数网一体化航天测控体系结构研究

史成巍 郑思广 华书一

西安卫星测控中心天津测控站，天津 301900

0 引言

近年来，随着我国数字化技术的发展，航天测控领域微波设备逐渐向数字化[1]设备转型。数字化设备体系内依靠互通网络进行数字信号传输，测控装备整体网络化水平不断提高。目前，对于大规模数字化网络化航天测控装备后续建设、运行结构方面的研究内容很少。本文从工程应用的角度出发，在对国内最新测控技术、数字网络技术进行分析的基础上，以提高测控站的系统可靠性、资源利用高效性及快速反应能力为目的，设计了适应网络化需求的数网一体化测控装备的体系结构，并对体系结构在实际应用中主要涉及的运行策略进行了分析。数网一体化结构主要指的是由统一网络集中一体管理所有数字化装备。

1 我国测控设备的体系结构

我国航天测控设备目前已经进入资源动态重组[2]体系阶段，资源动态重组体系中将天线、信道、基带称之为资源，资源间通过开关矩阵相互连接，由天线、信道和基带组成的单条链路具备了独立执行测控任务的能力。传统测控装备一般由一个天线固定搭配两条信道和两套基带，为了实现热备份极大浪费了资源。资源动态重组后，由于所有资源间可以自由切换，10套天线就可以只配备12套信道、基带，多余的两套信道、基带就可以达到为所有天线做备份的目的。同时由于所有设备需要统一调配，动态重组体系一般只配备一套集中监控、自动化测试、时频设备等公共使用设备，这样既节省了公共设备，也提高了设备的集中监控水平。尽管该种体系结构优点很多，但随着技术的不断推进，许多问题也不断发生，部分文献[3]已做具体研究，具体表现为：

1)装备结构仍然庞杂，动态重组体系结构只是实现了部分资源的节约，但对于缩减整个测控系统的内部结构并没有起到实质作用；

2)设备厂家不同，导致研制过程中需要向涉及重组的其他厂家开展联合制造工作，增加了交流成本，复杂了制造工序；

3)装备更新换代快，导致新的设备新的功能过多，难以加入老的动态重组体系中，只能继续独立开辟重组体系，没有达到精简设备的效果。

以上问题的发生一方面是由于测控系统模拟设备环节过多，数字化水平偏低，进而导致系统过于庞杂，备份方式单一；另一方面是由于测控体系本身研制标准并没有达到高度统一，进而导致不同单位间设备有差异、新老设备无法兼容。根据这些情况本文提出一种精简体系结构、提高系统稳定性的数网一体化测控体系结构，其基本思想是：

1)在无线电波进入测控系统的入口处转换为数字信号，将原有的模拟信号处理器件精简；

2)除部分无法数字化设备外，测控系统内其他设备全部通过网络互联进行信息传输，网络结构增加抗毁打击能力；

3)在自动化运行方面，增加故障诊断[4]、处理和装备健康管理[5]机制，提高装备故障时的自愈能力。

2 系统结构设计

目前，我国的动态重组测控设备在组成上划分为集中监控平台、前端系统、终端设备、开关矩阵、公共设备5个部分。数网一体化系统在技术上与传统测控系统主要差别在于无线电信号被天线设备接收后通过射频数字化转换设备转为数字信号进入整个测控网络，将原有的模拟信号网络转为数字信号网络。因此数网一体化结构本身是基于资源动态重组结构，在设备划分上仍然保持以功能划分的模式，但将所有设备以资源池[6]的方式进行组合。

资源池概念的提出主要是针对资源动态重组体系结构，资源指的是在整个测控系统中提供一定功能的某个设备，以基带设备为例，基带是提供调制解调功能的资源。资源具备能力、状态、归属3个主要属性，能力指具备什么功能，状态指设备工作状态完好程度，归属则属于哪个资源池。资源池是多个功能相同或相近的资源组成的一个总体，根据外部需求动态选择资源进行工作。数网一体化结构就是由天线资源池、基带资源池、存储资源池、公共资源池、监控资源池以及交换机、光端机等网络互联设备、射频数字化转换设备共同组成，见图1。

图1 数网一体化测控系统结构图

1)天线资源池

由于射频数字化转换设备的出现，天线资源较传统前端系统精简了大量信道设备，但收发卫星信号、天线控制方面的功能是不变的。天线资源主要的能力属性包括信号收发、工作频段、跟踪目标等。

2)基带资源池

基带资源较传统设备区别主要是输入输出信号变成数字信号，设备一定程度有所简化，主要功能仍是调制解调并将解调数据送往存储资源池。基带资源的主要的能力属性包括调制解调、信息速率等。

3)存储资源池

存储资源是传统设备中的存储转发设备，主要功能仍是接收基带数据进行存储并转发业务中心存储资源的。存储资源主要的能力属性包括硬盘空间、传输速率等。

4)公共资源池

为整个测控系统提供公共服务的资源划归到公共资源池，包括标校设备、时频设备、自动化测试[7]、健康管理等。这些资源一般具备支持服务整个系统的功能，不需要动态调配。

5)监控资源池

为整个测控系统提供监控服务的资源划归到监控资源池，包括监控服务器、监控客户端等。这些资源一般监控整个系统，不需要动态调配。

3 系统策略设计

3.1 统一网络接口策略

网络化结构较传统设备的优点之一就是统一的网络软硬件环境。对于硬件，只要按照国家网络设备接口标准实施即可；对于软件，则由用户方或采用招标方式统一制定一套软件通信接口协议，即可避免不同厂家间软件兼容性差的问题。此外，软件方面也可以增加更为严格的使用风格、布局等相关规定，这样就能够确保不同厂家软件在具有相同功能的同时具备相近的使用方法。

3.2 资源动态重组策略

较传统资源动态重组结构相比，数网一体化结构在以下几点有所提高：1)重组范围更广。在传统资源动态重组结构中，动态重组主要针对基带与天线之间，但在数网一体化中，所有资源都可以动态调整，包括存储资源、公共资源和监控资源。以监控服务器为例，根据需要可以配置若干台，但是系统根据使用状态分配某两台作为主备使用，其他处于冷备状态。2)资源能力划分更科学。本体系中将依托健康管理设备对体系内所有资源进行状态评级，一般划分为良好、故障低发、故障高发、损坏4个级别，在资源调整过程中将根据任务的重要程度调配资源，进而优先保证重要任务顺利执行。3)设备维护维修更为细致。传统动态重组结构由于集中监控、时频设备不停止工作，导致长期无法进行停机维护。在数网一体化体系中，依托健康管理设备根据设备使用时长、故障发生频次等判断设备是否需要维护、维修，如果需要将其列入需要维护维修范围，确定好时间后将其调整为空闲以开展相关工作。

3.3 故障诊断与处理策略

由于数网一体化体系内设备数字化水平高，对应的软硬件状态监测也更为全面细致。基于这些条件建立故障诊断系统，每秒或数秒巡查全部状态并增加故障判断方法，并储存这些数据作为大数据分析[8]和健康管理的数据驱动。判断出设备故障后，依靠故障处理系统对故障设备进行处理，数字化设备一般都可以采用重启软件、重启硬件的方式处理大部分故障，因此故障处理系统以这2种处理方式为主，不能解决则通知管理员进行维修。故障诊断处理方面建议使用思维成长[9]模型，能够进一步提高系统的智能水平。

3.4 备份恢复策略

传统测控装备主要采用核心备件本地备份的方式，备份量较大，并且部分设备无法本地备份，不仅耗资巨大，效果也一般。数网一体化设备中交换机、服务器均可以采取商业公司采购模式，若建立快速供应通道，发生故障后5小时内即可迅速恢复状态，大幅度减少了本地备份成本。

4 系统精简性和可靠性分析

4.1 精简性分析

下面计算模拟动态重组测控系统和数网一体化测控系统设备数量差别。

从表1可以看出，两种结构大部分设备组成相同，主要不同集中在场放后到基带前的信道设备。数网一体化结构信道设备只达到模拟动态重组结构设备量的(2+2)÷(6+4+2+2)≈28.6%，系统结构大幅度精简。

表1 设备组成对比情况表

4.2 可靠性分析

对于航天测控任务的可靠性，文献[10]已做一定研究，本文重点关注测控装备自身的可靠性。下面根据设备平均无故障工作时间(MTBF)[11]计算执行任务失效率。为简化问题，假设在数网一体化结构和传统模拟结构中单一一个设备的MTBF相近，都约为MTBF单个设备，同时两个结构相比主要差别在于信道设备，因此失效率主要由信道类设备决定。传统模拟测控结构信道主要包括变频器、光端机、电平调节、中频矩阵，因此失效率为：

(1)

数网一体化结构信道类设备主要包括数字化转换设备和交换机，因此失效率为：

(2)

对比式(1)及式(2)，则λ模拟系统=2λ数网一体化。在工业实际中，交换机设备MTBF一般大幅度高于模拟信道设备，根据交换机和信道设备具体质量水平略有不同。因此实际上λ模拟系统>2λ数网一体化。

从以上分析可以看出数字系统在失效率方面显然低于模拟系统。因为数字系统结构更简单，且交换机等成熟网络设备的稳定性也远高于传统信道设备。

5 结束语

综上所述，数字网络一体化测控体系较传统模拟体系有着更简单的结构、更稳定的可靠性能、更容易应用大数据信息化处理技术、接口更容易统一等优点，随着航天科技的不断发展必将快速取代原有模拟系统。文中提到的关于构建数网一体化测控系统的所有硬件已达到量产水平。本文旨在设计一种架构为后续装备成体系建设提供思路，在具体装备建设过程中仍需要根据技术水平合理调整。