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(wǎng)絡等學科的綜合應用技術,用于實現(xiàn)對飛行器的跟蹤測軌(外測)、遙測(內(nèi)測)、遙控和信息傳輸。飛行器測控系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)”或“測控與信息傳輸系統(tǒng)”。

在國際上,經(jīng)過70多年的發(fā)展,測控系統(tǒng)的體制從“分離”過渡到了“統(tǒng)一載波”[1];信號形式從常規(guī)到擴頻;承載平臺從陸基、海基發(fā)展到天基;應用模式從單站到多站組網(wǎng)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(shù)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(shù)目將持續(xù)增加,任務操作越來越復雜,這不僅需要繼續(xù)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(lián)、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(xiàn)測控資源的綜合利用和統(tǒng)一管理。

2 未來測控通信任務需求

根據(jù)可能的任務需求和技術發(fā)展趨勢,未來20年對測控通信系統(tǒng)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(wèi)星的位置精度要求達到米級;近地軌道衛(wèi)星的位置精度要求達到30 cm;編隊飛行衛(wèi)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(tǒng)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(shù)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(wèi)星、月球探測、火星探測、臨近空間站的數(shù)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(huán)境,測控系統(tǒng)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(fā)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(wǎng):多個飛行器構成無線自組織網(wǎng)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(wèi)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(tǒng)結構:按層次劃分系統(tǒng)結構,各層次間采用標準的接口。以方便不同系統(tǒng)之間的互聯(lián)、互通和互操作;硬件和軟件的移植和重用;系統(tǒng)功能的增強和擴充;提高系統(tǒng)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(tǒng)互連的分層軟件體系,實現(xiàn)多功能綜合的測控基帶、數(shù)傳基帶和應答機。

(7)“網(wǎng)”

網(wǎng)絡化測控通信體系:未來需采用互聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)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(wǎng)等可減少地基站的數(shù)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(tǒng)的體系結構

在未來20年左右的時間內(nèi),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(tǒng)將在現(xiàn)有基礎上,通過各自性能提高、手段完善、網(wǎng)絡化演進等歷程,最終統(tǒng)一為天空地一體化測控通信網(wǎng),以實現(xiàn)測控通信任務統(tǒng)一指揮控制、飛行器態(tài)勢綜合顯示、測控通信資源綜合利用并可持續(xù)發(fā)展的目的。

3.1 中期各應用領域測控通信系統(tǒng)的體系結構

3.1.1 未來航天器測控通信系統(tǒng)的體系結構

航天器測控通信系統(tǒng)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(nèi)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(yè)務:為航天器提供測控和通信服務。除了無線電外測跟蹤業(yè)務外,自主定位的航天器還可應用全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)和慣性導航設備進行定位。編隊飛行衛(wèi)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(wǎng)(包括近地中繼單元、中低軌衛(wèi)星網(wǎng)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(wǎng)、火星局域網(wǎng)組成,如圖1所示。

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

網(wǎng)絡結構:在現(xiàn)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(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)技術,為太陽系的用戶提供無處不在的端-端連接,進一步發(fā)展為“行星際互聯(lián)網(wǎng)(IPN)”。

行星際互聯(lián)網(wǎng)的基本思路:在低延時的遙遠環(huán)境中部署標準的因特網(wǎng),建立適應長延時空間環(huán)境的骨干鏈路來連接這些分布的因特網(wǎng),創(chuàng)建低延時和高延時的中繼網(wǎng)關。

行星際互聯(lián)網(wǎng)的構成如下:

(1)行星際骨干網(wǎng)絡。涵蓋目前使用的地基近地航天器測控網(wǎng)和深空網(wǎng),用于提供地球、月球、外層空間的行星及其衛(wèi)星、放置在行星拉格朗日引力穩(wěn)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(qū)域網(wǎng)。包含行星衛(wèi)亞子網(wǎng)和行星表面子網(wǎng)。行星衛(wèi)星子網(wǎng)提供地—星中繼服務和行星表面節(jié)點的測控通信服務,行星表面子網(wǎng)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(wǎng)絡中的傳感器。

(3)行星際外部網(wǎng)。包括星座、編隊和衛(wèi)星群網(wǎng)絡。

頻譜結構:根據(jù)國際電聯(lián)、無線電委員會的規(guī)定和現(xiàn)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(wèi)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(shù)據(jù)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(wèi)星定位系統(tǒng)的應用,即自主定位、授時和時間同步;跟蹤與中繼衛(wèi)星的應用;相對導航技術的應用。

安全結構:為需要數(shù)據(jù)安全的用戶提供可供選擇的數(shù)據(jù)保護業(yè)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(yè)務方案:網(wǎng)絡層安全業(yè)務、應用層安全業(yè)務和應用層/網(wǎng)絡層混合安全業(yè)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(jiān)視系統(tǒng)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(fā)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(fā)射、全射向發(fā)射、全球機動發(fā)射、在軌操作、軌道轉移和再入的能力。監(jiān)視將成為靶場的重要功能之一。

航天靶場測控與監(jiān)視體系的構成:由天基資源(包括全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、跟蹤與中繼衛(wèi)星系統(tǒng)和其它星座)、空基資源(包括測控與監(jiān)視飛機、無人機、飛艇)和地基測控與監(jiān)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(jiān)視系統(tǒng)體系結構Fig.2 Architecture of aerospace site TT&C and surveillance system

網(wǎng)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(wǎng)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(wèi)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(wèi)星中繼和超高聲速導彈的測控。

測控與監(jiān)視結構:以天基測控資源(全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、跟蹤與中繼衛(wèi)星系統(tǒng)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(jiān)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(shù)據(jù)保護上采取措施。

3.1.3 未來臨近空間測控通信系統(tǒng)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(fā)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(zhàn)空間。2005年8月8日美國國防部公布的《無人機系統(tǒng)線路圖2005-2030》中也新增加了發(fā)展臨近空間無人飛艇等內(nèi)容[4]。

臨近空間飛行器可分為低動態(tài)飛行器和高動態(tài)飛行器。低動態(tài)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(tài)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(tǒng)的任務:對低動態(tài)、高動態(tài)臨近空間飛行器提供從起飛或發(fā)射、飛行/作戰(zhàn)、降落等全過程的測控和數(shù)據(jù)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(wèi)星定位系統(tǒng)、跟蹤與中繼衛(wèi)星系統(tǒng)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(tǒng)體系結構Fig.3 Architecture of near space TT&C communication system

網(wǎng)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(wǎng)絡無縫綜合。

頻譜結構:根據(jù)國際電聯(lián)(ITU)的規(guī)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(shù)傳支持,由天基資源提供超視距,甚至全程測控與數(shù)傳支持。

安全結構:主要從信號體制、信號處理和數(shù)據(jù)保護上采取措施。

3.1.4 未來無人機測控通信系統(tǒng)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(zhàn)。

無人機測控通信系統(tǒng)的任務:在無人機起飛或發(fā)射、空中作業(yè)或作戰(zhàn)、著陸或回收等階段提供定位、遙控、遙測和數(shù)據(jù)傳輸支持。

無人機測控通信體系的構成:由天基資源(全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、跟蹤與中繼衛(wèi)星系統(tǒng)、通信衛(wèi)星系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(tǒng)體系結構Fig.4 Architecture of UAV TT&C communication system

網(wǎng)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(wǎng)。

頻譜結構:根據(jù)國際電聯(lián)規(guī)定和我國實際情況,無人機測控數(shù)據(jù)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(wǎng)測控。

安全結構:主要從信號體制、信號處理和數(shù)據(jù)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(tǒng)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(lián)網(wǎng)技術的成熟,把航天器測控通信、航天靶場測控監(jiān)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(tǒng),將能更充分地利用測控通信資源,全面掌握飛行器態(tài)勢,進一步提高效費比。

天空地一體化飛行器測控通信系統(tǒng)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(tǒng)4個物理單元和相互交迭的網(wǎng)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(wǎng)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(lián)網(wǎng)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(shù)據(jù)通信業(yè)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(tǒng)體系結構Fig.5 Architecture of space-air-ground TT&C communication system

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

分層/完整的通信結構:通信網(wǎng)絡將采用開放系統(tǒng)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(shù)據(jù)路由及飛行器間數(shù)據(jù)自主路由成為可能。通過允許控制天線、發(fā)射功率、傳輸數(shù)據(jù)率,以及距離變化的媒體接入方法,提供完全的端對端數(shù)據(jù)路由能力,從而使飛行器能夠按要求接入網(wǎng)絡。這些層中的協(xié)議和接口使得交互連接能根據(jù)網(wǎng)絡任意節(jié)點的要求進行連接或中斷。空天地一體化測控通信系統(tǒng)體系結構中的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議層如圖6所示。

圖6 天空地一體化測控通信系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)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(shù)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(wèi)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(xiàn)飛行器高覆蓋、低成本的統(tǒng)一管理。

安全結構:為需要數(shù)據(jù)安全的用戶提供若干可供選擇的數(shù)據(jù)保護業(yè)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(tǒng)的主要關鍵技術

根據(jù)目前的技術現(xiàn)狀,構建天空地飛行器測控通信系統(tǒng)尚需從物理層、鏈路層、網(wǎng)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(shù)據(jù)傳輸技術

目前市場上已有2Gbit/s的數(shù)傳解調(diào)器。隨著碼速率的進一步提高,高速數(shù)字解調(diào)器中數(shù)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(shù)字調(diào)制器在調(diào)制頻段、調(diào)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(shù)字多波束天線等實現(xiàn)單站多目標測控)、衛(wèi)星定位+衛(wèi)星中繼方案、單波束站+飛行器網(wǎng)方案、衛(wèi)星中繼+飛行器組網(wǎng)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(tǒng)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(wǎng)內(nèi)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(wǎng)絡技術在測控通信中應用

空間容延遲網(wǎng)絡(DTN):需要研究大容量數(shù)據(jù)的動態(tài)和隨機傳輸、容延遲協(xié)議、高可靠路由、流量控制、網(wǎng)絡命名尋址協(xié)定、糾錯編譯碼、時間同步、網(wǎng)關節(jié)點維護、數(shù)據(jù)安全,以及行星際中繼、網(wǎng)絡節(jié)點的導航技術。

自組織網(wǎng)絡(Ad Hoc):需要研究介質訪問控制協(xié)議、安全的路由設計、提供服務質量的路由協(xié)議、協(xié)議節(jié)能策略,以及網(wǎng)內(nèi)節(jié)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(tǒng)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(xiàn)測控通信功能,使設備能即插即用,系統(tǒng)易于互聯(lián)、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(xiàn)代檢測技術、故障診斷專家系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫技術和多媒體通信技術,通過網(wǎng)絡監(jiān)測測控通信裝備的工作狀態(tài),實施遠程故障診斷、軟件的升級與更新,指導現(xiàn)場可更換單元的更換,從而保持系統(tǒng)的健康。

5 結束語

航空航天技術的迅猛發(fā)展,為測控通信技術的應用帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。網(wǎng)絡技術已經(jīng)改變了商業(yè)模式、組織機構和業(yè)務流程,把人類世界變成了地球村。因此,我們相信網(wǎng)絡技術也會改變測控通信的體系結構、系統(tǒng)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(yè)福.衛(wèi)星測控網(wǎng)的技術發(fā)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)