對NASA空間通信無線電系統(tǒng)的分析和研究

楊博 曲志超

摘? ?要：介紹美國基于軟件定義無線電（SDR）技術的空間通信無線電系統(tǒng)（STRS）的發(fā)展狀況和研究意義，對STRS的硬件和軟件架構模型進行研究和分析。對NASA的空間通信和導航（SCaN）測試平臺和基于STRS標準的APPSTARTM體系以及應用進行梳理，并對STRS的應用前景和發(fā)展方向進行分析，最后對我國的空間通信無線電發(fā)展提出建議。

關鍵詞：軟件定義無線電? 空間通信? STRS? SCaN? APPSTARTM

中圖分類號：V476? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）06（a）-0137-03

（目前衛(wèi)星的問題）隨著科技與社會的進步和發(fā)展，人們對通信衛(wèi)星的功能和性能提出了更高的要求。然而傳統(tǒng)的衛(wèi)星都是基于特定任務研制，衛(wèi)星發(fā)射入軌后，它的通信載荷就基本固化，在衛(wèi)星壽命周期內(nèi)不能跟上地面技術的進步，在有新的任務性能需求或者功能需求時，因為衛(wèi)星功能單一且升級困難，所以不得不需要發(fā)射新的衛(wèi)星來滿足需求。（引出SDR，SDR的定義）SDR（Software Defined Radio）技術的出現(xiàn)為解決上述問題提供了思路和手段。

SDR技術不是一個具體的無線電通信系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，而是實現(xiàn)軟件無線電概念的一個架構體系[1]，采用SDR技術的無線電通信系統(tǒng)可以通過軟件編程達到按需要實現(xiàn)各種無線電通信功能，比如可以調(diào)整工作頻率，改變調(diào)制解調(diào)模式和更改通信協(xié)議等。NASA和ESA等航天機構都在進行將SDR理念引入衛(wèi)星設計和研制中的嘗試。STRS（Space Telecommunications Radio System）就是NASA發(fā)布的第一個正在不斷被完善的并應用于NASA空間任務的空間無線電通信架構標準，它盡可能的在NASA的無線電開發(fā)中使用SDR技術來為NASA的空間通信提供共性，以達到設計的重用性和功能的可擴展性[2]，降低衛(wèi)星研發(fā)的成本。

1? STRS的發(fā)展現(xiàn)狀

NASA在經(jīng)過大量的技術積累和實驗之后，格倫研究中心于2005年12月發(fā)布STRS開發(fā)架構描述文件，2006年4月發(fā)布了第一版STRS技術標準，之后征集來自NASA不同研究中心的專家和其他相關機構專家們的詮釋和評價，對STRS標準進行修正和完善，并分別于2007年和2010年和2012年發(fā)布了新版本。2012年，NASA發(fā)射了“空間通信與導航”（Space Communications and Navigation， SCaN）實驗臺到國際空間站，并進行了STRS標準的技術研究和演示驗證。美國哈里斯公司基于STRS標準，在SCaN計劃下發(fā)布了AppSTARTM軟件定義有效載荷體系結(jié)構，并在一些太空項目中得到應用，比如高速Ka波段軟件無線電臺（SDR）、合成孔徑雷達和廣播式自動相關監(jiān)視（ADS-B）接收機等[3]。

2? STRS架構

STRS標準的核心設計思想是提升設計的通用性和可移植性，它的架構采用模塊化和分層的設計思想，旨在提高設計的標準化程度，開發(fā)人員可以根據(jù)任務需要選擇合適的模塊來完成設計，并且有利于后續(xù)新技術的插入和模塊的修改更新。STRS標準的架構可以分為硬件架構、固件架構和軟件架構三大類型，其中固件是指嵌入到FPGA等器件中的程序，STRS標準中知識指出了從設計到開發(fā)過程中固件的使用情況，下面主要介紹硬件和軟件這兩個架構的具體內(nèi)容。

2.1 硬件架構

相比于軟件技術，硬件技術發(fā)展變化較快，而且航天器的無線電系統(tǒng)實現(xiàn)通常都有非常具體的航天器依賴和需求，所以STRS標準中只是在功能級別上指定了硬件架構模塊，而不是具體的物理實現(xiàn)。而且在硬件架構的開發(fā)過程中，開發(fā)人員需要考慮幾個關鍵的約束和條件。首先是靈活性，即硬件架構要可以處理不同級別的任務，所以硬件體系架構需要采用一系列的可重新配置的處理技術，包括可選參數(shù)的GPP、DSP和FPGA等;此外該體系架構隨著時間的推移還需要支持新技術的注入，以適應處理器速度和信號處理速度的快速發(fā)展;最后是信號數(shù)字化的轉(zhuǎn)化點要靠近天線。在綜合考慮以上要點之后，開發(fā)人員提供了一個靈活的硬件體系框架，如下圖3-1所示。

STRS標準的硬件架構以模塊化的方式來設計，主要由三大模塊組成，分別為通用處理模塊（GPM）、信號處理模塊（SPM）和射頻模塊（RFM），開發(fā)人員可以根據(jù)任務需求自主選擇合適的模塊來實現(xiàn)硬件設計。

GPM是無線電平臺的主要控制組件，主要包含通用處理器（GPP）和各種存儲元素。其中GPP上運行無線電平臺的操作環(huán)境、硬件抽象層（HAL）和應用程序，存儲元素為GPP的運行提供工作內(nèi)存和必要的代碼存儲功能。GPM包括一個系統(tǒng)控制組件，通過系統(tǒng)總線和各種符合標準規(guī)范的接口實現(xiàn)對SPM、RFM的控制和管理，比如調(diào)整RFM的增益和頻率等。

SPM的主要功能是實現(xiàn)數(shù)字化數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)化，它的實現(xiàn)可以根據(jù)實現(xiàn)的復雜度和任務的應用和數(shù)據(jù)速率來選擇，與GPM的數(shù)據(jù)處理能力相比，SPM提供更高處理能力的數(shù)字信號操作和管理能力。STRS標準建議使用可重配置和重編程的起價來實現(xiàn)SPM，這樣可以允許在硬件不需要重新設計的情況下進行新應用的實現(xiàn)。

RFM的組件包括模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)化器，功率放大器等，它的功能主要包括頻率轉(zhuǎn)換和增益控制、模擬濾波、模數(shù)數(shù)模轉(zhuǎn)換等，這些功能可以使用各種集成電路實現(xiàn)，可以通過SPM和GPM來對這些組件進行控制。

除了以上三個主要的模塊之外，硬件架構還可以有光學模塊、安全模塊和網(wǎng)絡模塊等。模塊開發(fā)人員在部署提交模塊時，需要提供硬件接口描述（HID），開發(fā)人員可以根據(jù)HID來完成各個模塊之間的互聯(lián)，并且可以根據(jù)任務需要增刪模塊。

2.2 軟件架構

STRS的軟件架構采用分層的形式來設計，闡述了軟件運行時不同的軟件組件和各層之間的關系，定義了應用層和操作環(huán)境、操作環(huán)境和硬件平臺之間的接口。STRS的軟件架構如圖3-2所示。

STRS軟件架構由三層組成，分別為應用層、核心層和物理層。應用層組件包括波形應用和STRS基礎結(jié)構，其中波形應用使用STRS基礎結(jié)構來提供無線電的GPP服務，STRS基礎結(jié)構實現(xiàn)由STRS API識別的行為和功能以及其他必需的無線電功能，而STRS API是為基礎結(jié)構提供的接口，用于控制應用程序和服務，它也為應用程序等提供訪問STRS基礎機構的服務;核心層組件包括操作系統(tǒng)（OS）、硬件驅(qū)動（HW Drivers）和版支持包（BSP）等，其中硬件驅(qū)動中的硬件抽象層接口（HAL API）提供設備控制接口，負責對STRS無線電中的硬件設備的所有訪問，它是軟件驅(qū)動程序和與硬件通信的BSP的接口;物理層組件主要有GPM平臺硬件和專用的硬件，其中GPM主要是運行STRS的基礎結(jié)構層，而專用的硬件是指STRS平臺上存在的其他硬件模塊的物理層。

2.3 架構分析

STRS架構標準注重頂層規(guī)劃，成體系化發(fā)展，軟硬件分離，注重設計的標準化和靈活性。采用STRS標準的無線電設計，各個模塊耦合度低，可以根據(jù)需求增刪模塊，支持后續(xù)設計的更新和新技術的插入;平臺的功能主要由軟件來實現(xiàn)，在不改變硬件設計的情況下可以實現(xiàn)對應用參數(shù)的重配置和應用程序的更新，來實現(xiàn)平臺功能的重構;波形應用和服務的可移植性強，設計重用率高，NASA專門建立了波形應用庫，可以大大縮短研發(fā)周期，節(jié)省成本。

3? STRS的應用及前景

在經(jīng)過一定的技術積累后，NASA就開始整理和總結(jié)了STRS標準，隨后進行了實驗驗證，同時進行完善和修改。2008年NASA啟動了通信、導航以及組網(wǎng)可重構測試平臺計劃（CoNNeCT），后改名SCaN計劃，SCaN測試平臺于2012年放置到國際空間站。SCaN計劃進行了大量的實驗和技術研究，比如演示了應用SDR技術后空間通信系統(tǒng)的可重構性，研究了通信系統(tǒng)的組網(wǎng)技術和高數(shù)據(jù)率通信等技術，進行了SDR技術的開發(fā)，主要內(nèi)容有使研發(fā)的平臺和波形符合STRS標準，促進各機構廣泛采用NASA的STRS標準。

在SCaN計劃的推動下，哈里斯公司基于STRS標準研發(fā)了AppSTARTM軟件定義有效載荷體系結(jié)構，該結(jié)構基于高性能的FPGA處理器和DSP，利用軟件實現(xiàn)可重構，使載荷的任務性能可隨著未來的需求改變而升級。AppSTARTM軟件定義有效載荷由GPP子系統(tǒng)、數(shù)字信號處理子系統(tǒng)和射頻部分組成，其中數(shù)字信號處理子系統(tǒng)是體系的核心，通過對該子系統(tǒng)的配置來決定有效載荷的功能。數(shù)字信號處理子系統(tǒng)基于Xilinx Virtex 4 FPGA，不僅具有高度的波形變換靈活性，可以完成包括通信和視頻傳輸?shù)榷喾N空間任務，還可以為下一代通信系統(tǒng)提供所需的處理能力。

目前AppSTARTM軟件定義有效載荷已經(jīng)應用到一些太空項目中，比如高數(shù)據(jù)率的Ka波段軟件無線電臺、Aireon公司的天基廣播式自動相關監(jiān)視（ADS-B）接收機和合成孔徑雷達等。

研究以軟件無線電為重點的軟件定義衛(wèi)星技術，實現(xiàn)衛(wèi)星通信載荷功能和參數(shù)可自主地靈活的配置的能力，可以增加衛(wèi)星的功能密度，在合理的資源規(guī)劃和衛(wèi)星任務計劃下，可以最大限度的實現(xiàn)衛(wèi)星資源的利用。除了軟件定義衛(wèi)星方面的應用和研究之外，STRS標準還具有很多其他潛在的應用價值，比如STRS標準可以促進衛(wèi)星智能化的發(fā)展和天基網(wǎng)絡的建立。

衛(wèi)星的智能化主要體現(xiàn)在衛(wèi)星在軌后的自主運行決策和智能化通信，在自主運行決策方面，STRS標準可以為它提供良好的信息采集和服務，比如狀態(tài)監(jiān)測和健康管理等，而且STRS本身就是一個通信協(xié)議，在智能化通信方面更是具有巨大優(yōu)勢。此外采用STRS標準的衛(wèi)星，也更容易實現(xiàn)天基網(wǎng)絡的組網(wǎng)，實現(xiàn)衛(wèi)星之間和地面網(wǎng)絡的交互。

4? 結(jié)束語與建議

本文介紹了NASA的空間通信無線電系統(tǒng)STRS標準的發(fā)展狀況和研究意義，并就STRS標準的軟硬件架構做了簡要的介紹和分析。在對STRS標準的應用和分析中可以看到，一個從頂層設計出發(fā)的空間通信無線電標準對我國未來的航天發(fā)展有著重要的意義。我們從STRS標準的發(fā)展中為我國的軟件定義衛(wèi)星標準吸取經(jīng)驗，一些經(jīng)驗和建議如下：

（1）、貼合我國天基軟件定義無線電發(fā)展的具體情況，整理總結(jié)出符合我國國情的天基SDR體系標準;

（2）、制定開放的標準，要求標準的開拓性好，具有一定的技術前瞻性，標準化天基、地基之間的通信協(xié)議、各種接口協(xié)議等，使標準具有一定的靈活性，不僅可以滿足現(xiàn)有的發(fā)展需求，也可以滿足未來新技術的插入;

（3）、發(fā)射在軌測試平臺，進行軟件定義衛(wèi)星技術的測試和驗證，鼓勵各商業(yè)航天公司參與標準的完善和實驗，在不斷探索和實驗中確定未來的技術發(fā)展方向。

參考文獻

[1] 李海潮，崔亭，劉涌.對NASA天基SDR技術的分析[J].遙測遙控，2015，36（6）：13～18.

[2] NASA. Space Telecommunications Radio System STRS Architecture Standard[S].Revision 1.02.1.2010.

[3] 王巍，張春磊。軟件定義有效載荷—通信衛(wèi)星未來發(fā)展方向[J].