基于5G的運載火箭無線測發控系統

黃 興，朱亞明，張元明

(上海宇航系統工程研究所，上海 201109)

0 引言

隨著經濟社會的發展，人類進入太空及快速部署航天飛行器的需求越來越強烈與迫切，數據顯示世界航天發射次數自2018年以來連續三年超過100次，中國航天發射任務連續三年接近40次，未來人類航天活動將更加活躍[1]。中國目前擁有酒泉、太原、西昌三大航天發射中心和文昌航天發射場，現役長征系列運載火箭主要是液體燃料火箭，對發射場的保障要求較高，且流程上難以進一步壓縮，客觀上造成現有的發射場資源難以支撐更高的發射頻次。便攜式機動發射、海上發射等新興發射方式將成為中國航天發射突破發射場資源限制的一條可行途徑，特別是針對固體火箭和小型運載火箭[2-4]。

2016年以來，隨著XX-5/6/7/8為代表的新一代運載火箭的研制及首飛成功，我國運載火箭技術水平跨入了一個新的時代，電氣系統作為運載火箭的一個重要組成部分，目前正在經歷以總線數字體制、高可靠三冗余、分布式控制、集成模塊化綜合電子(IMA)及主動的動力及載荷控制為代表技術的第四代電氣系統[5]，下一代電氣系統在美國空間發射系統(SLS)及歐洲新一代運載火箭的牽引下也呈現出智能化、集成化、便捷化的發展趨勢。與之對應的地面發射支持系統也在同步進行技術迭代，宋征宇等[6]提出了新一代航天運輸系統測發控技術發展的方向為智能(從自動測試到智能判讀)、全面(從開環靜態測試到閉環動態測試)、便捷(減少操作內容，降低操作難度)。王子瑜等[7]提出了先進地面測發控技術的發展思路：一體化設計技術、遠程發射支持技術、測試數據自動判讀技術。

同時，我國三大航天發射中心也在積極開展升級換代，以智能化、信息化、數字化為代表的技術更新思路正在成為發展共識。新一代航天發射場將充分應用先進的信息化手段和通信技術，打造智慧航天發射場，釋放信息化手段對生產方式的推進作用。

本文提出了應用新一代移動無線通信技術進行無線測發控的方案，介紹了無線測發網絡的建設思路和關鍵技術，給出了依托無線測發控方案進行遠程測發與便攜式測發的應用模式。無線測發控方案方便與公共5G網絡的融合，為便攜式機動發射及智慧航天發射場的建設提供快捷、高效的數據通信服務。

1 總體架構

我國三大航天發射基地均是20世紀伴隨著中國航天事業起步而建設的，按照“建用一體”的建設管理模式，發射場各系統獨立開展建設，缺乏頂層規劃與設計，各系統自成體系，邊界明顯，信息共享層次不高[8]。同時，隨著商業航天的發展，各商業航天企業也在積極醞釀商業航天發射場的建設，航天測控網絡等共性資源也亟需開展頂層設計，提供共享接口，避免資源重復建設。

云計算是近年來信息領域的重要發展方向，是新一代互聯網革命的核心，對各行各業生產方式的變革產生了深遠的影響。云的強大計算能力與數據共享能力，為新一代智慧航天發射場的建設提供了積極思路。蔡紅維等[8]提出了基于云計算的航天發射場業務網絡體系架構，指出未來航天發射場網絡體系架構將向更安全可靠、更加融合以及更具彈性的方向發展，主要體現在網絡體系高度融合，發射場裝備逐步云化、綜合化。胡士斌[9]等提出依托航天試驗任務IP網開展云計算平臺建設，給出了云計算平臺的系統架構和軟硬件接口建設思路。各大航天發射中心也在積極探索應用信息化技術手段進行發射場改造的實踐，近年來相關課題的申報屢見不鮮[10-11]。

本文結合第五代移動通信技術及云計算技術，提出了“云+邊+端”的新一代智慧航天發射建設方案。

采用云計算技術，在全國范圍內建立航天數據云，實現資源共享、云計算、數據挖掘等功能，航天數據云提供航天發射場、航天測控網及科研研制單位數據接入服務，通過光纖進行跨域數據交互，實現運載火箭研制數據、測發數據、測控數據的全生命周期管理與信息加工處理。依托航天數據云，一方面可以實現數據的跨域共享，為遠程測發、便攜式測發功能的實現提供數據支持；另一方面，利用云計算的強大算力，結合實時數據驅動，可實現數字孿生功能，開展飛行動態在線仿真、在線故障診斷。

邊緣計算在數據產生端部署計算中心，提供數據的邊緣計算能力，實現數據的就近處理以減少數據傳輸時延[12]。云計算領域中突出的問題是很多邊緣數據產生端與中心云平臺距離較遠，導致數據傳輸延時較大，無法滿足實時性要求較高的應用場景。對于航天數據云來說，各航天發射場、測控中心節點及各研制單位均可以設置獨立的邊緣計算中心，同時邊緣計算中心也數據云的核心節點，向上可提供運力支持，向下可提供實時的數據處理。

終端即各底層數據處理設備，主要負責數據采集與人工交互。在本方案中，運載火箭箭地交互終端采用無線測發網絡覆蓋，以減少箭地電纜連接，簡化箭地拓撲；無線測發網絡充分應用第五代移動通信技術，使用5G空口資源實現對箭地通信的無線覆蓋，承載網采用光纖連接，發射場部署移動邊緣計算中心(MEC)提供邊緣計算支持，核心網絡層集成5G通信協議，方便與5G公共移動網互聯，支持便攜式測發、遠程測發應用場景,如圖1所示。

圖1 基于云邊端架構的智慧航天發射場架構

2 無線測發網絡

無線測發網是指在發射場塔架周邊應用第五代移動通信技術構建獨立的無線局域網，實現對發射塔架及周邊一定范圍內的無線覆蓋，同時在發射場設置邊緣計算中心(MEC)負責進行網絡管理，測試后端及其他局域網數據可通過IP接入MEC，MEC可與公共5G移動網聯網，支撐跨域數據共享，賦能遠程測發與智能測發構想。運載火箭測試設備及箭上數據采用5G終端接入無線測發網絡，簡化發射場箭地間的有線連接，優化箭地接口，如圖2所示。

圖2 無線測發網示意圖

無線測發網絡采用接入網+承載網+核心網的總體架構，接入網由AAU(active antenna unit，有源天線單元)+DU(distribute unit，分布單元)/CU(centralized unit，集中單元)組成，承擔無線通信終端接入功能，主要對發射塔架及周邊進行無線覆蓋，簡化箭地連接關系。承載網是指為接入網和核心網提供連接鏈路，主要包括為各網絡實體提供光纖連接。核心網提供網絡管理、數據交互服務，運行于邊緣計算中心(MEC)硬件資源中。

2.1 接入網

接入網實現無線信號的接入功能，由AAU+DU/CU構成，最終匯入MEC。有源天線單元(AAU, active antenna unit)是射頻處理單元與天線陣列(massive MIMO)的組合，實現對基帶信號的調制與空間輻射主要完成5G-NR物理層的職能，如表1所示。基帶處理單元中需實時性處理的功能實體分割為分布單元(DU， distributed unit)，非實時性要求的功能實體分割為集中單元(CU，centralized unit)，DU與AAU就近部署，CU集中部署[13]。

表1 無線接入網主要性能指標

2.2 承載網

承載網承擔各功能實體之間的連接功能，一般將AAU至DU的傳輸鏈路稱為前傳，DU至CU的傳輸鏈路稱為中傳，CU以上的傳輸鏈路為回傳。對于發射場環境，前端AAU位于塔架上，CU/DU位于塔架地下設備間，兩者距離較近，因此采用光纖直連的方式。中傳與回傳對于承載網在帶寬、組網靈活性、網絡切片等方面需求是基本一致的，因此采用統一的承載方案，采用增強型光傳送網技術(OTN， optical transport network)，具有大帶寬、低時延、多業務透明傳送、高精度同步、安全可靠、易維護等優點，可實現CPRI、eCPRI、NGFI、Ethernet等多路業務信號的點到點波長直達傳輸[14]。

2.3 核心網

核心網網絡管理及通信協議的實現功能，負責整個無線測發網的管理、數據交換及與外部的接口。無線測發網核心網的架構及網元構成如表2所示，核心網采用基于服務的架構(SBA，service based architecture)，即把原來具有多個功能的整體，分拆為多個具有獨自功能的網元實體，每個網元獨立承擔相應功能[15-16]。

表2 核心網網元功能

核心網硬件采用通用平臺，由標準機柜與刀片服務器組成，采用通用服務器平臺后，網元的功能開始虛擬化(NFV, network function virtualization)，體現為軟件定義網元功能[17]。

2.4 網絡切片

網絡切片是從接入網、承載網至核心網全流程的傳輸機制，接入網采用切片ID+QOS機制，利用服務質量(QoS, quality of service)機制區分保障比特流(GBR，guaranteed bit rate)與非保障比特流(non-GBR)來實現業務等級劃分，高帶寬切片業務使用GBR類型，低時延切片業務使用Non-GBR類型。承載網提供高帶寬和低時延兩類靈活以太網(FlexE，flexible Ethernet)硬切片，高帶寬切片內部采用隊列調度(PQ, priority queuing)，低時延切片采用加權公平隊列(WFQ，weighted fair queuing)調度，不同等級業務按不同QoS實現差異化保障[18-19]。

核心網用戶管理網元(UPF，user plane function)同時提供共享切片和獨立切片，高帶寬切片業務使用共享UPF，低時延切片業務使用獨享UPF。

無線測發網需同時滿足對測試數據的大帶寬傳輸及關鍵測發指令的高可靠、低延時傳輸等不同的應用場景，針對不同的應用場景對網絡的性能要求側重不同，無線測發網采用網絡切片來實現不同的傳輸模式，如圖3所示，不同的切片采用不同協議和網絡配置參數來滿足不同的應用需求。

圖3 網絡切片概念示意圖

3 運載火箭無線測發應用

運載火箭無線測發應用研究是指實現基于無線測發網絡的運載火箭發射場測發控方案設計。

3.1 無線測發應用總體方案設計

基于無線測發網的測發應用研究主要是將原建立在有線以太網基礎上的測發控系統通過無線測發網實現，兩種網絡的主要區別在于無線測發網在接入網端采用無線通信方式，可以解決發射場前端箭地之間通過通信線纜進行連接導致的箭地電纜繁多的弊端，實現運載火箭箭地無纜化的目的。

無線測發網核心網依然采用基于TCP/IP的以太網傳輸協議，因此無線測發網在網絡架構上層與基于以太網的測發控系統保持一致。

新一代運載火箭采用高速總線后，所有的信息都在總線上交互，地面測發控系統只需通過5G通信模塊將總線納入無線測發網的接入網內，即可實現箭地信息的高速、無線通信。

地面一體化測發控系統按功能主要分為發控模塊、測控模塊以及數傳通信模塊，分別實現運載火箭的發射控制、測控通信以及數據傳輸功能，這3大功能都是建立在箭地通信的基礎之上，不同的是其對通信的需求各有不同，發控側重于指令傳輸的實時性與高可靠性，測控通信側重于高可靠性與高帶寬，數據傳輸則偏重于高帶寬。

3.2 發控功能模塊設計

發控主要實現對運載火箭的供電、轉電、點火、起飛等關鍵動作的控制，一般由地面發控計算機(PLC)根據主機指令發送相應的電氣指令控制箭上配電器、點火控制通路執行相關動作。我國現役運載火箭發控指令一般采用28 V電壓指令信號，由地面控制箭上設備配電與起飛點火動作；而新一代運載火箭多采用智能供配電系統，配電及發控的功能均由箭上設備實現，地面只需發送配電或允許點火命令，箭上控制系統會智能檢測配電狀態或者起飛狀態，由箭上設備進行實際的配電和點火動作。因此對于新一代運載火箭，采用通過網絡發送控制信號進行發控動作更為簡便，重點是命令在通信網絡中的傳輸可靠性及實時性保證。

發控命令采用基于超高可靠超低時延通信(uRLLC,ultra reliable & low latency communication)的網絡切片進行數據傳輸，保證通信指令的可靠性和實時性，如圖4所示。同時，為保證發控指令的安全性，對發控計算機入網必須采取相應的鑒權措施和數據通信加密服務。

圖4 發控命令信息流示意圖

3.3 測控模塊及數傳通信模塊設計

測控模塊主要負責對箭上相關測試信號的測量，反饋結果至地面測發控系統，配合一體化系統進行測發流程的開展。數傳通信模塊主要負責測試數據的傳輸與轉發。現役型號測控模塊多采用地面采集設備采集測量箭上端信號，新一代運載火箭多采用箭上設備自采集通過總線傳輸測量結果，因此對新一代運載火箭而言測控模塊其功能進一步弱化，可以合并至數傳通信模塊，因此重點對數傳通信模塊進行設計。

箭上采用總線設計后，總線上的信息通過5G通信模塊實時發送至地面數據中心，箭地間約定好通信的規范，無線測發網采用基于增強移動寬帶(eMBB, enhance mobile broadband)網絡切片進行數據的高速傳輸，數據中心同時負責與發射場測控系統及氣象系統的接口及數據匯總，最后分發至相關的判讀終端，實現數據的交互，如圖5所示。對于臨時性的測試設備數據入網需求，對數據源設備配置5G通信模塊，接入無線測發網絡，并匯總至數據中心。

圖5 測控及數傳示意圖

通信模塊采用基于MH5000工業模組的嵌入式設計方案，MH5000核心芯片為華為巴龍5000，該芯片是工業級器件，單芯多模、支持SA和NSA組網模式，同時兼容4G/3G/2G網絡[20]。

MH5000工業模組支持多種接口，方便與主體設備集成，支持普通桿狀天線，經測試MH5000在5G移動通信網覆蓋范圍內可穩定實現200 Mbps以上的傳輸速率，供電接口為5 V直流電源，支持Windows、Linux操作系統驅動,其技術指標如表3所示。

表3 MH5000芯片技術指標

3.4 遠程/便攜式測發應用

無線測發網絡可與公共5G移動通信網連通，借助公共5G公共移動通信網實現遠程測發與基于手機或筆記本電腦的便攜式測發應用。考慮測發流程的實時性要求，涉及流程控制相關的計算放在本地MEC完成，遠程可跨域進行網絡切片傳輸，保障通道獨立，減少傳輸延遲，同時源頭上控制傳輸信息量，對關鍵信息進行遠程傳輸。

4 實驗結果與分析

為測試方案的性能，進行了5G通信終端與微基站的通信測試。

4.1 實驗步驟和方法

試驗產品配套如表4所示。

表4 測試設備配套

試驗項目：

1)不同通信距離及環境下通信速率、通信延時測試；

2)誤碼率測試。

4.2 實驗數據分析

測試場地選擇在空曠室外，MH5000工業模組采用n78(3.5 GHz)頻段配置。

由表5中的測試數據可以看出：

表5 測試數據

1)當前設備的通信時延最低能到2 ms左右，可以滿足現場通信需求，如果要跨域傳輸，時延至少在數十毫秒量級；

2)通過采用不同的通信配置，eMBB與uRLCC能夠實現不同的應用需求，目前對5G網絡切片尚無明確的行業標準；

3)兩種配置的通信速率與通信時延可以滿足運載火箭測發的應用需求。

5G通信標準也在不斷更新，R16標準設備目前尚未大規模商業應用，對網絡切片的技術方案目前正在商討制定標準，未來5G通信網絡性能將更加完善，對工業控制領域適應性更好[21]。

5 結束語

本文提出了借鑒第五代移動通信技術進行航天發射場無線測發網絡建設的方案，采用接入網+承載網+核心網的網絡架構，構建發射場范圍內工業現場無線總線，采用網絡切片技術同時滿足大帶寬測試數據及低延時、高可靠測發指令的傳輸需求。可實現箭地無纜化，提高一體化測發控系統的信息化水平，也為遠程測發、便攜式測發和智能化測發奠定了技術基礎。