TDRSS新一代地面系統體系結構研究

史西斌，李鱺瑤

(北京空間信息中繼傳輸技術研究中心，北京 100094)

TDRSS新一代地面系統體系結構研究

史西斌，李鱺瑤

(北京空間信息中繼傳輸技術研究中心，北京 100094)

當前的TDRSS地面系統主要是20世紀90年代中期開發的，面臨著設施設備老化、過時、異質、操作和維護非常困難等問題，無法適應未來發展的需要。為此，NASA啟動了TDRSS新一代地面系統開發項目，即天基網地面段維持(SGSS)項目。概括了TDRSS地面系統的現狀并指出了存在的問題，闡述了TDRSS新一代地面系統的體系結構、業務能力，分析總結了TDRSS新一代地面系統體系結構的益處和特點，可為我國中繼衛星地面系統的后續建設與發展提供參考。

跟蹤與數據中繼衛星系統；地面系統體系結構；天基網地面段維持項目

0 引言

經過30多年的建設，NASA已經建成了包含多個空間節點[1]、多顆在軌衛星、多個地面站且具備全球覆蓋能力的跟蹤與數據中繼衛星系統(TDRSS)[2]。TDRSS地面系統作為整個網絡的“心臟”，主要包括地面終端站、測距轉發站和網絡控制中心等[3]。從地理位置上說，目前TDRSS地面系統共有白沙地面站(WSGT)、第二白沙地面站(STGT)和關島地面站(GRGT)3個場區[4]以及7個地面終端站[5]。由于經過多次業務改造[6]，再加上各地面終端站建設時的技術發展水平有所差異，因此3個場區的地面終端站數量、支持業務等配置不完全相同[7]。

分析表明，TDRSS地面系統當前面臨下列挑戰[8]：① 地面終端站采用“煙囪式”體系結構，信號通過設備鏈到達特定TDRS。地面終端站與所能支持的TDRS之間存在較強的耦合性，從而限制了靈活性，并增加了每個地面終端站所需設備的數量，因為每顆TDRS都要求有自己的一組主用和備用地面設備；② 經過多年運行，現有設備老化過時嚴重，運行維持以及改造的成本越來越高。硬件、軟件和固件方面的限制使得服務可靠性面臨著非常大的風險。此外，地面站體系結構本身也已過時，運行維護屬于勞動力密集型，終端部件無法適應未來的能力擴展需求。為此，NASA開發了新一代TDRSS地面系統，結合先進的技術對地面系統的體系結構和功能進行重新設計，以從根本上解決上述問題，提高整個系統的支持能力[9]。

1 TDRSS新一代地面系統

極高的用戶服務可用度需求，連同為滿足未來需求和降低運行成本而不斷演變的必要性，要求應對現有的地面終端站部件進行替換。新的部件必須是可擴展、可升級且易于運行維護的。正是意識到這種升級的需求，NASA確立了天基網地面段維持(SGSS)項目[10]，任務是保證TDRSS最少再服務25年[11]。

1.1 體系結構

SGSS的目標是實現一個現代化的地面系統，能使TDRSS繼續向用戶提供高質量的服務，滿足利益相關方的需求，并大大減少所需的操作和維護資源。SGSS的體系結構要素如圖1所示[12]，主要包括7部分，每一部分負責執行特定的系統功能。

圖1 SGSS體系結構要素

① 星地鏈路(SGL)：提供了TDRS與SGSS之間的物理接口，傳輸用戶數據和TDRS TT&C信號。SGL包括中頻/射頻轉換電子設備、用于射頻信號收發的物理天線系統，也包括分布在整個地面終端中的精確定時和頻率基準。

② 數字信號處理(DSP)：提供管理通信信道所需的信號處理功能，即提取用戶和TDRS返向(遙測)鏈路數據并處理用戶和TDRS前向(遙控)鏈路數據。DSP部分也包含模數和數模轉換功能以及子頻帶調諧/組合(SBT/SBC)。DSP通過生成TDRS和用戶距離、多普勒測量，為跟蹤服務提供支持。

③ 用戶業務網關(USG)：是遠程和本地用戶的數據業務網關。功能主要包括對空間鏈路擴展(SLE)接口、IP傳輸的支持，對4800BB、跟蹤和時鐘相關電文、用戶數據業務(AOS/ENCAP處理、速率緩沖)以及用戶數據記錄(返向業務數據的記錄和回放)的傳統支持。

④ 業務管理(SM)：提供用于業務管理的遠程用戶業務管理接口和本地SGSS操作員接口。SM接收業務申請，并利用任務優先級生成計劃，保持地面和空間設備的可用度信息；容許應急或實時申請的自動化與人工調度，并為已計劃的業務提供指令；也報告調度計劃的度量信息，包括用戶業務核算(記賬)數據。

⑤ 衛星與地面管理(FGM)：管理控制TDRS衛星以及管理地面終站端自身。只要可能，地面終端站管理控制就同用戶和TT&C數據隔離開。

⑥ 企業基礎設施(EI)：提供SGSS系統內所用的通用軟件和硬件部件。不同于其他部分，EI通常不參與應用級；然而，也有部分例外，包括企業電文傳輸和提供通用業務，如日志。EI為對所有其他部門的處理和網絡互聯支持奠定了系統基礎。EI提供計算平臺，此平臺作為所有應用軟件的宿主，包括所有的管理和控制處理。

⑦ 維護與訓練(MT)：為維護、測試和訓練能力提供獨立的環境，并部署在維護與訓練設施(MTF)內。包括用于對實用系統中出現的故障進行分析和解決的工具與設備，在軟件和硬件更新部署到實用系統中之前進行測試的能力，也包括TDRS模擬器、地面段模擬器和各種分析模型。

總體上看，SGSS體系結構采用了設備集中共用即設備池的配置方式，如圖2所示[13]。只有非常少量的設備是獨占式，且專用于每顆TDRS?？梢愿鶕刂锌臻e資源、業務執行來選擇用戶支持設備，并且設備在使用之后返回到池中，以供下次使用。這種配置方式使得地面系統的設備數量更少，配置更加靈活，硬件利用更加高效，并且容許地面終端內以及之間的同質設備池。

圖2 SGSS的設備池式體系結構

1.2 業務能力

SGSS最終部署完畢后，將形成包含4個場區、9個地面終端站的地面系統，如圖3所示[14]，并且其業務能力也得到大幅提升。

圖3 最終部署完成后的SGSS

SGSS除了支持TDRSS的現有業務之外，還將提供下列新能力：

① 總體：增強了地面段的彈性(可縮放)和可擴展性，提高了操作的連續性，廣泛使用商用現貨(COTS)部件，實現了接口標準化、分布式智能化。

② 數字信號處理：能夠易于增加未來波形；及早進行信號數字化，以實現無損分發；具備高速包交換能力；支持LDPC(1/2、7/8速率)解譯碼、7/8速率TPC碼、模4差分譯碼等新編碼模式以及8PSK調制[15]；提供Ka單程跟蹤業務；Ku/Ka頻段單址前向(KuSAF/KaSAF)、Ka頻段單址返向(KaSAR)、Ku頻段單址返向(KuSAR)數據速率分別提高為50 Mbps、>1 Gbps、600 Mbps。

③ 業務管理：優化了業務，設計了CCSDS SM、Web等新的計劃調度接口[16]。

④ 天地鏈路：WSGT主天線增加S頻段能力，實現了設備到天線的后端交換等。

⑤ 衛星與地面管理：實現了自動電平控制、TDRS和地面段協調發令、遠程TDRS遙測接入，增強了地面終端操作員的態勢感知能力。

⑥ 企業基礎設施：采用面向服務的體系結構(SOA)和IPv6協議，符合新的安全性標準以及廣泛使用虛擬機(VM)。

⑦ 用戶業務網關：支持CCSDS、AOS/封裝、速率緩沖和空間鏈路擴展(SLE)業務[17]。

⑧ 維護和訓練：支持系統建模，提供開發、測試和訓練環境以及增強型TDRS模擬器，維護更加簡單。

2 特點分析

相比于TDRSS當前的地面系統體系結構，SGSS通過系統的簡單性、靈活性、基礎設施合并、故障容忍、采用商業標準進行數據傳輸、利用商業接口消除對特有經銷商的依賴、更低的操作成本以及其他，給NASA及其用戶帶來非常多的益處。SGSS的預期好處如表1所示。

2.1 采用創新的“設備池”概念增強地面系統靈活性

當前地面系統體系結構的特點是由固定設備串、固定接口串再加上特定天線(通常采用1∶1配置)構成業務鏈來為用戶提供服務，缺點則是單個部件故障會導致整個設備串退出服務。為了快速恢復備份操作，往往需要快速響應的、勞動力密集的維護操作。

SGSS體系結構由于采用了“設備池”的配置方式，可以實現大多數信號處理與交付資源與單個地面終端站各種地面天線之間的靈活組合。若帶寬足夠，SGSS可以實現站點間的資產共享，從而規避了當前地面系統的上述缺點或不足?？梢哉f，“設備池”概念是SGSS體系結構的核心所在，它減少了所需設備數量，增加了資源分配的靈活性，可以幾乎透明的方式實現系統增長。

2.2 通過數字化提高信號處理與分發能力

現有的地面終端很大程度上采用模擬信號處理和分發系統。遙測信號以模擬格式傳輸，直到解調器，在解調器這里將其轉換成數字信號。同樣，遙控信號在調制器中從數字形式轉換成模擬形式，然后由此向前傳輸。模擬系統易遭信號損失、干擾，需要昂貴的電纜、波導和開關。

SGSS中，對緊隨地面天線處接收與下變頻(K～L頻段)之后的整個TDRS下行鏈路進行了數字化。用戶和TDRS遙測放入到VITA 49包中，隨后送到數字解調器。對于遙控信號，則盡可能長時間保持數字形式的信息，在發射到TDRS之前再轉換成模擬形式。數字化技術是SGSS采用的最重要的關鍵技術之一，能夠實現無損分發、無限復制及廣泛采用開放標準基礎設施。SGSS正是通過數字化的信號分發和處理，實現了8PSK、LDPC和TPC、更高速率(Ku返向600 Mbps；Ka返向1.2 Gbps)、地面終端間中頻信號傳輸等新特性。

2.3 采用2NT冗余方式提高信號處理可靠性

根據SGSS最初的設計，所有正常用戶服務的信號處理部件都采用雙冗余(2N)方式。由于2N冗余方式的成本過高，但又要使脆弱性(偶發損壞或丟棄以太網包)降低且能在要求的時間范圍內識別部件故障并恢復服務，為此SGSS開發了一種稱為2NT的架構。在此架構中，數字信號傳輸采用2N冗余，信號處理則采用2N和Nx+Mx組合方式的冗余；Nx表示可同時支持x類服務(寬帶、窄帶或TTC/接收機或發射機/正常業務或測試)的最大數，Mx表示可提供的x類備用設備的數量。

表1 當前系統與SGSS的比較[8]

圖4 2NT數據傳輸結構

前向、返向以及內部數字基帶和數字中頻信號連接都采用了2NT方式，如圖4所示。然而對于基帶和數字中頻來說2NT的行為是不同的[18]。例如，對于基帶而言，所有基帶信源(包發射機)同時發送相同的帶有時標的包到獨立的A、B數據路徑上；所有基帶信宿(包接收機)偵聽A、B路徑，并正常處理來自主路徑(由SGSS控制系統確定)的包；若主路徑包損壞或丟棄，信宿自動用另一路徑上的相應包代替。總之，2NT數據傳輸結構提供冗余路徑，從而增加了可靠性并簡化了故障隔離。

2.4 采用非現場維修為主的系統維護模式

當前，地面終端站的維護大多數是在現場進行。當一個部分故障時，需要大量的人員來維修硬件。SGSS中，硬件現場維修不再是主要維修模式，而是將硬件設計成故障時易于更換的，將故障部件返回給經銷商進行維修。因此，利用更少的人員就可以滿足SGSS的維修需求。

當服務過程中出現故障時，系統將自動配置并切換到其他部件，從而最小化對正在進行服務的影響。由于設備池化，池深可以適應多個故障，且不會造成重大影響。池深以及架上備件數量的確定將通過分析部件可靠性，同時考慮整個系統可用性需求來完成。這樣，緊急情況下，維修不必在夜間或周末進行，而是在正常工作時間內進行，從而可以大大減少人員數量。

2.5 利用虛擬機技術使未來的技術更新更加容易

SGSS將廣泛使用虛擬機(VM)，使應用和操作系統與物理平臺隔離開。對于操作系統來說，虛擬機看起來像一個物理機器，模擬了硬件部件，可使操作系統以其固有的模式運行。虛擬化能夠實現應用和操作系統的長壽命，為透明的技術更新提供了機會，并最優化機器的利用。目前，虛擬機性能接近專用機器的物理性能，可使多個虛擬機運行在單個平臺上且具有較小的性能影響。由于實現了應用與硬件平臺的隔離，虛擬機也提供了額外的安全措施。

3 結束語

SGSS由于采用了新的體系結構以及先進技術，將會使TDRSS地面系統的支持能力以及整個系統為用戶提供服務的能力得到極大提高。SGSS中，商業和開放標準的采用使得技術更新和升級更經濟有效，系統的可伸縮性使得能力擴展更加容易。SGSS最終部署完畢后，將能夠支持20顆TDRS工作星、8顆TDRS備份星，可為200個用戶目標提供服務。

[1] 張麗艷，丁溯泉，史西斌.中繼衛星系統組網備份策略研究[J].飛行器測控學報，2013，32(1)：17-22.

[2] 史西斌，程礫瑜，王文基，等.中繼衛星系統組網運行問題研究[J].飛行器測控學報，2013，32(1)：11-16.

[3] GSFC Exploration and Space Communications ProjectsDivision.Space Network Handbook[R].Original.Greenbelt,Maryland:Goddard Space Flight Center,2007.

[4] 郭麗紅，李平.NASA TDRSS現狀與未來發展展望[J].科技情報快訊，2014(12)：1-16.

[5] GSFC Exploration and Space Communications Projects Division.Space Network User’s Guide[R].Revision 10.Greenbelt,Maryland:Goddard Space Flight Center,2012.

[6] 史西斌，李本津，王錕，等.美國三代跟蹤與數據中繼衛星系統的發展[J].飛行器測控學報，2011，30(2)：1-8.

[7] GSFC Space Network Project.Requirements Specification for the White Sands Complex.REV.1,DCN005[R].Greenbelt,Maryland:Goddard Space Flight Center,2008.

[8] GITLIN T,WALYUS K.NASA’s Space Network Ground Segment Sustainment Project Preparing for the Future[C]∥SpaceOps 2012 Conference,2012:77-90.

[9] Space Network Ground Segment Sustainment (SGSS) Project.SGSS Customer Forum #1[EB/OL] http:∥esc.gsfc.nasa.gov/space-communications/sgss.html,2011-10-21.

[10] Space Network Ground Segment Sustainment (SGSS) Project.Space Network Ground Segment Sustainment (SGSS) Newsletter[EB/OL] http:∥esc.gsfc.nasa.gov/space-communications/sgss.html,2013-08-22.

[11] 楊紅俊.國外數據中繼衛星系統最新發展及未來趨勢[J].電訊技術，2016，56(1):109-116.

[12] Space Network Ground Segment Sustainment (SGSS) Project.SGSS Customer Technical Interchange Meeting 2013[EB/OL] http:∥esc.gsfc.nasa.gov/space-communications/sgss.html,2014-02-02.

[13] LOOMIS N M.Modernizing the NASA Space Network Ground Systems for Centralized Management and Control of Distributed Shared Resources[C]∥13th International Conference on Space Operations,2014:687-694.

[14] Space Network Ground Segment Sustainment (SGSS) Project.SGSS Customer Forum #2 rev.1[EB/OL] http:∥esc.gsfc.nasa.gov/space-communications/sgss.html,2013-09-01.

[15] Space Network Ground Segment Sustainment Project.Space Network (SN) Ground Segment Sustainment (SGSS) System Requirements Document (SRD) Baseline[R].GSFC,2009.

[16] Space Network Ground Segment Sustainment (SGSS) Project.SGSS Customer Technical Interchange Meeting 2015[EB/OL] https:∥sgss.gsfc.nasa.gov/sgss,2016-04-01.

[17] Exploration and Space Communications Projects Division (ESC)/Space Network Ground Segment Sustainment (SGSS) Project and Networks Integration Management Office (NIMO).Customer Technical Interchange Meeting (TIM)-3[EB/OL] https:∥sgss.gsfc.nasa.gov/sgss,2016-07-25.

[18] SCHUPLER B R.,SPENCER J D.Digital Signal Distribution and Processing in the NASA Space Network Ground Segment Sustainment Project[C]∥13th International Conference on Space Operations,2014:1188-1203.

ResearchonNewGenerationofTDRSSGroundSegmentArchitecture

SHI Xibin,LI Liyao

(BeijingSpaceInformationRelayandTransmissionTechnologyResearchCenter,Beijing100094,China)

The current Tracking and Data Relay Satellite System (TDRSS) ground segment,developed in the mid 1990s,suffers from severe obsolescence,and its ground terminals use significantly different architectures.It becomes increasingly difficult to sustain,operate,maintain,modify the current TDRSS ground system and future demands cannot be accommodated.Therefore,NASA established the effort to develop a new generation of TDRSS Ground Segment,also known as Space Network Ground Segment Sustainment (SGSS) project.The current status of TDRSS Ground Segment and the challenges it faces are summarized,the new generation of TDRSS Ground Segment architecture and its associated capabilities are presented,and the benefits and features of this new architecture are analyzed,which can provide reference for the subsequent development of China’s data relay satellite system.

TDRSS；ground segment architecture；SGSS project

2017-09-22

國家高技術研究發展計劃(“863”計劃)基金資助項目(2015AA7011071)

10.3969/j.issn.1003-3106.2018.01.13

史西斌,李鱺瑤.TDRSS新一代地面系統體系結構研究[J].無線電工程,2018,48(1):59-63.[SHI Xibin,LI Liyao.Research on New Generation of TDRSS Ground Segment Architecture[J].Radio Engineering,2018,48(1):59-63.]

V474.22；V556.8

A

1003-3106(2018)01-0059-05

史西斌男，(1976—)，畢業于中國國防科技信息中心情報學專業，碩士，高級工程師。主要研究方向：空天寬帶網絡、裝備試驗與鑒定等科技情報研究。

李鱺瑤女，(1989—)，碩士，助理工程師。主要研究方向：空天寬帶網絡科技情報研究。