航天器異地測控鏈路無線聯(lián)試系統(tǒng)設計

李霽川 譚征 吳偉 潘順良

(中國空間技術研究院載人航天總體部,北京 100094)

統(tǒng)一S頻段測控體系(簡稱USB測控體系)是利用頻分復用技術,將多個副載波信號和測距信號調制到一個統(tǒng)一的S頻段載波上,擴頻測控體系是采用碼分多址或多載波碼分多址(CDMA)的通信體制,它們是實現(xiàn)對各種飛行器進行定位、遙測、遙控等功能的航天器測控系統(tǒng)。USB測控體系和擴頻測控體系在我國有著廣泛的應用[1]。我國的航天飛行任務在目前和將來的一段時期,仍將以USB測控網(wǎng)和擴頻測控網(wǎng)為主對航天器進行飛行控制[2]。

由于航天器對可靠性要求極高[3],測控鏈路是指揮控制中心(簡稱指控中心)與在軌飛行的航天器之間最重要的聯(lián)絡手段[4],因此器地間測控鏈路的匹配性必須提前得到充分的驗證。一般航天器發(fā)射前均在本地完成與指控中心的測控鏈路無線聯(lián)試,但后續(xù)將與指控中心分處異地。由于異地間的距離因素,本地聯(lián)試系統(tǒng)已無法滿足異地聯(lián)試需求,因此必須展開異地測控鏈路無線聯(lián)試系統(tǒng)的設計。

本文首先對無線聯(lián)試系統(tǒng)現(xiàn)狀進行了分析,然后提出了一種基于遠程以太網(wǎng)絡的無線聯(lián)試系統(tǒng)設計,并對系統(tǒng)功能進行了驗證。

1 無線聯(lián)試系統(tǒng)現(xiàn)狀

當前測控鏈路無線聯(lián)試在本地開展,聯(lián)試的雙方分別為航天器與指控中心。航天器USB測控子系統(tǒng)主要包括USB應答機A/B、USB天線網(wǎng)路、USB發(fā)射天線、USB接收天線等。航天器擴頻測控子系統(tǒng)主要包括擴頻應答機A/B、固態(tài)放大器、擴頻濾波器、低噪聲放大器、微波開關、定向耦合器、擴頻收發(fā)天線等。除傳統(tǒng)的跟蹤、測距和測速外,USB應答機和擴頻應答機均可傳輸上行遙控、上行話音和下行工程遙測信號[5]。

以當前載人航天器為例,測控鏈路無線聯(lián)試期間,無線聯(lián)試系統(tǒng)在航天器旁配置測控接收天線,接收航天器測控發(fā)射天線的下行射頻信號,經(jīng)無線轉發(fā)設備進行功率放大后由位于樓頂?shù)霓D發(fā)天線發(fā)出,天線指向指控中心,指控中心通過樓頂配置的接收天線接收射頻信號并解調處理為遙測數(shù)據(jù)。指控中心發(fā)出的上行遙控和話音數(shù)據(jù)調制為射頻信號,經(jīng)指控中心樓頂?shù)陌l(fā)射天線發(fā)出,經(jīng)與下行相反的路徑到達航天器。航天器與指控中心間接口為測控鏈路無線射頻信號。系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 本地測控鏈路無線聯(lián)試系統(tǒng)Fig.1 TT&C united wireless test system for local united test

后續(xù)航天器將與指控中心分處異地,由于無線射頻信號只能通過直線傳播,且信號功率隨距離增加而迅速衰減,現(xiàn)在的本地射頻-射頻的無線聯(lián)試系統(tǒng)已不能滿足后續(xù)異地無線聯(lián)試需求。

2 系統(tǒng)設計

2.1 功能需求

面對航天器與指控中心分處異地超出射頻對通距離的現(xiàn)狀,需要一個能夠實現(xiàn)器地間射頻-數(shù)據(jù)轉換,并保證數(shù)據(jù)可靠、安全地通過遠程以太網(wǎng)絡傳輸?shù)穆?lián)試系統(tǒng),完成航天器與指控中心的連接。具體分析見表1。

表1 對異地無線聯(lián)試系統(tǒng)的要求Table 1 Requirements of different places TT&C united wireless test system

2.2 技術架構

本文設計的無線聯(lián)試系統(tǒng)由3部分組成:①一體化射頻-數(shù)據(jù)處理組件,由于指控中心收發(fā)的數(shù)據(jù)遵循其指定的信息交換協(xié)議,因此僅完成射頻-數(shù)據(jù)間轉化不能滿足聯(lián)試任務的需求,還需要增加數(shù)據(jù)-數(shù)據(jù)間的協(xié)議轉換;②網(wǎng)絡數(shù)據(jù)加密傳輸組件,為避免遭受監(jiān)聽和攻擊,設計實現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)安全協(xié)議(IPSec)的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)加密;③QoS保障組件,為克服異地間遠程網(wǎng)絡UDP組播傳輸?shù)膩G包、亂序等風險,需針對數(shù)據(jù)發(fā)送與接收端應用程序進行加強,實現(xiàn)具有QoS保障的UDP組播數(shù)據(jù)傳輸,保障數(shù)據(jù)在遠程網(wǎng)絡傳輸后的完整性和一致性?？傮w技術架構如圖2所示。

圖2 異地無線聯(lián)試系統(tǒng)技術架構Fig.2 Technology architecture of different places TT&C united wireless test system

由圖2可知,異地無線聯(lián)試系統(tǒng)技術架構由射頻-數(shù)據(jù)處理、遠程網(wǎng)絡數(shù)據(jù)加密傳輸、遠程網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸QoS保障等功能組成,具有射頻收發(fā)、射頻-數(shù)據(jù)處理、協(xié)議互通、遠程數(shù)據(jù)安全傳輸、遠程數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)犬惖芈?lián)試系統(tǒng)所必備的屬性。具體功能組成及其實現(xiàn)方法如下:

(1)一體化射頻-數(shù)據(jù)處理,由一體化射頻-數(shù)據(jù)處理平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)議轉換、中頻信號調制解調,上下變頻、功率控制等。

(2)遠程網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸加密,基于IPSec協(xié)議實現(xiàn),采用虛擬專用網(wǎng)絡(VPN)隧道加密技術實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的加密,保證數(shù)據(jù)的安全傳輸。

(3)遠程網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸QoS保障,依托數(shù)據(jù)分發(fā)服務(DDS)技術對數(shù)據(jù)發(fā)送與接收端應用程序進行加強[6],保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

2.3 關鍵技術分析

1)一體化射頻-數(shù)據(jù)處理

與傳統(tǒng)的射頻-數(shù)據(jù)處理采用獨立的調制、解調、變頻、記錄設備搭建方式不同,射頻-數(shù)據(jù)一體化處理平臺方案的基本思路是將基于軟件無線電的上行數(shù)據(jù)-中頻處理模塊、下行中頻-數(shù)據(jù)處理模塊、采樣記錄回放模塊、可編程的通用變頻器模塊集成在高性能的工作站上,并通過集同管理軟件實現(xiàn)對所有模塊的統(tǒng)一管理,如圖3所示。可在一個平臺上實現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)議轉換、中頻調制解調、上下變頻、射頻記錄回放等功能,可通過加載不同配置文件支持USB測控體制和擴頻測控體制。該設計具有集成度高、體積小、可擴展性強的優(yōu)點。

圖3 射頻-數(shù)據(jù)一體化處理平臺結構Fig.3 Scheme of integrated RF-data platform

2)遠程網(wǎng)絡數(shù)據(jù)加密傳輸

遠程網(wǎng)絡數(shù)據(jù)加密傳輸?shù)脑O計基于IPSec協(xié)議[7],該協(xié)議是隧道加密技術的常用協(xié)議。IPSec隧道技術是一種通過使用公共網(wǎng)絡的基礎設施在網(wǎng)絡之間傳遞數(shù)據(jù)的方式,使用隧道傳遞的數(shù)據(jù)可以是不同協(xié)議的數(shù)據(jù)幀或包。IPSec隧道協(xié)議將其他協(xié)議的數(shù)據(jù)幀或包重新封裝IP頭和協(xié)議頭后發(fā)送。IPSec位于網(wǎng)絡協(xié)議層次結構中的傳輸層之下,對于應用層和傳輸層是透明的,應用程序的設計與加密組件是解耦的。

具體而言,加密組件對遠程網(wǎng)絡傳輸?shù)膶崟r數(shù)據(jù)進行密碼運算[8],將數(shù)據(jù)IP包轉換為安全的IPSec包。進入遠程公共網(wǎng)絡到達對端后,對端加密組件首先對IPSec包的目的地址進行分析,如果目的地址不指向加密組件服務器,則丟棄該包;否則接收并解密IPSec包還原為明文IP包,并向后方應用繼續(xù)傳遞。

3)遠程網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸QoS保障

無線聯(lián)試實時數(shù)據(jù)的傳輸層采用UDP協(xié)議,傳輸采用組播傳輸方式。UDP組播采用的是無連接數(shù)據(jù)報方式進行數(shù)據(jù)通信,可能出現(xiàn)丟包、亂序等風險,即數(shù)據(jù)是否能到達接受端和數(shù)據(jù)到達的順序都是不能保證的。為保證數(shù)據(jù)接收的完整性和一致性,提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?技術架構依托數(shù)據(jù)分發(fā)服務(DDS)技術,對數(shù)據(jù)發(fā)送與接收端應用程序進行加強,即由數(shù)據(jù)發(fā)送與接收端應用程序的DDS數(shù)據(jù)傳輸模塊負責數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

DDS具有松散耦合、處理復雜數(shù)據(jù)流能力強、分發(fā)效率高、容錯性好以及動態(tài)可配置等特點。DDS定義了以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱(Data Centric Publish-Subscribe,DCPS)機制[9],以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱模型基于全局數(shù)據(jù)空間的概念,在DDS中所有對該空間中的數(shù)據(jù)感興趣的應用程序都可以接入。DDS產(chǎn)品豐富,有RTI DDS、OpenSplice DDS、OpenDDS、MilsoftDDS等。

基于遠程以太網(wǎng)絡的無線聯(lián)試系統(tǒng)網(wǎng)絡應用為異構的分布式網(wǎng)絡。針對這種異構的網(wǎng)絡布局,考慮開源軟件的接口便利性和高可擴展性,QoS組件選用OpenDDS進行數(shù)據(jù)發(fā)送與接收端的DDS數(shù)據(jù)傳輸模塊開發(fā)?；贠pen DDS的QoS組件采用有中心體系結構,如圖4所示。在一個節(jié)點上運行守護程序,存儲用于管理數(shù)據(jù)和連接的控制信息,數(shù)據(jù)直接從發(fā)布者傳到訂閱者,但控制和初始化需要與該服務器通信,實現(xiàn)在一個節(jié)點上對控制信息統(tǒng)一管理[10]。

在數(shù)據(jù)發(fā)送與接收端應用程序上,使用OpenDDS作為應用程序的底層通信機制,并將OpenDDS協(xié)議配置為通過UDP組播方式實現(xiàn),如圖5所示。選擇此設計模式,優(yōu)點是可保持應用程序設計的獨立,在網(wǎng)絡接口上只需專注于協(xié)議的實現(xiàn)。

圖4 OpenDDS體系結構Fig.4 Scheme of OpenDDS

圖5 應用節(jié)點上OpenDDS的使用方法Fig.5 Usage of OpenDDSin application nodes

3 系統(tǒng)驗證

3.1 測試系統(tǒng)搭建

本文以載人航天器測控鏈路無線聯(lián)試為例進行測試系統(tǒng)搭建。在一地使用射頻信號記錄儀(Cortex RSR)回放USB鏈路射頻信號并通過天線發(fā)出,以模擬載人航天器下行USB射頻信號。射頻-數(shù)據(jù)一體化處理平臺接收射頻信號進行解調、處理,恢復出數(shù)據(jù)并向外發(fā)送。同時一體化平臺上安裝了弱網(wǎng)模擬軟件(Clumsy),用于模擬網(wǎng)絡狀況不穩(wěn)定時出現(xiàn)的丟包和亂序現(xiàn)象。QoS服務控制節(jié)點接入網(wǎng)絡用于保障可靠通信。使用加密機在遠程以太網(wǎng)絡兩端對數(shù)據(jù)進行加解密。在另一地通過遙測接收與指令發(fā)送模擬臺接收遙測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。使用遙測接收與指令發(fā)送模擬臺發(fā)出上行遙控指令與話音數(shù)據(jù),經(jīng)與下行相反的路徑到達射頻-數(shù)據(jù)一體化處理平臺轉換為射頻信號,采用測控綜合基帶設備(Cortex CRT)進行接收和解調,并對Cortex CRT接收的指令和話音進行統(tǒng)計分析。原型系統(tǒng)結構如圖6所示。

圖6 原型系統(tǒng)結構圖Fig.6 Structure of prototype system

3.2 網(wǎng)絡加擾

Clumsy是基于C語言開發(fā)的一款開源網(wǎng)絡模擬工具,它能在Windows平臺下人工造成不穩(wěn)定的網(wǎng)絡狀態(tài),以檢驗和調試應用程序在極端網(wǎng)絡狀態(tài)下的表現(xiàn)。Clumsy能實時的將系統(tǒng)接收和發(fā)出的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包攔截下來,人工的造成延遲、掉包和篡改等操作后再進行發(fā)送。無論實驗的目的是要重現(xiàn)網(wǎng)絡異常造成的程序錯誤,還是評估應用程序在不良網(wǎng)絡狀況下的表現(xiàn),Clumsy都能在不需要額外添加代碼的情況下,在系統(tǒng)層達到想要的效果。

本文使用Clumsy軟件分別模擬丟包(Drop)與亂序(Out of Order)的網(wǎng)絡情況,用于驗證經(jīng)OpenDDS加強后的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收端應用程序在UDP組播通信的表現(xiàn),如圖7所示。

3.3 測試結果分析

本文所構建的原型系統(tǒng),完全模擬了載人航天器異地USB鏈路無線聯(lián)試的上下行通路,因此該場景具有典型代表性。

檢查模擬臺接收的遙測數(shù)據(jù)和Cortex CRT接收的遙控指令與話音數(shù)據(jù)得出:①模擬臺可以接收到明文的載人航天器遙測數(shù)據(jù);②Cortex CRT可以接收到明文的載人航天器遙控指令與話音數(shù)據(jù);③在不同概率下對模擬丟包和亂序的情況進行統(tǒng)計,均未出現(xiàn)丟包與亂序情況,結果如表2所示;④接收端和發(fā)送端數(shù)據(jù)比對完全一致。測試結果驗證了本文設計的異地測控鏈路無線聯(lián)試系統(tǒng)架構的可行性。

表2 模擬丟包和亂序的數(shù)據(jù)接收結果Table 2 Result of simulation of packet drop and packet out of order

4 結束語

本文提出了一種支持航天器異地測控鏈路的無線聯(lián)試系統(tǒng)設計,在總結異地無線聯(lián)試需求的基礎上,給出了異地無線聯(lián)試系統(tǒng)的總體設計思路,并結合射頻-數(shù)據(jù)一體化處理等技術設計了系統(tǒng)整體架構。搭建了測試驗證系統(tǒng),通過分析試驗,結果表明:此系統(tǒng)可實現(xiàn)射頻-數(shù)據(jù)的處理以及數(shù)據(jù)的加密傳輸與可靠傳輸,滿足航天器異地無線聯(lián)試的工程任務需求,可供后續(xù)航天器異地綜合測試系統(tǒng)設計時參考。