數網一體化航天測控體系結構研究

史成巍 鄭思廣 華書一

西安衛星測控中心天津測控站，天津 301900

0 引言

近年來，隨著我國數字化技術的發展，航天測控領域微波設備逐漸向數字化[1]設備轉型。數字化設備體系內依靠互通網絡進行數字信號傳輸，測控裝備整體網絡化水平不斷提高。目前，對于大規模數字化網絡化航天測控裝備后續建設、運行結構方面的研究內容很少。本文從工程應用的角度出發，在對國內最新測控技術、數字網絡技術進行分析的基礎上，以提高測控站的系統可靠性、資源利用高效性及快速反應能力為目的，設計了適應網絡化需求的數網一體化測控裝備的體系結構，并對體系結構在實際應用中主要涉及的運行策略進行了分析。數網一體化結構主要指的是由統一網絡集中一體管理所有數字化裝備。

1 我國測控設備的體系結構

我國航天測控設備目前已經進入資源動態重組[2]體系階段，資源動態重組體系中將天線、信道、基帶稱之為資源，資源間通過開關矩陣相互連接，由天線、信道和基帶組成的單條鏈路具備了獨立執行測控任務的能力。傳統測控裝備一般由一個天線固定搭配兩條信道和兩套基帶，為了實現熱備份極大浪費了資源。資源動態重組后，由于所有資源間可以自由切換，10套天線就可以只配備12套信道、基帶，多余的兩套信道、基帶就可以達到為所有天線做備份的目的。同時由于所有設備需要統一調配，動態重組體系一般只配備一套集中監控、自動化測試、時頻設備等公共使用設備，這樣既節省了公共設備，也提高了設備的集中監控水平。盡管該種體系結構優點很多，但隨著技術的不斷推進，許多問題也不斷發生，部分文獻[3]已做具體研究，具體表現為：

1)裝備結構仍然龐雜，動態重組體系結構只是實現了部分資源的節約，但對于縮減整個測控系統的內部結構并沒有起到實質作用；

2)設備廠家不同，導致研制過程中需要向涉及重組的其他廠家開展聯合制造工作，增加了交流成本，復雜了制造工序；

3)裝備更新換代快，導致新的設備新的功能過多，難以加入老的動態重組體系中，只能繼續獨立開辟重組體系，沒有達到精簡設備的效果。

以上問題的發生一方面是由于測控系統模擬設備環節過多，數字化水平偏低，進而導致系統過于龐雜，備份方式單一；另一方面是由于測控體系本身研制標準并沒有達到高度統一，進而導致不同單位間設備有差異、新老設備無法兼容。根據這些情況本文提出一種精簡體系結構、提高系統穩定性的數網一體化測控體系結構，其基本思想是：

1)在無線電波進入測控系統的入口處轉換為數字信號，將原有的模擬信號處理器件精簡；

2)除部分無法數字化設備外，測控系統內其他設備全部通過網絡互聯進行信息傳輸，網絡結構增加抗毀打擊能力；

3)在自動化運行方面，增加故障診斷[4]、處理和裝備健康管理[5]機制，提高裝備故障時的自愈能力。

2 系統結構設計

目前，我國的動態重組測控設備在組成上劃分為集中監控平臺、前端系統、終端設備、開關矩陣、公共設備5個部分。數網一體化系統在技術上與傳統測控系統主要差別在于無線電信號被天線設備接收后通過射頻數字化轉換設備轉為數字信號進入整個測控網絡，將原有的模擬信號網絡轉為數字信號網絡。因此數網一體化結構本身是基于資源動態重組結構，在設備劃分上仍然保持以功能劃分的模式，但將所有設備以資源池[6]的方式進行組合。

資源池概念的提出主要是針對資源動態重組體系結構，資源指的是在整個測控系統中提供一定功能的某個設備，以基帶設備為例，基帶是提供調制解調功能的資源。資源具備能力、狀態、歸屬3個主要屬性，能力指具備什么功能，狀態指設備工作狀態完好程度，歸屬則屬于哪個資源池。資源池是多個功能相同或相近的資源組成的一個總體，根據外部需求動態選擇資源進行工作。數網一體化結構就是由天線資源池、基帶資源池、存儲資源池、公共資源池、監控資源池以及交換機、光端機等網絡互聯設備、射頻數字化轉換設備共同組成，見圖1。

圖1 數網一體化測控系統結構圖

1)天線資源池

由于射頻數字化轉換設備的出現，天線資源較傳統前端系統精簡了大量信道設備，但收發衛星信號、天線控制方面的功能是不變的。天線資源主要的能力屬性包括信號收發、工作頻段、跟蹤目標等。

2)基帶資源池

基帶資源較傳統設備區別主要是輸入輸出信號變成數字信號，設備一定程度有所簡化，主要功能仍是調制解調并將解調數據送往存儲資源池?；鶐зY源的主要的能力屬性包括調制解調、信息速率等。

3)存儲資源池

存儲資源是傳統設備中的存儲轉發設備，主要功能仍是接收基帶數據進行存儲并轉發業務中心存儲資源的。存儲資源主要的能力屬性包括硬盤空間、傳輸速率等。

4)公共資源池

為整個測控系統提供公共服務的資源劃歸到公共資源池，包括標校設備、時頻設備、自動化測試[7]、健康管理等。這些資源一般具備支持服務整個系統的功能，不需要動態調配。

5)監控資源池

為整個測控系統提供監控服務的資源劃歸到監控資源池，包括監控服務器、監控客戶端等。這些資源一般監控整個系統，不需要動態調配。

3 系統策略設計

3.1 統一網絡接口策略

網絡化結構較傳統設備的優點之一就是統一的網絡軟硬件環境。對于硬件，只要按照國家網絡設備接口標準實施即可；對于軟件，則由用戶方或采用招標方式統一制定一套軟件通信接口協議，即可避免不同廠家間軟件兼容性差的問題。此外，軟件方面也可以增加更為嚴格的使用風格、布局等相關規定，這樣就能夠確保不同廠家軟件在具有相同功能的同時具備相近的使用方法。

3.2 資源動態重組策略

較傳統資源動態重組結構相比，數網一體化結構在以下幾點有所提高：1)重組范圍更廣。在傳統資源動態重組結構中，動態重組主要針對基帶與天線之間，但在數網一體化中，所有資源都可以動態調整，包括存儲資源、公共資源和監控資源。以監控服務器為例，根據需要可以配置若干臺，但是系統根據使用狀態分配某兩臺作為主備使用，其他處于冷備狀態。2)資源能力劃分更科學。本體系中將依托健康管理設備對體系內所有資源進行狀態評級，一般劃分為良好、故障低發、故障高發、損壞4個級別，在資源調整過程中將根據任務的重要程度調配資源，進而優先保證重要任務順利執行。3)設備維護維修更為細致。傳統動態重組結構由于集中監控、時頻設備不停止工作，導致長期無法進行停機維護。在數網一體化體系中，依托健康管理設備根據設備使用時長、故障發生頻次等判斷設備是否需要維護、維修，如果需要將其列入需要維護維修范圍，確定好時間后將其調整為空閑以開展相關工作。

3.3 故障診斷與處理策略

由于數網一體化體系內設備數字化水平高，對應的軟硬件狀態監測也更為全面細致。基于這些條件建立故障診斷系統，每秒或數秒巡查全部狀態并增加故障判斷方法，并儲存這些數據作為大數據分析[8]和健康管理的數據驅動。判斷出設備故障后，依靠故障處理系統對故障設備進行處理，數字化設備一般都可以采用重啟軟件、重啟硬件的方式處理大部分故障，因此故障處理系統以這2種處理方式為主，不能解決則通知管理員進行維修。故障診斷處理方面建議使用思維成長[9]模型，能夠進一步提高系統的智能水平。

3.4 備份恢復策略

傳統測控裝備主要采用核心備件本地備份的方式，備份量較大，并且部分設備無法本地備份，不僅耗資巨大，效果也一般。數網一體化設備中交換機、服務器均可以采取商業公司采購模式，若建立快速供應通道，發生故障后5小時內即可迅速恢復狀態，大幅度減少了本地備份成本。

4 系統精簡性和可靠性分析

4.1 精簡性分析

下面計算模擬動態重組測控系統和數網一體化測控系統設備數量差別。

從表1可以看出，兩種結構大部分設備組成相同，主要不同集中在場放后到基帶前的信道設備。數網一體化結構信道設備只達到模擬動態重組結構設備量的(2+2)÷(6+4+2+2)≈28.6%，系統結構大幅度精簡。

表1 設備組成對比情況表

4.2 可靠性分析

對于航天測控任務的可靠性，文獻[10]已做一定研究，本文重點關注測控裝備自身的可靠性。下面根據設備平均無故障工作時間(MTBF)[11]計算執行任務失效率。為簡化問題，假設在數網一體化結構和傳統模擬結構中單一一個設備的MTBF相近，都約為MTBF單個設備，同時兩個結構相比主要差別在于信道設備，因此失效率主要由信道類設備決定。傳統模擬測控結構信道主要包括變頻器、光端機、電平調節、中頻矩陣，因此失效率為：

(1)

數網一體化結構信道類設備主要包括數字化轉換設備和交換機，因此失效率為：

(2)

對比式(1)及式(2)，則λ模擬系統=2λ數網一體化。在工業實際中，交換機設備MTBF一般大幅度高于模擬信道設備，根據交換機和信道設備具體質量水平略有不同。因此實際上λ模擬系統>2λ數網一體化。

從以上分析可以看出數字系統在失效率方面顯然低于模擬系統。因為數字系統結構更簡單，且交換機等成熟網絡設備的穩定性也遠高于傳統信道設備。

5 結束語

綜上所述，數字網絡一體化測控體系較傳統模擬體系有著更簡單的結構、更穩定的可靠性能、更容易應用大數據信息化處理技術、接口更容易統一等優點，隨著航天科技的不斷發展必將快速取代原有模擬系統。文中提到的關于構建數網一體化測控系統的所有硬件已達到量產水平。本文旨在設計一種架構為后續裝備成體系建設提供思路，在具體裝備建設過程中仍需要根據技術水平合理調整。