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(1.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所， 北京 100094；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所， 河北石家莊 050081)

0 引言

微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)是我國航天測控網(wǎng)的重要組成部分，經(jīng)過50余年的發(fā)展，其技術(shù)體制由分離走向統(tǒng)一，信號形式由標準走向擴頻，工作頻段由低頻段走向高頻段，目標數(shù)量由單站單目標走向單站多目標，作用距離由低軌走向深空[1-2]。在綜合基帶技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)備的數(shù)字化、軟件化程度不斷提高，操作的便捷性和可重構(gòu)能力越來越強。

然而，目前我國的綜合基帶普遍采用以DSP與FPGA為代表的專用硬件平臺進行設(shè)備研制。在系統(tǒng)層面，由于專用硬件平臺缺乏統(tǒng)一標準，軟硬件功能無法分離，造成產(chǎn)品升級與維護成本較高，功能擴展性與靈活性較差。在應(yīng)用層面，缺乏多個基帶設(shè)備綜合化技術(shù)手段，當測控體制類型或任務(wù)數(shù)量超出單一設(shè)備處理能力時，無法實現(xiàn)多個基帶設(shè)備綜合調(diào)度，研制費效比較低。因此，本文在研究國內(nèi)外同類技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了新一代測控綜合基帶的體系框架和關(guān)鍵技術(shù)，以適應(yīng)未來航天測控系統(tǒng)任務(wù)復(fù)雜化、體制多樣化、信息綜合化和測控通信一體化等特征趨勢，滿足系統(tǒng)在彈性服務(wù)、按需保障、靈活接入等方面的應(yīng)用需求。

圖1 基于開放式體系結(jié)構(gòu)的遙測接收機結(jié)構(gòu)示意圖

1 國內(nèi)外同類技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，測控綜合基帶的主流發(fā)展趨勢是：通過前端設(shè)備的數(shù)字化處理，在后端靈活使用不同基帶處理資源，完成跟蹤測量、遙測、遙控等功能。典型代表如下。

1.1 基于通用化硬件的遙測接收機

美國林肯實驗室提出了基于開放式體系結(jié)構(gòu)的遙測接收機[3]，如圖1所示。在天線接收信號后，由模擬接收機將射頻信號下變頻至通用中頻，然后由前端處理分系統(tǒng)進行ADC采樣、數(shù)字下變頻、濾波，最后通過數(shù)字分發(fā)鏈路，遙測接收機按需處理數(shù)字化后的遙測信號。從遙測接收機實現(xiàn)上看，與常規(guī)設(shè)備的顯著不同在于：一是采用通用化的硬件和軟件替換了目前遙測接收機中許多的專用硬件，把處理功能分解為更小的模塊，便于系統(tǒng)快速升級和縮短研制周期；二是完全去掉了遙測接收機中的專用頻率硬件，通過軟件控制進行相應(yīng)的配置，簡化了操作和維護；三是由于模塊化硬件的采用以及軟硬件的去耦特性，使得硬件和軟件的開發(fā)周期幾乎不關(guān)聯(lián)，為采用先進技術(shù)和算法提供了極大的靈活性和選擇性。

1.2 基于資源池結(jié)構(gòu)的地面終端站

美國NASA提出了“天基網(wǎng)地面部分維護計劃”(SGSS)[4]，通過引入數(shù)字光纖、基帶池、虛擬機等新概念和技術(shù)，提供一個可靈活擴展和升級的開放式地面測控系統(tǒng)，如圖2所示。SGSS與已有系統(tǒng)相比，雖然基本功能一致，但結(jié)構(gòu)變化明顯：SGSS采用“池”式設(shè)備結(jié)構(gòu)，當?shù)孛嫣炀€接收信號并下變頻后，立即數(shù)字化整個下行接收信號；用戶星和中繼星的遙測數(shù)據(jù)以VITA 49數(shù)據(jù)包的形式傳送給數(shù)字解調(diào)器，然后再通過光纖無損分發(fā)給采用ATCA(Advanced Telecom Computing Arc- hitecture)開放標準的基帶池，并挑選池中空閑資源執(zhí)行相應(yīng)的測控任務(wù)，任務(wù)完成后再把占用資源返回池中。SGSS的基帶基于虛擬化技術(shù)，將應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)與物理平臺分隔開來，顯著減少了測控專用設(shè)備的數(shù)量，大幅提高了設(shè)備的靈活性和可重構(gòu)性。

圖2 SGSS的開放式地面測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 基于高速串行總線技術(shù)的數(shù)據(jù)處理終端

在雷達、聲納、視頻圖像處理、智能信號處理等應(yīng)用領(lǐng)域，由于受到傳輸帶寬的限制，系統(tǒng)性能難以進一步提升，在此背景下基于VPX(Verstatile Protocol Switch)標準的通用信號處理平臺應(yīng)運而生[5]。VPX總線作為新一代的高速串行總線標準，由VME總線發(fā)展而來，同時兼容多種異構(gòu)處理板卡，在惡劣環(huán)境下嵌入式系統(tǒng)之間的高速互聯(lián)方面取得了較好應(yīng)用，目前國內(nèi)諸多研究單位利用VPX平臺研制了多類數(shù)字信號處理設(shè)備[6-7]。與現(xiàn)有測控綜合基帶大量使用的CPCI平臺相比，VPX平臺因采用了高速串行交互式總線而非主控式總線，使其在數(shù)據(jù)傳輸帶寬和結(jié)構(gòu)性能方面有較大優(yōu)勢，更加適應(yīng)現(xiàn)代雷達領(lǐng)域處理功能繁多、運算復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大及高速實時處理的要求。

圖3 面向新一代測控綜合基帶的測控系統(tǒng)架構(gòu)

2 新一代測控綜合基帶設(shè)計

根據(jù)我國統(tǒng)一測控系統(tǒng)應(yīng)用需求以及國內(nèi)外同類技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，新一代測控綜合基帶設(shè)計需求、體系架構(gòu)與總體設(shè)計如下所述。

2.1 設(shè)計需求

1)彈性服務(wù)：服務(wù)規(guī)?？煽焖偕炜s，以自動適應(yīng)各類測控通信業(yè)務(wù)負載的動態(tài)變化，避免因為處理資源性能過載或冗余而導(dǎo)致的服務(wù)質(zhì)量下降或資源浪費。

2)按需保障：資源以共享資源池的方式統(tǒng)一管理，利用虛擬化技術(shù)，將資源按需提供給不同用戶，資源的調(diào)度、管理與分配策略對用戶透明。

3) 靈活接入：具備不同測控體制的各種類型飛行器用戶隨遇接入，虛擬化測控基帶池具備處理多體制、多用戶、多頻段測控通信業(yè)務(wù)的能力。

2.2 體系架構(gòu)與總體設(shè)計

根據(jù)設(shè)計需求，新一代測控綜合基帶必須以系統(tǒng)前端的數(shù)字化接收分發(fā)為基礎(chǔ)，以高效的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和調(diào)度管理為支撐，對應(yīng)的統(tǒng)一測控系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示?；谠摷軜?gòu)，測控綜合基帶采用兼顧技術(shù)可行與工程可達的虛擬化技術(shù)，將處理資源以統(tǒng)一的軟硬件架構(gòu)進行部署，作為彈性化的測控云節(jié)點，按需為整個測控網(wǎng)提供測控服務(wù)。基本工作流程為：系統(tǒng)上行發(fā)射時，由虛擬測控基帶產(chǎn)生上行信息數(shù)據(jù)流，并完成編碼、調(diào)制、數(shù)字上變頻等處理后，經(jīng)過高速交換網(wǎng)絡(luò)或光纖送至信號采集與分發(fā)模塊中，通過D/A板直接調(diào)制到工作頻段；系統(tǒng)下行接收時，利用信號采集與分發(fā)模塊將接收的射頻信號進行A/D數(shù)字化，然后將數(shù)據(jù)流通過交換網(wǎng)絡(luò)或光纖送至測控綜合基帶，站間測控云節(jié)點管理平臺根據(jù)任務(wù)需求分配處理資源組成虛擬基帶，完成捕獲、跟蹤、測量、譯碼等處理。當任務(wù)需求超過本地基帶處理能力時，利用云服務(wù)由管理平臺調(diào)用其他測控站處理資源，保證整個測控網(wǎng)的正常運行。

基于上述設(shè)計，新一代綜合測控基帶體系架構(gòu)將以云計算架構(gòu)為基礎(chǔ)，以資源“池化”技術(shù)為核心，如圖4所示。其中，應(yīng)用層通過友好的人機交互服務(wù)，為用戶提供各種體制和要求的測控服務(wù)；支持層是為實現(xiàn)用戶需求開發(fā)部署的各類基礎(chǔ)軟件及應(yīng)用接口，并通過資源調(diào)度與安全管理保證綜合測控基帶穩(wěn)定可靠運行；資源層是綜合基帶的物理實體，為各類應(yīng)用及軟件提供處理、存儲和傳輸?shù)缺Ｕ稀?/p>

圖4 新一代測控綜合基帶的邏輯設(shè)計架構(gòu)

在具體物理實現(xiàn)上，新一代測控綜合基帶采用基于Vita 65 OPEN VPX標準的高速串行總線，將FPGA、DSP、GPU、存儲、交換等各功能板塊進行集成，如圖5所示。其中，機箱內(nèi)部包括3類接口：采用RapidIO接口，完成信號處理板與總線之間的信號、信息高速互聯(lián)；采用PCIE接口，完成GPU處理板、存儲板、計算機主板與總線之間的信號、信息高速互聯(lián)；采用萬兆以太網(wǎng)接口，完成計算機主板與其他各功能板卡之間的監(jiān)視與控制互聯(lián)，配合站間測控云節(jié)點管理平臺保障系統(tǒng)的可靠運行。機箱外部包括兩類接口：1)光纖接口，完成信號處理板與接收前端之間高速數(shù)字信號流的輸入輸出；2)萬兆以太網(wǎng)接口，完成各功能板卡和站間測控云節(jié)點管理平臺的服務(wù)器集群互聯(lián)。

通過在服務(wù)器集群上部署云管理系統(tǒng)，按需構(gòu)建虛擬機，部署對應(yīng)模式的基帶監(jiān)控軟件，通過基帶監(jiān)控軟件實現(xiàn)對各功能板卡的軟件動態(tài)加載、動態(tài)配置，形成功能可定義的測控基帶，并通過高速串行總線保證信號、信息在不同功能板塊之間實時I/O，最終使通用服務(wù)器資源與專用處理資源解耦合，機箱內(nèi)部各功能板卡有機整合為一個測控資源池，測控任務(wù)按需調(diào)用池中的處理資源。

圖5 新一代測控綜合基帶物理實現(xiàn)架構(gòu)

3 關(guān)鍵技術(shù)與研究思路

從目前研究進展來看，新一代綜合基帶體系架構(gòu)所涉及的云計算架構(gòu)、資源“池”化技術(shù)等已經(jīng)比較成熟，但結(jié)合統(tǒng)一測控系統(tǒng)實際應(yīng)用需求，還應(yīng)在以下相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域開展重點研究。

3.1 寬帶射頻信號采集技術(shù)

為實現(xiàn)測控綜合基帶的虛擬化設(shè)計，首要工作是完成接收信號的數(shù)字化采樣。常用的S頻段測控系統(tǒng)工作帶寬可達100 MHz，直接利用ADC芯片采樣時，受限于芯片的采樣頻率、工作頻段、數(shù)據(jù)精度等，將會面臨數(shù)據(jù)精度低、通道間采樣同步誤差大等問題。

直接射頻采樣[8]是解決上述問題的可行思路，如圖6所示，主要流程為：首先對射頻信號進行帶通濾波和無量化采樣，然后經(jīng)過連續(xù)時間低通或帶通濾波后，得到中頻或零中頻信號，最后采用常規(guī)ADC進行量化。該方案的優(yōu)點在于利用采樣中的混疊效應(yīng)，將信號下變頻到奈奎斯特頻帶內(nèi)，降低了對ADC的射頻輸入帶寬、時鐘抖動和采樣率的要求。此外，由于避免使用了混頻器和本振信號發(fā)生器，不僅簡化了硬件設(shè)計，還可通過調(diào)整采樣速率適應(yīng)不同的輸入信號。

圖6 直接射頻采樣原理圖

3.2 海量數(shù)字信號I/O技術(shù)

測控系統(tǒng)前端數(shù)字化后，產(chǎn)生了海量的數(shù)字信號數(shù)據(jù)，必須通過高帶寬、低延遲、靈活拓撲的高速I/O，保證任意測控信號按需由綜合基帶接收和處理。采用光纖傳輸技術(shù)可實現(xiàn)接收前端與綜合基帶間的海量數(shù)字信號傳輸，但在基帶設(shè)備內(nèi)部，由于受并行總線傳輸能力限制，傳統(tǒng)基帶使用的CPCI機箱難以實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)高速I/O。

VPX作為下一代串行總線標準，提供了10 Gbit/s的I/O傳輸接口，支持多種串行傳輸協(xié)議[5-7]，是解決上述問題的可行思路，如圖7所示。該結(jié)構(gòu)采用了6U背板、5插槽的單星拓撲連接，在第5槽位提供了機箱內(nèi)部的管理平面、控制平面及數(shù)據(jù)平面的高速互連，而交換設(shè)備可以為網(wǎng)絡(luò)交換機，也可以為RapidIO交換設(shè)備，既能提供機箱間互連，也能提供與CPU服務(wù)器間的互連。由于機箱內(nèi)部各個板卡功能可定義，單個機箱即可組成一個基帶池。當然各測控站之間亦可通過100 Gbit/s以上高速光纖互連，由各個站內(nèi)基帶池組成一個更大的基帶池。

圖7 基于VPX總線的基帶池互連

3.3 零中頻接收機技術(shù)

統(tǒng)一測控系統(tǒng)接收機一般采用傳統(tǒng)的超外差結(jié)構(gòu)，射頻信號先變頻到中頻,再由中頻下變頻到基帶，由于使用高Q值的鏡頻抑制濾波器和信道選擇濾波器，使得該類接收機電路成本較高、難以芯片集成。

零中頻接收機是解決上述問題的可行思路，如圖8所示，主要工作流程為：射頻信號經(jīng)過低噪聲放大器，分別與兩路正交的本振信號進行混頻得到I,Q兩路模擬信號，然后經(jīng)過模擬低通濾波器送入ADC得到I, Q兩路數(shù)字信號，最后送給基帶處理器進行數(shù)字信號處理。該類接收機去掉了中頻級，不存在鏡像信號，避免鏡像抑制濾波器的使用，使用的低通濾波器也易于集成，同時對于低頻信號的ADC，選用成本低廉的器件即可獲得較好的性能指標，因此與超外差式接收機相比，集成度更高、功耗更小、成本更低，并且為數(shù)字化處理提供了靈活的I/Q通道。

圖8 零中頻接收機結(jié)構(gòu)框圖

需要說明的是，在采樣保持精度、高性能濾波器小型化等直接射頻采樣涉及關(guān)鍵技術(shù)尚未完全解決的情況下，零中頻接收機不失為一種較好的接收前端數(shù)字化方案，其小型化、芯片化的特性保證了車載、星載等惡劣測控環(huán)境中的基本應(yīng)用。

3.4 信號處理硬件加速技術(shù)

隨著測控系統(tǒng)對基帶功能和處理精度的提高，處理算法的復(fù)雜性和實時性也隨之越高，通常采用硬件加速技術(shù)滿足算法對處理能力的要求。目前，常用的GPU硬件加速卡需根據(jù)GPU特性進行大量優(yōu)化[9-10]，且反饋式處理能力較低、功耗較高，使其在功能擴展上存在瓶頸。FPGA作為專用協(xié)處理器，雖然在性能、功耗、實時性、與傳統(tǒng)基帶的繼承性等方面具有較強的優(yōu)勢，但工程開發(fā)極為復(fù)雜，需要大量考慮物理底層問題，設(shè)計門檻很高。

將OpenCL(Open Computing Language)標準[11-12]引入到FPGA中，是解決上述問題的可行思路。OpenCL應(yīng)用程序由主機程序和內(nèi)核程序組成，內(nèi)核程序采用類C語言的OpenCL語言進行編寫，通過編譯平臺轉(zhuǎn)換成FPGA上的邏輯電路，并將其作為FPGA的配置數(shù)據(jù)輸出；運行時，主機程序通過 OpenCL調(diào)用運行庫，調(diào)用寫入配置數(shù)據(jù)的FPGA進行內(nèi)核處理，從而使程序員集中精力定義算法，大幅縮短開發(fā)周期?；贠penCL實現(xiàn)FPGA邏輯的系統(tǒng)模塊框圖如圖9所示，系統(tǒng)中的每個內(nèi)核流水線可以同時應(yīng)用于多個執(zhí)行通路，即通過算法級的描述進行流水線復(fù)制，形成多流水線架構(gòu)。

圖9 基于OpenCL實現(xiàn)FPGA邏輯的系統(tǒng)模塊框圖

4 結(jié)束語

目前，我國的微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)綜合基帶設(shè)備具有多功能、體積小、接口標準、信號形式可靈活變換、測控模式可動態(tài)加載等諸多特點，但面對新的航天測控應(yīng)用需求，愈發(fā)暴露出在開放性、可擴展性與可重構(gòu)性等方面的不足。因此，本文順應(yīng)航天測控系統(tǒng)發(fā)展趨勢，按照彈性服務(wù)、按需保障、靈活接入的應(yīng)用需求，提出了基于云計算架構(gòu)以及虛擬化技術(shù)的新一代測控綜合基帶體系架構(gòu)，并結(jié)合當前同類技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，梳理了關(guān)鍵技術(shù)研究方向與發(fā)展建議，為推動相關(guān)技術(shù)在航天測控系統(tǒng)中的推廣應(yīng)用提供了理論支撐。

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