基于射頻數(shù)字化技術(shù)的航天測控體系架構(gòu)研究

張朋強(qiáng) 雷 光 史成巍 王 羽

西安衛(wèi)星測控中心天津測控站，天津301900

伴隨著理論進(jìn)步和技術(shù)創(chuàng)新，中國航天測控事業(yè)蓬勃發(fā)展，新興的射頻數(shù)字化技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了S頻段信號的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)傳輸，但是整個(gè)測控體系的架構(gòu)還是沿用之前的模式，運(yùn)行效率不高，卻成本高昂。航天測控體系必將逐步進(jìn)行改造以適應(yīng)新技術(shù)的出現(xiàn)，因此，構(gòu)建一種面向未來的航天測控體系尤為重要。本文主要分析總結(jié)了幾種列裝的航天測控系統(tǒng)的主要特點(diǎn)，提出一種基于射頻數(shù)字化等多項(xiàng)技術(shù)的航天測控體系，以期為航天測控體系的發(fā)展提供一種參考。

1 傳統(tǒng)航天測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

長久以來，中國航天測控系統(tǒng)的建設(shè)一直以“按‘型號’研制, 按‘套’部署”[1]的方案為主，將一套系統(tǒng)的所有分系統(tǒng)設(shè)備部署在測控站內(nèi)，一套系統(tǒng)即可獨(dú)立完成對衛(wèi)星的外測(測距、測速、測角)和遙測數(shù)據(jù)接收功能，并將各種類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后發(fā)往測控中心。在這種系統(tǒng)構(gòu)成模式下，一個(gè)測控站內(nèi)的多套系統(tǒng)互相獨(dú)立，各自執(zhí)行任務(wù)，幾乎沒有關(guān)聯(lián)。如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)航天測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

這種測控系統(tǒng)部署方式有其歷史原因，在我國在軌衛(wèi)星數(shù)量較少的時(shí)期，進(jìn)行航天測控的系統(tǒng)相應(yīng)較少，這種部署方式可以使測控站高效地獨(dú)立完成測控任務(wù)，并能對數(shù)據(jù)的質(zhì)量實(shí)時(shí)加以分析，同時(shí)地面測控站可根據(jù)站內(nèi)的不同系統(tǒng)有針對性地配屬操作人員，提高完成任務(wù)的成功率。不可否認(rèn)，在當(dāng)時(shí)，這種系統(tǒng)部署模式發(fā)揮了很大的作用，為我國航天事業(yè)的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。

然而，隨著我國在軌衛(wèi)星數(shù)量的增加，航天測控系統(tǒng)也日益增多，這種系統(tǒng)部署的缺點(diǎn)也日益凸顯，具體表現(xiàn)為：

1)為了提高航天測控系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備大都采用雙機(jī)熱備份方式，當(dāng)主用設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，可以迅速切換為備份設(shè)備。在實(shí)際執(zhí)行任務(wù)時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)只能對本系統(tǒng)內(nèi)部的設(shè)備資源進(jìn)行配置，系統(tǒng)內(nèi)備份設(shè)備無法被充分利用，造成了大量的資源浪費(fèi)。

2)各系統(tǒng)是為適應(yīng)不同型號的衛(wèi)星而專門“定制”的，當(dāng)需要建造新的系統(tǒng)時(shí)，研制方需要重新編寫監(jiān)控系統(tǒng)軟件程序，研發(fā)工作量較大，導(dǎo)致設(shè)備研制周期長，研發(fā)成本高。

3)在同一測控站內(nèi)，有些設(shè)備的作用是相同的，如開關(guān)矩陣、時(shí)頻、氣象、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備等，然而不同系統(tǒng)無法共用這些設(shè)備，每套系統(tǒng)都要進(jìn)行分別配屬，導(dǎo)致了重復(fù)建設(shè)，也造成了資源的浪費(fèi)。

4)每套系統(tǒng)都要配屬相關(guān)的操作人員，隨著系統(tǒng)的不斷增多人員配屬也需要不斷增加，導(dǎo)致測控站的運(yùn)行成本不斷提高。

基于以上問題的日益顯現(xiàn)，采取有效舉措整合測控資源、提高測控效率、精簡測站人員就勢在必行。測控資源重組技術(shù)就在這個(gè)時(shí)候被提出并投入使用。

2 資源重組技術(shù)的應(yīng)用

資源重組技術(shù)，就是使用中頻開關(guān)矩陣將天線和基帶進(jìn)行靈活重組，實(shí)現(xiàn)“射頻部分專用，中頻部分共用” 的系統(tǒng)構(gòu)成模式，從而有效提高資源的利用率。根據(jù)設(shè)備功能將系統(tǒng)分為前端系統(tǒng)、開關(guān)矩陣、終端設(shè)備、公共系統(tǒng)和集中監(jiān)控平臺(tái)5個(gè)部分。如圖2所示。

開關(guān)矩陣的作用是可以將信號從任意輸入傳給任意輸出，終端設(shè)備(主要為測控基帶和數(shù)傳基帶)不再單屬于某個(gè)系統(tǒng)專用，而是通過開關(guān)矩陣與天線、信道進(jìn)行靈活配置，終端設(shè)備變成了全系統(tǒng)共享的一種資源，這樣的優(yōu)點(diǎn)是對于n套系統(tǒng)，最少只用配置n+1臺(tái)基帶就可以實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的基帶備份，可以減少基帶設(shè)備的配置數(shù)量，且天線的數(shù)量越多，節(jié)約的效果越明顯。

對于公共系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、時(shí)頻設(shè)備、自動(dòng)化測試設(shè)備也是如此，不需再對每套系統(tǒng)配備相應(yīng)設(shè)備。數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備可通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)對不同天線、基帶送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，統(tǒng)一送往中心。時(shí)頻設(shè)備可通過增加時(shí)碼分路和頻標(biāo)分路將時(shí)碼和頻標(biāo)進(jìn)行多路分解，從而滿足全系統(tǒng)的需要。自動(dòng)化測試設(shè)備除了射頻部分保留之前設(shè)計(jì)外，可在中頻部分統(tǒng)一配屬信號源、頻譜儀、示波器、自動(dòng)化測試計(jì)算機(jī)等測試設(shè)備，通過開關(guān)矩陣與前端系統(tǒng)或終端設(shè)備連接，靈活選擇鏈路進(jìn)行測試。

圖2 資源重組測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

建立集中監(jiān)控平臺(tái)取代之前的系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備，具備全站測控設(shè)備的監(jiān)視控制和綜合配置管理，實(shí)現(xiàn)資源的動(dòng)態(tài)重組，可避免不同系統(tǒng)都需配備操作人員的情況，減少了人工成本。同時(shí)，集中監(jiān)控平臺(tái)可預(yù)留接口，方便設(shè)備擴(kuò)容，減少了設(shè)備研發(fā)成本和周期。

然而，資源重組系統(tǒng)在近年來的應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)了一些缺陷。主要表現(xiàn)在：

1)當(dāng)測控站內(nèi)天線數(shù)量較少時(shí)，重組的效果不明顯；

2)舊設(shè)備由于軟件接口不統(tǒng)一難以加入重組系統(tǒng)的資源庫中；

3)一臺(tái)基帶無法同時(shí)為正在不同模式下工作的多臺(tái)基帶同時(shí)提供熱備份服務(wù)。

3 射頻數(shù)字化技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用

長久以來，無論是傳統(tǒng)航天測控系統(tǒng)還是資源重組測控系統(tǒng)，從衛(wèi)星接收的射頻信號都是通過下變頻器變?yōu)橹蓄l信號之后送往基帶進(jìn)行處理，而射頻數(shù)字化技術(shù)的出現(xiàn)徹底改變了這種現(xiàn)狀。射頻數(shù)字化設(shè)備的研制成功是射頻數(shù)字化技術(shù)在測控系統(tǒng)應(yīng)用的具體體現(xiàn)，如圖3。

圖3 射頻數(shù)字化資源重組系統(tǒng)

射頻數(shù)字化設(shè)備主要具備以下功能：

1)寬帶數(shù)據(jù)采集功能。對衛(wèi)星下行模擬信號直接采樣轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。隨著技術(shù)的發(fā)展，目前市場上的高速ADC可基本滿足頻率S頻段及其以下的的模擬信號的轉(zhuǎn)換。

2)多相變頻[2]功能。目前如果將ADC采樣得到的高采樣率信號直接送到FPGA板卡處理是不可靠的，可以通過串并轉(zhuǎn)換電路得到多路低頻的并行數(shù)據(jù)，然后再送給FPGA板卡進(jìn)行處理，解決目前高速數(shù)字信號處理能力不足的問題。

3)射頻輸出處理功能。基帶產(chǎn)生的數(shù)字信號經(jīng)過 IP 化網(wǎng)絡(luò)傳輸送給射頻數(shù)字化設(shè)備，射頻數(shù)字化設(shè)備根據(jù)應(yīng)用場景，將基帶信號上變頻到對應(yīng)頻點(diǎn)輸出。

4)數(shù)據(jù)IP化處理功能。數(shù)據(jù) IP 化處理包括數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和數(shù)據(jù)接收模塊，數(shù)據(jù)發(fā)送模塊將基帶數(shù)據(jù)流處理為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，然后通過協(xié)議處理和接口轉(zhuǎn)換后通過萬兆網(wǎng)輸出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收模塊接收來自萬兆網(wǎng)經(jīng)接口轉(zhuǎn)換和協(xié)議處理后的數(shù)據(jù)包，然后解析為基帶數(shù)據(jù)流。

射頻數(shù)字化設(shè)備的應(yīng)用減少了信道中下變頻器的使用，將數(shù)據(jù)進(jìn)行IP化處理，使用VPX數(shù)字基帶實(shí)現(xiàn)了高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的解調(diào)和接收，增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝浴㈧`活性和可擴(kuò)展性。但是上一章提到的資源重組系統(tǒng)的缺陷依然存在。

4 基于射頻數(shù)字化技術(shù)的航天測控體系設(shè)想

射頻數(shù)字化技術(shù)的出現(xiàn)，必將改變現(xiàn)有測控體系的架構(gòu)，使測控向著精簡高效的方向發(fā)展，本文設(shè)想出了以下的測控體系結(jié)構(gòu)模型，如圖4。

圖4 基于射頻數(shù)字化技術(shù)的航天測控體系

4.1 體系主要組成和功能

測控站內(nèi)前端設(shè)備基本保持不變，天線接收衛(wèi)星下行信號，通過信道后直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，連接至測站萬兆網(wǎng)交換機(jī)，通過光纖和中間通信節(jié)點(diǎn)送往中心萬兆網(wǎng)交換機(jī)，中心萬兆網(wǎng)交換機(jī)與中心基帶資源池相連，數(shù)字信號進(jìn)入資源池[3]中的基帶進(jìn)行信號解調(diào)，并將解調(diào)數(shù)據(jù)送往數(shù)據(jù)存儲(chǔ)集群進(jìn)行存儲(chǔ)并轉(zhuǎn)發(fā)至數(shù)據(jù)處理中心生成二級產(chǎn)品，送至用戶。

測控站不再保留集中監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸?shù)仍O(shè)備，不再具備以往測控系統(tǒng)那么復(fù)雜的功能，而更像是作為一個(gè)“信道”在使用，可以根據(jù)需要選擇是否保留基帶，作為異地基帶資源納入基帶資源池。測站內(nèi)設(shè)備和功能的減少可大幅縮減操作維護(hù)人員數(shù)量，僅保留少數(shù)故障維修人員即可，顯著降低測控站的運(yùn)行成本。

中心基帶資源池和各個(gè)測站基帶共同組成基帶資源池，主要部署測控基帶和數(shù)傳基帶，資源池內(nèi)所有基帶都可通過中心萬兆網(wǎng)交換機(jī)共享給所有測站的天線，由中心智能集中監(jiān)控平臺(tái)統(tǒng)一進(jìn)行集中管理和動(dòng)態(tài)分配[4]。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)集群根據(jù)接收數(shù)據(jù)種類的不同分為低速存儲(chǔ)集群和高速存儲(chǔ)集群，均采用分布式存儲(chǔ)方式進(jìn)行部署，其中高速存儲(chǔ)集群可與數(shù)傳基帶進(jìn)行動(dòng)態(tài)重組，以滿足各類任務(wù)的需要，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)集群作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的重要庫，應(yīng)具備數(shù)據(jù)管理、檢查和回放等功能。

數(shù)據(jù)處理中心主要完成數(shù)據(jù)的二次處理，解出可供用戶直接使用的產(chǎn)品。

時(shí)頻服務(wù)中心主要為整個(gè)體系提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和頻率，通過網(wǎng)絡(luò)送往各個(gè)測控站。統(tǒng)一的時(shí)頻服務(wù)可保證各個(gè)測控站的時(shí)間頻率統(tǒng)一，也是該體系正常運(yùn)行的必要條件之一。

監(jiān)控工作站的工作是為了在服務(wù)器自主運(yùn)行對出現(xiàn)的故障無法解決時(shí)進(jìn)行人工干預(yù)，主要提供人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)人員對全系統(tǒng)設(shè)備和衛(wèi)星狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制。同時(shí)人工干預(yù)操作形成的流程日志進(jìn)入設(shè)備的數(shù)據(jù)庫供計(jì)算機(jī)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，以改進(jìn)故障處置流程。

4.2 中心智能集中監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

中心智能集中監(jiān)控平臺(tái)是該體系的神經(jīng)中樞，主要由硬件主要由監(jiān)控服務(wù)器和下屬的監(jiān)控工作站構(gòu)成。中心智能集中監(jiān)控平臺(tái)具備以下功能：

1)資源管理。在本體系架構(gòu)中，所有的設(shè)備均可成為資源，中心智能集中監(jiān)控平臺(tái)應(yīng)具備資源的監(jiān)視和控制功能、資源的申請與智能分配功能、資源的變更和退網(wǎng)功能。

2)任務(wù)智能運(yùn)行。采用智能化算法[5]，使系統(tǒng)具備判斷和決策能力，能夠自主執(zhí)行任務(wù)，對出現(xiàn)的簡單故障能夠自行解決[6]。比如A站基帶資源故障且故障無法解決時(shí)調(diào)用別的基帶資源完成任務(wù)。同時(shí)通過在運(yùn)行過程中不斷增長經(jīng)驗(yàn)，自主學(xué)習(xí)[7]以改進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行，從而不斷優(yōu)化自身功能，減少運(yùn)行錯(cuò)誤。

3)任務(wù)評估。在任務(wù)前根據(jù)任務(wù)要求評估設(shè)備能力和成功執(zhí)行的可能性，任務(wù)執(zhí)行過程中對任務(wù)全流程進(jìn)行分析評估，任務(wù)執(zhí)行完成后生成報(bào)表供人員參考。

4)深度挖掘[8]和數(shù)據(jù)分析。在任務(wù)執(zhí)行的全過程都會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，包括衛(wèi)星遙外測數(shù)據(jù)、衛(wèi)星狀態(tài)信息、校零校相結(jié)果、運(yùn)行日志以及人員干預(yù)、氣象數(shù)據(jù)等信息，監(jiān)控平臺(tái)應(yīng)使用多項(xiàng)數(shù)據(jù)處理技術(shù)對這些信息進(jìn)行挖掘和分析，從中發(fā)現(xiàn)有用的知識，并為其它單元提供學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫。

5)健康管理。主要包括設(shè)備和衛(wèi)星的健康狀態(tài)評估、設(shè)備維護(hù)計(jì)劃安排和故障預(yù)測[9]功能。可通過在設(shè)備內(nèi)關(guān)鍵部位和軟件的關(guān)鍵流程上加裝感應(yīng)器，對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可使用打分制評估設(shè)備健康狀態(tài)和使用的優(yōu)先級。同時(shí)根據(jù)設(shè)備維護(hù)周期智能安排全系統(tǒng)分時(shí)停機(jī)維護(hù)計(jì)劃，故障預(yù)測則是利用各種數(shù)據(jù)處理分析方法挖掘出其中的隱含信息，進(jìn)行預(yù)測操作。

6)即插即用。當(dāng)需建造新的天線時(shí)，只需在測控站安裝相關(guān)硬件設(shè)備，同時(shí)更新中心軟件配置，即可實(shí)現(xiàn)新天線的接入，迅速形成執(zhí)行任務(wù)的能力。

4.3 目前存在問題和解決方案

1)監(jiān)控服務(wù)器掛載大量任務(wù)、處理大量運(yùn)算易造成軟件卡死或宕機(jī)。監(jiān)控服務(wù)器可采用集群設(shè)計(jì)，由集群管理系統(tǒng)統(tǒng)一管理，使用動(dòng)態(tài)負(fù)載平衡算法[10]將各個(gè)子任務(wù)比較均衡地分配到各個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)上進(jìn)行并行處理，提高平臺(tái)運(yùn)算能力和穩(wěn)定性。

2)網(wǎng)絡(luò)延遲穩(wěn)定性影響到測距和校零結(jié)果。可使用網(wǎng)絡(luò)時(shí)延控制技術(shù)對傳輸和處理路徑中引入的延遲進(jìn)行校正。比如網(wǎng)絡(luò)延遲在30ms～50ms之間，可使用修正算法統(tǒng)一修正到50ms,并在實(shí)際使用中加以扣除，以保證網(wǎng)絡(luò)時(shí)延不會(huì)導(dǎo)致授時(shí)和測距校零結(jié)果產(chǎn)生大的偏差。

3)高速數(shù)傳數(shù)據(jù)的寬帶模擬信號采集轉(zhuǎn)換。目前高速ADC僅完成能對S頻段的信號采集，若要完成更高頻段(X頻段及以上)射頻信號的采集，則需要繼續(xù)提高高速ADC的采樣頻率相信，隨著工程技術(shù)的不斷發(fā)展，該問題會(huì)逐步得到解決。

4)體系容災(zāi)性差。由于本體系對網(wǎng)絡(luò)的極度依賴，一旦某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，很容易導(dǎo)致任務(wù)失敗。可從3個(gè)方面得以加強(qiáng):1)鏈路方面，可采用網(wǎng)狀連接、衛(wèi)星通信、探索使用5G技術(shù)等多種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)抗毀性；2)增加備份中心，防止1個(gè)中心由于某些因素癱瘓后整個(gè)測控體系的癱瘓；3)增加測控站備份天線，任務(wù)過程中發(fā)現(xiàn)天線故障可緊急調(diào)用備份天線進(jìn)行跟蹤。

5)不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備接口不同，難以通用。目前測控裝備均采用招標(biāo)方式進(jìn)行建造，裝備建造廠家不同，軟件接口天差地別，嚴(yán)重阻礙了集中監(jiān)控平臺(tái)的發(fā)展，測控裝備管理部門應(yīng)盡快出臺(tái)軟件接口設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對接口標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行固化，使集中監(jiān)控平臺(tái)能統(tǒng)一調(diào)用不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備。

6)將老舊設(shè)備納入該體系。對老舊設(shè)備進(jìn)行升級改造，比如軟件方面添加插件進(jìn)行接口轉(zhuǎn)換，硬件方面進(jìn)行射頻數(shù)字化改造等，使老舊設(shè)備符合新體系運(yùn)行的需求，對不滿足改造條件的設(shè)備，可以暫時(shí)按照以往方式運(yùn)行并逐漸淘汰。

5 結(jié)束語

本文所描述的航天測控體系應(yīng)用了射頻數(shù)字化技術(shù)、負(fù)載均衡算法、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延控制技術(shù)等多種技術(shù)，具有擴(kuò)展靈活、即插即用、資源利用率高等特點(diǎn)，更加適應(yīng)未來設(shè)備通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化的測控需求，同時(shí)可顯著提高測控效率、降低建造成本和運(yùn)行成本，為未來航天測控體系的建設(shè)提供了新的思路。