹤與中繼衛星系統、通信衛星系統等)、臨近空間資源(飛艇或臨近空間站)、空基資源(中繼無人機)、地基資源(地面測控站和數據鏈終端),以及地面指揮控制中心等構成,如圖4所示。

圖4 無人機測控通信系統體系結構Fig.4 Architecture of UAV TT&C communication system

網絡結構:一般單機為點對點連接;多機構成機群時,以中繼機為中心構成無限局域網。

頻譜結構:根據國際電聯規定和我國實際情況,無人機測控數據鏈常使用 VHF 、UHF、L、C 、X、Ku、Ka頻段。

測控結構:由天基和臨近空間基資源提供超視距定位、遙測和遙控,地基資源提供視距測控,空基資源提供多機組網測控。

安全結構:主要從信號體制、信號處理和數據保護上采取措施。

3.2 遠期天空地一體化飛行器測控通信系統的體系結構

在遠期,隨著航天器、航天靶場、臨近空間飛行器和無人機測控通信任務的不斷增多、測控通信基礎設施的完善,以及空間互聯網技術的成熟,把航天器測控通信、航天靶場測控監視、臨近空間飛行器測控通信、無人機測控通信4個單元綜合成一個天空地一體化測控通信系統,將能更充分地利用測控通信資源,全面掌握飛行器態勢,進一步提高效費比。

天空地一體化飛行器測控通信系統為各類飛行于空間、臨近空間和空中的飛行器提供測控和通信服務。體系由航天器、航天靶場、臨近空間飛行器和無人機測控通信系統4個物理單元和相互交迭的網絡、電磁頻譜、測控和安全結構,以及飛行器指揮與控制中心和虛擬操作控制分中心組成。該體系結構通過網絡技術將測控通信能力擴展到整個太陽系,使用戶從一個單元到另一個單元時可無縫順利過渡。聯網結構具有互操作、標準化和提高資源利用率,支持多種端到端用戶應用的標準化分層數據通信業務的特點。圖5是天空地一體化飛行器測控通信體系的示意圖[5]。

圖5 天空地一體化飛行器測控通信系統體系結構Fig.5 Architecture of space-air-ground TT&C communication system

網絡結構:采用異構開放的互操作標準,建立通用空間互聯網的基礎結構。它由骨干網、接入網、飛行器間的網絡和臨近行星網絡組成,其中骨干網包括地面網絡和空間網絡、飛行器指揮控制中心的內聯網、虛擬專用網等;接入網包括骨干網絡與任務飛行器(含其上的局域網絡)之間的通信接口;飛行器間的網絡包括星座、編隊、星群、無人機群中飛行器間的網絡;臨近行星網絡包括連接空間運載器、著陸器、傳感器等的網絡。

分層/完整的通信結構:通信網絡將采用開放系統互連的七層模型中下面的五層,在各層之間的交互控制使得飛行器載數據路由及飛行器間數據自主路由成為可能。通過允許控制天線、發射功率、傳輸數據率,以及距離變化的媒體接入方法,提供完全的端對端數據路由能力,從而使飛行器能夠按要求接入網絡。這些層中的協議和接口使得交互連接能根據網絡任意節點的要求進行連接或中斷。空天地一體化測控通信系統體系結構中的互聯網協議層如圖6所示。

圖6 天空地一體化測控通信系統互聯網協議層Fig.6 Internet protocol layer of integrated space-air-ground TT&C communication system

頻譜結構:使用VHF 、UHF 、L 、S 、C、X 、Ka、V 和光學等頻段,以足夠的帶寬、數傳速率和盡量簡單的硬件配置,提供測控通信和定位服務。

測控結構:綜合利用無線電測控、跟蹤與中繼、全球衛星定位、脈沖星X射線導航和相對導航等技術,為航天器、航天靶場、臨近空間飛行器和無人機提供無縫的測控通信服務,實現飛行器高覆蓋、低成本的統一管理。

安全結構:為需要數據安全的用戶提供若干可供選擇的數據保護業務,包括加密和認證,以及應對人為射頻干擾的措施等。

4 未來測控通信系統的主要關鍵技術

根據目前的技術現狀,構建天空地飛行器測控通信系統尚需從物理層、鏈路層、網絡層等解決所面臨的眾多技術難題。今后應重點研究下列關鍵技術。

(1)高精度無線電跟蹤測量技術

需要進一步從再生式PN碼測距、寬帶測距、單向測速、差分單向測距(Δ DOR)、同波束干涉測量技術(SBI),以及編隊飛行的相對導航等多個方面的技術著手,達到提高測量精度的目的。

(2)高速數據傳輸技術

目前市場上已有2Gbit/s的數傳解調器。隨著碼速率的進一步提高,高速數字解調器中數字采樣的精度、高速算法、載波恢復、差分譯碼和信道均衡的難度越來越大,高速數字調制器在調制頻段、調制方式、信道編碼等方面均面臨難題。

(3)高超音速臨近空間飛行器的測控技術

需要突破適應高超音速臨近空間飛行器在“黑障”條件下的全程、實時測控和安控技術。

(4)多目標同時測控技術

多目標同時測控技術包括單站多目標(利用有源多波束相控陣天線、六面相控陣天線、圓頂相控陣天線、數字多波束天線等實現單站多目標測控)、衛星定位+衛星中繼方案、單波束站+飛行器網方案、衛星中繼+飛行器組網方案和寬波束+CDMA等。

(5)激光測控通信技術

激光測控通信系統具有高碼速率信息傳輸、高精度位置測量能力,也可用于遙控、遙測,是極具潛力的新型測控通信手段。目前需要解決高精度跟瞄技術、高功率高重頻激光器技術、強背景條件下微弱信號檢測技術等。

(6)新興導航定位技術

脈沖星X射線導航、星上光學導航、組合導航、無線局域網內飛行器自主定位技術等將是未來飛行器導航定位的主要方向,需要開展綜合研究。

(7)網絡技術在測控通信中應用

空間容延遲網絡(DTN):需要研究大容量數據的動態和隨機傳輸、容延遲協議、高可靠路由、流量控制、網絡命名尋址協定、糾錯編譯碼、時間同步、網關節點維護、數據安全,以及行星際中繼、網絡節點的導航技術。

自組織網絡(Ad Hoc):需要研究介質訪問控制協議、安全的路由設計、提供服務質量的路由協議、協議節能策略,以及網內節點的導航技術。

(8)安全防護技術

探索混沌序列擴頻測控通信技術、擴/跳結合的測控通信技術、空-時/空-頻自適應處理技術,以及新的加密認證技術。

(9)模塊化開放式結構

研究制定測控通信系統接口、服務、支持形式的開放標準,以可重新配置、通用的硬件平臺為基礎,用開放式、可升級的應用程序來實現測控通信功能,使設備能即插即用,系統易于互聯、互操作,易于增加功能或設備、升級和重構。

(10)測控通信設備遠程診斷與維護技術

采用現代檢測技術、故障診斷專家系統、數據庫技術和多媒體通信技術,通過網絡監測測控通信裝備的工作狀態,實施遠程故障診斷、軟件的升級與更新,指導現場可更換單元的更換,從而保持系統的健康。

5 結束語

航空航天技術的迅猛發展,為測控通信技術的應用帶來了新的機遇和挑戰。網絡技術已經改變了商業模式、組織機構和業務流程,把人類世界變成了地球村。因此,我們相信網絡技術也會改變測控通信的體系結構、系統組成和信息流程,將大大提高測控通信資源的利用效率。

[1] 趙業福.衛星測控網的技術發展[J].飛行器測控學報,2002,21(3):1-4.ZHAO Ye-fu.Technology Development of Satellite TT&C Network[J].Journal of Spacecraft TT&CTechnology,2002,21(3):1-4.(in Chinese)

[2] 2005～2030年NASA空間通信與導航體系結構建議[M].張紀生,等,譯.北京:北京跟蹤與通信技術研究所,2007.NASA′s Space Communication and Navigation System Architecture in Years form 2005 to 2030[M].Translated by ZHANG Ji-sheng,et al.Beijing:Institute of Tracking and Communication Techniques,2007.(in Chinese)

[3] Unmanned Aircraft System Roadmap 2005-2030[R].Washington:Office of the Secretary Defense,2005.

[4] 李文正,龔波.美國對臨近空間概念的研究[J].863航天航空技術,2005(11):1-16.LI Wen-zheng,GONG Bo.Study on Nearspace Concept[J].863 Aerospace&Astronautics Technology,2005(11):1-16.(in Chinese)

[5] 美國未來的空間通信基礎設施體系結構及相關技術譯文集[M].北京:北京跟蹤與通信技術研究所,2006.Translated Papers on US Future Space Communication Architucture and Related Technology[M].Beijing:Institute of Tracking and Communication Techniques,2006.(in Chinese)