測控技術的發展現狀與展望

陳帥 楊宜康 葉旅洋

摘要：通過研究國內外測控技術的發展歷程和現狀，預判未來測控系統的發展趨勢：測控系統將發展成為聯接陸海空天各類有人/無人系統的一體化網絡化體系，是為陸海空天各類平臺提供跟蹤測量、遙測遙控、指揮控制、數據傳輸和導航定位授時等多種業務支撐的重要信息基礎設施。梳理出大規模節點的綜合信息傳輸和物理測量、天空地一體化測控網絡架構和協議體系、天空地一體化測控網絡路由技術、天空地一體化網絡頻譜架構及天空地一體化網絡安全架構5項挑戰性關鍵技術，針對每項關鍵技術提出重點研究方向，并梳理出測控理論和單項技術的發展方向，展望測控系統的未來形態。

關鍵詞：測控；航天測控網；測運控一體

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2020）14-70-4

0引言

測控最初的概念是指測量與控制，TT&C（Tracking，Telemetry and Command）即對飛行器進行跟蹤測軌、遙測和遙控等。測控系統是聯接飛行器與地面的信息傳輸媒介，是航天工程和軍事設施的重要組成部分。隨著軍事需要和航天技術的不斷發展，測控系統的內涵不斷演進，由初期的TT&C到測控通信（TT&C and Communication，T&C），再到空間通信與導航（Space Communication and Navigation，SCaN）[1-2]。目前，陸海空天各類有人/無人系統技術快速發展，對測控通信提出了更高的要求，測控系統為陸海空天各類有人/無人系統提供跟蹤測量、遙測遙控、指揮控制、數據傳輸和導航定位授時等多種業務支撐的重要信息基礎設施。未來戰爭形態正在演進為陸海空天網電全域的網絡化、智能化和一體化聯合作戰。測控網絡作為信息物理融合一體化的信息傳導介質與時空參數測量手段，在現代戰爭中的角色是整個戰場體系的中樞神經系統，起到決定戰爭勝敗的關鍵作用。

1國內外發展現狀

1942年，測控系統首次用于德國V2火箭的跟蹤、遙控和遙測，70多年來，測控通信體制經歷了分離測控體制、統一載波測控通信體制、擴頻測控通信體制和相控陣多目標測控通信體制4個發展階段。測控系統平臺由陸海基平臺發展到了跟蹤與數據中繼衛星系統（TDRSS）及全球衛星導航系統等天基平臺；同時測控目標由單站單目標發展成為單站多目標測控；作用距離由近地空間向深空測控發展；工作頻段向Ka和激光頻段發展；測控鏈路形態由點對點向多網綜合和天空地一體網絡化發展；測控設備的綜合化、數字化和軟件定義化程度不斷提高，操作便捷性和可重構能力越來越強。測控系統按照應用范圍可以分為航天測控網、無人機測控系統和數據鏈系統等[3]。

1.1航天測控網

航天測控網是完成運載火箭和航天器跟蹤測軌、遙測、遙控、通信和導航定位授時的綜合電子信息網絡，主要分為近地網、天基網和深空網3類。根據國內外的發展情況，多個獨立的測控網逐步走向綜合化的通信與導航網絡。2008年，美國國家航空航天局確立了SCaN計劃，包括集成前階段（2010—2015年）、集成階段（2015—2020年）和集成后階段（2020—2025年），通過3個階段的發展，將近地網、天基網和深空網整合成一個統一的綜合網絡，使用國際標準協議和用戶接口，利用所有資源為太陽系載人探測和科學任務提供通信與導航業務，包括跟蹤測量、遙測遙控、指揮控制、數據傳輸和導航定位授時等業務[4]。

目前，我國在近地測控網建設方面，測控通信體制發展到擴頻測控體制，工作頻段增加了Ka頻段，實現了多頻段測控天線共用和基帶測控與數傳一體化等。在天基測控網建設方面，“天鏈一號”中繼衛星系統實現了三星組網運行；在深空測控網建設方面，建成了66 m S/X雙頻段和35 m S/X/Ka三頻段深空測控通信系統，以及深空干涉測量系統，對火星遠地點以內的深空目標覆蓋率達到90%以上。未來，我國還將建成天空地一體化測控通信網絡，提供跟蹤測量、遙測遙控、指揮控制、數據傳輸和導航定位授時等多種業務[5]。

1.2無人機測控系統

20世紀60年代，無人機作為單平臺在實戰中開始應用，地面人員通過空地視距通信鏈路實現無人機的控制。隨著無人機作戰方式的改變和作戰范圍的擴大，無人機開始裝備寬帶超視距數據鏈和衛星通信設備，滿足全球范圍內無人機跟蹤測量、遙測遙控、指揮控制和數據傳輸需求。

美軍現階段對以無人機為代表的無人裝備實施測控的主要方式是利用視距和衛星手段，小型戰術無人機一般不裝備衛通鏈路，更多的是采用視距數據鏈；中高空、長航時無人機通常都會配備視距、超視距多條通信鏈路來滿足跟蹤測量、遙測遙控、指揮控制、起降控制和數據傳輸需求。通常大中型無人機會搭載Link-16數據鏈、MP-CDL數據鏈及機間數據鏈等多種數據鏈實現有人/無人協同作戰[6-7]。

國內現役無人裝備測控同樣采用視距與衛星通信2種手段，均具備寬帶和窄帶2種類型的測控鏈路，其組織運用方式與美軍基本相同。在無人平臺位置測量與導航方面，國內無人機同樣以GPS、北斗、GLONASS等衛星導航手段為主，同時，視距測控鏈路提供地空、空空測距與測向功能，可實現無衛星導航信號下無人平臺的定位與導航。

1.3數據鏈系統

數據鏈系統是飛機平臺與地面站之間進行指揮控制、跟蹤、遙測、遙控、通信和導航定位授時等業務的無線通信系統。為提高通信可靠性、實時性和連續性，中大型無人/有人飛機一般都包括視距數據鏈和超視距數據鏈。數據鏈包括測控數據鏈和偵察數據鏈，測控數據鏈的典型代表是美國及北約的Link-4、Link-11、Link-16、Link-22數據鏈。偵察數據鏈是信息傳輸和指揮控制一體化的寬帶數據鏈，用于無人機和地面控制中心的信息交互和實時指揮控制，最典型的偵察數據鏈是美軍的戰術通用數據鏈（TCDL）[8]。

2測控技術面臨的挑戰與對策

未來戰爭將是陸海空天網電域的多域、跨域和全域作戰任務，以及高動態、強對抗、大規模有人/無人集群協同的網絡化、智能化和一體化的多軍種聯合作戰。戰場的復雜對抗環境對測控系統和測控技術提出了挑戰。

2.1大規模節點的信息綜合傳輸和物理測量

測控系統作為信息傳導介質和時空參數測量的基礎設施，需要支持大規模目標節點高容量、大帶寬、低延時和高安全性的寬帶數據傳輸業務；支持大規模目標節點同時、全域、全天候和連續實時的高精度測量業務；支持大規模目標節點的導航定位授時服務，支持大規模節點的指揮控制、任務規劃和決策調度業務。現有的天地基測控系統受制于技術局限，以及設施和領域限制，業務容量嚴重受限，戰場生存率也不容樂觀，無法為大規模節點提供安全可靠的信息綜合傳輸和物理測量服務。

物聯網和5G技術的發展，為研究面向超大規模分布式可重構有人/無人集群系統的寬帶一體化測控網提供了技術基礎[9]。針對多軍兵種跨域聯合作戰的任務時敏性、不確定性、強對抗性及平臺低生存率等復雜惡劣環境，面向陸海空天各類有人/無人節點，基于全球低軌寬帶互聯網星座和5G技術，構建天空地一體化綜合業務測控網絡，實現寬帶數據傳輸、高精度測量、導航定位授時、指揮控制、任務規劃和決策調度業務的一網融合，具備強魯棒性的綜合業務支持能力、強對抗環境的安全防護能力、結構可重構能力和任務動態適應能力。

2.2天空地一體化測控網絡架構和協議體系

為了實現多域、跨域和全域測控通信，測控網需要融合多種各具特點的異構測控子網，實現天空地一體化測控。天空地一體化網絡具有節點距離遠、拓撲高度動態、組成高度異構、接入隨機觸發、鏈路傳輸時延較大、鏈路連接不連續及上下行鏈路非對稱等特點，對整個網絡的魯棒性、兼容性和可拓展性等提出了挑戰。因為融合了多種各具特點的異構測控子網，各子網對網絡協議體系的具體需求也不盡相同。現有的TCP/IP、CCSDS及DTN等并不能完全適應于天空地一體化網絡環境，亟需設計新的網絡協議體系，在兼容各子網特定需求的同時，實現一體化網絡功能[10]。

軟件定義網絡和網絡功能虛擬化技術已經在5G網絡建設中得到應用。基于SDN和NFV可實現網絡邏輯功能切片，將物理資源虛擬化成虛擬網絡，每個切片在邏輯上相互隔離，可以運行不同的協議，適配各切片網絡的服務需求，可解決高效利用網絡資源與業務低時延保障之間的矛盾。因此，天空地一體化測控網絡協議體系可以借鑒現有網絡協議體系的成果，實現靈活高效、智能化和一體化組網。

2.3天空地一體化測控網絡路由技術

天空地一體化網路拓撲變化頻繁，導致拓撲維護負荷過重，網絡資源利用率較低。特別是在強對抗的戰場環境中，受限于物理環境和網絡層面的強干擾特性，路由抗毀性難以保障。由于異構網絡間缺乏融合協議，多域、跨域或者全域端到端路由難以構建，這些問題均對路由的建立、維護和選擇產生了重要影響。

為了高效、可靠地實現信息分組的路由和轉發，需要開展天空地一體化網絡路由技術的研究。具體包括：天空地一體化網絡拓撲機制、抗毀路由算法及異網融合等。同時，分層路由架構和域間路由隔離機制對天空地一體化網絡至關重要。各異構網絡針對各自網絡的獨特性設計專用的路由算法，且無需考慮其他網絡，實現自我獨立管理；而域間則通過兼容性較強的域間路由協議實現安全可靠的互聯。

2.4天空地一體化網絡頻譜架構

天空地一體化網絡測控的工作頻段涵蓋了S、X、Ku、Ka以及未來的激光頻段，為了滿足多域、跨域和全域測控場景的需求，需要統籌考慮涵蓋低、中、高頻段在內的全頻段。

為了實現全頻段頻率資源的高效管理，研究基于認知無線電技術的頻譜智能感知、頻譜智能分析、自適應頻譜資源分配、動態信道分配和自適應功率控制技術，實現動態頻譜分配和頻譜共享，提高頻譜效率和頻譜劃分的靈活性。

2.5天空地一體化網絡安全架構

由于天空地一體化網絡固有的、開放的網絡通信信道和異構的網絡結構，拓撲結構頻繁變化，安全邊際難以確定，容易受到不同方面和不同層次的干擾和攻擊，如太陽黑子爆發、宇宙射線等自然因素對終端設備形成的物理影響和破壞，電離層反射和空間電磁輻射等因素導致信號畸變及數據傳輸中斷等。尤其是在強對抗的復雜戰場環境下，測控系統面臨電磁域的窄帶干擾、壓制式干擾和欺騙干擾等，無線信道被惡意入侵、竊取和篡改，網絡空間的博弈對抗等挑戰。

為了保障強對抗、復雜電磁環境下的天空地一體化測控網絡的信息安全可靠傳輸，需要開展組網電磁空間波形安全與防護、網絡空間信息安全與防護的策略研究與設計，解決射頻隱身、自適應抗干擾、物理層安全、加密與認證及入侵檢測問題，實現整網匿蹤、抗截獲、抗干擾、抗入侵和抗盜用。

未來陸海空天大規模有人/無人節點的綜合信息傳輸、物理測量需求和強對抗、復雜電磁環境下的戰場環境，對天空地一體化測控網絡提出了挑戰，進而引導和推動測控理論和單項技術發展。包括研究信息綜合傳輸和物理測量多業務一體化融合技術；研究Ka頻段測控技術和激光測控技術，提高測控系統工作頻段，以支持寬帶數據傳輸和高精度測量；研究新型高速數據傳輸調制/解調方案；研究高精度測距測速測量技術、全球衛星導航高精度定位技術和無線電定位技術，超高精度和穩定度時鐘技術、精密時間/頻率同步技術；研究高精度相對測量技術；研究有人/無人節點智能化，自主化測控，授時和信息交互技術；研究相控陣測控技術和寬帶天線組陣技術；研究新型網絡傳輸與接入技術、組網協議和路由技術；研究寬帶擴/跳頻、混沌擴頻、電磁空間波形安全與防護等安全防護技術；研究測控系統設備綜合化、數字化和軟件定義無線電技術等。

3測控技術的展望

未來戰爭將是陸海空天網電域的多域、跨域和全域作戰任務，以及高動態、強對抗、大規模有人/無人集群協同的網絡化，智能化和一體化的多軍種聯合作戰體系。作為綜合信息傳輸和物理測量的重要基礎設施，測控系統的研究和建設可以吸納借鑒大數據、物聯網、人工智能、云計算和區塊鏈等新一代信息技術的成果，發展成為網絡化、智能化、弱中心化、云架構、隨遇接入、跨域覆蓋、安全可靠、測運控一體和多業務融合的全域一體化綜合信息網絡，為未來戰場廣域態勢感知與認知、信息傳輸與指揮控制、多層次全方位立體精確打擊提供重要支撐和保障。

4結束語

測控系統作為陸海空天各類有人/無人系統綜合信息傳輸和物理測量的重要信息基礎設施，在現代戰爭中的角色是整個戰場體系的中樞神經系統，起到決定戰爭勝敗的關鍵作用。立足于有人/無人系統集群的網絡化、智能化和一體化測控需求，結合測控系統的演變歷程，發展能夠適應未來測控需求的測控系統，是未來軍事技術發展的重要研究內容。

參考文獻

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