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 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)實現(xiàn)了S頻段信號的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)傳輸，但是整個測控體系的架構(gòu)還是沿用之前的模式，運行效率不高，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，提出一種基于射頻數(shù)字化等多項技術(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，一個測控站內(nèi)的多套系統(tǒng)互相獨立，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立完成測控任務(wù)，并能對數(shù)據(jù)的質(zhì)量實時加以分析，同時地面測控站可根據(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，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)備大都采用雙機熱備份方式，當(dāng)主用設(shè)備發(fā)生故障時，可以迅速切換為備份設(shè)備。在實際執(zhí)行任務(wù)時，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。

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，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。

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)就在這個時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5個部分。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)點是對于n套系統(tǒng)，最少只用配置n+1臺基帶就可以實現(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、時頻設(shè)備、自動化測試設(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。時頻設(shè)備可通過增加時碼分路和頻標(biāo)分路將時碼和頻標(biāo)進(jìn)行多路分解，從而滿足全系統(tǒng)的需要。自動化測試設(shè)備除了射頻部分保留之前設(shè)計外，可在中頻部分統(tǒng)一配屬信號源、頻譜儀、示波器、自動化測試計算機等測試設(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，實現(xiàn)資源的動態(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，集中監(jiān)控平臺可預(yù)留接口，方便設(shè)備擴容，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，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)一臺基帶無法同時為正在不同模式下工作的多臺基帶同時提供熱備份服務(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，通過光纖和中間通信節(jié)點送往中心萬兆網(wǎng)交換機，中心萬兆網(wǎng)交換機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)存儲集群進(jìn)行存儲并轉(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“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行成本。

中心基帶資源池和各個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)交換機共享給所有測站的天線，由中心智能集中監(jiān)控平臺統(tǒng)一進(jìn)行集中管理和動態(tài)分配[4]。

數(shù)據(jù)存儲集群根據(jù)接收數(shù)據(jù)種類的不同分為低速存儲集群和高速存儲集群，均采用分布式存儲方式進(jìn)行部署，其中高速存儲集群可與數(shù)傳基帶進(jìn)行動態(tài)重組，以滿足各類任務(wù)的需要，數(shù)據(jù)存儲集群作為數(shù)據(jù)存儲的重要庫，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。

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

監(jiān)控工作站的工作是為了在服務(wù)器自主運行對出現(xiàn)的故障無法解決時進(jìn)行人工干預(yù)，主要提供人機交互界面，實現(xiàn)人員對全系統(tǒng)設(shè)備和衛(wèi)星狀態(tài)的實時監(jiān)視和控制。同時人工干預(yù)操作形成的流程日志進(jìn)入設(shè)備的數(shù)據(jù)庫供計算機進(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)控平臺設(shè)計

中心智能集中監(jiān)控平臺是該體系的神經(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調(diào)用別的基帶資源完成任務(wù)。同時通過在運行過程中不斷增長經(jīng)驗，自主學(xué)習(xí)[7]以改進(jìn)系統(tǒng)的運行，從而不斷優(yōu)化自身功能，減少運行錯誤。

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、運行日志以及人員干預(yù)、氣象數(shù)據(jù)等信息，監(jiān)控平臺應(yīng)使用多項數(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)行實時監(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。同時根據(jù)設(shè)備維護(hù)周期智能安排全系統(tǒng)分時停機維護(hù)計劃，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，只需在測控站安裝相關(guān)硬件設(shè)備，同時更新中心軟件配置，即可實現(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)、處理大量運算易造成軟件卡死或宕機。監(jiān)控服務(wù)器可采用集群設(shè)計，由集群管理系統(tǒng)統(tǒng)一管理，使用動態(tài)負(fù)載平衡算法[10]將各個子任務(wù)比較均衡地分配到各個節(jié)點機上進(jìn)行并行處理，提高平臺運算能力和穩(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,并在實際使用中加以扣除，以保證網(wǎng)絡(luò)時延不會導(dǎo)致授時和測距校零結(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，一旦某個節(jié)點出現(xiàn)故障，很容易導(dǎo)致任務(wù)失敗。可從3個方面得以加強: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，增強網(wǎng)絡(luò)抗毀性；2)增加備份中心，防止1個中心由于某些因素癱瘓后整個測控體系的癱瘓；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)控平臺的發(fā)展，測控裝備管理部門應(yīng)盡快出臺軟件接口設(shè)計相關(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)備符合新體系運行的需求，對不滿足改造條件的設(shè)備，可以暫時按照以往方式運行并逐漸淘汰。

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)時延控制技術(shù)等多種技術(shù)，具有擴展靈活、即插即用、資源利用率高等特點，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，同時可顯著提高測控效率、降低建造成本和運行成本，為未來航天測控體系的建設(shè)提供了新的思路。