测控技术的发展现状与展望

陈帅 杨宜康 叶旅洋

摘要：通过研究国内外测控技术的发展历程和现状，预判未来测控系统的发展趋势：测控系统将发展成为联接陆海空天各类有人/无人系统的一体化网络化体系，是为陆海空天各类平台提供跟踪测量、遥测遥控、指挥控制、数据传输和导航定位授时等多种业务支撑的重要信息基础设施。梳理出大规模节点的综合信息传输和物理测量、天空地一体化测控网络架构和协议体系、天空地一体化测控网络路由技术、天空地一体化网络频谱架构及天空地一体化网络安全架构5项挑战性关键技术，针对每项关键技术提出重点研究方向，并梳理出测控理论和单项技术的发展方向，展望测控系统的未来形态。

关键词：测控；航天测控网；测运控一体

中图分类号：TP393文献标志码：A文章编号：1008-1739（2020）14-70-4

0引言

测控最初的概念是指测量与控制，TT&C（Tracking，Telemetry and Command）即对飞行器进行跟踪测轨、遥测和遥控等。测控系统是联接飞行器与地面的信息传输媒介，是航天工程和军事设施的重要组成部分。随着军事需要和航天技术的不断发展，测控系统的内涵不断演进，由初期的TT&C到测控通信（TT&C and Communication，T&C），再到空间通信与导航（Space Communication and Navigation，SCaN）[1-2]。目前，陆海空天各类有人/无人系统技术快速发展，对测控通信提出了更高的要求，测控系统为陆海空天各类有人/无人系统提供跟踪测量、遥测遥控、指挥控制、数据传输和导航定位授时等多种业务支撑的重要信息基础设施。未来战争形态正在演进为陆海空天网电全域的网络化、智能化和一体化联合作战。测控网络作为信息物理融合一体化的信息传导介质与时空参数测量手段，在现代战争中的角色是整个战场体系的中枢神经系统，起到决定战争胜败的关键作用。

1国内外发展现状

1942年，测控系统首次用于德国V2火箭的跟踪、遥控和遥测，70多年来，测控通信体制经历了分离测控体制、统一载波测控通信体制、扩频测控通信体制和相控阵多目标测控通信体制4个发展阶段。测控系统平台由陆海基平台发展到了跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS）及全球卫星导航系统等天基平台；同时测控目标由单站单目标发展成为单站多目标测控；作用距离由近地空间向深空测控发展；工作频段向Ka和激光频段发展；测控链路形态由点对点向多网综合和天空地一体网络化发展；测控设备的综合化、数字化和软件定义化程度不断提高，操作便捷性和可重构能力越来越强。测控系统按照应用范围可以分为航天测控网、无人机测控系统和数据链系统等[3]。

1.1航天测控网

航天测控网是完成运载火箭和航天器跟踪测轨、遥测、遥控、通信和导航定位授时的综合电子信息网络，主要分为近地网、天基网和深空网3类。根据国内外的发展情况，多个独立的测控网逐步走向综合化的通信与导航网络。2008年，美国国家航空航天局确立了SCaN计划，包括集成前阶段（2010—2015年）、集成阶段（2015—2020年）和集成后阶段（2020—2025年），通过3个阶段的发展，将近地网、天基网和深空网整合成一个统一的综合网络，使用国际标准协议和用户接口，利用所有资源为太阳系载人探测和科学任务提供通信与导航业务，包括跟踪测量、遥测遥控、指挥控制、数据传输和导航定位授时等业务[4]。

目前，我国在近地测控网建设方面，测控通信体制发展到扩频测控体制，工作频段增加了Ka频段，实现了多频段测控天线共用和基带测控与数传一体化等。在天基测控网建设方面，“天链一号”中继卫星系统实现了三星组网运行；在深空测控网建设方面，建成了66 m S/X双频段和35 m S/X/Ka三频段深空测控通信系统，以及深空干涉测量系统，对火星远地点以内的深空目标覆盖率达到90%以上。未来，我国还将建成天空地一体化测控通信网络，提供跟踪测量、遥测遥控、指挥控制、数据传输和导航定位授时等多种业务[5]。

1.2无人机测控系统

20世纪60年代，无人机作为单平台在实战中开始应用，地面人员通过空地视距通信链路实现无人机的控制。随着无人机作战方式的改变和作战范围的扩大，无人机开始装备宽带超视距数据链和卫星通信设备，满足全球范围内无人机跟踪测量、遥测遥控、指挥控制和数据传输需求。

美军现阶段对以无人机为代表的无人装备实施测控的主要方式是利用视距和卫星手段，小型战术无人机一般不装备卫通链路，更多的是采用视距数据链；中高空、长航时无人机通常都会配备视距、超视距多条通信链路来满足跟踪测量、遥测遥控、指挥控制、起降控制和数据传输需求。通常大中型无人机会搭载Link-16数据链、MP-CDL数据链及机间数据链等多种数据链实现有人/无人协同作战[6-7]。

国内现役无人装备测控同样采用视距与卫星通信2种手段，均具备宽带和窄带2种类型的测控链路，其组织运用方式与美军基本相同。在无人平台位置测量与导航方面，国内无人机同样以GPS、北斗、GLONASS等卫星导航手段为主，同时，视距测控链路提供地空、空空测距与测向功能，可实现无卫星导航信号下无人平台的定位与导航。

1.3数据链系统

数据链系统是飞机平台与地面站之间进行指挥控制、跟踪、遥测、遥控、通信和导航定位授时等业务的无线通信系统。为提高通信可靠性、實时性和连续性，中大型无人/有人飞机一般都包括视距数据链和超视距数据链。数据链包括测控数据链和侦察数据链，测控数据链的典型代表是美国及北约的Link-4、Link-11、Link-16、Link-22数据链。侦察数据链是信息传输和指挥控制一体化的宽带数据链，用于无人机和地面控制中心的信息交互和实时指挥控制，最典型的侦察数据链是美军的战术通用数据链（TCDL）[8]。

2测控技术面临的挑战与对策

未来战争将是陆海空天网电域的多域、跨域和全域作战任务，以及高动态、强对抗、大规模有人/无人集群协同的网络化、智能化和一体化的多军种联合作战。战场的复杂对抗环境对测控系统和测控技术提出了挑战。

2.1大规模节点的信息综合传输和物理测量

测控系统作为信息传导介质和时空参数测量的基础设施，需要支持大规模目标节点高容量、大带宽、低延时和高安全性的宽带数据传输业务；支持大规模目标节点同时、全域、全天候和连续实时的高精度测量业务；支持大规模目标节点的导航定位授时服务，支持大规模节点的指挥控制、任务规划和决策调度业务。现有的天地基测控系统受制于技术局限，以及设施和领域限制，业务容量严重受限，战场生存率也不容乐观，无法为大规模节点提供安全可靠的信息综合传输和物理测量服务。

物联网和5G技术的发展，为研究面向超大规模分布式可重构有人/无人集群系统的宽带一体化测控网提供了技术基础[9]。针对多军兵种跨域联合作战的任务时敏性、不确定性、强对抗性及平台低生存率等复杂恶劣环境，面向陆海空天各类有人/无人节点，基于全球低轨宽带互联网星座和5G技术，构建天空地一体化综合业务测控网络，实现宽带数据传输、高精度测量、导航定位授时、指挥控制、任务规划和决策调度业务的一网融合，具备强鲁棒性的综合业务支持能力、强对抗环境的安全防护能力、结构可重构能力和任务动态适应能力。

2.2天空地一体化测控网络架构和协议体系

为了实现多域、跨域和全域测控通信，测控网需要融合多种各具特点的异构测控子网，实现天空地一体化测控。天空地一体化网络具有节点距离远、拓扑高度动态、组成高度异构、接入随机触发、链路传输时延较大、链路连接不连续及上下行链路非对称等特点，对整个网络的鲁棒性、兼容性和可拓展性等提出了挑战。因为融合了多种各具特点的异构测控子网，各子网对网络协议体系的具体需求也不尽相同。现有的TCP/IP、CCSDS及DTN等并不能完全适应于天空地一体化网络环境，亟需设计新的网络协议体系，在兼容各子网特定需求的同时，实现一体化网络功能[10]。

软件定义网络和网络功能虚拟化技术已经在5G网络建设中得到应用。基于SDN和NFV可实现网络逻辑功能切片，将物理资源虚拟化成虚拟网络，每个切片在逻辑上相互隔离，可以运行不同的协议，适配各切片网络的服务需求，可解决高效利用网络资源与业务低时延保障之间的矛盾。因此，天空地一体化测控网络协议体系可以借鉴现有网络协议体系的成果，实现灵活高效、智能化和一体化组网。

2.3天空地一体化测控网络路由技术

天空地一体化网路拓扑变化频繁，导致拓扑维护负荷过重，网络资源利用率较低。特别是在强对抗的战场环境中，受限于物理环境和网络层面的强干扰特性，路由抗毁性难以保障。由于异构网络间缺乏融合协议，多域、跨域或者全域端到端路由难以构建，这些问题均对路由的建立、维护和选择产生了重要影响。

为了高效、可靠地实现信息分组的路由和转发，需要开展天空地一体化网络路由技术的研究。具体包括：天空地一体化网络拓扑机制、抗毁路由算法及异网融合等。同时，分层路由架构和域间路由隔离机制对天空地一体化网络至关重要。各异构网络针对各自网络的独特性设计专用的路由算法，且无需考虑其他网络，实现自我独立管理；而域间则通过兼容性较强的域间路由协议实现安全可靠的互联。

2.4天空地一体化网络频谱架构

天空地一体化网络测控的工作频段涵盖了S、X、Ku、Ka以及未来的激光频段，为了满足多域、跨域和全域测控场景的需求，需要统筹考虑涵盖低、中、高频段在内的全频段。

为了实现全频段频率资源的高效管理，研究基于认知无线电技术的频谱智能感知、频谱智能分析、自适应频谱资源分配、动态信道分配和自适应功率控制技术，实现动态频谱分配和频谱共享，提高频谱效率和频谱划分的灵活性。

2.5天空地一体化网络安全架构

由于天空地一体化网络固有的、开放的网络通信信道和异构的网络结构，拓扑结构频繁变化，安全边际难以确定，容易受到不同方面和不同层次的干扰和攻击，如太阳黑子爆发、宇宙射线等自然因素对终端设备形成的物理影响和破坏，电离层反射和空间电磁辐射等因素导致信号畸变及数据传输中断等。尤其是在强对抗的复杂战场环境下，测控系统面临电磁域的窄带干扰、压制式干扰和欺骗干扰等，无线信道被恶意入侵、窃取和篡改，网络空间的博弈对抗等挑战。

为了保障强对抗、复杂电磁环境下的天空地一体化测控网络的信息安全可靠传输，需要开展组网电磁空间波形安全与防护、网络空间信息安全与防护的策略研究与设计，解决射频隐身、自适应抗干扰、物理层安全、加密与认证及入侵检测问题，实现整网匿踪、抗截获、抗干扰、抗入侵和抗盗用。

未来陆海空天大规模有人/无人节点的综合信息传输、物理测量需求和强对抗、复杂电磁环境下的战场环境，对天空地一体化测控网络提出了挑战，进而引导和推动测控理论和单项技术发展。包括研究信息综合传输和物理测量多业务一体化融合技术；研究Ka频段测控技术和激光测控技术，提高测控系统工作频段，以支持宽带数据传输和高精度测量；研究新型高速数据传输调制/解调方案；研究高精度测距测速测量技术、全球卫星导航高精度定位技术和无线电定位技术，超高精度和稳定度时钟技术、精密时间/频率同步技术；研究高精度相对测量技术；研究有人/无人节点智能化，自主化测控，授时和信息交互技术；研究相控阵测控技术和宽带天线组阵技术；研究新型网络传输与接入技术、组网协议和路由技术；研究宽带扩/跳频、混沌扩频、电磁空间波形安全与防护等安全防护技术；研究测控系统设备综合化、数字化和软件定义无线电技术等。

3测控技术的展望

未来战争将是陆海空天网电域的多域、跨域和全域作战任务，以及高动态、强对抗、大规模有人/无人集群协同的网络化，智能化和一體化的多军种联合作战体系。作为综合信息传输和物理测量的重要基础设施，测控系统的研究和建设可以吸纳借鉴大数据、物联网、人工智能、云计算和区块链等新一代信息技术的成果，发展成为网络化、智能化、弱中心化、云架构、随遇接入、跨域覆盖、安全可靠、测运控一体和多业务融合的全域一体化综合信息网络，为未来战场广域态势感知与认知、信息传输与指挥控制、多层次全方位立体精确打击提供重要支撑和保障。

4结束语

测控系统作为陆海空天各类有人/无人系统综合信息传输和物理测量的重要信息基础设施，在现代战争中的角色是整个战场体系的中枢神经系统，起到决定战争胜败的关键作用。立足于有人/无人系统集群的网络化、智能化和一体化测控需求，结合测控系统的演变历程，发展能够适应未来测控需求的测控系统，是未来军事技术发展的重要研究内容。

参考文献

[1]雷厉，朱勤专.飞行器测控通信技术发展趋势与建议[J].飞行器测控学报，2014，33（6）：463-468.

[2]颜洁，彭玉婷.NASA空间通信与导航网络现状及未来发展[J].國际太空，2018， 475（7）：25-31.

[3] LIU Jiaxing. Spacecraft TT & C and Information Transmission Theory and Technologies[M]. Berlin：Springer， 2015.

[4] YOUNES B A，SCHIER J S. Space Communications and Navigation （SCaN） Integrated Network Architecture Definition Document （ADD） Volume 1： Executive Summary[J]. NASA SCaN-ADD-V1，Revision，2014，2：21.

[5]李潇，陆婷婷，李，等.国外空天地一体化网络及其在联合作战中的应用[J].飞航导弹，2020，1（5）：59-63，70.

[6]刘明辉.无人机高速数据链关键技术研究[D].西安：西安电子科技大学，2019.

[7]翟中英，闫朝星.无人机测控通信自组网技术综述[J].遥测遥控，2018，39（4）：66-74.

[8]何肇雄.战术数据链组网技术研究[D].长沙：国防科学技术大学，2011.

[9]王胡成，徐晖，程志密，等.5G网络技术研究现状和发展趋势[J].电信科学，2015，31（9）：156-162.

[10]李贺武，吴茜，徐恪，等.天地一体化网络研究进展与趋势[J].科技导报，2016，34（14）：95-106.