測控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

陳帥 楊宜康 葉旅洋

摘要：通過研究國內(nèi)外測控技術(shù)的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，預(yù)判未來測控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢：測控系統(tǒng)將發(fā)展成為聯(lián)接陸?？仗旄黝愑腥?無人系統(tǒng)的一體化網(wǎng)絡(luò)化體系，是為陸?？仗旄黝惼脚_提供跟蹤測量、遙測遙控、指揮控制、數(shù)據(jù)傳輸和導(dǎo)航定位授時等多種業(yè)務(wù)支撐的重要信息基礎(chǔ)設(shè)施。梳理出大規(guī)模節(jié)點的綜合信息傳輸和物理測量、天空地一體化測控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議體系、天空地一體化測控網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)、天空地一體化網(wǎng)絡(luò)頻譜架構(gòu)及天空地一體化網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)5項挑戰(zhàn)性關(guān)鍵技術(shù)，針對每項關(guān)鍵技術(shù)提出重點研究方向，并梳理出測控理論和單項技術(shù)的發(fā)展方向，展望測控系統(tǒng)的未來形態(tài)。

關(guān)鍵詞：測控；航天測控網(wǎng)；測運控一體

中圖分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2020）14-70-4

0引言

測控最初的概念是指測量與控制，TT&C（Tracking，Telemetry and Command）即對飛行器進(jìn)行跟蹤測軌、遙測和遙控等。測控系統(tǒng)是聯(lián)接飛行器與地面的信息傳輸媒介，是航天工程和軍事設(shè)施的重要組成部分。隨著軍事需要和航天技術(shù)的不斷發(fā)展，測控系統(tǒng)的內(nèi)涵不斷演進(jìn)，由初期的TT&C到測控通信（TT&C and Communication，T&C），再到空間通信與導(dǎo)航（Space Communication and Navigation，SCaN）[1-2]。目前，陸?？仗旄黝愑腥?無人系統(tǒng)技術(shù)快速發(fā)展，對測控通信提出了更高的要求，測控系統(tǒng)為陸?？仗旄黝愑腥?無人系統(tǒng)提供跟蹤測量、遙測遙控、指揮控制、數(shù)據(jù)傳輸和導(dǎo)航定位授時等多種業(yè)務(wù)支撐的重要信息基礎(chǔ)設(shè)施。未來戰(zhàn)爭形態(tài)正在演進(jìn)為陸海空天網(wǎng)電全域的網(wǎng)絡(luò)化、智能化和一體化聯(lián)合作戰(zhàn)。測控網(wǎng)絡(luò)作為信息物理融合一體化的信息傳導(dǎo)介質(zhì)與時空參數(shù)測量手段，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的角色是整個戰(zhàn)場體系的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，起到?jīng)Q定戰(zhàn)爭勝敗的關(guān)鍵作用。

1國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1942年，測控系統(tǒng)首次用于德國V2火箭的跟蹤、遙控和遙測，70多年來，測控通信體制經(jīng)歷了分離測控體制、統(tǒng)一載波測控通信體制、擴(kuò)頻測控通信體制和相控陣多目標(biāo)測控通信體制4個發(fā)展階段。測控系統(tǒng)平臺由陸海基平臺發(fā)展到了跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（TDRSS）及全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等天基平臺；同時測控目標(biāo)由單站單目標(biāo)發(fā)展成為單站多目標(biāo)測控；作用距離由近地空間向深空測控發(fā)展；工作頻段向Ka和激光頻段發(fā)展；測控鏈路形態(tài)由點對點向多網(wǎng)綜合和天空地一體網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展；測控設(shè)備的綜合化、數(shù)字化和軟件定義化程度不斷提高，操作便捷性和可重構(gòu)能力越來越強(qiáng)。測控系統(tǒng)按照應(yīng)用范圍可以分為航天測控網(wǎng)、無人機(jī)測控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)等[3]。

1.1航天測控網(wǎng)

航天測控網(wǎng)是完成運載火箭和航天器跟蹤測軌、遙測、遙控、通信和導(dǎo)航定位授時的綜合電子信息網(wǎng)絡(luò)，主要分為近地網(wǎng)、天基網(wǎng)和深空網(wǎng)3類。根據(jù)國內(nèi)外的發(fā)展情況，多個獨立的測控網(wǎng)逐步走向綜合化的通信與導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)。2008年，美國國家航空航天局確立了SCaN計劃，包括集成前階段（2010—2015年）、集成階段（2015—2020年）和集成后階段（2020—2025年），通過3個階段的發(fā)展，將近地網(wǎng)、天基網(wǎng)和深空網(wǎng)整合成一個統(tǒng)一的綜合網(wǎng)絡(luò)，使用國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和用戶接口，利用所有資源為太陽系載人探測和科學(xué)任務(wù)提供通信與導(dǎo)航業(yè)務(wù)，包括跟蹤測量、遙測遙控、指揮控制、數(shù)據(jù)傳輸和導(dǎo)航定位授時等業(yè)務(wù)[4]。

目前，我國在近地測控網(wǎng)建設(shè)方面，測控通信體制發(fā)展到擴(kuò)頻測控體制，工作頻段增加了Ka頻段，實現(xiàn)了多頻段測控天線共用和基帶測控與數(shù)傳一體化等。在天基測控網(wǎng)建設(shè)方面，“天鏈一號”中繼衛(wèi)星系統(tǒng)實現(xiàn)了三星組網(wǎng)運行；在深空測控網(wǎng)建設(shè)方面，建成了66 m S/X雙頻段和35 m S/X/Ka三頻段深空測控通信系統(tǒng)，以及深空干涉測量系統(tǒng)，對火星遠(yuǎn)地點以內(nèi)的深空目標(biāo)覆蓋率達(dá)到90%以上。未來，我國還將建成天空地一體化測控通信網(wǎng)絡(luò)，提供跟蹤測量、遙測遙控、指揮控制、數(shù)據(jù)傳輸和導(dǎo)航定位授時等多種業(yè)務(wù)[5]。

1.2無人機(jī)測控系統(tǒng)

20世紀(jì)60年代，無人機(jī)作為單平臺在實戰(zhàn)中開始應(yīng)用，地面人員通過空地視距通信鏈路實現(xiàn)無人機(jī)的控制。隨著無人機(jī)作戰(zhàn)方式的改變和作戰(zhàn)范圍的擴(kuò)大，無人機(jī)開始裝備寬帶超視距數(shù)據(jù)鏈和衛(wèi)星通信設(shè)備，滿足全球范圍內(nèi)無人機(jī)跟蹤測量、遙測遙控、指揮控制和數(shù)據(jù)傳輸需求。

美軍現(xiàn)階段對以無人機(jī)為代表的無人裝備實施測控的主要方式是利用視距和衛(wèi)星手段，小型戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)一般不裝備衛(wèi)通鏈路，更多的是采用視距數(shù)據(jù)鏈；中高空、長航時無人機(jī)通常都會配備視距、超視距多條通信鏈路來滿足跟蹤測量、遙測遙控、指揮控制、起降控制和數(shù)據(jù)傳輸需求。通常大中型無人機(jī)會搭載Link-16數(shù)據(jù)鏈、MP-CDL數(shù)據(jù)鏈及機(jī)間數(shù)據(jù)鏈等多種數(shù)據(jù)鏈實現(xiàn)有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)[6-7]。

國內(nèi)現(xiàn)役無人裝備測控同樣采用視距與衛(wèi)星通信2種手段，均具備寬帶和窄帶2種類型的測控鏈路，其組織運用方式與美軍基本相同。在無人平臺位置測量與導(dǎo)航方面，國內(nèi)無人機(jī)同樣以GPS、北斗、GLONASS等衛(wèi)星導(dǎo)航手段為主，同時，視距測控鏈路提供地空、空空測距與測向功能，可實現(xiàn)無衛(wèi)星導(dǎo)航信號下無人平臺的定位與導(dǎo)航。

1.3數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)

數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)是飛機(jī)平臺與地面站之間進(jìn)行指揮控制、跟蹤、遙測、遙控、通信和導(dǎo)航定位授時等業(yè)務(wù)的無線通信系統(tǒng)。為提高通信可靠性、實時性和連續(xù)性，中大型無人/有人飛機(jī)一般都包括視距數(shù)據(jù)鏈和超視距數(shù)據(jù)鏈。數(shù)據(jù)鏈包括測控數(shù)據(jù)鏈和偵察數(shù)據(jù)鏈，測控數(shù)據(jù)鏈的典型代表是美國及北約的Link-4、Link-11、Link-16、Link-22數(shù)據(jù)鏈。偵察數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)切畔鬏敽椭笓]控制一體化的寬帶數(shù)據(jù)鏈，用于無人機(jī)和地面控制中心的信息交互和實時指揮控制，最典型的偵察數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)敲儡姷膽?zhàn)術(shù)通用數(shù)據(jù)鏈（TCDL）[8]。

2測控技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)與對策

未來戰(zhàn)爭將是陸?？仗炀W(wǎng)電域的多域、跨域和全域作戰(zhàn)任務(wù)，以及高動態(tài)、強(qiáng)對抗、大規(guī)模有人/無人集群協(xié)同的網(wǎng)絡(luò)化、智能化和一體化的多軍種聯(lián)合作戰(zhàn)。戰(zhàn)場的復(fù)雜對抗環(huán)境對測控系統(tǒng)和測控技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。

2.1大規(guī)模節(jié)點的信息綜合傳輸和物理測量

測控系統(tǒng)作為信息傳導(dǎo)介質(zhì)和時空參數(shù)測量的基礎(chǔ)設(shè)施，需要支持大規(guī)模目標(biāo)節(jié)點高容量、大帶寬、低延時和高安全性的寬帶數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)；支持大規(guī)模目標(biāo)節(jié)點同時、全域、全天候和連續(xù)實時的高精度測量業(yè)務(wù)；支持大規(guī)模目標(biāo)節(jié)點的導(dǎo)航定位授時服務(wù)，支持大規(guī)模節(jié)點的指揮控制、任務(wù)規(guī)劃和決策調(diào)度業(yè)務(wù)?，F(xiàn)有的天地基測控系統(tǒng)受制于技術(shù)局限，以及設(shè)施和領(lǐng)域限制，業(yè)務(wù)容量嚴(yán)重受限，戰(zhàn)場生存率也不容樂觀，無法為大規(guī)模節(jié)點提供安全可靠的信息綜合傳輸和物理測量服務(wù)。

物聯(lián)網(wǎng)和5G技術(shù)的發(fā)展，為研究面向超大規(guī)模分布式可重構(gòu)有人/無人集群系統(tǒng)的寬帶一體化測控網(wǎng)提供了技術(shù)基礎(chǔ)[9]。針對多軍兵種跨域聯(lián)合作戰(zhàn)的任務(wù)時敏性、不確定性、強(qiáng)對抗性及平臺低生存率等復(fù)雜惡劣環(huán)境，面向陸?？仗旄黝愑腥?無人節(jié)點，基于全球低軌寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座和5G技術(shù)，構(gòu)建天空地一體化綜合業(yè)務(wù)測控網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)寬帶數(shù)據(jù)傳輸、高精度測量、導(dǎo)航定位授時、指揮控制、任務(wù)規(guī)劃和決策調(diào)度業(yè)務(wù)的一網(wǎng)融合，具備強(qiáng)魯棒性的綜合業(yè)務(wù)支持能力、強(qiáng)對抗環(huán)境的安全防護(hù)能力、結(jié)構(gòu)可重構(gòu)能力和任務(wù)動態(tài)適應(yīng)能力。

2.2天空地一體化測控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議體系

為了實現(xiàn)多域、跨域和全域測控通信，測控網(wǎng)需要融合多種各具特點的異構(gòu)測控子網(wǎng)，實現(xiàn)天空地一體化測控。天空地一體化網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點距離遠(yuǎn)、拓?fù)涓叨葎討B(tài)、組成高度異構(gòu)、接入隨機(jī)觸發(fā)、鏈路傳輸時延較大、鏈路連接不連續(xù)及上下行鏈路非對稱等特點，對整個網(wǎng)絡(luò)的魯棒性、兼容性和可拓展性等提出了挑戰(zhàn)。因為融合了多種各具特點的異構(gòu)測控子網(wǎng)，各子網(wǎng)對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系的具體需求也不盡相同?，F(xiàn)有的TCP/IP、CCSDS及DTN等并不能完全適應(yīng)于天空地一體化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，亟需設(shè)計新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系，在兼容各子網(wǎng)特定需求的同時，實現(xiàn)一體化網(wǎng)絡(luò)功能[10]。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)已經(jīng)在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中得到應(yīng)用?；赟DN和NFV可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)邏輯功能切片，將物理資源虛擬化成虛擬網(wǎng)絡(luò)，每個切片在邏輯上相互隔離，可以運行不同的協(xié)議，適配各切片網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)需求，可解決高效利用網(wǎng)絡(luò)資源與業(yè)務(wù)低時延保障之間的矛盾。因此，天空地一體化測控網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系可以借鑒現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系的成果，實現(xiàn)靈活高效、智能化和一體化組網(wǎng)。

2.3天空地一體化測控網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)

天空地一體化網(wǎng)路拓?fù)渥兓l繁，導(dǎo)致拓?fù)渚S護(hù)負(fù)荷過重，網(wǎng)絡(luò)資源利用率較低。特別是在強(qiáng)對抗的戰(zhàn)場環(huán)境中，受限于物理環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)層面的強(qiáng)干擾特性，路由抗毀性難以保障。由于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間缺乏融合協(xié)議，多域、跨域或者全域端到端路由難以構(gòu)建，這些問題均對路由的建立、維護(hù)和選擇產(chǎn)生了重要影響。

為了高效、可靠地實現(xiàn)信息分組的路由和轉(zhuǎn)發(fā)，需要開展天空地一體化網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)的研究。具體包括：天空地一體化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錂C(jī)制、抗毀路由算法及異網(wǎng)融合等。同時，分層路由架構(gòu)和域間路由隔離機(jī)制對天空地一體化網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。各異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)針對各自網(wǎng)絡(luò)的獨特性設(shè)計專用的路由算法，且無需考慮其他網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)自我獨立管理；而域間則通過兼容性較強(qiáng)的域間路由協(xié)議實現(xiàn)安全可靠的互聯(lián)。

2.4天空地一體化網(wǎng)絡(luò)頻譜架構(gòu)

天空地一體化網(wǎng)絡(luò)測控的工作頻段涵蓋了S、X、Ku、Ka以及未來的激光頻段，為了滿足多域、跨域和全域測控場景的需求，需要統(tǒng)籌考慮涵蓋低、中、高頻段在內(nèi)的全頻段。

為了實現(xiàn)全頻段頻率資源的高效管理，研究基于認(rèn)知無線電技術(shù)的頻譜智能感知、頻譜智能分析、自適應(yīng)頻譜資源分配、動態(tài)信道分配和自適應(yīng)功率控制技術(shù)，實現(xiàn)動態(tài)頻譜分配和頻譜共享，提高頻譜效率和頻譜劃分的靈活性。

2.5天空地一體化網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)

由于天空地一體化網(wǎng)絡(luò)固有的、開放的網(wǎng)絡(luò)通信信道和異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁變化，安全邊際難以確定，容易受到不同方面和不同層次的干擾和攻擊，如太陽黑子爆發(fā)、宇宙射線等自然因素對終端設(shè)備形成的物理影響和破壞，電離層反射和空間電磁輻射等因素導(dǎo)致信號畸變及數(shù)據(jù)傳輸中斷等。尤其是在強(qiáng)對抗的復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下，測控系統(tǒng)面臨電磁域的窄帶干擾、壓制式干擾和欺騙干擾等，無線信道被惡意入侵、竊取和篡改，網(wǎng)絡(luò)空間的博弈對抗等挑戰(zhàn)。

為了保障強(qiáng)對抗、復(fù)雜電磁環(huán)境下的天空地一體化測控網(wǎng)絡(luò)的信息安全可靠傳輸，需要開展組網(wǎng)電磁空間波形安全與防護(hù)、網(wǎng)絡(luò)空間信息安全與防護(hù)的策略研究與設(shè)計，解決射頻隱身、自適應(yīng)抗干擾、物理層安全、加密與認(rèn)證及入侵檢測問題，實現(xiàn)整網(wǎng)匿蹤、抗截獲、抗干擾、抗入侵和抗盜用。

未來陸?？仗齑笠?guī)模有人/無人節(jié)點的綜合信息傳輸、物理測量需求和強(qiáng)對抗、復(fù)雜電磁環(huán)境下的戰(zhàn)場環(huán)境，對天空地一體化測控網(wǎng)絡(luò)提出了挑戰(zhàn)，進(jìn)而引導(dǎo)和推動測控理論和單項技術(shù)發(fā)展。包括研究信息綜合傳輸和物理測量多業(yè)務(wù)一體化融合技術(shù)；研究Ka頻段測控技術(shù)和激光測控技術(shù)，提高測控系統(tǒng)工作頻段，以支持寬帶數(shù)據(jù)傳輸和高精度測量；研究新型高速數(shù)據(jù)傳輸調(diào)制/解調(diào)方案；研究高精度測距測速測量技術(shù)、全球衛(wèi)星導(dǎo)航高精度定位技術(shù)和無線電定位技術(shù)，超高精度和穩(wěn)定度時鐘技術(shù)、精密時間/頻率同步技術(shù)；研究高精度相對測量技術(shù)；研究有人/無人節(jié)點智能化，自主化測控，授時和信息交互技術(shù)；研究相控陣測控技術(shù)和寬帶天線組陣技術(shù)；研究新型網(wǎng)絡(luò)傳輸與接入技術(shù)、組網(wǎng)協(xié)議和路由技術(shù)；研究寬帶擴(kuò)/跳頻、混沌擴(kuò)頻、電磁空間波形安全與防護(hù)等安全防護(hù)技術(shù)；研究測控系統(tǒng)設(shè)備綜合化、數(shù)字化和軟件定義無線電技術(shù)等。

3測控技術(shù)的展望

未來戰(zhàn)爭將是陸海空天網(wǎng)電域的多域、跨域和全域作戰(zhàn)任務(wù)，以及高動態(tài)、強(qiáng)對抗、大規(guī)模有人/無人集群協(xié)同的網(wǎng)絡(luò)化，智能化和一體化的多軍種聯(lián)合作戰(zhàn)體系。作為綜合信息傳輸和物理測量的重要基礎(chǔ)設(shè)施，測控系統(tǒng)的研究和建設(shè)可以吸納借鑒大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計算和區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)的成果，發(fā)展成為網(wǎng)絡(luò)化、智能化、弱中心化、云架構(gòu)、隨遇接入、跨域覆蓋、安全可靠、測運控一體和多業(yè)務(wù)融合的全域一體化綜合信息網(wǎng)絡(luò)，為未來戰(zhàn)場廣域態(tài)勢感知與認(rèn)知、信息傳輸與指揮控制、多層次全方位立體精確打擊提供重要支撐和保障。

4結(jié)束語

測控系統(tǒng)作為陸海空天各類有人/無人系統(tǒng)綜合信息傳輸和物理測量的重要信息基礎(chǔ)設(shè)施，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的角色是整個戰(zhàn)場體系的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，起到?jīng)Q定戰(zhàn)爭勝敗的關(guān)鍵作用。立足于有人/無人系統(tǒng)集群的網(wǎng)絡(luò)化、智能化和一體化測控需求，結(jié)合測控系統(tǒng)的演變歷程，發(fā)展能夠適應(yīng)未來測控需求的測控系統(tǒng)，是未來軍事技術(shù)發(fā)展的重要研究內(nèi)容。

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