我國未來測控設(shè)備資源重組系統(tǒng)建設(shè)構(gòu)想*

(北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094)

1 引 言

隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，日益增多的航天發(fā)射任務和大量在軌運行的偵察、測繪、氣象、通信、導航和遙感衛(wèi)星對航天測控系統(tǒng)提出了越來越高的要求，有限的航天測控資源與日益增加的航天測控需求的矛盾逐漸突出。

為解決測控設(shè)備資源緊張的問題，我國通常采用在測控站增加測控設(shè)備的方法解決多星、多任務的測控問題，但這種解決方法會帶來成本增加和資源浪費等問題。

測控資源重組技術(shù)是節(jié)約測控成本、高效利用測控資源、圓滿完成測控任務的重要技術(shù)途徑之一。我國在衛(wèi)星測控任務越來越繁重的背景下，如何充分采用該技術(shù)，在利用有限成本的前提下，更好地完成日益繁重的航天測控任務，是必須認真研究的問題。

本文在介紹了測控資源重組的概念、優(yōu)勢之后，構(gòu)想了我國未來測控設(shè)備資源重組系統(tǒng)的建設(shè)藍圖，為我國未來測控設(shè)備資源重組系統(tǒng)建設(shè)提供一定參考。

2 測控設(shè)備資源重組的概念及優(yōu)勢

2.1 測控設(shè)備資源重組概念

測控資源重組是綜合測控站為滿足多星、多任務測控需求而提出的通過動態(tài)調(diào)整或配置站內(nèi)資源以實現(xiàn)站內(nèi)測控資源效益最大化的一種測控站建設(shè)思路。測控設(shè)備資源重組分為軟件重組和硬件重組[1]。

軟件重組指基帶設(shè)備的軟件重組，即在同一硬件平臺上通過動態(tài)加載不同軟件實現(xiàn)不同功能[2]。

硬件重組是多套天線、多套信道、多套多功能數(shù)字基帶在統(tǒng)一的監(jiān)控管理之下，利用射頻或中頻開關(guān)矩陣進行組合配置使用的功能。重組后的測控設(shè)備由原來不同測控設(shè)備相應分系統(tǒng)互聯(lián)重組形成功能完整的測控設(shè)備，具備獨立完成測控任務的能力，以滿足多類航天器測控的需要。同時，隨著將來航天任務的增加，該硬件重組系統(tǒng)具備可擴充新設(shè)備的能力。

2.2 測控設(shè)備資源重組的優(yōu)勢

測控設(shè)備資源重組具備以下優(yōu)勢：

(1)軟件重組實現(xiàn)了同一硬件平臺上不同測量體制的靈活重構(gòu)；

(2)單套設(shè)備可取消熱備份設(shè)計，在多套設(shè)備中形成了n∶1備份模式，最大程度地提高了設(shè)備的利用率；

(3)站內(nèi)多套測控設(shè)備重組，滿足多星測控的同時，最大程度上減少了設(shè)備套量；

(4)實現(xiàn)了減員增效。

3 我國測控設(shè)備現(xiàn)狀

隨著軟件無線電(Software Defined Radio,SDR)技術(shù)在我國的普及，目前基帶設(shè)備的軟件重組已經(jīng)取得了迅速的發(fā)展，達到了國際先進水平；硬件重組也已經(jīng)在多套型號設(shè)備上進行了成功的工程應用，但由于還存在一些因素的影響，硬件資源重組普及性還不是很高。

1998年開始，我國測控界就開始關(guān)注軟件無線電技術(shù)，并開展了預先研究。2000年開始工程樣機的研制，并于2003年成功研制出了我國測控領(lǐng)域的首臺數(shù)字基帶設(shè)備。該基帶設(shè)備將遙控、遙測、測距、同控、模遙功能集成于一臺工控機內(nèi)，對外采用70MHz標準接口。隨著我國軟件無線電技術(shù)的迅速發(fā)展，目前完成了將遙控、遙測、測距、測速、數(shù)傳、跟蹤等功能全部集成于一臺基帶平臺的技術(shù)攻關(guān)，并可通過現(xiàn)場或遠程軟件加載實現(xiàn)多種測量體制。軟件重組技術(shù)在多個工程的測控設(shè)備上得到了廣泛的推廣和成功應用，我國在基帶技術(shù)方面已經(jīng)達到了國外先進水平。

在測控設(shè)備硬件重組方面，我國某些測控設(shè)備已經(jīng)在總體設(shè)計初期考慮了這項技術(shù)，并實現(xiàn)了測控資源硬件重組，但硬件資源重組普及性還不是很高。我國測控設(shè)備硬件資源重組普及性不是很高的原因是：我國大部分測控設(shè)備是以工程為牽引，針對特定任務需求，在不同時期，由不同研制廠所分批建設(shè)的，測控設(shè)備都是分批按套獨立建設(shè)，沒有進行測控設(shè)備資源的重組設(shè)計。

我國測控設(shè)備建設(shè)的這種模式致使我國測控設(shè)備存在如下的一些問題：多套設(shè)備間可以互相利用的分系統(tǒng)經(jīng)常進行重復建設(shè);每套設(shè)備在中心都有一個客戶機，不利于集中監(jiān)控的發(fā)展;熱備份設(shè)計使設(shè)備過于復雜;單套設(shè)備某分系統(tǒng)升級改造會導致整套設(shè)備一段時間無法工作。

我國測控設(shè)備建設(shè)中之所以存在以上問題，其原因主要有以下兩點：

(1)未制定完善的測控設(shè)備標準化規(guī)范體系，在推行已有統(tǒng)一研制要求時的力度不夠，容易受到各種個性要求的影響。隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，我國現(xiàn)行的測控設(shè)備標準化體系已經(jīng)不能完全適應目前的測控設(shè)備，并且，由于測控設(shè)備使用單位多，各自對測控設(shè)備的使用有自己個性的要求。這些都導致了測控設(shè)備硬件接口、軟件接口和界面的形式各異，這是影響我國目前測控設(shè)備無法重組的最大原因;

(2)伴隨著航天事業(yè)的快速發(fā)展和新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，測控系統(tǒng)必須緊跟衛(wèi)星型號部門測控需求的變化，不斷地修正地面測控系統(tǒng)的配置和技術(shù)參數(shù)。盡管測控系統(tǒng)在測控站總體設(shè)計過程中考慮了綜合利用站內(nèi)測控資源的問題，但這種亦步亦趨、緊跟型號部門逐步改造地面站的工作方式限制了真正意義上的站內(nèi)測控資源重組的實現(xiàn)。

4 我國未來測控資源重組建設(shè)方案

4.1 測控資源重組系統(tǒng)組成框架

基于我國目前基帶設(shè)備對外接口統(tǒng)一采用70 MHz中頻，因此，我國未來測控資源重組系統(tǒng)在70 MHz 處利用開關(guān)矩陣實現(xiàn)測控天線和信道與基帶部分的重組。隨著器件和軟件無線電技術(shù)的發(fā)展，中頻可向射頻擴展。

一個測控站根據(jù)任務需求，建設(shè)多套不同頻段、不同口徑的測控天線、多套基帶設(shè)備。對其中同類型天線進行重組，而對于一些特殊要求的設(shè)備單獨建設(shè)，整個站的組成示意圖見圖1。

圖1 我國未來測控資源重組系統(tǒng)組成框架示意圖Fig.1 The composition frame of China's future TT&C resource reconstruction system

測控資源重組系統(tǒng)中天線信道部分通過中頻開關(guān)矩陣與基帶連接，通過中頻開關(guān)的切換，一套天線信道可以和任意一套基帶連接，測控站監(jiān)控分系統(tǒng)與各分系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)連接。

監(jiān)控分系統(tǒng)、時頻分系統(tǒng)、測試分系統(tǒng)、標校分系統(tǒng)均為測控站共用設(shè)備，站內(nèi)所有測控資源的調(diào)度在監(jiān)控分系統(tǒng)的指揮下統(tǒng)一完成。

每套基帶可以根據(jù)不同任務加載不同可執(zhí)行軟件，任意空閑基帶設(shè)備可以擔任任務基帶設(shè)備的備份，在其中某套基帶設(shè)備出現(xiàn)故障時，任意一套空閑的基帶可以通過配置任務宏，繼續(xù)完成任務。

監(jiān)控分系統(tǒng)負責對全站設(shè)備進行集中管理，并負責自動運行流程的生成、管理、協(xié)調(diào)。

4.2 關(guān)鍵技術(shù)

我國未來若在大型測控站級實現(xiàn)大量測控設(shè)備的資源重組，還需在以下幾個方面加強技術(shù)研究。

(1)測控設(shè)備的軟硬件標準化

由于我國目前測控設(shè)備是針對特定任務，在不同時期、由不同研制單位研制，各個不同研制單位所研制的設(shè)備，甚至同一研制單位在不同研制時期所研制的設(shè)備其硬件及軟件接口存在著很大的差異。而測控設(shè)備硬件及軟件標準化是測控設(shè)備資源可重組的技術(shù)前提，否則無法通過大型中頻開關(guān)矩陣進行天線信道與基帶的任意切換，也無法通過系統(tǒng)監(jiān)控對設(shè)備各單元進行監(jiān)控。

現(xiàn)階段，我們正在針對測控設(shè)備進行硬件及軟件接口標準化工作，但由于我國測控設(shè)備長期處于各研制單位根據(jù)具體任務進行研制生產(chǎn)的階段，接口之間存在較大差異，因此，加強測控設(shè)備軟件及硬件標準化十分迫切。

(2)大型開關(guān)矩陣技術(shù)

目前，根據(jù)軟件無線電技術(shù)的發(fā)展，我國測控設(shè)備只能在中頻對測控信號進行數(shù)字化，信道通過中頻開關(guān)矩陣與基帶進行任意組合，開關(guān)矩陣的路數(shù)根據(jù)站內(nèi)設(shè)備套量決定。

對于一個測控站，大型開關(guān)矩陣是實現(xiàn)測控設(shè)備資源重組的關(guān)鍵設(shè)備。目前，國內(nèi)已成功在工程上應用了15×27的中頻開關(guān)矩陣和2×8的射頻開關(guān)矩陣，但對于更大路數(shù)的開關(guān)矩陣尚無工程應用，需要對此繼續(xù)研究。

(3)監(jiān)控分系統(tǒng)擴展技術(shù)

目前，我國測控設(shè)備在任何分系統(tǒng)進行改造升級時，都需要對監(jiān)控分系統(tǒng)進行改造。而我們建設(shè)測控資源重組系統(tǒng)的同時，不可避免地將面臨在已建成測控資源重組系統(tǒng)加入新設(shè)備的問題，若每次系統(tǒng)的升級都需要對監(jiān)控分系統(tǒng)進行改造，在時間和經(jīng)費上都是一種極大的浪費，也不符合測控資源重組的思想。如何建設(shè)可擴充的測控設(shè)備資源重組站監(jiān)控分系統(tǒng)也成為關(guān)鍵技術(shù)之一。

(4)射頻信號低損穩(wěn)相傳輸技術(shù)

采用測控資源重組技術(shù)后，射頻或中頻信號低損穩(wěn)相傳輸將成為測控資源重組面臨的一個問題。目前，中頻電纜低損穩(wěn)相傳輸問題已經(jīng)得到有效解決，但射頻電纜的傳輸損耗仍然比較大，相位穩(wěn)定性也比較差，并且損耗還隨著頻率的增大而增加。因此，射頻信號的低損穩(wěn)相傳輸將是一個需要繼續(xù)研究的問題。

5 實施方案

測控設(shè)備資源重組是低成本、高效率完成多星多任務的技術(shù)手段，未來應在我國綜合測控站進行推廣實施，初步實施方案是：

(1)對目前的綜合測控站進行分析評估，將已有測控資源進行有效整合，通過調(diào)研、設(shè)計形成已有測控設(shè)備進行資源重組的具體建設(shè)方案，并落實建設(shè)任務，建成我國的資源重組系統(tǒng)；

(2)建成后的資源重組系統(tǒng)需形成完整的設(shè)計和接入規(guī)范，作為后續(xù)測控設(shè)備研制的重要設(shè)計依據(jù)之一，以便新測控設(shè)備的順利接入；

(3)當出現(xiàn)新的測控任務需要進行測控支持時，應對建成的資源重組系統(tǒng)性能進行綜合分析評估，盡可能地考慮利用已有系統(tǒng)，僅進行必要的擴充性建設(shè)來滿足新的測控任務要求；

(4)擴充的測控設(shè)備按照接入規(guī)范進行設(shè)計，正式接入資源重組系統(tǒng)時，應先對其進行接入驗證，當確認其各項指標要求均符合接入規(guī)范后，方可正式接入資源重組系統(tǒng)。

6 結(jié)束語

目前，我國在測控設(shè)備軟件重組技術(shù)方面已經(jīng)達到了國際領(lǐng)先水平，并在測控設(shè)備工程應用上廣泛推廣了該技術(shù)。在某些測控設(shè)備的設(shè)計初期也考慮了硬件重組技術(shù)，并在工程應用上也實現(xiàn)了測控資源重組，但由于種種原因，測控設(shè)備硬件資源重組并沒有得到有效推廣。在我國航天事業(yè)飛速發(fā)展的今天，我國的大型綜合測控站也越來越多，充分利用測控設(shè)備資源重組技術(shù)，將是利用有限經(jīng)費完成日益繁重測控任務的一條有效技術(shù)途徑。本文在介紹了測控資源重組技術(shù)的優(yōu)勢和我國測控設(shè)備的發(fā)展情況后，提出了我國未來測控資源重組系統(tǒng)的建設(shè)方案和實施方案，對我國未來測控資源重組系統(tǒng)的建設(shè)具有一定指導意義。

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