大型星座熱襲來(lái)，測(cè)控運(yùn)維技術(shù)跟得上嗎？

+魏興

當(dāng)人類(lèi)第一次向太空發(fā)射衛(wèi)星時(shí)，航天測(cè)控系統(tǒng)就出現(xiàn)了。在上世紀(jì)六十年代美國(guó)實(shí)施阿波羅登月計(jì)劃的時(shí)候，為了解決當(dāng)時(shí)的航天測(cè)控和通信系統(tǒng)設(shè)備過(guò)多過(guò)重，電磁兼容性不好等問(wèn)題，提出了革命性的USB（統(tǒng)一S波段）測(cè)控體制，大大簡(jiǎn)化了航天器和測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。從此，以USB測(cè)控站為基礎(chǔ)的航天測(cè)控系統(tǒng)得到了快速發(fā)展。在隨后的幾十年中，測(cè)控站從S波段擴(kuò)展到了L波段、X波段和C波段等。這類(lèi)測(cè)控設(shè)備相比雷達(dá)要便宜很多，這使得在全球建立商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)成為可能。近些年來(lái)，在全球范圍內(nèi)隨著商業(yè)航天的發(fā)展，商業(yè)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)也逐漸出現(xiàn)并發(fā)展壯大。

傳統(tǒng)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)已無(wú)法滿足商業(yè)測(cè)控的需求

圖1是一個(gè)典型的航天測(cè)控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖?，F(xiàn)在主要航天大國(guó)的國(guó)家級(jí)測(cè)控系統(tǒng)都是基于類(lèi)似的架構(gòu)。從計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的角度來(lái)看，這是典型的S/C（服務(wù)器/客戶(hù)端）架構(gòu)?？刂浦行模–ontrol Center）是系統(tǒng)的核心。地面測(cè)控站（Ground Station），客戶(hù)終端（Customer Terminals），遠(yuǎn)程終端（Remote Terminals），發(fā)射設(shè)施（Launch Facility）以及集成與測(cè)試設(shè)施（I&T Facility）都連接到控制中心上?？刂浦行淖鳛榉?wù)器（S，Server），其他所有設(shè)備作為客戶(hù)端（C，Client）。所有的數(shù)據(jù)都集中到控制中心，再通過(guò)控制中心分發(fā)。圖1右下側(cè)的客戶(hù)終端也能夠與自己的衛(wèi)星進(jìn)行雙向通信，也能夠完成一定的測(cè)控任務(wù)，但是通常來(lái)講，衛(wèi)星的用戶(hù)自己不會(huì)維持一個(gè)覆蓋全球的測(cè)控網(wǎng)，因此客戶(hù)還是需要通過(guò)測(cè)控服務(wù)機(jī)構(gòu)來(lái)完成對(duì)自己衛(wèi)星的測(cè)控。各個(gè)客戶(hù)端與服務(wù)器的連接可以通過(guò)專(zhuān)用的線路，也可以通過(guò)公共互聯(lián)網(wǎng)，但是必須使用防火墻和VPN等設(shè)備來(lái)保證安全性。

這種S/C架構(gòu)的測(cè)控網(wǎng)的好處顯而易見(jiàn)。它的設(shè)備幾乎都是專(zhuān)用的，能夠最大限度地保證安全性。中國(guó)、美國(guó)、歐洲、俄羅斯等國(guó)家級(jí)的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)都是如此。但是，這種架構(gòu)的測(cè)控網(wǎng)面對(duì)商業(yè)航天的需求，逐漸顯示出很多不足之處。因此，近些年來(lái)，一些新的商業(yè)測(cè)控平臺(tái)服務(wù)商，構(gòu)建出了以云計(jì)算為核心的一體化測(cè)控平臺(tái)，解決了這些不足的方面。在我國(guó)，北京天鏈測(cè)控技術(shù)有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“天鏈測(cè)控”）就是一體化測(cè)控技術(shù)的佼佼者。

云計(jì)算為核心的一體化測(cè)控平臺(tái)嶄露頭角

那么，云計(jì)算、云服務(wù)是什么意思呢？云計(jì)算、云服務(wù)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的集大成者，是分布式計(jì)算技術(shù)、負(fù)載均衡技術(shù)、并行計(jì)算技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)技術(shù)、熱備份冗余技術(shù)和虛擬化等計(jì)算機(jī)技術(shù)混合演進(jìn)并躍升的結(jié)果。云計(jì)算是2006年由美國(guó)谷歌公司首先提出的概念。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，云計(jì)算就是把在個(gè)人電腦或者服務(wù)器上進(jìn)行的各種信息處理通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)搬到外部巨大的服務(wù)器上運(yùn)行。云計(jì)算的核心思想，就是將大量用網(wǎng)絡(luò)連接的計(jì)算資源統(tǒng)一管理和調(diào)度，構(gòu)成一個(gè)計(jì)算資源池來(lái)向用戶(hù)提供按需服務(wù)。

圖1 航天測(cè)控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

圖2 云服務(wù)模型

云計(jì)算按照服務(wù)模型可以分為三個(gè)層次：IaaS（基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)），PaaS（平臺(tái)即服務(wù)），SaaS（軟件即服務(wù)）。IaaS的服務(wù)商向客戶(hù)提供服務(wù)器，存儲(chǔ)設(shè)施以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等硬件，客戶(hù)需要自己安裝或開(kāi)發(fā)操作系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)程序，自己安裝或開(kāi)發(fā)各種應(yīng)用軟件。PaaS的服務(wù)商除了向客戶(hù)提供基本的服務(wù)器，存儲(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備硬件以外，還在系統(tǒng)中安裝好了操作系統(tǒng)和一些基礎(chǔ)的軟件，客戶(hù)不必關(guān)心底層的硬件和軟件，只需要安裝或開(kāi)發(fā)自己的應(yīng)用程序就行了。而SaaS則是連應(yīng)用軟件都為客戶(hù)訂制好了，客戶(hù)只需要將自己的需求告訴服務(wù)商，付費(fèi)即可使用。SaaS最典型的例子就是微軟公司向客戶(hù)提供的在線Office軟件套件。（參見(jiàn)圖2）

與傳統(tǒng)測(cè)控系統(tǒng)相比，云服務(wù)優(yōu)勢(shì)在哪兒?

云服務(wù)的好處是顯而易見(jiàn)的。在20年前，如果一家小公司想建立一個(gè)網(wǎng)站，那可太麻煩了。首先需要自己購(gòu)買(mǎi)一臺(tái)服務(wù)器，然后向電信運(yùn)營(yíng)商付托管費(fèi)或租金，將服務(wù)器放進(jìn)電信機(jī)房，然后租用網(wǎng)線，接著需要自己的工程師安裝操作系統(tǒng)和一切軟件，自己負(fù)責(zé)運(yùn)營(yíng)。如果發(fā)現(xiàn)服務(wù)器速度或存儲(chǔ)容量不夠，需要自己升級(jí)硬件，調(diào)整操作系統(tǒng)和軟件。而現(xiàn)在則簡(jiǎn)單多了，可以向阿里云服務(wù)或騰訊云服務(wù)按需購(gòu)買(mǎi)PaaS服務(wù)，企業(yè)把精力集中在網(wǎng)站的制作和運(yùn)營(yíng)上即可，根本不必關(guān)心硬件在什么地方。甚至可以購(gòu)買(mǎi)云服務(wù)公司的SaaS網(wǎng)站創(chuàng)建服務(wù)，公司自己只要制作內(nèi)容即可。

回到航天測(cè)控領(lǐng)域，天鏈測(cè)控的測(cè)控一體化平臺(tái)就是典型的SaaS服務(wù)。用戶(hù)只要通過(guò)電腦、手機(jī)、平板電腦等在地球任意地方通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)登錄到天鏈測(cè)控的一體化測(cè)控SaaS平臺(tái)上，就可以隨時(shí)隨地測(cè)控自己的衛(wèi)星。（參見(jiàn)圖3）

從天鏈測(cè)控的宣傳資料上看，其在全球已有三十余個(gè)測(cè)控站，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接到云服務(wù)器上。所有的數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在云服務(wù)器上，并通過(guò)云服務(wù)器來(lái)分發(fā)。天鏈測(cè)控的測(cè)控服務(wù)軟件部署在云服務(wù)上，根據(jù)登入云服務(wù)的客戶(hù)的權(quán)限來(lái)提供不同的服務(wù)等級(jí)。除了能夠在運(yùn)維大廳登入云服務(wù)外，客戶(hù)在世界任何地方都能夠通過(guò)公共互聯(lián)網(wǎng)來(lái)登入云服務(wù)。

傳統(tǒng)的S/C架構(gòu)的測(cè)控平臺(tái)，只有控制中心才有聯(lián)系所有測(cè)控站的權(quán)力，客戶(hù)如果想要看到自己衛(wèi)星的情況，往往需要到控制中心去才行。與封閉的服務(wù)器架構(gòu)相比，開(kāi)放的SaaS架構(gòu)好處多多。

●首先，客戶(hù)除了能夠在測(cè)控大廳里接受測(cè)控服務(wù)以外，還能夠使用筆記本電腦和各種移動(dòng)設(shè)備，通過(guò)公用網(wǎng)絡(luò)連接到云服務(wù)器上，在任何時(shí)間和地點(diǎn)都能夠進(jìn)行測(cè)控。

●其次，云服務(wù)架構(gòu)方便擴(kuò)展和移植，增加測(cè)控站不會(huì)給測(cè)控系統(tǒng)的軟件帶來(lái)多少工作量。

圖4 天鏈測(cè)控的軟件升級(jí)與開(kāi)發(fā)規(guī)劃

●再次，使用商用云服務(wù)系統(tǒng)使得測(cè)控公司不必關(guān)注底層硬件和軟件，而是把精力集中在做好測(cè)控服務(wù)軟件本身上。商用云服務(wù)系統(tǒng)的軟硬件均經(jīng)過(guò)市場(chǎng)的考驗(yàn)，擁有非常高的可靠性。

●使用云服務(wù)系統(tǒng)還有利于部署未來(lái)的新業(yè)務(wù)，功能不斷完善，界面可訂制。比如利用VR技術(shù)將航天器測(cè)控虛擬化，讓客戶(hù)或操作人員沉浸在立體化的虛擬場(chǎng)景中，宛如科幻電影，極大地提升客戶(hù)的體驗(yàn)并提高操作人員的效率。（參見(jiàn)圖4）

電影《普羅米修斯》中外星飛船里的虛擬星座圖，使用VR技術(shù)不難實(shí)現(xiàn)

●由分散的多種軟件集中到單一界面中。由于云服務(wù)器上存儲(chǔ)有全部數(shù)據(jù)，過(guò)去由多種軟件從多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中提供的功能，能夠由單一的軟件來(lái)提供，集成性更好。（參見(jiàn)圖5）

●由大量手動(dòng)功能轉(zhuǎn)變?yōu)榇罅孔詣?dòng)化操作。所有地面站全自動(dòng)運(yùn)行，一體化測(cè)控云平臺(tái)將傳統(tǒng)多個(gè)軟件的功能集成在一起，大大提高了自動(dòng)化水平，減少了操作人員的數(shù)量。

●可靠性大大提高。傳統(tǒng)多個(gè)軟件數(shù)據(jù)交流可靠性低，而云存儲(chǔ)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)多地備份，提高了可靠性。

我們看到，天鏈測(cè)控正是充分利用SaaS架構(gòu)帶來(lái)的好處，一步一步地實(shí)現(xiàn)航天測(cè)控系統(tǒng)的快速發(fā)展的。我們相信，基于云架構(gòu)的一體化測(cè)控技術(shù)就是商業(yè)航天測(cè)控的未來(lái)。

一體化測(cè)控平臺(tái)符合未來(lái)航天發(fā)展的趨勢(shì)

隨著美國(guó)SpaceX，Blue Origion等商業(yè)航天公司的崛起，全球商業(yè)航天領(lǐng)域正在孕育著巨變，與現(xiàn)有以國(guó)家機(jī)構(gòu)為主體來(lái)運(yùn)營(yíng)航天器的機(jī)制有著巨大的不同。由NASA和OneWeb公司聯(lián)合研究的成果表明，未來(lái)與商業(yè)航天有關(guān)的一切軟件和硬件，都將基于云技術(shù)來(lái)構(gòu)建。這就是航天器即服務(wù)的概念（SpaceCraft as a Service,SCaaS）。（參見(jiàn)圖6）

SCaaS包括多個(gè)子系統(tǒng)，主要有飛行軟件即服務(wù)（Flight Software as a Service,FSWaaS）,空間飛行動(dòng)態(tài)即服務(wù)（Space Flight Dynamics as a Service,SFDaaS）,地面系統(tǒng)即服務(wù)（Ground Segment as a Service,GSaaS）,測(cè)控即服務(wù)（Tracking Telemetry &Commanding as a Service,TT&CaaS）。

而這些系統(tǒng)的核心就是測(cè)控即服務(wù)TT&CaaS。因?yàn)樗幸磺蟹?wù)都是通過(guò)測(cè)控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而以天鏈測(cè)控為代表的商業(yè)測(cè)控服務(wù)商，已經(jīng)把測(cè)控即服務(wù)TT&CaaS實(shí)現(xiàn)了。其余幾種服務(wù)的實(shí)現(xiàn)并沒(méi)有技術(shù)上的難點(diǎn)，關(guān)鍵是商業(yè)概念的整合與國(guó)際商業(yè)航天界達(dá)成一致意見(jiàn)，形成標(biāo)準(zhǔn)。

可以想象一下，這種商業(yè)航天的概念實(shí)現(xiàn)了之后會(huì)有什么場(chǎng)景：

如果一個(gè)客戶(hù)想要一個(gè)地區(qū)的衛(wèi)星照片，而當(dāng)?shù)厣峡詹](méi)有照相衛(wèi)星的軌道，那怎么辦？他只需要打開(kāi)手機(jī)APP軟件，通過(guò)4G或5G聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)測(cè)控即服務(wù)TT&CaaS發(fā)出指令，調(diào)用飛行動(dòng)態(tài)即服務(wù)SFDaaS，指揮一顆照相衛(wèi)星的飛行軟件啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)變軌（這就是飛行軟件即服務(wù)FSWaaS），向該地區(qū)上空的軌道轉(zhuǎn)移，幾個(gè)小時(shí)之內(nèi)，照相衛(wèi)星就能成功照相。數(shù)字照片可以通過(guò)測(cè)控即服務(wù)TT&CaaS傳到用戶(hù)手機(jī)的APP里。這一整體的服務(wù)概念就是航天器即服務(wù)SCaaS。

科幻不科幻？只要全球商業(yè)航天企業(yè)能夠形成共識(shí)，整體推動(dòng)這一概念，它的實(shí)現(xiàn)就并不遙遠(yuǎn)。中國(guó)在商業(yè)航天領(lǐng)域擁有天鏈測(cè)控這樣的企業(yè)，掌握了測(cè)控即服務(wù)的核心技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)這樣的科幻場(chǎng)景打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。也許在不遠(yuǎn)的將來(lái)，中國(guó)能夠首先實(shí)現(xiàn)這樣的科幻場(chǎng)景呢。

圖5 天鏈測(cè)控一體化云平臺(tái)的全要素管理能力

圖6 NASA與OneWeb公司共同完成的航天器即服務(wù)概念