一种区块链场景下的海射火箭无线测发控实现方法

王 健 布向伟,2 彭昊旻 赵金栋 魏 凯,2

1. 东方空间技术北京有限公司,北京 100010 2. 北京宇航系统工程研究所,北京 100076

0 引言

随着美国太空探索技术公司“星链”计划的稳步推进,目前近地在轨运行卫星已达4000多颗,从 SpaceX 透露的长远计划来看,一共要向近地轨道发射4.2万颗卫星,其中1.2万颗已获批准,3万颗已提交申请。而地球低轨的轨道、频率资源是非常有限的,国际卫星界遵循“先占先得”的理念,但因为“星链”[1]计划卫星数量庞大,跟以前的地球静止轨道卫星概念不同,“星链”对于低轨的占据几乎是“先占永得”。与此同时,在我国四大陆基卫星发射中心里,即便是距离地球赤道最近的海南文昌卫星发射中心位置也在北纬19°,因此提升高频次卫星发射能力、完善0～19°小倾角卫星发射服务对我国深空安全意义重大。

海射火箭凭其部署灵活性、发射适应性、角度全向性等一系列独特优势[2]可以在综合提升有效载荷运载能力的同时控制残骸回收落区,弥补陆基发射的不足。在海射火箭作业过程中无人发射平台端的关键点位监控、长时航向保持、动态方位瞄准以及无人值守发射等测发流程[3]均离不开海上无线通信系统。为此,国内外科研单位围绕工作环境为海浪晃动[4]、空气中布满盐雾、霉菌的海上无线通信系统提出了多种解决方案。其中最早可追溯到上世纪 60 年代,用于美国“侦察兵”运载火箭海面发射的海上无线通信方案由雷神公司提出,其有效作用距离为1km,具体指标参数不详;20世纪80年代末,乌克兰南方公司和俄罗斯能源科研生产公司面向“天顶”号运载火箭海面发射专门组建了一家公司,其海上无线通信系统中的无线收发模块采用低速时钟源32.768kHz,限于当时技术条件无线吞吐量只有不到200Kbps;2019年9 月15日,我国长征十一号在黄海海域顺利海射[5],其海上无线通信系统在设计维护上充分考虑了海况影响,通过中心化的传统主从式数据库管理方式[6]实现数据互联,使用特定频段进行关键信号及视频数据流的传输,但是成本高昂且对中心节点依赖较大。基于以上现状,本文提出了一种基于区块链的海射火箭无线测发控系统设计。

1 系统总体设计

海射火箭系统主要由海射指控船和海上无人发射平台端[7]两大部分组成,其中海上无线通信系统是两端信息交互的关键媒介,现有技术方案大多是选择1.3GHz～1.5GHz作为主要通信频段,300MHz～ 500MHz作为备保频段,海射作业需要提前较长时间进行电磁信号搜集以避开干扰,严重受限于发射海域当地的电磁环境[8]。本系统选择公用网络2.43GHz作为中心频率,在对海面环境下天线回波损耗及天线增益进行仿真优化设计的基础上,通过不可逆哈希算法对海射指控船端应用层信源加密后进行数据隐蔽传输,海上无人发射平台端由随机高度区块哈希[9]生成的对应私钥进行测发控数据的解密,系统总体设计如图1所示。

图1 系统总体设计框图

2 系统主要硬件设计

2.1 无线射频电路设计

海上无线通信系统实际工作环境中布满盐雾、霉菌,且受海况影响会出现不同程度的海面晃动,进行无线射频电路设计时,需注意到前后端数据流传输是在系统动态调整中完成的。因此,在进行无线收发芯片选型时,不仅要考虑灵敏度、低功耗以及TCP模式下最大传输速率等传统技术参数,还要结合芯片动态环境响应特性综合考虑。本系统选用德州仪器(TI)的CC3200单芯片无线微控制器完成射频电路设计,其内部的网络处理器能对时域范围内的方位调整及时响应。CC3200芯片的31管脚RF_BG为射频端口,负责无线测发控指令与视频数据流的收发。同时在射频管脚处外接了带通滤波器BF1608-E2R4DAA,这样更能有效衰减作业海域环境中无效频率信号[10]的扰动,保障系统两端数据交互稳定流畅,无线射频电路如图2所示。

图2 无线射频电路设计

2.2 区块存储电路设计

海射火箭各级箭体内部设计有数十种类型的箭上电缆网测点和无线传感网络测点[11],现有的测点数据采编方案是通过综合采编装置进行采集、编帧和存储后汇入地面遥测终端进行判读,遥测数据流严重依赖于综合采编装置[12]的管理。本系统将冲击、温度、热流、压力、推力及电磁阀等54种箭体遥测信号作为区块链中的每个节点进行无线传输,各节点数据互联共享,每个节点均设计有区块存储电路,指控船端和无人发射平台端借助公用网络下的去中心化的遥测区块节点传递火箭测试、发射等类型的隐蔽信息,为海射火箭的航班化发射提供技术保障,本系统选择W25Q128FV型芯片作为单个区块节点存储颗粒,其中区块存储电路设计如图3所示。

图3 区块存储电路设计

2.3 天线设计及仿真

在海射火箭作业过程中为充分利用地球自转速率,最大程度地节省运载火箭克服地心引力所需的燃料与推力,海上无人发射平台端都是在位于赤道附近海域进行发射作业,距离指控船或者海岸边的距离可达3km～5km,而系统天线是海面环境下数据远距离无线可靠传输的重要媒介。为了得到系统两端在相隔5km条件下的天线最优设计,本文通过Ansoft HFSS三维结构电磁场仿真软件对系统天线进行了仿真,仿真设计中选用了中心频率为2.43GHz,设置扫频范围为2GHz(3GHz,天线回波损耗仿真结果如图4所示,天线回波损耗参数[13]越大,意味着对应频点下反射出去的能量损耗越高,性能越差,不难发现系统设计天线在2.43GHz中心频率下天线回波损耗参数达到了最小,性能最优;天线增益仿真仿真结果如图5所示,其中红色和紫色曲线是极坐标系下的xz和xy相互正交平面的增益截图,最大值约为4.6db,出现频点位置为2.45GHz。为了权衡最小回波损耗与最大增益[14]两种不同类型的参数对海射火箭作业中遥测区块节点数据传输的影响,在外出实验中对不同方案设计的天线进行了验证。

图4 系统天线回波损耗仿真

图5 系统天线增益仿真

3 系统软件设计

系统无人发射平台端上位机软件基于图层嵌套类程序开发环境LabVIEW (Laborary Virtual Instrument Engineering Workbench)设计,图6所示为箭体遥测区块数据存储程序框图[15],其中“原值”表示上个遥测区块的哈希值,“新值”表示由上个遥测区块哈希值、根哈希和随机数组合生成的当前区块哈希值。遥测区块体部分主要用于确认测点类型和各测点信号详值,并将区块链中所包含的不同类型数据存储在W25Q128FV介质颗粒中。

系统指控船端上位机软件中标志信号“RDFlag”用于控制系统两端遥测区块传输的启停,指控船端在确认“RDFlag”信号有效后,向对方发送应用层信源加密请求,无人发射平台端在接受请求并完成加密动作后,通过天线返回指控船端,从而达到在公用网络频段传输隐蔽数据的目的,为海射火箭的无线测发控数据提供技术保护。图7所示为系统在区块链场景下的箭体遥测数据加密流程图。

图7 箭体遥测区块加密流程图

4 系统测试

为了对真实自然环境下的系统设计可靠性与工程性进行验证,本次实验地点选在山东省烟台市海阳市东方航天港附近岛礁。无人发射平台端在海阳港码头,指控船端在海阳市连理岛海岸线附近,通过灵活变换位置来调整相对距离,可以覆盖100m～5km的实验范围,实验位置示意图如图8所示。

图8 系统实验位置示意图

本次实验参试设备主要包括海射火箭无线通信系统、频谱仪、测距仪、IP电话、POE交换机、网络摄像头、网络测试仪、避雷器、室外定向天线、室外全向天线、笔记本电脑及配套线缆等。所有参试设备按照系统两端电气连接要求分别置于两辆实验保障车上,保障车可以提供～220V/50Hz电源,功率不小于3kW,车内保留有较大的空间放置测试仪器,天线、三脚架、固定座及升降杆置于车外空地。

在实验保障条件具备、实验点位现场确认无误的基础上,对海射火箭无线通信系统进行100m、3km和5km三种距离条件下的海上无线数据传输及视频数据流传输实验,实验内容主要包括系统无线通信功能检查、TCP模式下系统吞吐量测试、UDP模式下系统丢包率测试、系统遥测区块加密功能测试、无人发射平台端视频数据流传输测试以及系统无线传输时延测试等内容。

4.1 系统100m测试

在进行100m测试时,系统实验现场及两端位置经纬度说明如图9所示。本次测试中在无人发射平台端周边通过POE交换机布置了四台网络摄像机,用于模拟100m距离条件下无人发射平台端海射火箭发动机处、芯一级、芯二级等关键点位的视频监控,通过在指控船端观察视频显示流畅度、有无黑屏、卡顿等情况对系统视频数据流传输性能进行验证,视频数据流100m传输显示如图10所示。

图9 系统100m测试现场

图10 视频数据流100m传输测试

在对系统无线通信功能进行确认的基础上,通过iPerf3软件工具进行TCP模式下系统吞吐量测试和UDP模式下系统丢包率测试。由于距离较近,此时的测试结果仅用来对比参考,并不具备较强信服力,在此不再赘述。

4.2 系统3km测试

在进行3km测试时,系统实验现场及两端位置经纬度说明如图11所示,视频数据流3km传输显示如图12所示。

图12 视频数据流3km传输测试

在3km情况下,通过iPerf3软件工具进行不可逆加密后的系统丢包率、时延测试,设置指控船端发送时间为600s,发送速率为80Mbps,测试结果中系统丢包率为0.029%,时延为0.110ms,传输数据量为5.59GB,系统底层经由哈希算法加密后测得的性能指标能够对现有同条件下的海上无线通信系统规格参数形成数据包络。为对系统的工程性能做出最佳评估,TCP模式下的吞吐量测试放在极端情况5km距离下进行。

4.3 系统5km测试

在进行5km测试时,系统实验现场及两端位置经纬度说明如图13所示,视频数据流5km传输显示如图14所示。

图13 系统5km测试现场

图14 视频数据流5km传输测试

在5km情况下,UDP模式加密测试结果中系统丢包率为0.12%,时延为0.098ms,传输数据量为5.58GB,与3km情况下相比无明显差别。在TCP模式吞吐量测试时,指控船端开启全双工模式,多次测试结果表明加密后的数据上下行吞吐量不低于71.8Mbps。

鉴于本次实验是对海射火箭无线测发控系统数据链路层的先行测试,实验过程中限于实际情况并未配套对应运载火箭应用层设备,而是选择标准UDP数据包代替火箭测试、发射信息数据进行公用网络频段下的隐蔽传输测试,但这仅涉及到指控船端地面解析软件的设计与实现,并不妨碍海射火箭无线测发控系统数据链路层的性能验证。

5 结论

本文提出了一种区块链场景下的海射火箭无线测发控实现方法,面向未来常态化、便捷化、规模化的商业发射需求,创新性地将区块链技术引入海射火箭无线测发控服务流程中,通过公用网络下的去中心化的遥测区块节点传递火箭起竖指令、射前测试、发射火焰导流控制等类型的隐蔽信息,省去了针对单次火箭作业过程中进行无线测发控频段选择的“定制”环节,极大程度提升海射火箭高频次发射能力的同时,大幅降低了发射成本,为海射火箭的快速响应、灵活部署、航班化全天候发射提供了重要的技术支撑。本文通过不同距离条件下的海上无线数据传输及视频数据流传输测试对该方法的工程性与可靠性进行了验证,结果表明,该方法各项性能指标可以对现有同类方法形成冗余,满足卫星大规模组网任务需求,为区块链应用场景下的航天发展提供了新思路。