對(duì)NASA天基SDR技術(shù)的分析

李海潮， 崔 亭， 劉 涌

(1西安衛(wèi)星測(cè)控中心西安710043 2北京跟蹤與通信技術(shù)研究所北京100094)

引 言

眾所周知，軟件無線電的基本思想是將數(shù)字化處理(寬帶A/D和D/A變換)盡可能地靠近射頻天線，建立一個(gè)滿足“A/D—DSP—D/A”模型的開放的、可擴(kuò)展的、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)的通用硬件平臺(tái)，在這個(gè)硬件平臺(tái)上把盡可能多的無線通信功能，如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等，用可升級(jí)的、可替換的軟件來實(shí)現(xiàn)［1］。迄今為止，受硬件工藝水平的限制，純粹的軟件無線電概念并沒有在實(shí)際產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用，但是基于軟件無線電概念的軟件定義無線電SDR(Software Defined Radio)技術(shù)卻越來越受到人們的重視。

SDR技術(shù)并不是一個(gè)具體的無線通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，而是實(shí)現(xiàn)軟件無線電概念的一個(gè)架構(gòu)體系。采用SDR技術(shù)的無線通信系統(tǒng)，具備可重構(gòu)和可編程的能力，可適用多種標(biāo)準(zhǔn)、多個(gè)頻帶，實(shí)現(xiàn)多種功能。

目前，SDR具有多種體系標(biāo)準(zhǔn)，如GNURadio、VanuRadio、OMG-SBC、JTRS-SCA、STRS等。其中， JTRSSCA是美國(guó)國(guó)防部(DOD)制定的地基SDR體系標(biāo)準(zhǔn)，而STRS則是NASA發(fā)布的第一個(gè)天基SDR體系標(biāo)準(zhǔn)。

NASA借鑒JTRS-SCA和工業(yè)界的成功經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了近十多年來美國(guó)在天基SDR技術(shù)研究、演示驗(yàn)證等方面的成果，于2006年發(fā)布了天基無線通信系統(tǒng)的SDR體系標(biāo)準(zhǔn)STRS(Space Telecommunications Radio System)。至今，STRS標(biāo)準(zhǔn)已進(jìn)行過兩次更新。2012年NASA將采用STRS標(biāo)準(zhǔn)的SCaN測(cè)試平臺(tái)放置到國(guó)際空間站(ISS)上，并邀請(qǐng)眾多高校和研究機(jī)構(gòu)利用該測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行天基SDR關(guān)鍵技術(shù)的研究、測(cè)試和驗(yàn)證。本文對(duì)NASA的天基SDR技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行分析、探討。

1 NASA天基SDR技術(shù)研究現(xiàn)狀

NASA對(duì)天基SDR技術(shù)的研究，可以追溯到2000年JPL研發(fā)Blackjack可編程GPS接收機(jī)。下面給出NASA天基SDR技術(shù)研究的主要發(fā)展歷程［2，3］。2000年，JPL研制Blackjack可編程GPS接收機(jī)，首次使用天基SDR技術(shù);2003年，NASA發(fā)射低功耗收發(fā)航天器DTO，演示早期天基SDR技術(shù);2005年，NASA成立天基SDR技術(shù)研究組;2006年，NASA發(fā)布世界上第一個(gè)天基SDR技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)STRSver 1.0，2007年和2010年又先后發(fā)布STRS ver 1.01和STRS ver 1.02;2012年，NASA發(fā)射采用STRS標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)的SCaN測(cè)試平臺(tái)到國(guó)際空間站，進(jìn)行天基SDR技術(shù)研究和演示驗(yàn)證試驗(yàn)。

目前，采用天基SDR技術(shù)的美國(guó)天基無線通信系統(tǒng)主要有三類:①GPS-Blackjack接收機(jī)，搭載的航天器包括SRTM、Champ、JASON、GRACE;②ITT的 LPT系統(tǒng)，搭載的航天器包括 STS-107、Global Flyer、F-16 AFSS、AFRL TacSat-2;③JPL的UHF-Electra系統(tǒng)，搭載的航天器主要是MRO(火星偵察軌道器)和MSL(火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室)。

2 STRS結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)

為了在NASA的航天任務(wù)中推廣天基SDR技術(shù)，由NASA空間通信導(dǎo)航辦公室(簡(jiǎn)稱SCaN)資助，于2005年成立了天基SDR研究組，成員是來自JPL、APL GRC、GSFC、JSC等相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的工程師。2006年，NASA發(fā)布了世界上第一個(gè)開放的天基SDR標(biāo)準(zhǔn)STRS ver1.0。目前，STRS標(biāo)準(zhǔn)的最新版本是ver 1.02［4，5］。

STRS標(biāo)準(zhǔn)并不是具體的天基無線通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，而是一個(gè)抽象的模型協(xié)議。它把天基無線通信系統(tǒng)抽象化后，按其所需提供的能力和特性劃分層次，包括底層硬件、上層操作系統(tǒng)、操作環(huán)境和頂層的信號(hào)處理應(yīng)用等多個(gè)層次。它描述了軟件執(zhí)行過程中各個(gè)軟件單元間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，以及操作環(huán)境和信號(hào)處理模塊之間的API接口。

制定STRS標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)是為各類航天器提供通用的天基SDR技術(shù)架構(gòu)，在緊密結(jié)合現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)天基無線通信系統(tǒng)功能和接口的標(biāo)準(zhǔn)化。通過抽象出天基無線通信系統(tǒng)的發(fā)射、接收信號(hào)形式，實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理應(yīng)用模塊軟、硬件組件的可重用。重用符合天基SDR技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的軟、硬件組件，可使天基無線通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)不依賴于具體任務(wù)，從而降低任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)和對(duì)單個(gè)軟件/硬件廠商的依賴。

NASA使用基于STRS標(biāo)準(zhǔn)的通用天基無線通信系統(tǒng)平臺(tái)，可為各類航天任務(wù)提供多樣化信號(hào)處理功能，可根據(jù)不同任務(wù)階段、任務(wù)需求重構(gòu)天基無線通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)特定要求的通信、導(dǎo)航等功能。

2.1 硬件架構(gòu)

圖1是STRS標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的硬件架構(gòu)。硬件架構(gòu)主要包括通用多功能處理模塊(GPM)、信號(hào)處理模塊(SPM)和射頻處理模塊(RFM)三個(gè)部分。

GPM完成天基無線通信系統(tǒng)中軟件模塊的運(yùn)行、管理，由通用多功能處理器、系統(tǒng)總線、存儲(chǔ)器、TT&C接口、地面支持遙測(cè)和測(cè)試接口、操作環(huán)境、系統(tǒng)控制和無線配置軟件等構(gòu)成。

RFM對(duì)天基無線通信系統(tǒng)接收、發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行射頻處理，包括濾波、放大、數(shù)字化等。RFM組件主要包括濾波器、RF開關(guān)、功分器、LNAs、功放、A/D、D/A等。

SPM對(duì)來自于RFM的格式化數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、變換、數(shù)字信號(hào)處理等。SPM組件包括ASICs、FPGAs、DSPs、存儲(chǔ)器、連接光纖或總線。此外，按照STRS標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，硬件架構(gòu)還包括安全模塊(SEC)、網(wǎng)絡(luò)模塊(NM)和光纖模塊(OM)等。STRS標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議對(duì)各種底層硬件模塊的類型及內(nèi)部要求進(jìn)行了詳細(xì)說明和規(guī)定，這里不再展開討論。

圖1 STRS硬件架構(gòu)Fig.1 STRS hardware architecture

2.2 軟件架構(gòu)

STRS軟件架構(gòu)規(guī)定了天基無線通信系統(tǒng)中不同軟件模塊間的相互關(guān)系，軟件模塊與系統(tǒng)操作環(huán)境、硬件平臺(tái)之間的接口關(guān)系，以及操作環(huán)境與硬件平臺(tái)之間的接口關(guān)系。STRS軟件架構(gòu)的運(yùn)行環(huán)境如圖2所示。

圖2 STRS軟件架構(gòu)的運(yùn)行環(huán)境Fig.2 Operating environment of STRS software architecture

運(yùn)行環(huán)境的頂層是信號(hào)處理應(yīng)用和高級(jí)服務(wù)，接下來是可移植操作系統(tǒng)(POSIX)的API接口子集和STRS的API接口，然后是操作系統(tǒng)(OS)和STRS基礎(chǔ)架構(gòu)，最后是硬件抽象層HAL的API接口和BSP、Drivers、GPM、Specialized HW等物理硬件驅(qū)動(dòng)。

軟件架構(gòu)也采用分層形式，以不同的軟件組件實(shí)現(xiàn)，具體的軟件組件名稱和功能如表1所示。

表1 STRS軟件組件描述Table 1 STRS software components descriptions

2.3 STRS與SCA的區(qū)別

雖然STRS和SCA都隸屬于SDR技術(shù)范疇，但是應(yīng)用環(huán)境的不同決定了二者不盡相同。為更好地理解STRS，本節(jié)簡(jiǎn)要分析兩者的區(qū)別。

首先從軟件和硬件的隔離方式來區(qū)分SCA和STRS，如圖3所示。

SCA采用通用對(duì)象請(qǐng)求中介架構(gòu)(簡(jiǎn)稱CORBA)和核心框架作為中間件，將無線通信系統(tǒng)平臺(tái)的上層軟件與底層硬件隔離。STRS則采用STRS API、基礎(chǔ)架構(gòu)和硬件抽象層(HAL)API作為中間件，STRSAPI可實(shí)現(xiàn)對(duì)無線通信系統(tǒng)平臺(tái)發(fā)射、接收信號(hào)的抽象化，HAL API可實(shí)現(xiàn)底層硬件接口的抽象化，從而在隔離軟、硬件的同時(shí)，保證軟、硬件組件的相互獨(dú)立性和可重用性。

圖3 SCA/STRS軟件和硬件隔離方式Fig.3 The separation types of software and hardware for SCA and STRS

就應(yīng)用環(huán)境和信號(hào)特點(diǎn)而言，基于STRS標(biāo)準(zhǔn)的天基無線通信系統(tǒng)與基于SCA標(biāo)準(zhǔn)的地基無線通信系統(tǒng)之間存在如下不同點(diǎn):

①天基無線通信系統(tǒng)適用于地外空間，必須考慮太空輻射環(huán)境下的信號(hào)處理和存儲(chǔ)要求。其系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜度、工作能力和設(shè)備冗余度都受到限制，工作能力較地基無線通信系統(tǒng)差，與地面其它通信系統(tǒng)相比，性能更差，一般滯后1～2代;

②天基無線通信系統(tǒng)受航天器尺寸、重量、功耗等限制，結(jié)構(gòu)開銷必須折中考慮;

③相比地基無線通信系統(tǒng)，天基無線通信系統(tǒng)的可靠性要求更高，如載人航天任務(wù)具有高級(jí)別的可靠性要求，對(duì)于關(guān)鍵安全應(yīng)用，必須進(jìn)行防止單點(diǎn)失效設(shè)計(jì);

④天基無線通信系統(tǒng)的傳輸速率要求一般在每秒千比特量級(jí)，有的甚至要求達(dá)到每秒吉比特量級(jí)，而地基無線通信系統(tǒng)的傳輸速率通常只能達(dá)到每秒數(shù)十兆比特;

⑤天基無線通信系統(tǒng)的信號(hào)頻率可高達(dá)Ka頻段，而地基無線通信系統(tǒng)的信號(hào)頻率只能達(dá)到S頻段;

⑥天基無線通信系統(tǒng)必須具備遠(yuǎn)程、無線加載數(shù)據(jù)的能力。

3 SCaN測(cè)試平臺(tái)

為了進(jìn)行天基SDR技術(shù)研究及STRS標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用測(cè)試和演示驗(yàn)證，NASA于2008年啟動(dòng)了通信、導(dǎo)航和組網(wǎng)可重構(gòu)測(cè)試平臺(tái)計(jì)劃，即CoNNeCT project，供NASA各部門及業(yè)界其它機(jī)構(gòu)、高校等進(jìn)行研究。該計(jì)劃后來更名為SCaN計(jì)劃。

SCaN計(jì)劃的技術(shù)研究領(lǐng)域包括:①演示應(yīng)用天基SDR技術(shù)后天基無線通信系統(tǒng)的可重構(gòu)性，即天基無線通信系統(tǒng)中多功能處理器、FPGA、DSP資源的可編程性、可重配性;②天基無線通信系統(tǒng)的頻譜效率;③天基無線通信系統(tǒng)的組網(wǎng)技術(shù);④定位、導(dǎo)航、授時(shí);⑤高數(shù)據(jù)率通信;⑥天線組陣技術(shù);⑦認(rèn)知應(yīng)用;⑧多址通信;⑨RF感知應(yīng)用等。

SCaN計(jì)劃的測(cè)試平臺(tái)如圖4所示［5］。該測(cè)試平臺(tái)是一個(gè)由基于SDR技術(shù)的可編程、可重配置的發(fā)射、接收模塊和相應(yīng)的射頻天線組成的天基無線通信系統(tǒng)，它工作在S、Ka、L頻段。NASA已于2013年完成了該測(cè)試平臺(tái)的發(fā)射和在軌運(yùn)行試驗(yàn)，并與Ka頻段TDRSS衛(wèi)星進(jìn)行了高速率通信測(cè)試。2013年4月該測(cè)試平臺(tái)完成了在美國(guó)白沙地區(qū)進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)支持測(cè)試。同時(shí)SCaN團(tuán)隊(duì)還升級(jí)Glenn/Goddard/TDRSS(GGT)波形，使得GGT信號(hào)性能提升了6dB。

圖4 SCaN測(cè)試平臺(tái)構(gòu)成Fig.4 Major components of SCaN testbed

另外，SCaN測(cè)試平臺(tái)還成為了TDRS-K中繼衛(wèi)星的第一個(gè)Ka頻段在軌用戶。2013年5月SCaN團(tuán)隊(duì)更新了載荷電子軟件(PAS)，完成了JPL設(shè)備進(jìn)行GPS試驗(yàn)所必需的軟件支持，并用軟件將JPL的SDR設(shè)備定義為GPS接收機(jī)，成功地在L1、L2、L5三個(gè)頻點(diǎn)的載波上實(shí)現(xiàn)了定位。

搭載在SCaN測(cè)試平臺(tái)上的無線通信系統(tǒng)設(shè)備主要是由JPL、GD、Harris三家廠商提供的。各家的無線通信系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)和器件使用上雖有所不同，但均支持STRS標(biāo)準(zhǔn)。它們的基本配置情況如下:

①JPL Electra無線通信系統(tǒng)，具有S頻段通信和GPS接收能力。它可接收、發(fā)射S頻段TDRSS中繼信號(hào)，其數(shù)據(jù)傳輸速率為192kb/s、24kb/s;可接收、解調(diào)TDRSS前向鏈路信號(hào)，其數(shù)據(jù)傳輸速率為72kb/s、18kb/s。 它還具備 GPS L1、L2c、L5 頻點(diǎn)載波接收能力和組網(wǎng)能力。

②GD星光無線通信系統(tǒng)，供第四代TDRSS用戶使用。它工作在S頻段，可接收、發(fā)射S頻段TDRSS中繼信號(hào)，其數(shù)據(jù)傳輸速率為192kb/s、24kb/s;可接收、解調(diào)TDRSS前向鏈路信號(hào)，其數(shù)據(jù)傳輸速率為72kb/s、18kb/s。它也具備一定的組網(wǎng)能力。

③Harris Ka頻段無線通信系統(tǒng)，工作在Ka頻段，可生成長(zhǎng)度為223-1的偽隨機(jī)碼，其信號(hào)形式符合CCSDS 732.0-B-2協(xié)議。在SQPSK調(diào)制體制下，數(shù)據(jù)傳輸速率在300kb/s至100Mb/s之間可變;在BPSK調(diào)制體制下，數(shù)據(jù)傳輸速率在300kb/s至25Mb/s之間可變。

4 未來發(fā)展

有文獻(xiàn)研究表明，未來版本的STRS標(biāo)準(zhǔn)將加入導(dǎo)航、測(cè)距、安全等方面的內(nèi)容，使遙操作、自主操作、認(rèn)知無線電以及深空應(yīng)用等成為可能。格林研究中心(GRC)的研究人員已經(jīng)撰文探討在STRS中插入認(rèn)知無線電(CR)的可行性。

正在積極開展的基于SCaN測(cè)試平臺(tái)的應(yīng)用研究、測(cè)試、演示、驗(yàn)證活動(dòng)，推動(dòng)了NASA天基SDR技術(shù)和基礎(chǔ)架構(gòu)平臺(tái)(設(shè)計(jì)開發(fā)軟硬件、測(cè)試儀器)的大發(fā)展。

在具體應(yīng)用方面，目前NASA有如下兩個(gè)方面的計(jì)劃:

①2016年發(fā)射載有Ka頻段通用航天應(yīng)答機(jī)的航天器至火星;

②2018年發(fā)射載有X/UHF頻段通用航天應(yīng)答機(jī)的航天器至火星。

5 結(jié)束語(yǔ)與建議

本文介紹NASA天基SDR技術(shù)研究概況，討論2008年發(fā)布的STRS ver1.02版的軟、硬件分層結(jié)構(gòu)，及其在2013年發(fā)射升空的SCaN測(cè)試平臺(tái)上的應(yīng)用情況，分析未來STRS標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展方向。

本文根據(jù)NASA開展天基SDR技術(shù)研究的發(fā)展歷程，提出我國(guó)開展天基SDR技術(shù)研究的三點(diǎn)建議:

①組織我國(guó)各航天技術(shù)研發(fā)、生產(chǎn)單位，制訂和發(fā)布開放的、可拓展的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的天基SDR技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的軟、硬件體系架構(gòu)［7，8］，前瞻性地規(guī)定天、地基航天測(cè)控設(shè)備通信協(xié)議、信號(hào)體制、信號(hào)處理方法和各類相關(guān)接口協(xié)議，使其兼具技術(shù)發(fā)展和設(shè)備升級(jí)改造的冗余度，解決航天器研發(fā)、生產(chǎn)過程中，各單位標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的混亂局面，提高生產(chǎn)效率，降低航天任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)，滿足我國(guó)航天事業(yè)快速發(fā)展、穩(wěn)步推進(jìn)的現(xiàn)實(shí)需要。

②大力研發(fā)天基無線通信系統(tǒng)的模組化技術(shù)，在安全、自主可控前提下，實(shí)現(xiàn)硬件模組、軟件模塊、系統(tǒng)操作環(huán)境以及這三者之間接口的標(biāo)準(zhǔn)化，使天基無線通信系統(tǒng)具備可遠(yuǎn)程操控、可重構(gòu)和易于組網(wǎng)的能力。

③發(fā)射在軌測(cè)試平臺(tái)，深入開展天基SDR技術(shù)應(yīng)用的測(cè)試、驗(yàn)證工作，摸索天基SDR技術(shù)未來的發(fā)展和應(yīng)用方向。

［1］楊小牛，樓才義，徐建良.軟件無線電原理與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2001:5～7.

［2］Forum SDR.Comments on NASA Space Telecommunications Radio System(STRS)Open Architecture Specification， SDRF-07-W-0013-V1.0.0［C］.SDR Forum.2007.

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

［4］Todd Quinn， Thomas Kacpura.Strategic Adaptation of SCA for STRS:SDR Forum Technical Conference［C］//Orlando，F(xiàn)lorida，Nov.13-17，2006， NASA，2007.

［5］Johnson SK，Reinhart R C，Kacpura T J.CoNNeCT's Approach for the Development of Three Software Defined Radios for Space Application［C］//2012 IEEE Aerospace Conference，Big Sky，MT，United States，2012.

［6］胡行毅.NASA STRS開放架構(gòu)軟件層次［J］.衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)，2008，78(11):78～80.

［7］陳大海，張 健，向敬成.軟件無線電體系結(jié)構(gòu)研究［J］.信息與電子工程，2003，1(4):318～322.Chen Dahai， Zhang Jian， Xiang Jingcheng.Research on the Architecture of the Software Radio［J］.Information and Electronic Engineering，2003，1(4):318 ～322.

［8］范建華，王曉波，李云洲.基于軟件通信體系結(jié)構(gòu)的軟件定義無線電系統(tǒng)［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，51(8):1031～1037.Fan Jianhua， Wang Xiaobo， Li Yunzhou.SDR System Based on the Software Communication Architecture［J］.Journal of Tsinghua University(Science and Technology)，2011，51(8):1031 ～1037.