大型星座热袭来，测控运维技术跟得上吗？

+魏兴

当人类第一次向太空发射卫星时，航天测控系统就出现了。在上世纪六十年代美国实施阿波罗登月计划的时候，为了解决当时的航天测控和通信系统设备过多过重，电磁兼容性不好等问题，提出了革命性的USB（统一S波段）测控体制，大大简化了航天器和测控系统的设计。从此，以USB测控站为基础的航天测控系统得到了快速发展。在随后的几十年中，测控站从S波段扩展到了L波段、X波段和C波段等。这类测控设备相比雷达要便宜很多，这使得在全球建立商业化运营的测控网络成为可能。近些年来，在全球范围内随着商业航天的发展，商业测控网络也逐渐出现并发展壮大。

传统测控网络已无法满足商业测控的需求

图1是一个典型的航天测控网络架构图。现在主要航天大国的国家级测控系统都是基于类似的架构。从计算机网络的角度来看，这是典型的S/C（服务器/客户端）架构。控制中心（Control Center）是系统的核心。地面测控站（Ground Station），客户终端（Customer Terminals），远程终端（Remote Terminals），发射设施（Launch Facility）以及集成与测试设施（I&T Facility）都连接到控制中心上。控制中心作为服务器（S，Server），其他所有设备作为客户端（C，Client）。所有的数据都集中到控制中心，再通过控制中心分发。图1右下侧的客户终端也能够与自己的卫星进行双向通信，也能够完成一定的测控任务，但是通常来讲，卫星的用户自己不会维持一个覆盖全球的测控网，因此客户还是需要通过测控服务机构来完成对自己卫星的测控。各个客户端与服务器的连接可以通过专用的线路，也可以通过公共互联网，但是必须使用防火墙和VPN等设备来保证安全性。

这种S/C架构的测控网的好处显而易见。它的设备几乎都是专用的，能够最大限度地保证安全性。中国、美国、欧洲、俄罗斯等国家级的测控网络都是如此。但是，这种架构的测控网面对商业航天的需求，逐渐显示出很多不足之处。因此，近些年来，一些新的商业测控平台服务商，构建出了以云计算为核心的一体化测控平台，解决了这些不足的方面。在我国，北京天链测控技术有限公司（以下简称“天链测控”）就是一体化测控技术的佼佼者。

云计算为核心的一体化测控平台崭露头角

那么，云计算、云服务是什么意思呢？云计算、云服务是现代计算机技术的集大成者，是分布式计算技术、负载均衡技术、并行计算技术、网络存储技术、热备份冗余技术和虚拟化等计算机技术混合演进并跃升的结果。云计算是2006年由美国谷歌公司首先提出的概念。简单来说，云计算就是把在个人电脑或者服务器上进行的各种信息处理通过互联网搬到外部巨大的服务器上运行。云计算的核心思想，就是将大量用网络连接的计算资源统一管理和调度，构成一个计算资源池来向用户提供按需服务。

图1 航天测控网络架构图

图2 云服务模型

云计算按照服务模型可以分为三个层次：IaaS（基础设施即服务），PaaS（平台即服务），SaaS（软件即服务）。IaaS的服务商向客户提供服务器，存储设施以及网络设备等硬件，客户需要自己安装或开发操作系统和驱动程序，自己安装或开发各种应用软件。PaaS的服务商除了向客户提供基本的服务器，存储设备和网络设备硬件以外，还在系统中安装好了操作系统和一些基础的软件，客户不必关心底层的硬件和软件，只需要安装或开发自己的应用程序就行了。而SaaS则是连应用软件都为客户订制好了，客户只需要将自己的需求告诉服务商，付费即可使用。SaaS最典型的例子就是微软公司向客户提供的在线Office软件套件。（参见图2）

与传统测控系统相比，云服务优势在哪儿?

云服务的好处是显而易见的。在20年前，如果一家小公司想建立一个网站，那可太麻烦了。首先需要自己购买一台服务器，然后向电信运营商付托管费或租金，将服务器放进电信机房，然后租用网线，接着需要自己的工程师安装操作系统和一切软件，自己负责运营。如果发现服务器速度或存储容量不够，需要自己升级硬件，调整操作系统和软件。而现在则简单多了，可以向阿里云服务或腾讯云服务按需购买PaaS服务，企业把精力集中在网站的制作和运营上即可，根本不必关心硬件在什么地方。甚至可以购买云服务公司的SaaS网站创建服务，公司自己只要制作内容即可。

回到航天测控领域，天链测控的测控一体化平台就是典型的SaaS服务。用户只要通过电脑、手机、平板电脑等在地球任意地方通过互联网登录到天链测控的一体化测控SaaS平台上，就可以随时随地测控自己的卫星。（参见图3）

从天链测控的宣传资料上看，其在全球已有三十余个测控站，通过标准的TCP/IP网络连接到云服务器上。所有的数据都存储在云服务器上，并通过云服务器来分发。天链测控的测控服务软件部署在云服务上，根据登入云服务的客户的权限来提供不同的服务等级。除了能够在运维大厅登入云服务外，客户在世界任何地方都能够通过公共互联网来登入云服务。

传统的S/C架构的测控平台，只有控制中心才有联系所有测控站的权力，客户如果想要看到自己卫星的情况，往往需要到控制中心去才行。与封闭的服务器架构相比，开放的SaaS架构好处多多。

●首先，客户除了能够在测控大厅里接受测控服务以外，还能够使用笔记本电脑和各种移动设备，通过公用网络连接到云服务器上，在任何时间和地点都能够进行测控。

●其次，云服务架构方便扩展和移植，增加测控站不会给测控系统的软件带来多少工作量。

图4 天链测控的软件升级与开发规划

●再次，使用商用云服务系统使得测控公司不必关注底层硬件和软件，而是把精力集中在做好测控服务软件本身上。商用云服务系统的软硬件均经过市场的考验，拥有非常高的可靠性。

●使用云服务系统还有利于部署未来的新业务，功能不断完善，界面可订制。比如利用VR技术将航天器测控虚拟化，让客户或操作人员沉浸在立体化的虚拟场景中，宛如科幻电影，极大地提升客户的体验并提高操作人员的效率。（参见图4）

电影《普罗米修斯》中外星飞船里的虚拟星座图，使用VR技术不难实现

●由分散的多种软件集中到单一界面中。由于云服务器上存储有全部数据，过去由多种软件从多个数据库中提供的功能，能够由单一的软件来提供，集成性更好。（参见图5）

●由大量手动功能转变为大量自动化操作。所有地面站全自动运行，一体化测控云平台将传统多个软件的功能集成在一起，大大提高了自动化水平，减少了操作人员的数量。

●可靠性大大提高。传统多个软件数据交流可靠性低，而云存储能够实现数据多地备份，提高了可靠性。

我们看到，天链测控正是充分利用SaaS架构带来的好处，一步一步地实现航天测控系统的快速发展的。我们相信，基于云架构的一体化测控技术就是商业航天测控的未来。

一体化测控平台符合未来航天发展的趋势

随着美国SpaceX，Blue Origion等商业航天公司的崛起，全球商业航天领域正在孕育着巨变，与现有以国家机构为主体来运营航天器的机制有着巨大的不同。由NASA和OneWeb公司联合研究的成果表明，未来与商业航天有关的一切软件和硬件，都将基于云技术来构建。这就是航天器即服务的概念（SpaceCraft as a Service,SCaaS）。（参见图6）

SCaaS包括多个子系统，主要有飞行软件即服务（Flight Software as a Service,FSWaaS）,空间飞行动态即服务（Space Flight Dynamics as a Service,SFDaaS）,地面系统即服务（Ground Segment as a Service,GSaaS）,测控即服务（Tracking Telemetry &Commanding as a Service,TT&CaaS）。

而这些系统的核心就是测控即服务TT&CaaS。因为所有一切服务都是通过测控系统来实现的。而以天链测控为代表的商业测控服务商，已经把测控即服务TT&CaaS实现了。其余几种服务的实现并没有技术上的难点，关键是商业概念的整合与国际商业航天界达成一致意见，形成标准。

可以想象一下，这种商业航天的概念实现了之后会有什么场景：

如果一个客户想要一个地区的卫星照片，而当地上空并没有照相卫星的轨道，那怎么办？他只需要打开手机APP软件，通过4G或5G联网，通过测控即服务TT&CaaS发出指令，调用飞行动态即服务SFDaaS，指挥一颗照相卫星的飞行软件启动发动机变轨（这就是飞行软件即服务FSWaaS），向该地区上空的轨道转移，几个小时之内，照相卫星就能成功照相。数字照片可以通过测控即服务TT&CaaS传到用户手机的APP里。这一整体的服务概念就是航天器即服务SCaaS。

科幻不科幻？只要全球商业航天企业能够形成共识，整体推动这一概念，它的实现就并不遥远。中国在商业航天领域拥有天链测控这样的企业，掌握了测控即服务的核心技术，为实现这样的科幻场景打下了坚实的基础。也许在不远的将来，中国能够首先实现这样的科幻场景呢。

图5 天链测控一体化云平台的全要素管理能力

图6 NASA与OneWeb公司共同完成的航天器即服务概念