李霽川 譚征 吳偉 潘順良

(中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部,北京 100094)

統(tǒng)一S頻段測(cè)控體系(簡(jiǎn)稱USB測(cè)控體系)是利用頻分復(fù)用技術(shù),將多個(gè)副載波信號(hào)和測(cè)距信號(hào)調(diào)制到一個(gè)統(tǒng)一的S頻段載波上,擴(kuò)頻測(cè)控體系是采用碼分多址或多載波碼分多址(CDMA)的通信體制,它們是實(shí)現(xiàn)對(duì)各種飛行器進(jìn)行定位、遙測(cè)、遙控等功能的航天器測(cè)控系統(tǒng)。USB測(cè)控體系和擴(kuò)頻測(cè)控體系在我國(guó)有著廣泛的應(yīng)用[1]。我國(guó)的航天飛行任務(wù)在目前和將來(lái)的一段時(shí)期,仍將以USB測(cè)控網(wǎng)和擴(kuò)頻測(cè)控網(wǎng)為主對(duì)航天器進(jìn)行飛行控制[2]。

由于航天器對(duì)可靠性要求極高[3],測(cè)控鏈路是指揮控制中心(簡(jiǎn)稱指控中心)與在軌飛行的航天器之間最重要的聯(lián)絡(luò)手段[4],因此器地間測(cè)控鏈路的匹配性必須提前得到充分的驗(yàn)證。一般航天器發(fā)射前均在本地完成與指控中心的測(cè)控鏈路無(wú)線聯(lián)試,但后續(xù)將與指控中心分處異地。由于異地間的距離因素,本地聯(lián)試系統(tǒng)已無(wú)法滿足異地聯(lián)試需求,因此必須展開(kāi)異地測(cè)控鏈路無(wú)線聯(lián)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

本文首先對(duì)無(wú)線聯(lián)試系統(tǒng)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析,然后提出了一種基于遠(yuǎn)程以太網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線聯(lián)試系統(tǒng)設(shè)計(jì),并對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 無(wú)線聯(lián)試系統(tǒng)現(xiàn)狀

當(dāng)前測(cè)控鏈路無(wú)線聯(lián)試在本地開(kāi)展,聯(lián)試的雙方分別為航天器與指控中心。航天器USB測(cè)控子系統(tǒng)主要包括USB應(yīng)答機(jī)A/B、USB天線網(wǎng)路、USB發(fā)射天線、USB接收天線等。航天器擴(kuò)頻測(cè)控子系統(tǒng)主要包括擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)A/B、固態(tài)放大器、擴(kuò)頻濾波器、低噪聲放大器、微波開(kāi)關(guān)、定向耦合器、擴(kuò)頻收發(fā)天線等。除傳統(tǒng)的跟蹤、測(cè)距和測(cè)速外,USB應(yīng)答機(jī)和擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)均可傳輸上行遙控、上行話音和下行工程遙測(cè)信號(hào)[5]。

以當(dāng)前載人航天器為例,測(cè)控鏈路無(wú)線聯(lián)試期間,無(wú)線聯(lián)試系統(tǒng)在航天器旁配置測(cè)控接收天線,接收航天器測(cè)控發(fā)射天線的下行射頻信號(hào),經(jīng)無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備進(jìn)行功率放大后由位于樓頂?shù)霓D(zhuǎn)發(fā)天線發(fā)出,天線指向指控中心,指控中心通過(guò)樓頂配置的接收天線接收射頻信號(hào)并解調(diào)處理為遙測(cè)數(shù)據(jù)。指控中心發(fā)出的上行遙控和話音數(shù)據(jù)調(diào)制為射頻信號(hào),經(jīng)指控中心樓頂?shù)陌l(fā)射天線發(fā)出,經(jīng)與下行相反的路徑到達(dá)航天器。航天器與指控中心間接口為測(cè)控鏈路無(wú)線射頻信號(hào)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 本地測(cè)控鏈路無(wú)線聯(lián)試系統(tǒng)Fig.1 TT&C united wireless test system for local united test

后續(xù)航天器將與指控中心分處異地,由于無(wú)線射頻信號(hào)只能通過(guò)直線傳播,且信號(hào)功率隨距離增加而迅速衰減,現(xiàn)在的本地射頻-射頻的無(wú)線聯(lián)試系統(tǒng)已不能滿足后續(xù)異地?zé)o線聯(lián)試需求。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 功能需求

面對(duì)航天器與指控中心分處異地超出射頻對(duì)通距離的現(xiàn)狀,需要一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)器地間射頻-數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,并保證數(shù)據(jù)可靠、安全地通過(guò)遠(yuǎn)程以太網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)穆?lián)試系統(tǒng),完成航天器與指控中心的連接。具體分析見(jiàn)表1。

表1 對(duì)異地?zé)o線聯(lián)試系統(tǒng)的要求Table 1 Requirements of different places TT&C united wireless test system

2.2 技術(shù)架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的無(wú)線聯(lián)試系統(tǒng)由3部分組成:①一體化射頻-數(shù)據(jù)處理組件,由于指控中心收發(fā)的數(shù)據(jù)遵循其指定的信息交換協(xié)議,因此僅完成射頻-數(shù)據(jù)間轉(zhuǎn)化不能滿足聯(lián)試任務(wù)的需求,還需要增加數(shù)據(jù)-數(shù)據(jù)間的協(xié)議轉(zhuǎn)換;②網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)加密傳輸組件,為避免遭受監(jiān)聽(tīng)和攻擊,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)安全協(xié)議(IPSec)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)加密;③QoS保障組件,為克服異地間遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)UDP組播傳輸?shù)膩G包、亂序等風(fēng)險(xiǎn),需針對(duì)數(shù)據(jù)發(fā)送與接收端應(yīng)用程序進(jìn)行加強(qiáng),實(shí)現(xiàn)具有QoS保障的UDP組播數(shù)據(jù)傳輸,保障數(shù)據(jù)在遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸后的完整性和一致性。總體技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 異地?zé)o線聯(lián)試系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)Fig.2 Technology architecture of different places TT&C united wireless test system

由圖2可知,異地?zé)o線聯(lián)試系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)由射頻-數(shù)據(jù)處理、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)加密傳輸、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸QoS保障等功能組成,具有射頻收發(fā)、射頻-數(shù)據(jù)處理、協(xié)議互通、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)安全傳輸、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)犬惖芈?lián)試系統(tǒng)所必備的屬性。具體功能組成及其實(shí)現(xiàn)方法如下:

(1)一體化射頻-數(shù)據(jù)處理,由一體化射頻-數(shù)據(jù)處理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換、中頻信號(hào)調(diào)制解調(diào),上下變頻、功率控制等。

(2)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸加密,基于IPSec協(xié)議實(shí)現(xiàn),采用虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(VPN)隧道加密技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的加密,保證數(shù)據(jù)的安全傳輸。

(3)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸QoS保障,依托數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)(DDS)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)發(fā)送與接收端應(yīng)用程序進(jìn)行加強(qiáng)[6],保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)分析

1)一體化射頻-數(shù)據(jù)處理

與傳統(tǒng)的射頻-數(shù)據(jù)處理采用獨(dú)立的調(diào)制、解調(diào)、變頻、記錄設(shè)備搭建方式不同,射頻-數(shù)據(jù)一體化處理平臺(tái)方案的基本思路是將基于軟件無(wú)線電的上行數(shù)據(jù)-中頻處理模塊、下行中頻-數(shù)據(jù)處理模塊、采樣記錄回放模塊、可編程的通用變頻器模塊集成在高性能的工作站上,并通過(guò)集同管理軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)所有模塊的統(tǒng)一管理,如圖3所示。可在一個(gè)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換、中頻調(diào)制解調(diào)、上下變頻、射頻記錄回放等功能,可通過(guò)加載不同配置文件支持USB測(cè)控體制和擴(kuò)頻測(cè)控體制。該設(shè)計(jì)具有集成度高、體積小、可擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

圖3 射頻-數(shù)據(jù)一體化處理平臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.3 Scheme of integrated RF-data platform

2)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)加密傳輸

遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)加密傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)基于IPSec協(xié)議[7],該協(xié)議是隧道加密技術(shù)的常用協(xié)議。IPSec隧道技術(shù)是一種通過(guò)使用公共網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施在網(wǎng)絡(luò)之間傳遞數(shù)據(jù)的方式,使用隧道傳遞的數(shù)據(jù)可以是不同協(xié)議的數(shù)據(jù)幀或包。IPSec隧道協(xié)議將其他協(xié)議的數(shù)據(jù)幀或包重新封裝IP頭和協(xié)議頭后發(fā)送。IPSec位于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層次結(jié)構(gòu)中的傳輸層之下,對(duì)于應(yīng)用層和傳輸層是透明的,應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)與加密組件是解耦的。

具體而言,加密組件對(duì)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行密碼運(yùn)算[8],將數(shù)據(jù)IP包轉(zhuǎn)換為安全的IPSec包。進(jìn)入遠(yuǎn)程公共網(wǎng)絡(luò)到達(dá)對(duì)端后,對(duì)端加密組件首先對(duì)IPSec包的目的地址進(jìn)行分析,如果目的地址不指向加密組件服務(wù)器,則丟棄該包;否則接收并解密IPSec包還原為明文IP包,并向后方應(yīng)用繼續(xù)傳遞。

3)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸QoS保障

無(wú)線聯(lián)試實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸層采用UDP協(xié)議,傳輸采用組播傳輸方式。UDP組播采用的是無(wú)連接數(shù)據(jù)報(bào)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,可能出現(xiàn)丟包、亂序等風(fēng)險(xiǎn),即數(shù)據(jù)是否能到達(dá)接受端和數(shù)據(jù)到達(dá)的順序都是不能保證的。為保證數(shù)據(jù)接收的完整性和一致性,提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?技術(shù)架構(gòu)依托數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)(DDS)技術(shù),對(duì)數(shù)據(jù)發(fā)送與接收端應(yīng)用程序進(jìn)行加強(qiáng),即由數(shù)據(jù)發(fā)送與接收端應(yīng)用程序的DDS數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

DDS具有松散耦合、處理復(fù)雜數(shù)據(jù)流能力強(qiáng)、分發(fā)效率高、容錯(cuò)性好以及動(dòng)態(tài)可配置等特點(diǎn)。DDS定義了以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱(Data Centric Publish-Subscribe,DCPS)機(jī)制[9],以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱模型基于全局?jǐn)?shù)據(jù)空間的概念,在DDS中所有對(duì)該空間中的數(shù)據(jù)感興趣的應(yīng)用程序都可以接入。DDS產(chǎn)品豐富,有RTI DDS、OpenSplice DDS、OpenDDS、MilsoftDDS等。

基于遠(yuǎn)程以太網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線聯(lián)試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用為異構(gòu)的分布式網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)這種異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)布局,考慮開(kāi)源軟件的接口便利性和高可擴(kuò)展性,QoS組件選用OpenDDS進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送與接收端的DDS數(shù)據(jù)傳輸模塊開(kāi)發(fā)?；贠pen DDS的QoS組件采用有中心體系結(jié)構(gòu),如圖4所示。在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行守護(hù)程序,存儲(chǔ)用于管理數(shù)據(jù)和連接的控制信息,數(shù)據(jù)直接從發(fā)布者傳到訂閱者,但控制和初始化需要與該服務(wù)器通信,實(shí)現(xiàn)在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上對(duì)控制信息統(tǒng)一管理[10]。

在數(shù)據(jù)發(fā)送與接收端應(yīng)用程序上,使用OpenDDS作為應(yīng)用程序的底層通信機(jī)制,并將OpenDDS協(xié)議配置為通過(guò)UDP組播方式實(shí)現(xiàn),如圖5所示。選擇此設(shè)計(jì)模式,優(yōu)點(diǎn)是可保持應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的獨(dú)立,在網(wǎng)絡(luò)接口上只需專注于協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。

圖4 OpenDDS體系結(jié)構(gòu)Fig.4 Scheme of OpenDDS

圖5 應(yīng)用節(jié)點(diǎn)上OpenDDS的使用方法Fig.5 Usage of OpenDDSin application nodes

3 系統(tǒng)驗(yàn)證

3.1 測(cè)試系統(tǒng)搭建

本文以載人航天器測(cè)控鏈路無(wú)線聯(lián)試為例進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)搭建。在一地使用射頻信號(hào)記錄儀(Cortex RSR)回放USB鏈路射頻信號(hào)并通過(guò)天線發(fā)出,以模擬載人航天器下行USB射頻信號(hào)。射頻-數(shù)據(jù)一體化處理平臺(tái)接收射頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、處理,恢復(fù)出數(shù)據(jù)并向外發(fā)送。同時(shí)一體化平臺(tái)上安裝了弱網(wǎng)模擬軟件(Clumsy),用于模擬網(wǎng)絡(luò)狀況不穩(wěn)定時(shí)出現(xiàn)的丟包和亂序現(xiàn)象。QoS服務(wù)控制節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)用于保障可靠通信。使用加密機(jī)在遠(yuǎn)程以太網(wǎng)絡(luò)兩端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加解密。在另一地通過(guò)遙測(cè)接收與指令發(fā)送模擬臺(tái)接收遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。使用遙測(cè)接收與指令發(fā)送模擬臺(tái)發(fā)出上行遙控指令與話音數(shù)據(jù),經(jīng)與下行相反的路徑到達(dá)射頻-數(shù)據(jù)一體化處理平臺(tái)轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào),采用測(cè)控綜合基帶設(shè)備(Cortex CRT)進(jìn)行接收和解調(diào),并對(duì)Cortex CRT接收的指令和話音進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。原型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 原型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure of prototype system

3.2 網(wǎng)絡(luò)加擾

Clumsy是基于C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的一款開(kāi)源網(wǎng)絡(luò)模擬工具,它能在Windows平臺(tái)下人工造成不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài),以檢驗(yàn)和調(diào)試應(yīng)用程序在極端網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下的表現(xiàn)。Clumsy能實(shí)時(shí)的將系統(tǒng)接收和發(fā)出的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包攔截下來(lái),人工的造成延遲、掉包和篡改等操作后再進(jìn)行發(fā)送。無(wú)論實(shí)驗(yàn)的目的是要重現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)異常造成的程序錯(cuò)誤,還是評(píng)估應(yīng)用程序在不良網(wǎng)絡(luò)狀況下的表現(xiàn),Clumsy都能在不需要額外添加代碼的情況下,在系統(tǒng)層達(dá)到想要的效果。

本文使用Clumsy軟件分別模擬丟包(Drop)與亂序(Out of Order)的網(wǎng)絡(luò)情況,用于驗(yàn)證經(jīng)OpenDDS加強(qiáng)后的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收端應(yīng)用程序在UDP組播通信的表現(xiàn),如圖7所示。

3.3 測(cè)試結(jié)果分析

本文所構(gòu)建的原型系統(tǒng),完全模擬了載人航天器異地USB鏈路無(wú)線聯(lián)試的上下行通路,因此該場(chǎng)景具有典型代表性。

檢查模擬臺(tái)接收的遙測(cè)數(shù)據(jù)和Cortex CRT接收的遙控指令與話音數(shù)據(jù)得出:①模擬臺(tái)可以接收到明文的載人航天器遙測(cè)數(shù)據(jù);②Cortex CRT可以接收到明文的載人航天器遙控指令與話音數(shù)據(jù);③在不同概率下對(duì)模擬丟包和亂序的情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì),均未出現(xiàn)丟包與亂序情況,結(jié)果如表2所示;④接收端和發(fā)送端數(shù)據(jù)比對(duì)完全一致。測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的異地測(cè)控鏈路無(wú)線聯(lián)試系統(tǒng)架構(gòu)的可行性。

表2 模擬丟包和亂序的數(shù)據(jù)接收結(jié)果Table 2 Result of simulation of packet drop and packet out of order

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種支持航天器異地測(cè)控鏈路的無(wú)線聯(lián)試系統(tǒng)設(shè)計(jì),在總結(jié)異地?zé)o線聯(lián)試需求的基礎(chǔ)上,給出了異地?zé)o線聯(lián)試系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路,并結(jié)合射頻-數(shù)據(jù)一體化處理等技術(shù)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)整體架構(gòu)。搭建了測(cè)試驗(yàn)證系統(tǒng),通過(guò)分析試驗(yàn),結(jié)果表明:此系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)射頻-數(shù)據(jù)的處理以及數(shù)據(jù)的加密傳輸與可靠傳輸,滿足航天器異地?zé)o線聯(lián)試的工程任務(wù)需求,可供后續(xù)航天器異地綜合測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)參考。