TDRSS新一代地面系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究

史西斌，李鱺瑤

(北京空間信息中繼傳輸技術(shù)研究中心，北京 100094)

TDRSS新一代地面系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究

史西斌，李鱺瑤

(北京空間信息中繼傳輸技術(shù)研究中心，北京 100094)

當(dāng)前的TDRSS地面系統(tǒng)主要是20世紀(jì)90年代中期開發(fā)的，面臨著設(shè)施設(shè)備老化、過時、異質(zhì)、操作和維護(hù)非常困難等問題，無法適應(yīng)未來發(fā)展的需要。為此，NASA啟動了TDRSS新一代地面系統(tǒng)開發(fā)項(xiàng)目，即天基網(wǎng)地面段維持(SGSS)項(xiàng)目。概括了TDRSS地面系統(tǒng)的現(xiàn)狀并指出了存在的問題，闡述了TDRSS新一代地面系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、業(yè)務(wù)能力，分析總結(jié)了TDRSS新一代地面系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的益處和特點(diǎn)，可為我國中繼衛(wèi)星地面系統(tǒng)的后續(xù)建設(shè)與發(fā)展提供參考。

跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)；地面系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)；天基網(wǎng)地面段維持項(xiàng)目

0 引言

經(jīng)過30多年的建設(shè)，NASA已經(jīng)建成了包含多個空間節(jié)點(diǎn)[1]、多顆在軌衛(wèi)星、多個地面站且具備全球覆蓋能力的跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(TDRSS)[2]。TDRSS地面系統(tǒng)作為整個網(wǎng)絡(luò)的“心臟”，主要包括地面終端站、測距轉(zhuǎn)發(fā)站和網(wǎng)絡(luò)控制中心等[3]。從地理位置上說，目前TDRSS地面系統(tǒng)共有白沙地面站(WSGT)、第二白沙地面站(STGT)和關(guān)島地面站(GRGT)3個場區(qū)[4]以及7個地面終端站[5]。由于經(jīng)過多次業(yè)務(wù)改造[6]，再加上各地面終端站建設(shè)時的技術(shù)發(fā)展水平有所差異，因此3個場區(qū)的地面終端站數(shù)量、支持業(yè)務(wù)等配置不完全相同[7]。

分析表明，TDRSS地面系統(tǒng)當(dāng)前面臨下列挑戰(zhàn)[8]：① 地面終端站采用“煙囪式”體系結(jié)構(gòu)，信號通過設(shè)備鏈到達(dá)特定TDRS。地面終端站與所能支持的TDRS之間存在較強(qiáng)的耦合性，從而限制了靈活性，并增加了每個地面終端站所需設(shè)備的數(shù)量，因?yàn)槊款wTDRS都要求有自己的一組主用和備用地面設(shè)備；② 經(jīng)過多年運(yùn)行，現(xiàn)有設(shè)備老化過時嚴(yán)重，運(yùn)行維持以及改造的成本越來越高。硬件、軟件和固件方面的限制使得服務(wù)可靠性面臨著非常大的風(fēng)險(xiǎn)。此外，地面站體系結(jié)構(gòu)本身也已過時，運(yùn)行維護(hù)屬于勞動力密集型，終端部件無法適應(yīng)未來的能力擴(kuò)展需求。為此，NASA開發(fā)了新一代TDRSS地面系統(tǒng)，結(jié)合先進(jìn)的技術(shù)對地面系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以從根本上解決上述問題，提高整個系統(tǒng)的支持能力[9]。

1 TDRSS新一代地面系統(tǒng)

極高的用戶服務(wù)可用度需求，連同為滿足未來需求和降低運(yùn)行成本而不斷演變的必要性，要求應(yīng)對現(xiàn)有的地面終端站部件進(jìn)行替換。新的部件必須是可擴(kuò)展、可升級且易于運(yùn)行維護(hù)的。正是意識到這種升級的需求，NASA確立了天基網(wǎng)地面段維持(SGSS)項(xiàng)目[10]，任務(wù)是保證TDRSS最少再服務(wù)25年[11]。

1.1 體系結(jié)構(gòu)

SGSS的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一個現(xiàn)代化的地面系統(tǒng)，能使TDRSS繼續(xù)向用戶提供高質(zhì)量的服務(wù)，滿足利益相關(guān)方的需求，并大大減少所需的操作和維護(hù)資源。SGSS的體系結(jié)構(gòu)要素如圖1所示[12]，主要包括7部分，每一部分負(fù)責(zé)執(zhí)行特定的系統(tǒng)功能。

圖1 SGSS體系結(jié)構(gòu)要素

① 星地鏈路(SGL)：提供了TDRS與SGSS之間的物理接口，傳輸用戶數(shù)據(jù)和TDRS TT&C信號。SGL包括中頻/射頻轉(zhuǎn)換電子設(shè)備、用于射頻信號收發(fā)的物理天線系統(tǒng)，也包括分布在整個地面終端中的精確定時和頻率基準(zhǔn)。

② 數(shù)字信號處理(DSP)：提供管理通信信道所需的信號處理功能，即提取用戶和TDRS返向(遙測)鏈路數(shù)據(jù)并處理用戶和TDRS前向(遙控)鏈路數(shù)據(jù)。DSP部分也包含模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換功能以及子頻帶調(diào)諧/組合(SBT/SBC)。DSP通過生成TDRS和用戶距離、多普勒測量，為跟蹤服務(wù)提供支持。

③ 用戶業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)(USG)：是遠(yuǎn)程和本地用戶的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)。功能主要包括對空間鏈路擴(kuò)展(SLE)接口、IP傳輸?shù)闹С郑瑢?800BB、跟蹤和時鐘相關(guān)電文、用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(AOS/ENCAP處理、速率緩沖)以及用戶數(shù)據(jù)記錄(返向業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的記錄和回放)的傳統(tǒng)支持。

④ 業(yè)務(wù)管理(SM)：提供用于業(yè)務(wù)管理的遠(yuǎn)程用戶業(yè)務(wù)管理接口和本地SGSS操作員接口。SM接收業(yè)務(wù)申請，并利用任務(wù)優(yōu)先級生成計(jì)劃，保持地面和空間設(shè)備的可用度信息；容許應(yīng)急或?qū)崟r申請的自動化與人工調(diào)度，并為已計(jì)劃的業(yè)務(wù)提供指令；也報(bào)告調(diào)度計(jì)劃的度量信息，包括用戶業(yè)務(wù)核算(記賬)數(shù)據(jù)。

⑤ 衛(wèi)星與地面管理(FGM)：管理控制TDRS衛(wèi)星以及管理地面終站端自身。只要可能，地面終端站管理控制就同用戶和TT&C數(shù)據(jù)隔離開。

⑥ 企業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施(EI)：提供SGSS系統(tǒng)內(nèi)所用的通用軟件和硬件部件。不同于其他部分，EI通常不參與應(yīng)用級；然而，也有部分例外，包括企業(yè)電文傳輸和提供通用業(yè)務(wù)，如日志。EI為對所有其他部門的處理和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)支持奠定了系統(tǒng)基礎(chǔ)。EI提供計(jì)算平臺，此平臺作為所有應(yīng)用軟件的宿主，包括所有的管理和控制處理。

⑦ 維護(hù)與訓(xùn)練(MT)：為維護(hù)、測試和訓(xùn)練能力提供獨(dú)立的環(huán)境，并部署在維護(hù)與訓(xùn)練設(shè)施(MTF)內(nèi)。包括用于對實(shí)用系統(tǒng)中出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析和解決的工具與設(shè)備，在軟件和硬件更新部署到實(shí)用系統(tǒng)中之前進(jìn)行測試的能力，也包括TDRS模擬器、地面段模擬器和各種分析模型。

總體上看，SGSS體系結(jié)構(gòu)采用了設(shè)備集中共用即設(shè)備池的配置方式，如圖2所示[13]。只有非常少量的設(shè)備是獨(dú)占式，且專用于每顆TDRS?？梢愿鶕?jù)池中空閑資源、業(yè)務(wù)執(zhí)行來選擇用戶支持設(shè)備，并且設(shè)備在使用之后返回到池中，以供下次使用。這種配置方式使得地面系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)量更少，配置更加靈活，硬件利用更加高效，并且容許地面終端內(nèi)以及之間的同質(zhì)設(shè)備池。

圖2 SGSS的設(shè)備池式體系結(jié)構(gòu)

1.2 業(yè)務(wù)能力

SGSS最終部署完畢后，將形成包含4個場區(qū)、9個地面終端站的地面系統(tǒng)，如圖3所示[14]，并且其業(yè)務(wù)能力也得到大幅提升。

圖3 最終部署完成后的SGSS

SGSS除了支持TDRSS的現(xiàn)有業(yè)務(wù)之外，還將提供下列新能力：

① 總體：增強(qiáng)了地面段的彈性(可縮放)和可擴(kuò)展性，提高了操作的連續(xù)性，廣泛使用商用現(xiàn)貨(COTS)部件，實(shí)現(xiàn)了接口標(biāo)準(zhǔn)化、分布式智能化。

② 數(shù)字信號處理：能夠易于增加未來波形；及早進(jìn)行信號數(shù)字化，以實(shí)現(xiàn)無損分發(fā)；具備高速包交換能力；支持LDPC(1/2、7/8速率)解譯碼、7/8速率TPC碼、模4差分譯碼等新編碼模式以及8PSK調(diào)制[15]；提供Ka單程跟蹤業(yè)務(wù)；Ku/Ka頻段單址前向(KuSAF/KaSAF)、Ka頻段單址返向(KaSAR)、Ku頻段單址返向(KuSAR)數(shù)據(jù)速率分別提高為50 Mbps、>1 Gbps、600 Mbps。

③ 業(yè)務(wù)管理：優(yōu)化了業(yè)務(wù)，設(shè)計(jì)了CCSDS SM、Web等新的計(jì)劃調(diào)度接口[16]。

④ 天地鏈路：WSGT主天線增加S頻段能力，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備到天線的后端交換等。

⑤ 衛(wèi)星與地面管理：實(shí)現(xiàn)了自動電平控制、TDRS和地面段協(xié)調(diào)發(fā)令、遠(yuǎn)程TDRS遙測接入，增強(qiáng)了地面終端操作員的態(tài)勢感知能力。

⑥ 企業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施：采用面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)(SOA)和IPv6協(xié)議，符合新的安全性標(biāo)準(zhǔn)以及廣泛使用虛擬機(jī)(VM)。

⑦ 用戶業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)：支持CCSDS、AOS/封裝、速率緩沖和空間鏈路擴(kuò)展(SLE)業(yè)務(wù)[17]。

⑧ 維護(hù)和訓(xùn)練：支持系統(tǒng)建模，提供開發(fā)、測試和訓(xùn)練環(huán)境以及增強(qiáng)型TDRS模擬器，維護(hù)更加簡單。

2 特點(diǎn)分析

相比于TDRSS當(dāng)前的地面系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，SGSS通過系統(tǒng)的簡單性、靈活性、基礎(chǔ)設(shè)施合并、故障容忍、采用商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、利用商業(yè)接口消除對特有經(jīng)銷商的依賴、更低的操作成本以及其他，給NASA及其用戶帶來非常多的益處。SGSS的預(yù)期好處如表1所示。

2.1 采用創(chuàng)新的“設(shè)備池”概念增強(qiáng)地面系統(tǒng)靈活性

當(dāng)前地面系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是由固定設(shè)備串、固定接口串再加上特定天線(通常采用1∶1配置)構(gòu)成業(yè)務(wù)鏈來為用戶提供服務(wù)，缺點(diǎn)則是單個部件故障會導(dǎo)致整個設(shè)備串退出服務(wù)。為了快速恢復(fù)備份操作，往往需要快速響應(yīng)的、勞動力密集的維護(hù)操作。

SGSS體系結(jié)構(gòu)由于采用了“設(shè)備池”的配置方式，可以實(shí)現(xiàn)大多數(shù)信號處理與交付資源與單個地面終端站各種地面天線之間的靈活組合。若帶寬足夠，SGSS可以實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)間的資產(chǎn)共享，從而規(guī)避了當(dāng)前地面系統(tǒng)的上述缺點(diǎn)或不足?？梢哉f，“設(shè)備池”概念是SGSS體系結(jié)構(gòu)的核心所在，它減少了所需設(shè)備數(shù)量，增加了資源分配的靈活性，可以幾乎透明的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)增長。

2.2 通過數(shù)字化提高信號處理與分發(fā)能力

現(xiàn)有的地面終端很大程度上采用模擬信號處理和分發(fā)系統(tǒng)。遙測信號以模擬格式傳輸，直到解調(diào)器，在解調(diào)器這里將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。同樣，遙控信號在調(diào)制器中從數(shù)字形式轉(zhuǎn)換成模擬形式，然后由此向前傳輸。模擬系統(tǒng)易遭信號損失、干擾，需要昂貴的電纜、波導(dǎo)和開關(guān)。

SGSS中，對緊隨地面天線處接收與下變頻(K～L頻段)之后的整個TDRS下行鏈路進(jìn)行了數(shù)字化。用戶和TDRS遙測放入到VITA 49包中，隨后送到數(shù)字解調(diào)器。對于遙控信號，則盡可能長時間保持?jǐn)?shù)字形式的信息，在發(fā)射到TDRS之前再轉(zhuǎn)換成模擬形式。數(shù)字化技術(shù)是SGSS采用的最重要的關(guān)鍵技術(shù)之一，能夠?qū)崿F(xiàn)無損分發(fā)、無限復(fù)制及廣泛采用開放標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)施。SGSS正是通過數(shù)字化的信號分發(fā)和處理，實(shí)現(xiàn)了8PSK、LDPC和TPC、更高速率(Ku返向600 Mbps；Ka返向1.2 Gbps)、地面終端間中頻信號傳輸?shù)刃绿匦浴?/p>

2.3 采用2NT冗余方式提高信號處理可靠性

根據(jù)SGSS最初的設(shè)計(jì)，所有正常用戶服務(wù)的信號處理部件都采用雙冗余(2N)方式。由于2N冗余方式的成本過高，但又要使脆弱性(偶發(fā)損壞或丟棄以太網(wǎng)包)降低且能在要求的時間范圍內(nèi)識別部件故障并恢復(fù)服務(wù)，為此SGSS開發(fā)了一種稱為2NT的架構(gòu)。在此架構(gòu)中，數(shù)字信號傳輸采用2N冗余，信號處理則采用2N和Nx+Mx組合方式的冗余；Nx表示可同時支持x類服務(wù)(寬帶、窄帶或TTC/接收機(jī)或發(fā)射機(jī)/正常業(yè)務(wù)或測試)的最大數(shù)，Mx表示可提供的x類備用設(shè)備的數(shù)量。

表1 當(dāng)前系統(tǒng)與SGSS的比較[8]

圖4 2NT數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)

前向、返向以及內(nèi)部數(shù)字基帶和數(shù)字中頻信號連接都采用了2NT方式，如圖4所示。然而對于基帶和數(shù)字中頻來說2NT的行為是不同的[18]。例如，對于基帶而言，所有基帶信源(包發(fā)射機(jī))同時發(fā)送相同的帶有時標(biāo)的包到獨(dú)立的A、B數(shù)據(jù)路徑上；所有基帶信宿(包接收機(jī))偵聽A、B路徑，并正常處理來自主路徑(由SGSS控制系統(tǒng)確定)的包；若主路徑包損壞或丟棄，信宿自動用另一路徑上的相應(yīng)包代替。總之，2NT數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)提供冗余路徑，從而增加了可靠性并簡化了故障隔離。

2.4 采用非現(xiàn)場維修為主的系統(tǒng)維護(hù)模式

當(dāng)前，地面終端站的維護(hù)大多數(shù)是在現(xiàn)場進(jìn)行。當(dāng)一個部分故障時，需要大量的人員來維修硬件。SGSS中，硬件現(xiàn)場維修不再是主要維修模式，而是將硬件設(shè)計(jì)成故障時易于更換的，將故障部件返回給經(jīng)銷商進(jìn)行維修。因此，利用更少的人員就可以滿足SGSS的維修需求。

當(dāng)服務(wù)過程中出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)將自動配置并切換到其他部件，從而最小化對正在進(jìn)行服務(wù)的影響。由于設(shè)備池化，池深可以適應(yīng)多個故障，且不會造成重大影響。池深以及架上備件數(shù)量的確定將通過分析部件可靠性，同時考慮整個系統(tǒng)可用性需求來完成。這樣，緊急情況下，維修不必在夜間或周末進(jìn)行，而是在正常工作時間內(nèi)進(jìn)行，從而可以大大減少人員數(shù)量。

2.5 利用虛擬機(jī)技術(shù)使未來的技術(shù)更新更加容易

SGSS將廣泛使用虛擬機(jī)(VM)，使應(yīng)用和操作系統(tǒng)與物理平臺隔離開。對于操作系統(tǒng)來說，虛擬機(jī)看起來像一個物理機(jī)器，模擬了硬件部件，可使操作系統(tǒng)以其固有的模式運(yùn)行。虛擬化能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用和操作系統(tǒng)的長壽命，為透明的技術(shù)更新提供了機(jī)會，并最優(yōu)化機(jī)器的利用。目前，虛擬機(jī)性能接近專用機(jī)器的物理性能，可使多個虛擬機(jī)運(yùn)行在單個平臺上且具有較小的性能影響。由于實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用與硬件平臺的隔離，虛擬機(jī)也提供了額外的安全措施。

3 結(jié)束語

SGSS由于采用了新的體系結(jié)構(gòu)以及先進(jìn)技術(shù)，將會使TDRSS地面系統(tǒng)的支持能力以及整個系統(tǒng)為用戶提供服務(wù)的能力得到極大提高。SGSS中，商業(yè)和開放標(biāo)準(zhǔn)的采用使得技術(shù)更新和升級更經(jīng)濟(jì)有效，系統(tǒng)的可伸縮性使得能力擴(kuò)展更加容易。SGSS最終部署完畢后，將能夠支持20顆TDRS工作星、8顆TDRS備份星，可為200個用戶目標(biāo)提供服務(wù)。

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[17] Exploration and Space Communications Projects Division (ESC)/Space Network Ground Segment Sustainment (SGSS) Project and Networks Integration Management Office (NIMO).Customer Technical Interchange Meeting (TIM)-3[EB/OL] https:∥sgss.gsfc.nasa.gov/sgss,2016-07-25.

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ResearchonNewGenerationofTDRSSGroundSegmentArchitecture

SHI Xibin,LI Liyao

(BeijingSpaceInformationRelayandTransmissionTechnologyResearchCenter,Beijing100094,China)

The current Tracking and Data Relay Satellite System (TDRSS) ground segment,developed in the mid 1990s,suffers from severe obsolescence,and its ground terminals use significantly different architectures.It becomes increasingly difficult to sustain,operate,maintain,modify the current TDRSS ground system and future demands cannot be accommodated.Therefore,NASA established the effort to develop a new generation of TDRSS Ground Segment,also known as Space Network Ground Segment Sustainment (SGSS) project.The current status of TDRSS Ground Segment and the challenges it faces are summarized,the new generation of TDRSS Ground Segment architecture and its associated capabilities are presented,and the benefits and features of this new architecture are analyzed,which can provide reference for the subsequent development of China’s data relay satellite system.

TDRSS；ground segment architecture；SGSS project

2017-09-22

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)基金資助項(xiàng)目(2015AA7011071)

10.3969/j.issn.1003-3106.2018.01.13

史西斌,李鱺瑤.TDRSS新一代地面系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究[J].無線電工程,2018,48(1):59-63.[SHI Xibin,LI Liyao.Research on New Generation of TDRSS Ground Segment Architecture[J].Radio Engineering,2018,48(1):59-63.]

V474.22；V556.8

A

1003-3106(2018)01-0059-05

史西斌男，(1976—)，畢業(yè)于中國國防科技信息中心情報(bào)學(xué)專業(yè)，碩士，高級工程師。主要研究方向：空天寬帶網(wǎng)絡(luò)、裝備試驗(yàn)與鑒定等科技情報(bào)研究。

李鱺瑤女，(1989—)，碩士，助理工程師。主要研究方向：空天寬帶網(wǎng)絡(luò)科技情報(bào)研究。