對NASA空間通信無線電系統(tǒng)的分析和研究

楊博 曲志超

摘? ?要：介紹美國基于軟件定義無線電（SDR）技術(shù)的空間通信無線電系統(tǒng)（STRS）的發(fā)展?fàn)顩r和研究意義，對STRS的硬件和軟件架構(gòu)模型進(jìn)行研究和分析。對NASA的空間通信和導(dǎo)航（SCaN）測試平臺和基于STRS標(biāo)準(zhǔn)的APPSTARTM體系以及應(yīng)用進(jìn)行梳理，并對STRS的應(yīng)用前景和發(fā)展方向進(jìn)行分析，最后對我國的空間通信無線電發(fā)展提出建議。

關(guān)鍵詞：軟件定義無線電? 空間通信? STRS? SCaN? APPSTARTM

中圖分類號：V476? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）06（a）-0137-03

（目前衛(wèi)星的問題）隨著科技與社會的進(jìn)步和發(fā)展，人們對通信衛(wèi)星的功能和性能提出了更高的要求。然而傳統(tǒng)的衛(wèi)星都是基于特定任務(wù)研制，衛(wèi)星發(fā)射入軌后，它的通信載荷就基本固化，在衛(wèi)星壽命周期內(nèi)不能跟上地面技術(shù)的進(jìn)步，在有新的任務(wù)性能需求或者功能需求時(shí)，因?yàn)樾l(wèi)星功能單一且升級困難，所以不得不需要發(fā)射新的衛(wèi)星來滿足需求。（引出SDR，SDR的定義）SDR（Software Defined Radio）技術(shù)的出現(xiàn)為解決上述問題提供了思路和手段。

SDR技術(shù)不是一個(gè)具體的無線電通信系統(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[1]，采用SDR技術(shù)的無線電通信系統(tǒng)可以通過軟件編程達(dá)到按需要實(shí)現(xiàn)各種無線電通信功能，比如可以調(diào)整工作頻率，改變調(diào)制解調(diào)模式和更改通信協(xié)議等。NASA和ESA等航天機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行將SDR理念引入衛(wèi)星設(shè)計(jì)和研制中的嘗試。STRS（Space Telecommunications Radio System）就是NASA發(fā)布的第一個(gè)正在不斷被完善的并應(yīng)用于NASA空間任務(wù)的空間無線電通信架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，它盡可能的在NASA的無線電開發(fā)中使用SDR技術(shù)來為NASA的空間通信提供共性，以達(dá)到設(shè)計(jì)的重用性和功能的可擴(kuò)展性[2]，降低衛(wèi)星研發(fā)的成本。

1? STRS的發(fā)展現(xiàn)狀

NASA在經(jīng)過大量的技術(shù)積累和實(shí)驗(yàn)之后，格倫研究中心于2005年12月發(fā)布STRS開發(fā)架構(gòu)描述文件，2006年4月發(fā)布了第一版STRS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，之后征集來自NASA不同研究中心的專家和其他相關(guān)機(jī)構(gòu)專家們的詮釋和評價(jià)，對STRS標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修正和完善，并分別于2007年和2010年和2012年發(fā)布了新版本。2012年，NASA發(fā)射了“空間通信與導(dǎo)航”（Space Communications and Navigation， SCaN）實(shí)驗(yàn)臺到國際空間站，并進(jìn)行了STRS標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)研究和演示驗(yàn)證。美國哈里斯公司基于STRS標(biāo)準(zhǔn)，在SCaN計(jì)劃下發(fā)布了AppSTARTM軟件定義有效載荷體系結(jié)構(gòu)，并在一些太空項(xiàng)目中得到應(yīng)用，比如高速Ka波段軟件無線電臺（SDR）、合成孔徑雷達(dá)和廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）接收機(jī)等[3]。

2? STRS架構(gòu)

STRS標(biāo)準(zhǔn)的核心設(shè)計(jì)思想是提升設(shè)計(jì)的通用性和可移植性，它的架構(gòu)采用模塊化和分層的設(shè)計(jì)思想，旨在提高設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化程度，開發(fā)人員可以根據(jù)任務(wù)需要選擇合適的模塊來完成設(shè)計(jì)，并且有利于后續(xù)新技術(shù)的插入和模塊的修改更新。STRS標(biāo)準(zhǔn)的架構(gòu)可以分為硬件架構(gòu)、固件架構(gòu)和軟件架構(gòu)三大類型，其中固件是指嵌入到FPGA等器件中的程序，STRS標(biāo)準(zhǔn)中知識指出了從設(shè)計(jì)到開發(fā)過程中固件的使用情況，下面主要介紹硬件和軟件這兩個(gè)架構(gòu)的具體內(nèi)容。

2.1 硬件架構(gòu)

相比于軟件技術(shù)，硬件技術(shù)發(fā)展變化較快，而且航天器的無線電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通常都有非常具體的航天器依賴和需求，所以STRS標(biāo)準(zhǔn)中只是在功能級別上指定了硬件架構(gòu)模塊，而不是具體的物理實(shí)現(xiàn)。而且在硬件架構(gòu)的開發(fā)過程中，開發(fā)人員需要考慮幾個(gè)關(guān)鍵的約束和條件。首先是靈活性，即硬件架構(gòu)要可以處理不同級別的任務(wù)，所以硬件體系架構(gòu)需要采用一系列的可重新配置的處理技術(shù)，包括可選參數(shù)的GPP、DSP和FPGA等;此外該體系架構(gòu)隨著時(shí)間的推移還需要支持新技術(shù)的注入，以適應(yīng)處理器速度和信號處理速度的快速發(fā)展;最后是信號數(shù)字化的轉(zhuǎn)化點(diǎn)要靠近天線。在綜合考慮以上要點(diǎn)之后，開發(fā)人員提供了一個(gè)靈活的硬件體系框架，如下圖3-1所示。

STRS標(biāo)準(zhǔn)的硬件架構(gòu)以模塊化的方式來設(shè)計(jì)，主要由三大模塊組成，分別為通用處理模塊（GPM）、信號處理模塊（SPM）和射頻模塊（RFM），開發(fā)人員可以根據(jù)任務(wù)需求自主選擇合適的模塊來實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)計(jì)。

GPM是無線電平臺的主要控制組件，主要包含通用處理器（GPP）和各種存儲元素。其中GPP上運(yùn)行無線電平臺的操作環(huán)境、硬件抽象層（HAL）和應(yīng)用程序，存儲元素為GPP的運(yùn)行提供工作內(nèi)存和必要的代碼存儲功能。GPM包括一個(gè)系統(tǒng)控制組件，通過系統(tǒng)總線和各種符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的接口實(shí)現(xiàn)對SPM、RFM的控制和管理，比如調(diào)整RFM的增益和頻率等。

SPM的主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)化，它的實(shí)現(xiàn)可以根據(jù)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度和任務(wù)的應(yīng)用和數(shù)據(jù)速率來選擇，與GPM的數(shù)據(jù)處理能力相比，SPM提供更高處理能力的數(shù)字信號操作和管理能力。STRS標(biāo)準(zhǔn)建議使用可重配置和重編程的起價(jià)來實(shí)現(xiàn)SPM，這樣可以允許在硬件不需要重新設(shè)計(jì)的情況下進(jìn)行新應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。

RFM的組件包括模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)化器，功率放大器等，它的功能主要包括頻率轉(zhuǎn)換和增益控制、模擬濾波、模數(shù)數(shù)模轉(zhuǎn)換等，這些功能可以使用各種集成電路實(shí)現(xiàn)，可以通過SPM和GPM來對這些組件進(jìn)行控制。

除了以上三個(gè)主要的模塊之外，硬件架構(gòu)還可以有光學(xué)模塊、安全模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊等。模塊開發(fā)人員在部署提交模塊時(shí)，需要提供硬件接口描述（HID），開發(fā)人員可以根據(jù)HID來完成各個(gè)模塊之間的互聯(lián)，并且可以根據(jù)任務(wù)需要增刪模塊。

2.2 軟件架構(gòu)

STRS的軟件架構(gòu)采用分層的形式來設(shè)計(jì)，闡述了軟件運(yùn)行時(shí)不同的軟件組件和各層之間的關(guān)系，定義了應(yīng)用層和操作環(huán)境、操作環(huán)境和硬件平臺之間的接口。STRS的軟件架構(gòu)如圖3-2所示。

STRS軟件架構(gòu)由三層組成，分別為應(yīng)用層、核心層和物理層。應(yīng)用層組件包括波形應(yīng)用和STRS基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，其中波形應(yīng)用使用STRS基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)來提供無線電的GPP服務(wù)，STRS基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)由STRS API識別的行為和功能以及其他必需的無線電功能，而STRS API是為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)提供的接口，用于控制應(yīng)用程序和服務(wù)，它也為應(yīng)用程序等提供訪問STRS基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)的服務(wù);核心層組件包括操作系統(tǒng)（OS）、硬件驅(qū)動(dòng)（HW Drivers）和版支持包（BSP）等，其中硬件驅(qū)動(dòng)中的硬件抽象層接口（HAL API）提供設(shè)備控制接口，負(fù)責(zé)對STRS無線電中的硬件設(shè)備的所有訪問，它是軟件驅(qū)動(dòng)程序和與硬件通信的BSP的接口;物理層組件主要有GPM平臺硬件和專用的硬件，其中GPM主要是運(yùn)行STRS的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)層，而專用的硬件是指STRS平臺上存在的其他硬件模塊的物理層。

2.3 架構(gòu)分析

STRS架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)注重頂層規(guī)劃，成體系化發(fā)展，軟硬件分離，注重設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化和靈活性。采用STRS標(biāo)準(zhǔn)的無線電設(shè)計(jì)，各個(gè)模塊耦合度低，可以根據(jù)需求增刪模塊，支持后續(xù)設(shè)計(jì)的更新和新技術(shù)的插入;平臺的功能主要由軟件來實(shí)現(xiàn)，在不改變硬件設(shè)計(jì)的情況下可以實(shí)現(xiàn)對應(yīng)用參數(shù)的重配置和應(yīng)用程序的更新，來實(shí)現(xiàn)平臺功能的重構(gòu);波形應(yīng)用和服務(wù)的可移植性強(qiáng)，設(shè)計(jì)重用率高，NASA專門建立了波形應(yīng)用庫，可以大大縮短研發(fā)周期，節(jié)省成本。

3? STRS的應(yīng)用及前景

在經(jīng)過一定的技術(shù)積累后，NASA就開始整理和總結(jié)了STRS標(biāo)準(zhǔn)，隨后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)進(jìn)行完善和修改。2008年NASA啟動(dòng)了通信、導(dǎo)航以及組網(wǎng)可重構(gòu)測試平臺計(jì)劃（CoNNeCT），后改名SCaN計(jì)劃，SCaN測試平臺于2012年放置到國際空間站。SCaN計(jì)劃進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和技術(shù)研究，比如演示了應(yīng)用SDR技術(shù)后空間通信系統(tǒng)的可重構(gòu)性，研究了通信系統(tǒng)的組網(wǎng)技術(shù)和高數(shù)據(jù)率通信等技術(shù)，進(jìn)行了SDR技術(shù)的開發(fā)，主要內(nèi)容有使研發(fā)的平臺和波形符合STRS標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)各機(jī)構(gòu)廣泛采用NASA的STRS標(biāo)準(zhǔn)。

在SCaN計(jì)劃的推動(dòng)下，哈里斯公司基于STRS標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)了AppSTARTM軟件定義有效載荷體系結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)基于高性能的FPGA處理器和DSP，利用軟件實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)，使載荷的任務(wù)性能可隨著未來的需求改變而升級。AppSTARTM軟件定義有效載荷由GPP子系統(tǒng)、數(shù)字信號處理子系統(tǒng)和射頻部分組成，其中數(shù)字信號處理子系統(tǒng)是體系的核心，通過對該子系統(tǒng)的配置來決定有效載荷的功能。數(shù)字信號處理子系統(tǒng)基于Xilinx Virtex 4 FPGA，不僅具有高度的波形變換靈活性，可以完成包括通信和視頻傳輸?shù)榷喾N空間任務(wù)，還可以為下一代通信系統(tǒng)提供所需的處理能力。

目前AppSTARTM軟件定義有效載荷已經(jīng)應(yīng)用到一些太空項(xiàng)目中，比如高數(shù)據(jù)率的Ka波段軟件無線電臺、Aireon公司的天基廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）接收機(jī)和合成孔徑雷達(dá)等。

研究以軟件無線電為重點(diǎn)的軟件定義衛(wèi)星技術(shù)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信載荷功能和參數(shù)可自主地靈活的配置的能力，可以增加衛(wèi)星的功能密度，在合理的資源規(guī)劃和衛(wèi)星任務(wù)計(jì)劃下，可以最大限度的實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星資源的利用。除了軟件定義衛(wèi)星方面的應(yīng)用和研究之外，STRS標(biāo)準(zhǔn)還具有很多其他潛在的應(yīng)用價(jià)值，比如STRS標(biāo)準(zhǔn)可以促進(jìn)衛(wèi)星智能化的發(fā)展和天基網(wǎng)絡(luò)的建立。

衛(wèi)星的智能化主要體現(xiàn)在衛(wèi)星在軌后的自主運(yùn)行決策和智能化通信，在自主運(yùn)行決策方面，STRS標(biāo)準(zhǔn)可以為它提供良好的信息采集和服務(wù)，比如狀態(tài)監(jiān)測和健康管理等，而且STRS本身就是一個(gè)通信協(xié)議，在智能化通信方面更是具有巨大優(yōu)勢。此外采用STRS標(biāo)準(zhǔn)的衛(wèi)星，也更容易實(shí)現(xiàn)天基網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星之間和地面網(wǎng)絡(luò)的交互。

4? 結(jié)束語與建議

本文介紹了NASA的空間通信無線電系統(tǒng)STRS標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展?fàn)顩r和研究意義，并就STRS標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件架構(gòu)做了簡要的介紹和分析。在對STRS標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用和分析中可以看到，一個(gè)從頂層設(shè)計(jì)出發(fā)的空間通信無線電標(biāo)準(zhǔn)對我國未來的航天發(fā)展有著重要的意義。我們從STRS標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展中為我國的軟件定義衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)吸取經(jīng)驗(yàn)，一些經(jīng)驗(yàn)和建議如下：

（1）、貼合我國天基軟件定義無線電發(fā)展的具體情況，整理總結(jié)出符合我國國情的天基SDR體系標(biāo)準(zhǔn);

（2）、制定開放的標(biāo)準(zhǔn)，要求標(biāo)準(zhǔn)的開拓性好，具有一定的技術(shù)前瞻性，標(biāo)準(zhǔn)化天基、地基之間的通信協(xié)議、各種接口協(xié)議等，使標(biāo)準(zhǔn)具有一定的靈活性，不僅可以滿足現(xiàn)有的發(fā)展需求，也可以滿足未來新技術(shù)的插入;

（3）、發(fā)射在軌測試平臺，進(jìn)行軟件定義衛(wèi)星技術(shù)的測試和驗(yàn)證，鼓勵(lì)各商業(yè)航天公司參與標(biāo)準(zhǔn)的完善和實(shí)驗(yàn)，在不斷探索和實(shí)驗(yàn)中確定未來的技術(shù)發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 李海潮，崔亭，劉涌.對NASA天基SDR技術(shù)的分析[J].遙測遙控，2015，36（6）：13～18.

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

[3] 王巍，張春磊。軟件定義有效載荷—通信衛(wèi)星未來發(fā)展方向[J].