大型星座熱襲來，測控運維技術跟得上嗎？

+魏興

當人類第一次向太空發射衛星時，航天測控系統就出現了。在上世紀六十年代美國實施阿波羅登月計劃的時候，為了解決當時的航天測控和通信系統設備過多過重，電磁兼容性不好等問題，提出了革命性的USB（統一S波段）測控體制，大大簡化了航天器和測控系統的設計。從此，以USB測控站為基礎的航天測控系統得到了快速發展。在隨后的幾十年中，測控站從S波段擴展到了L波段、X波段和C波段等。這類測控設備相比雷達要便宜很多，這使得在全球建立商業化運營的測控網絡成為可能。近些年來，在全球范圍內隨著商業航天的發展，商業測控網絡也逐漸出現并發展壯大。

傳統測控網絡已無法滿足商業測控的需求

圖1是一個典型的航天測控網絡架構圖。現在主要航天大國的國家級測控系統都是基于類似的架構。從計算機網絡的角度來看，這是典型的S/C（服務器/客戶端）架構。控制中心（Control Center）是系統的核心。地面測控站（Ground Station），客戶終端（Customer Terminals），遠程終端（Remote Terminals），發射設施（Launch Facility）以及集成與測試設施（I&T Facility）都連接到控制中心上。控制中心作為服務器（S，Server），其他所有設備作為客戶端（C，Client）。所有的數據都集中到控制中心，再通過控制中心分發。圖1右下側的客戶終端也能夠與自己的衛星進行雙向通信，也能夠完成一定的測控任務，但是通常來講，衛星的用戶自己不會維持一個覆蓋全球的測控網，因此客戶還是需要通過測控服務機構來完成對自己衛星的測控。各個客戶端與服務器的連接可以通過專用的線路，也可以通過公共互聯網，但是必須使用防火墻和VPN等設備來保證安全性。

這種S/C架構的測控網的好處顯而易見。它的設備幾乎都是專用的，能夠最大限度地保證安全性。中國、美國、歐洲、俄羅斯等國家級的測控網絡都是如此。但是，這種架構的測控網面對商業航天的需求，逐漸顯示出很多不足之處。因此，近些年來，一些新的商業測控平臺服務商，構建出了以云計算為核心的一體化測控平臺，解決了這些不足的方面。在我國，北京天鏈測控技術有限公司（以下簡稱“天鏈測控”）就是一體化測控技術的佼佼者。

云計算為核心的一體化測控平臺嶄露頭角

那么，云計算、云服務是什么意思呢？云計算、云服務是現代計算機技術的集大成者，是分布式計算技術、負載均衡技術、并行計算技術、網絡存儲技術、熱備份冗余技術和虛擬化等計算機技術混合演進并躍升的結果。云計算是2006年由美國谷歌公司首先提出的概念。簡單來說，云計算就是把在個人電腦或者服務器上進行的各種信息處理通過互聯網搬到外部巨大的服務器上運行。云計算的核心思想，就是將大量用網絡連接的計算資源統一管理和調度，構成一個計算資源池來向用戶提供按需服務。

圖1 航天測控網絡架構圖

圖2 云服務模型

云計算按照服務模型可以分為三個層次：IaaS（基礎設施即服務），PaaS（平臺即服務），SaaS（軟件即服務）。IaaS的服務商向客戶提供服務器，存儲設施以及網絡設備等硬件，客戶需要自己安裝或開發操作系統和驅動程序，自己安裝或開發各種應用軟件。PaaS的服務商除了向客戶提供基本的服務器，存儲設備和網絡設備硬件以外，還在系統中安裝好了操作系統和一些基礎的軟件，客戶不必關心底層的硬件和軟件，只需要安裝或開發自己的應用程序就行了。而SaaS則是連應用軟件都為客戶訂制好了，客戶只需要將自己的需求告訴服務商，付費即可使用。SaaS最典型的例子就是微軟公司向客戶提供的在線Office軟件套件。（參見圖2）

與傳統測控系統相比，云服務優勢在哪兒?

云服務的好處是顯而易見的。在20年前，如果一家小公司想建立一個網站，那可太麻煩了。首先需要自己購買一臺服務器，然后向電信運營商付托管費或租金，將服務器放進電信機房，然后租用網線，接著需要自己的工程師安裝操作系統和一切軟件，自己負責運營。如果發現服務器速度或存儲容量不夠，需要自己升級硬件，調整操作系統和軟件。而現在則簡單多了，可以向阿里云服務或騰訊云服務按需購買PaaS服務，企業把精力集中在網站的制作和運營上即可，根本不必關心硬件在什么地方。甚至可以購買云服務公司的SaaS網站創建服務，公司自己只要制作內容即可。

回到航天測控領域，天鏈測控的測控一體化平臺就是典型的SaaS服務。用戶只要通過電腦、手機、平板電腦等在地球任意地方通過互聯網登錄到天鏈測控的一體化測控SaaS平臺上，就可以隨時隨地測控自己的衛星。（參見圖3）

從天鏈測控的宣傳資料上看，其在全球已有三十余個測控站，通過標準的TCP/IP網絡連接到云服務器上。所有的數據都存儲在云服務器上，并通過云服務器來分發。天鏈測控的測控服務軟件部署在云服務上，根據登入云服務的客戶的權限來提供不同的服務等級。除了能夠在運維大廳登入云服務外，客戶在世界任何地方都能夠通過公共互聯網來登入云服務。

傳統的S/C架構的測控平臺，只有控制中心才有聯系所有測控站的權力，客戶如果想要看到自己衛星的情況，往往需要到控制中心去才行。與封閉的服務器架構相比，開放的SaaS架構好處多多。

●首先，客戶除了能夠在測控大廳里接受測控服務以外，還能夠使用筆記本電腦和各種移動設備，通過公用網絡連接到云服務器上，在任何時間和地點都能夠進行測控。

●其次，云服務架構方便擴展和移植，增加測控站不會給測控系統的軟件帶來多少工作量。

圖4 天鏈測控的軟件升級與開發規劃

●再次，使用商用云服務系統使得測控公司不必關注底層硬件和軟件，而是把精力集中在做好測控服務軟件本身上。商用云服務系統的軟硬件均經過市場的考驗，擁有非常高的可靠性。

●使用云服務系統還有利于部署未來的新業務，功能不斷完善，界面可訂制。比如利用VR技術將航天器測控虛擬化，讓客戶或操作人員沉浸在立體化的虛擬場景中，宛如科幻電影，極大地提升客戶的體驗并提高操作人員的效率。（參見圖4）

電影《普羅米修斯》中外星飛船里的虛擬星座圖，使用VR技術不難實現

●由分散的多種軟件集中到單一界面中。由于云服務器上存儲有全部數據，過去由多種軟件從多個數據庫中提供的功能，能夠由單一的軟件來提供，集成性更好。（參見圖5）

●由大量手動功能轉變為大量自動化操作。所有地面站全自動運行，一體化測控云平臺將傳統多個軟件的功能集成在一起，大大提高了自動化水平，減少了操作人員的數量。

●可靠性大大提高。傳統多個軟件數據交流可靠性低，而云存儲能夠實現數據多地備份，提高了可靠性。

我們看到，天鏈測控正是充分利用SaaS架構帶來的好處，一步一步地實現航天測控系統的快速發展的。我們相信，基于云架構的一體化測控技術就是商業航天測控的未來。

一體化測控平臺符合未來航天發展的趨勢

隨著美國SpaceX，Blue Origion等商業航天公司的崛起，全球商業航天領域正在孕育著巨變，與現有以國家機構為主體來運營航天器的機制有著巨大的不同。由NASA和OneWeb公司聯合研究的成果表明，未來與商業航天有關的一切軟件和硬件，都將基于云技術來構建。這就是航天器即服務的概念（SpaceCraft as a Service,SCaaS）。（參見圖6）

SCaaS包括多個子系統，主要有飛行軟件即服務（Flight Software as a Service,FSWaaS）,空間飛行動態即服務（Space Flight Dynamics as a Service,SFDaaS）,地面系統即服務（Ground Segment as a Service,GSaaS）,測控即服務（Tracking Telemetry &Commanding as a Service,TT&CaaS）。

而這些系統的核心就是測控即服務TT&CaaS。因為所有一切服務都是通過測控系統來實現的。而以天鏈測控為代表的商業測控服務商，已經把測控即服務TT&CaaS實現了。其余幾種服務的實現并沒有技術上的難點，關鍵是商業概念的整合與國際商業航天界達成一致意見，形成標準。

可以想象一下，這種商業航天的概念實現了之后會有什么場景：

如果一個客戶想要一個地區的衛星照片，而當地上空并沒有照相衛星的軌道，那怎么辦？他只需要打開手機APP軟件，通過4G或5G聯網，通過測控即服務TT&CaaS發出指令，調用飛行動態即服務SFDaaS，指揮一顆照相衛星的飛行軟件啟動發動機變軌（這就是飛行軟件即服務FSWaaS），向該地區上空的軌道轉移，幾個小時之內，照相衛星就能成功照相。數字照片可以通過測控即服務TT&CaaS傳到用戶手機的APP里。這一整體的服務概念就是航天器即服務SCaaS。

科幻不科幻？只要全球商業航天企業能夠形成共識，整體推動這一概念，它的實現就并不遙遠。中國在商業航天領域擁有天鏈測控這樣的企業，掌握了測控即服務的核心技術，為實現這樣的科幻場景打下了堅實的基礎。也許在不遠的將來，中國能夠首先實現這樣的科幻場景呢。

圖5 天鏈測控一體化云平臺的全要素管理能力

圖6 NASA與OneWeb公司共同完成的航天器即服務概念