航天測控動態重組技術發展瓶頸分析與解決方法研究

史成巍 曲展志 張朋強

中國人民解放軍63761部隊，天津301900

隨著太空中人造衛星的不斷增加，地面測控[1]通信任務也逐年加重，為解決此問題，一般通過繼續增加地面測控裝備的方式進行解決。然而傳統的測控裝備由于冗余備份導致建設成本過高，建設周期很長，已經難以滿足日益加重的衛星測控任務。近年來，基于資源動態重組[2-3]架構的測控裝備已相繼投入使用，資源動態重組技術是指利用開關矩陣等設備將天線和基帶進行靈活配置的技術，該種技術通過動態組合天線、信道和基帶設備進而達到設備間互相組合、互相備份的目的，縮減了以往過多的備份信道、基帶設備，且并未降低設備的可靠程度，有效降低了單套測控裝備的成本，縮減了研發周期，對于緩解衛星測控壓力起到了重要作用[4]。該種技術由于大量節約設備資源，近年來已開始在部分地面測控站安裝部署，并有逐漸成為航天測控地面主流裝備的趨勢。與此同時，由于新的動態重組結構統一性要求程度高、新舊裝備接口差別大等因素，該技術在推廣應用過程中遇到很大阻力，比如1套重組系統只加入了3套天線，研制第4套時由于使用了新的技術和接口等原因，就無法納入原有重組系統。本文從工程領域出發，具體研究制約動態重組測控技術發展應用的瓶頸，并提出行之有效的解決方法。

1 動態重組測控裝備的體系結構

動態重組測控裝備從以下幾個方面對傳統裝備進行優化：

1)避免資源熱備份浪費

傳統測控裝備主要分系統通常采用1∶1熱備份設計[5]，當在線設備發生故障時，可以快速自動切換到備份設備，從而提高系統的可靠性。但這種熱備份設計對于資源的浪費顯而易見。

動態重組裝備通過在資源之間增加開關矩陣[6-7]，使天線與信道、信道與基帶之間可以互相切換組合。以基帶為例，以往10套天線要使用20套基帶，但資源重組后10套天線使用11套或12套基帶和11套或12套信道即可，當某個基帶或信道故障時，監控分系統自動調整開關矩陣配置繞開故障設備，即可恢復正常狀態。連接關系圖見圖1。

2)避免公共設備浪費

傳統測控裝備每套設備一般具有單獨的監控分系統、測試分系統、時頻分系統等服務性設備，造成了分系統重復建設、使用效率不高的問題。而在動態重組裝備中，所有設備共用一套監控分系統、測試分系統等附屬公共設備。這樣不僅避免了公共設備的浪費，還有助于全系統設備的集中管控。

圖1 動態重組設備結構圖

3)裝備升級改造成本低

傳統測控裝備進行改造升級時往往需要對相關所有硬件、軟件進行升級，改造、研發工作量較大，周期也長。但動態重組裝備的改造往往只是針對某一資源，比如針對基帶進行升級、天線進行升級或者監控軟件[8]進行升級，相比而言，總體成本要低很多。

2 動態重組技術發展瓶頸

盡管動態重組技術具有很多優點，技術實現難度小，但是近年來該技術的推廣卻很緩慢。造成這種現象的原因主要是以下幾方面：

1)研制方不同，制造過程存在差異

在測控裝備的實際建設中，由于商業競爭等因素，同一地面測控站的多套裝備往往是由不同廠家進行研制。這就造成在硬件上，各廠家模塊標準[9-10]不統一，部分設備無法進行動態調換；在軟件上，各廠家軟件環境、接口協議、軟件架構等各不相同，致使無法使所有設備集中監控，也就無法集中進行調配。

2)傳統裝備無法加入動態重組序列

傳統裝備在研制時由于沒有考慮與后續裝備相同的集中監控體系，致使新一代動態重組架構若需要加入傳統裝備就必須對裝備進行較大程度的改造，花費大量人力、財力和時間等資源，達不到資源重組、節約資源的目的，因此很難實現將傳統裝備加入動態重組的序列。

3)新研裝備難以加入已有動態重組序列

新研裝備往往采用新技術，使得裝備在功能上發生較大的革新，如果再加入已有動態重組裝備中，就需要對已有動態重組裝備進行改造，否則就會導致裝備不兼容而無法加入。以office辦公軟件為例，在2007版出現“.docx”文件后，之前版本就無法編輯該類型文件。而這種情況在技術的不斷革新過程中是不可避免的。

正是由于以上原因，動態重組技術在實際應用中推進緩慢，難以實現不斷擴容，無法發揮更大的節約資源作用。

3 解決方法研究

動態重組技術在發展過程中遇到的一系列阻礙，根本原因還是架構設計上存在缺陷，未考慮兼容的問題，最初的設想只能適用于所有裝備短時間內同時建成、具備相同或相似的結構與功能的情況。下面針對主要瓶頸分析具體解決策略。

1)統一軟硬件標準，解決多方研制問題

在以往的裝備研制過程中，盡管對于裝備研制提出了統一的接口標準，但標準本身不夠全面細致。以信道分系統為例，標準只規定了信道分系統對外的接口比如與基帶的連接方式為SMA接頭公母傳遞50MHz中頻信號[11-12]，對于信道內部連接形式、信道與監控的數據通信接口等并沒有約束。各廠家對于沒有規定部分按照自己的風格制造，結果信道內部設備各廠家無法通用，集中監控服務器也無法集中監控所有設備。

為了解決這樣的弊端，可以參考臺式計算機的生產結構特點[13]。對于組裝臺式機而言，所有的部件都是不同廠家，但只要在拼接過程中考慮不同部件的性能兼容、功率要求等，就能組裝成一個運行順暢的完整設備。在硬件上關鍵是標準統一，需要具體到所有重要部件，比如芯片多少針腳、大小，主板各個插槽的尺寸都必須統一[14]。換到測控裝備也是如此，要明確各設備底層電源模塊、監控模塊的規格及與之相連的接頭。同時，在規格的規定上注意增加靈活度就能避免過于死板造成效率或者質量方面的降低。比如在硬件標準中對于電源模塊規格定為“需至少具備4V、8V、12V三個檔位的電源輸出能力，尺寸小于300×300×300mm，對外連接采用螺母連接銅纜的方式”。這樣的規定在具備了主要的統一指標的同時能使研發單位在部分結構進行合理的選擇，以及在性能上進行探索。計算機中的內存條等部件都是如此，它們的大小、接口都是固定的，但并沒有影響到不同單位的制造工藝和性能的不斷研發。在軟件方面，關鍵則是通信數據協議統一，通信數據協議統一比較成熟的做法就是計算機中對于顯示器、鍵鼠等外設的使用，它們在實現硬件接口統一標準的同時還對具體的數據通信接口進行了精確的定義[15]。

2)對于傳統裝備采用短期兼容長期剔除策略

不同時期生產的傳統裝備結構功能差別很大，一般來說，越新的裝備與動態重組裝備本身的相似度也越大，所以在動態重組裝備研發時應特別注意能夠兼容這一部分裝備。具體兼容的策略為對10年以內裝備進行低程度的升級改造，裝備年限超過10年的則不再考慮納入。10年界限的設定主要考量為裝備的正常壽命一般為15年，超過10年的裝備大多已經瀕臨報廢，沒有融入新體系的必要。這樣的方式在計算機中也有應用，主要體現在軟件的更新換代上，仍以office辦公軟件為例，office軟件發布新版本后總是能夠兼容舊版本的格式，比如office2007可以兼容舊的doc文件，但是對于doc前已經淘汰的文件格式卻不再兼容。

3)對于新研裝備采用兼容驅動或壓縮功能的方式

對于功能上沒有超出已有動態重組裝備接入要求的新研裝備，采用在已有裝備中增加兼容驅動的方式以保證新功能的正常使用。以計算機USB設備為例，如果計算機的是USB2.0結構，只要接入設備沒有超出USB2.0的范圍，都可以直接或安裝驅動程序后使用。

對于新研裝備功能無法融入已有動態重組裝備的情況，則可以在這些裝備與當前重組體系間增加中轉模塊，該模塊應具備接口轉換的功能，以壓縮新研裝備的能力從而融入已有裝備。以計算機顯示器為例，購置一臺新的只具備HDMI接口顯示器，但老計算機只支持VGA格式，只需要在兩者間增加一個轉換器就能繼續使用，但后果就是降低了顯示器的使用性能。

4)模塊化設計以適應不斷更新的技術

要解決壓縮裝備性能的問題，就需要更新動態重組本身以適應新技術的發展。這時候動態重組體系本身就如同主板，各個資源就是所有的設備，每一部分設備都可以不斷進步，但是主板本身在一定時間后也需要進行更新。這種更新就是動態重組體系設備基礎的更新，包括集中監控體系的更新、對不同分系統軟硬件接口協議的更新。這樣的更新同樣需要遵循前面的標準化和向下兼容等原則，不需要太大的變動就能實現整個動態重組體系的進階。這就是模塊化的設計理念，不論是硬件還是軟件都是采用這樣的模塊結構，其中每一部分都可以升級自身功能，在出現無法兼容前繼續正常使用，當功能升級到無法兼容時采取增加兼容驅動的臨時方式或者繼續升級其他相關模塊以繼續該部分的正常使用。如圖2和3所示。

圖2 模塊化軟件結構圖

圖3 模塊化硬件結構圖

綜上而言，核心的解決方法仍然是構建模塊化的軟硬件體系結構，在體系中每個模塊都有完整的標準接口規范和上下兼容策略，這樣就能有效解決動態重組體系存在的弊病，進而促進測控裝備向著更加高效節約的方向發展。

4 結束語

在航天測控裝備應用動態重組體系之后，設備的利用效率固然得到很大提升，但由于制造體系和新舊設備兼容等原因導致了動態重組體系實際投入應用速度緩慢。為此，本文仿照計算機的設備結構和更新特點制定了模塊化設備體系結構，并通過約束具體設備的軟硬件接口以及采用兼容驅動等形式來解決動態重組發展瓶頸。論文方法并未投入使用，具體效果仍然需要現實檢驗。