未来飞行器测控通信体系结构及关键技术

雷 厉,胡建平,朱勤专

(中国西南电子技术研究所,成都 610036)

1 引 言

飞行器测控通信技术属于集雷达、通信、导航、自动控制、计算机及网络等学科的综合应用技术,用于实现对飞行器的跟踪测轨(外测)、遥测(内测)、遥控和信息传输。飞行器测控系统始于对火箭的靶场测量,随着技术的进步和应用的扩展,测控系统在跟踪测轨、遥测和遥控的基础上兼容了信息传输功能,因此又叫“测控通信系统”或“测控与信息传输系统”。

在国际上,经过70多年的发展,测控系统的体制从“分离”过渡到了“统一载波”[1];信号形式从常规到扩频;承载平台从陆基、海基发展到天基;应用模式从单站到多站组网工作;服务目标对象从导弹、运载火箭、航天器到无人机、临近空间飞行器,以及跨界的空天飞机;同时服务的目标数量从单个到多个目标;用途从军用到民用和科学探索;作用距离从航空高度到遥远的深空。

在未来一段时期,飞行器的种类和数目将持续增加,任务操作越来越复杂,这不仅需要继续提高测控通信能力,扩大服务范围,还需要研究和建立性能良好、安全可靠、可灵活重构、开放互联、支持互操作的,面向航天器、航天靶场、临近空间飞行器、无人机的天空地一体化测控通信体系,以实现测控资源的综合利用和统一管理。

2 未来测控通信任务需求

根据可能的任务需求和技术发展趋势,未来20年对测控通信系统的要求可以归纳如下。

(1)“高”

高覆盖:载人空间站、载人登月、深空探测、高超音速临近空间飞行器等要求测控通信覆盖率越高越好,甚至达到地球或其它星体表面的100%。

高精度:共位同步卫星的位置精度要求达到米级;近地轨道卫星的位置精度要求达到30 cm;编队飞行卫星的相对位置测量精度要求达到纳米级,相对速度测量精度要求达到每秒微米级;月球和深空探测的测速精度要求为0.001mm/s,测距精度要求为1 m。采用差分单向测距(Δ DOR)时延可达0.5 ns(相当于15 nrad)的精度,引入脉塞时频系统和同波束干涉(SBI)技术进一步可达5 nrad。

高频段:为满足日益增长的数传容量、测量精度、抗干扰和减小“黑障”影响等要求,星地链路将向Ka频段转移,空间链路将使用V频段和光学频段。

高速率:中继卫星、月球探测、火星探测、临近空间站的数传速率要求达到1～20 Gbit/s。

高安全防护能力:为了应对未来空间威胁和日益复杂的电磁环境,测控系统需要进一步提升安全防护和自我生存能力。

(2)“远”

高超音速临近空间飞行器的航程将达半个地球表面;火星探测的最远距离达到4×108km。

(3)“快”

速度快:高超音速临近空间飞行器飞行速度将达到20 Mach以上,将要求解决极快速度捕获和“黑障”效应问题。

响应快:航天靶场要求支持快速响应发射;应急测控要求测控设备以最快的速度完成任务准备。

(4)“多”

多目标同时测控:星座、星群、编队飞行、无人机群等要求同时多目标测控通信。

多飞行器组网:多个飞行器构成无线自组织网络,可以提高性价比。

多种测控手段综合运用:无线电跟踪测量、跟踪与中继、全球卫星定位、脉冲星X射线导航、相对导航等手段的综合运用,可以取长补短,满足多样性任务要求。

(5)“通”

通用化开放式系统结构:按层次划分系统结构,各层次间采用标准的接口。以方便不同系统之间的互联、互通和互操作;硬件和软件的移植和重用;系统功能的增强和扩充;提高系统的冗余和重构能力。

(6)“软”

软件无线电:在具有开放性、标准化的通用硬件平台上,通过基于开放式系统互连的分层软件体系,实现多功能综合的测控基带、数传基带和应答机。

(7)“网”

网络化测控通信体系:未来需采用互联网技术实现天基、空基和地基测控通信资源的综合利用。

(8)“省”

省投入:建立多波束测控站;尽量使用天基测控资源、采用多飞行器组网等可减少地基站的数量。

省维护成本:用户要求提供远程诊断、维护能力。

3 未来测控通信系统的体系结构

在未来20年左右的时间内,航天器、航天靶场、临近空间、无人机四大应用领域的飞行器测控通信系统将在现有基础上,通过各自性能提高、手段完善、网络化演进等历程,最终统一为天空地一体化测控通信网,以实现测控通信任务统一指挥控制、飞行器态势综合显示、测控通信资源综合利用并可持续发展的目的。

3.1 中期各应用领域测控通信系统的体系结构

3.1.1 未来航天器测控通信系统的体系结构

航天器测控通信系统的任务范围包括地球任务、月球任务、火星任务等太阳系范围内的任务,以及更远太空中的航天任务[2]。

航天器测控通信的功能与业务:为航天器提供测控和通信服务。除了无线电外测跟踪业务外,自主定位的航天器还可应用全球卫星导航定位系统和惯性导航设备进行定位。编队飞行卫星和星座将用相对测量手段进一步提高测量精度。

航天器测控通信体系的构成:由地球局域网(包括近地中继单元、中低轨卫星网络和地基测控通信站,其中地基测控站含陆基固定、机动站和海上测量船)、月球局域网、火星局域网组成,如图1所示。

图1 航天器测控通信系统的体系结构Fig.1 Architecture of spacecraft TT&C communication system

网络结构:在现有的无线电点对点连接和链路中继方式的基础上,采用不断发展的互联网技术,为太阳系的用户提供无处不在的端-端连接,进一步发展为“行星际互联网(IPN)”。

行星际互联网的基本思路:在低延时的遥远环境中部署标准的因特网,建立适应长延时空间环境的骨干链路来连接这些分布的因特网,创建低延时和高延时的中继网关。

行星际互联网的构成如下:

(1)行星际骨干网络。涵盖目前使用的地基近地航天器测控网和深空网,用于提供地球、月球、外层空间的行星及其卫星、放置在行星拉格朗日引力稳定点的中继站之间的测控通信,它包括直接和多跳无线链路。

(2)行星区域网。包含行星卫亚子网和行星表面子网。行星卫星子网提供地—星中继服务和行星表面节点的测控通信服务,行星表面子网用于连接运载器、着陆器、漫游器、巡视车,以及分布于一个点对点(Ad Hoc)网络中的传感器。

(3)行星际外部网。包括星座、编队和卫星群网络。

频谱结构:根据国际电联、无线电委员会的规定和现状,未来航天器测控通信主要使用UHF、L、S、C、X、Ka无线电频段和光学频段,其中UHF频段主要用于火星中继卫星到火星表面的测控,L频段主要用于自主导航和定时,S、C频段主要用于测控,X、Ka频段主要用于地-月、地-火、地-日拉格朗日点的测控和任务数据传输。

测控(导航)结构:包括无线电跟踪测量、遥控和遥测;全球卫星定位系统的应用,即自主定位、授时和时间同步;跟踪与中继卫星的应用;相对导航技术的应用。

安全结构:为需要数据安全的用户提供可供选择的数据保护业务,包括加密和认证。尤其是遥控信息的端-端保护,通常有3种安全业务方案:网络层安全业务、应用层安全业务和应用层/网络层混合安全业务。另外,还需要从信号体制和信号处理上防止信号被非法获取和人为干扰。

3.1.2 未来航天靶场测控与监视系统的体系结构

航天靶场的任务:对运载器、导弹和其它新概念飞行器等的发射支持,具备支持覆盖地球表面和低地球轨道的快速反应发射、全射向发射、全球机动发射、在轨操作、轨道转移和再入的能力。监视将成为靶场的重要功能之一。

航天靶场测控与监视体系的构成:由天基资源(包括全球卫星定位系统、跟踪与中继卫星系统和其它星座)、空基资源(包括测控与监视飞机、无人机、飞艇)和地基测控与监视站,以及航天靶场指挥与操作中心构成,如图2所示。

图2 航天靶场测控与监视系统体系结构Fig.2 Architecture of aerospace site TT&C and surveillance system

网络结构:中期以点对点连接为主,逐渐将天基、空基和地基资源通过网络无缝综合。

频谱结构:航天靶场将主要使用 L、S、C、X、Ka频段,其中L频段用于卫星定位与授时,S、C、X频段用于一般运载和导弹的测控,Ka频段用于卫星中继和超高声速导弹的测控。

测控与监视结构:以天基测控资源(全球卫星定位系统、跟踪与中继卫星系统或其它星座的应用)为主,辅以空基和地基无线电跟踪测量。测控与监视空域可以覆盖半个地球。

安全结构:主要从信号体制、信号处理和数据保护上采取措施。

3.1.3 未来临近空间测控通信系统的体系结构

临近空间通常是地球表面以上20～100km高度之间的空域[3],是当前开发利用较少的空域,它不但把“空”和“天”衔接起来了,也将成为新的作战空间。2005年8月8日美国国防部公布的《无人机系统线路图2005-2030》中也新增加了发展临近空间无人飞艇等内容[4]。

临近空间飞行器可分为低动态飞行器和高动态飞行器。低动态飞行器包括自由浮空器、半可控浮空器、平流层飞艇、升浮一体飞行器、太阳能无人机等。高动态飞行器包括超音速有动力巡航飞行器、高超音速有动力巡航飞行器(HCV)、无动力通用再入飞行器(CAV)、空天往返飞行器(如空天飞机、应急轨道飞行器)等。

临近空间飞行器测控通信系统的任务:对低动态、高动态临近空间飞行器提供从起飞或发射、飞行/作战、降落等全过程的测控和数据传输支持。

临近空间飞行器测控通信体系的构成:由天基资源(包括全球卫星定位系统、跟踪与中继卫星系统和其它星座)和地基测控站,以及临近空间飞行器指挥与操作中心构成,如图3所示。

图3 临近空间测控通信系统体系结构Fig.3 Architecture of near space TT&C communication system

网络结构:中期以点对点连接为主,逐渐将天基和地基资源通过网络无缝综合。

频谱结构:根据国际电联(ITU)的规定,临近空间飞行器可使用L频段(1885～1980MHz,2110～2170MHz)、Ka频段(下行:27.5～28.35GHz,上行:31.0～31.3GHz)和V频段(下行:47.2～47.5GHz,上行:47.9～48.2GHz)。

测控结构:由地基测控站提供视距测控和数传支持,由天基资源提供超视距,甚至全程测控与数传支持。

安全结构:主要从信号体制、信号处理和数据保护上采取措施。

3.1.4 未来无人机测控通信系统的体系结构

在未来,无人机的应用范围将越来越大,甚至代替有人机作战。

无人机测控通信系统的任务:在无人机起飞或发射、空中作业或作战、着陆或回收等阶段提供定位、遥控、遥测和数据传输支持。

无人机测控通信体系的构成:由天基资源(全球卫星定位系统、跟踪与中继卫星系统、通信卫星系统等)、临近空间资源(飞艇或临近空间站)、空基资源(中继无人机)、地基资源(地面测控站和数据链终端),以及地面指挥控制中心等构成,如图4所示。

图4 无人机测控通信系统体系结构Fig.4 Architecture of UAV TT&C communication system

网络结构:一般单机为点对点连接;多机构成机群时,以中继机为中心构成无限局域网。

频谱结构:根据国际电联规定和我国实际情况,无人机测控数据链常使用 VHF 、UHF、L、C 、X、Ku、Ka频段。

测控结构:由天基和临近空间基资源提供超视距定位、遥测和遥控,地基资源提供视距测控,空基资源提供多机组网测控。

安全结构:主要从信号体制、信号处理和数据保护上采取措施。

3.2 远期天空地一体化飞行器测控通信系统的体系结构

在远期,随着航天器、航天靶场、临近空间飞行器和无人机测控通信任务的不断增多、测控通信基础设施的完善,以及空间互联网技术的成熟,把航天器测控通信、航天靶场测控监视、临近空间飞行器测控通信、无人机测控通信4个单元综合成一个天空地一体化测控通信系统,将能更充分地利用测控通信资源,全面掌握飞行器态势,进一步提高效费比。

天空地一体化飞行器测控通信系统为各类飞行于空间、临近空间和空中的飞行器提供测控和通信服务。体系由航天器、航天靶场、临近空间飞行器和无人机测控通信系统4个物理单元和相互交迭的网络、电磁频谱、测控和安全结构,以及飞行器指挥与控制中心和虚拟操作控制分中心组成。该体系结构通过网络技术将测控通信能力扩展到整个太阳系,使用户从一个单元到另一个单元时可无缝顺利过渡。联网结构具有互操作、标准化和提高资源利用率,支持多种端到端用户应用的标准化分层数据通信业务的特点。图5是天空地一体化飞行器测控通信体系的示意图[5]。

图5 天空地一体化飞行器测控通信系统体系结构Fig.5 Architecture of space-air-ground TT&C communication system

网络结构:采用异构开放的互操作标准,建立通用空间互联网的基础结构。它由骨干网、接入网、飞行器间的网络和临近行星网络组成,其中骨干网包括地面网络和空间网络、飞行器指挥控制中心的内联网、虚拟专用网等;接入网包括骨干网络与任务飞行器(含其上的局域网络)之间的通信接口;飞行器间的网络包括星座、编队、星群、无人机群中飞行器间的网络;临近行星网络包括连接空间运载器、着陆器、传感器等的网络。

分层/完整的通信结构:通信网络将采用开放系统互连的七层模型中下面的五层,在各层之间的交互控制使得飞行器载数据路由及飞行器间数据自主路由成为可能。通过允许控制天线、发射功率、传输数据率,以及距离变化的媒体接入方法,提供完全的端对端数据路由能力,从而使飞行器能够按要求接入网络。这些层中的协议和接口使得交互连接能根据网络任意节点的要求进行连接或中断。空天地一体化测控通信系统体系结构中的互联网协议层如图6所示。

图6 天空地一体化测控通信系统互联网协议层Fig.6 Internet protocol layer of integrated space-air-ground TT&C communication system

频谱结构:使用VHF 、UHF 、L 、S 、C、X 、Ka、V 和光学等频段,以足够的带宽、数传速率和尽量简单的硬件配置,提供测控通信和定位服务。

测控结构:综合利用无线电测控、跟踪与中继、全球卫星定位、脉冲星X射线导航和相对导航等技术,为航天器、航天靶场、临近空间飞行器和无人机提供无缝的测控通信服务,实现飞行器高覆盖、低成本的统一管理。

安全结构:为需要数据安全的用户提供若干可供选择的数据保护业务,包括加密和认证,以及应对人为射频干扰的措施等。

4 未来测控通信系统的主要关键技术

根据目前的技术现状,构建天空地飞行器测控通信系统尚需从物理层、链路层、网络层等解决所面临的众多技术难题。今后应重点研究下列关键技术。

(1)高精度无线电跟踪测量技术

需要进一步从再生式PN码测距、宽带测距、单向测速、差分单向测距(Δ DOR)、同波束干涉测量技术(SBI),以及编队飞行的相对导航等多个方面的技术着手,达到提高测量精度的目的。

(2)高速数据传输技术

目前市场上已有2Gbit/s的数传解调器。随着码速率的进一步提高,高速数字解调器中数字采样的精度、高速算法、载波恢复、差分译码和信道均衡的难度越来越大,高速数字调制器在调制频段、调制方式、信道编码等方面均面临难题。

(3)高超音速临近空间飞行器的测控技术

需要突破适应高超音速临近空间飞行器在“黑障”条件下的全程、实时测控和安控技术。

(4)多目标同时测控技术

多目标同时测控技术包括单站多目标(利用有源多波束相控阵天线、六面相控阵天线、圆顶相控阵天线、数字多波束天线等实现单站多目标测控)、卫星定位+卫星中继方案、单波束站+飞行器网方案、卫星中继+飞行器组网方案和宽波束+CDMA等。

(5)激光测控通信技术

激光测控通信系统具有高码速率信息传输、高精度位置测量能力,也可用于遥控、遥测,是极具潜力的新型测控通信手段。目前需要解决高精度跟瞄技术、高功率高重频激光器技术、强背景条件下微弱信号检测技术等。

(6)新兴导航定位技术

脉冲星X射线导航、星上光学导航、组合导航、无线局域网内飞行器自主定位技术等将是未来飞行器导航定位的主要方向,需要开展综合研究。

(7)网络技术在测控通信中应用

空间容延迟网络(DTN):需要研究大容量数据的动态和随机传输、容延迟协议、高可靠路由、流量控制、网络命名寻址协定、纠错编译码、时间同步、网关节点维护、数据安全,以及行星际中继、网络节点的导航技术。

自组织网络(Ad Hoc):需要研究介质访问控制协议、安全的路由设计、提供服务质量的路由协议、协议节能策略,以及网内节点的导航技术。

(8)安全防护技术

探索混沌序列扩频测控通信技术、扩/跳结合的测控通信技术、空-时/空-频自适应处理技术,以及新的加密认证技术。

(9)模块化开放式结构

研究制定测控通信系统接口、服务、支持形式的开放标准,以可重新配置、通用的硬件平台为基础,用开放式、可升级的应用程序来实现测控通信功能,使设备能即插即用,系统易于互联、互操作,易于增加功能或设备、升级和重构。

(10)测控通信设备远程诊断与维护技术

采用现代检测技术、故障诊断专家系统、数据库技术和多媒体通信技术,通过网络监测测控通信装备的工作状态,实施远程故障诊断、软件的升级与更新,指导现场可更换单元的更换,从而保持系统的健康。

5 结束语

航空航天技术的迅猛发展,为测控通信技术的应用带来了新的机遇和挑战。网络技术已经改变了商业模式、组织机构和业务流程,把人类世界变成了地球村。因此,我们相信网络技术也会改变测控通信的体系结构、系统组成和信息流程,将大大提高测控通信资源的利用效率。

[1] 赵业福.卫星测控网的技术发展[J].飞行器测控学报,2002,21(3):1-4.ZHAO Ye-fu.Technology Development of Satellite TT&C Network[J].Journal of Spacecraft TT&CTechnology,2002,21(3):1-4.(in Chinese)

[2] 2005～2030年NASA空间通信与导航体系结构建议[M].张纪生,等,译.北京:北京跟踪与通信技术研究所,2007.NASA′s Space Communication and Navigation System Architecture in Years form 2005 to 2030[M].Translated by ZHANG Ji-sheng,et al.Beijing:Institute of Tracking and Communication Techniques,2007.(in Chinese)

[3] Unmanned Aircraft System Roadmap 2005-2030[R].Washington:Office of the Secretary Defense,2005.

[4] 李文正,龚波.美国对临近空间概念的研究[J].863航天航空技术,2005(11):1-16.LI Wen-zheng,GONG Bo.Study on Nearspace Concept[J].863 Aerospace&Astronautics Technology,2005(11):1-16.(in Chinese)

[5] 美国未来的空间通信基础设施体系结构及相关技术译文集[M].北京:北京跟踪与通信技术研究所,2006.Translated Papers on US Future Space Communication Architucture and Related Technology[M].Beijing:Institute of Tracking and Communication Techniques,2006.(in Chinese)