(北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094)

1 引 言

隨著我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展，日益增多的航天發(fā)射任務(wù)和大量在軌運(yùn)行的偵察、測(cè)繪、氣象、通信、導(dǎo)航和遙感衛(wèi)星對(duì)航天測(cè)控系統(tǒng)提出了越來越高的要求，有限的航天測(cè)控資源與日益增加的航天測(cè)控需求的矛盾逐漸突出。

為解決測(cè)控設(shè)備資源緊張的問題，我國(guó)通常采用在測(cè)控站增加測(cè)控設(shè)備的方法解決多星、多任務(wù)的測(cè)控問題，但這種解決方法會(huì)帶來成本增加和資源浪費(fèi)等問題。

測(cè)控資源重組技術(shù)是節(jié)約測(cè)控成本、高效利用測(cè)控資源、圓滿完成測(cè)控任務(wù)的重要技術(shù)途徑之一。我國(guó)在衛(wèi)星測(cè)控任務(wù)越來越繁重的背景下，如何充分采用該技術(shù)，在利用有限成本的前提下，更好地完成日益繁重的航天測(cè)控任務(wù)，是必須認(rèn)真研究的問題。

本文在介紹了測(cè)控資源重組的概念、優(yōu)勢(shì)之后，構(gòu)想了我國(guó)未來測(cè)控設(shè)備資源重組系統(tǒng)的建設(shè)藍(lán)圖，為我國(guó)未來測(cè)控設(shè)備資源重組系統(tǒng)建設(shè)提供一定參考。

2 測(cè)控設(shè)備資源重組的概念及優(yōu)勢(shì)

2.1 測(cè)控設(shè)備資源重組概念

測(cè)控資源重組是綜合測(cè)控站為滿足多星、多任務(wù)測(cè)控需求而提出的通過動(dòng)態(tài)調(diào)整或配置站內(nèi)資源以實(shí)現(xiàn)站內(nèi)測(cè)控資源效益最大化的一種測(cè)控站建設(shè)思路。測(cè)控設(shè)備資源重組分為軟件重組和硬件重組[1]。

軟件重組指基帶設(shè)備的軟件重組，即在同一硬件平臺(tái)上通過動(dòng)態(tài)加載不同軟件實(shí)現(xiàn)不同功能[2]。

硬件重組是多套天線、多套信道、多套多功能數(shù)字基帶在統(tǒng)一的監(jiān)控管理之下，利用射頻或中頻開關(guān)矩陣進(jìn)行組合配置使用的功能。重組后的測(cè)控設(shè)備由原來不同測(cè)控設(shè)備相應(yīng)分系統(tǒng)互聯(lián)重組形成功能完整的測(cè)控設(shè)備，具備獨(dú)立完成測(cè)控任務(wù)的能力，以滿足多類航天器測(cè)控的需要。同時(shí)，隨著將來航天任務(wù)的增加，該硬件重組系統(tǒng)具備可擴(kuò)充新設(shè)備的能力。

2.2 測(cè)控設(shè)備資源重組的優(yōu)勢(shì)

測(cè)控設(shè)備資源重組具備以下優(yōu)勢(shì)：

(1)軟件重組實(shí)現(xiàn)了同一硬件平臺(tái)上不同測(cè)量體制的靈活重構(gòu)；

(2)單套設(shè)備可取消熱備份設(shè)計(jì)，在多套設(shè)備中形成了n∶1備份模式，最大程度地提高了設(shè)備的利用率；

(3)站內(nèi)多套測(cè)控設(shè)備重組，滿足多星測(cè)控的同時(shí)，最大程度上減少了設(shè)備套量；

(4)實(shí)現(xiàn)了減員增效。

3 我國(guó)測(cè)控設(shè)備現(xiàn)狀

隨著軟件無線電(Software Defined Radio,SDR)技術(shù)在我國(guó)的普及，目前基帶設(shè)備的軟件重組已經(jīng)取得了迅速的發(fā)展，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平；硬件重組也已經(jīng)在多套型號(hào)設(shè)備上進(jìn)行了成功的工程應(yīng)用，但由于還存在一些因素的影響，硬件資源重組普及性還不是很高。

1998年開始，我國(guó)測(cè)控界就開始關(guān)注軟件無線電技術(shù)，并開展了預(yù)先研究。2000年開始工程樣機(jī)的研制，并于2003年成功研制出了我國(guó)測(cè)控領(lǐng)域的首臺(tái)數(shù)字基帶設(shè)備。該基帶設(shè)備將遙控、遙測(cè)、測(cè)距、同控、模遙功能集成于一臺(tái)工控機(jī)內(nèi)，對(duì)外采用70MHz標(biāo)準(zhǔn)接口。隨著我國(guó)軟件無線電技術(shù)的迅速發(fā)展，目前完成了將遙控、遙測(cè)、測(cè)距、測(cè)速、數(shù)傳、跟蹤等功能全部集成于一臺(tái)基帶平臺(tái)的技術(shù)攻關(guān)，并可通過現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)程軟件加載實(shí)現(xiàn)多種測(cè)量體制。軟件重組技術(shù)在多個(gè)工程的測(cè)控設(shè)備上得到了廣泛的推廣和成功應(yīng)用，我國(guó)在基帶技術(shù)方面已經(jīng)達(dá)到了國(guó)外先進(jìn)水平。

在測(cè)控設(shè)備硬件重組方面，我國(guó)某些測(cè)控設(shè)備已經(jīng)在總體設(shè)計(jì)初期考慮了這項(xiàng)技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了測(cè)控資源硬件重組，但硬件資源重組普及性還不是很高。我國(guó)測(cè)控設(shè)備硬件資源重組普及性不是很高的原因是：我國(guó)大部分測(cè)控設(shè)備是以工程為牽引，針對(duì)特定任務(wù)需求，在不同時(shí)期，由不同研制廠所分批建設(shè)的，測(cè)控設(shè)備都是分批按套獨(dú)立建設(shè)，沒有進(jìn)行測(cè)控設(shè)備資源的重組設(shè)計(jì)。

我國(guó)測(cè)控設(shè)備建設(shè)的這種模式致使我國(guó)測(cè)控設(shè)備存在如下的一些問題：多套設(shè)備間可以互相利用的分系統(tǒng)經(jīng)常進(jìn)行重復(fù)建設(shè);每套設(shè)備在中心都有一個(gè)客戶機(jī)，不利于集中監(jiān)控的發(fā)展;熱備份設(shè)計(jì)使設(shè)備過于復(fù)雜;單套設(shè)備某分系統(tǒng)升級(jí)改造會(huì)導(dǎo)致整套設(shè)備一段時(shí)間無法工作。

我國(guó)測(cè)控設(shè)備建設(shè)中之所以存在以上問題，其原因主要有以下兩點(diǎn)：

(1)未制定完善的測(cè)控設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范體系，在推行已有統(tǒng)一研制要求時(shí)的力度不夠，容易受到各種個(gè)性要求的影響。隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，我國(guó)現(xiàn)行的測(cè)控設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化體系已經(jīng)不能完全適應(yīng)目前的測(cè)控設(shè)備，并且，由于測(cè)控設(shè)備使用單位多，各自對(duì)測(cè)控設(shè)備的使用有自己個(gè)性的要求。這些都導(dǎo)致了測(cè)控設(shè)備硬件接口、軟件接口和界面的形式各異，這是影響我國(guó)目前測(cè)控設(shè)備無法重組的最大原因;

(2)伴隨著航天事業(yè)的快速發(fā)展和新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，測(cè)控系統(tǒng)必須緊跟衛(wèi)星型號(hào)部門測(cè)控需求的變化，不斷地修正地面測(cè)控系統(tǒng)的配置和技術(shù)參數(shù)。盡管測(cè)控系統(tǒng)在測(cè)控站總體設(shè)計(jì)過程中考慮了綜合利用站內(nèi)測(cè)控資源的問題，但這種亦步亦趨、緊跟型號(hào)部門逐步改造地面站的工作方式限制了真正意義上的站內(nèi)測(cè)控資源重組的實(shí)現(xiàn)。

4 我國(guó)未來測(cè)控資源重組建設(shè)方案

4.1 測(cè)控資源重組系統(tǒng)組成框架

基于我國(guó)目前基帶設(shè)備對(duì)外接口統(tǒng)一采用70 MHz中頻，因此，我國(guó)未來測(cè)控資源重組系統(tǒng)在70 MHz 處利用開關(guān)矩陣實(shí)現(xiàn)測(cè)控天線和信道與基帶部分的重組。隨著器件和軟件無線電技術(shù)的發(fā)展，中頻可向射頻擴(kuò)展。

一個(gè)測(cè)控站根據(jù)任務(wù)需求，建設(shè)多套不同頻段、不同口徑的測(cè)控天線、多套基帶設(shè)備。對(duì)其中同類型天線進(jìn)行重組，而對(duì)于一些特殊要求的設(shè)備單獨(dú)建設(shè)，整個(gè)站的組成示意圖見圖1。

圖1 我國(guó)未來測(cè)控資源重組系統(tǒng)組成框架示意圖Fig.1 The composition frame of China's future TT&C resource reconstruction system

測(cè)控資源重組系統(tǒng)中天線信道部分通過中頻開關(guān)矩陣與基帶連接，通過中頻開關(guān)的切換，一套天線信道可以和任意一套基帶連接，測(cè)控站監(jiān)控分系統(tǒng)與各分系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)連接。

監(jiān)控分系統(tǒng)、時(shí)頻分系統(tǒng)、測(cè)試分系統(tǒng)、標(biāo)校分系統(tǒng)均為測(cè)控站共用設(shè)備，站內(nèi)所有測(cè)控資源的調(diào)度在監(jiān)控分系統(tǒng)的指揮下統(tǒng)一完成。

每套基帶可以根據(jù)不同任務(wù)加載不同可執(zhí)行軟件，任意空閑基帶設(shè)備可以擔(dān)任任務(wù)基帶設(shè)備的備份，在其中某套基帶設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，任意一套空閑的基帶可以通過配置任務(wù)宏，繼續(xù)完成任務(wù)。

監(jiān)控分系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)全站設(shè)備進(jìn)行集中管理，并負(fù)責(zé)自動(dòng)運(yùn)行流程的生成、管理、協(xié)調(diào)。

4.2 關(guān)鍵技術(shù)

我國(guó)未來若在大型測(cè)控站級(jí)實(shí)現(xiàn)大量測(cè)控設(shè)備的資源重組，還需在以下幾個(gè)方面加強(qiáng)技術(shù)研究。

(1)測(cè)控設(shè)備的軟硬件標(biāo)準(zhǔn)化

由于我國(guó)目前測(cè)控設(shè)備是針對(duì)特定任務(wù)，在不同時(shí)期、由不同研制單位研制，各個(gè)不同研制單位所研制的設(shè)備，甚至同一研制單位在不同研制時(shí)期所研制的設(shè)備其硬件及軟件接口存在著很大的差異。而測(cè)控設(shè)備硬件及軟件標(biāo)準(zhǔn)化是測(cè)控設(shè)備資源可重組的技術(shù)前提，否則無法通過大型中頻開關(guān)矩陣進(jìn)行天線信道與基帶的任意切換，也無法通過系統(tǒng)監(jiān)控對(duì)設(shè)備各單元進(jìn)行監(jiān)控。

現(xiàn)階段，我們正在針對(duì)測(cè)控設(shè)備進(jìn)行硬件及軟件接口標(biāo)準(zhǔn)化工作，但由于我國(guó)測(cè)控設(shè)備長(zhǎng)期處于各研制單位根據(jù)具體任務(wù)進(jìn)行研制生產(chǎn)的階段，接口之間存在較大差異，因此，加強(qiáng)測(cè)控設(shè)備軟件及硬件標(biāo)準(zhǔn)化十分迫切。

(2)大型開關(guān)矩陣技術(shù)

目前，根據(jù)軟件無線電技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)測(cè)控設(shè)備只能在中頻對(duì)測(cè)控信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，信道通過中頻開關(guān)矩陣與基帶進(jìn)行任意組合，開關(guān)矩陣的路數(shù)根據(jù)站內(nèi)設(shè)備套量決定。

對(duì)于一個(gè)測(cè)控站，大型開關(guān)矩陣是實(shí)現(xiàn)測(cè)控設(shè)備資源重組的關(guān)鍵設(shè)備。目前，國(guó)內(nèi)已成功在工程上應(yīng)用了15×27的中頻開關(guān)矩陣和2×8的射頻開關(guān)矩陣，但對(duì)于更大路數(shù)的開關(guān)矩陣尚無工程應(yīng)用，需要對(duì)此繼續(xù)研究。

(3)監(jiān)控分系統(tǒng)擴(kuò)展技術(shù)

目前，我國(guó)測(cè)控設(shè)備在任何分系統(tǒng)進(jìn)行改造升級(jí)時(shí)，都需要對(duì)監(jiān)控分系統(tǒng)進(jìn)行改造。而我們建設(shè)測(cè)控資源重組系統(tǒng)的同時(shí)，不可避免地將面臨在已建成測(cè)控資源重組系統(tǒng)加入新設(shè)備的問題，若每次系統(tǒng)的升級(jí)都需要對(duì)監(jiān)控分系統(tǒng)進(jìn)行改造，在時(shí)間和經(jīng)費(fèi)上都是一種極大的浪費(fèi)，也不符合測(cè)控資源重組的思想。如何建設(shè)可擴(kuò)充的測(cè)控設(shè)備資源重組站監(jiān)控分系統(tǒng)也成為關(guān)鍵技術(shù)之一。

(4)射頻信號(hào)低損穩(wěn)相傳輸技術(shù)

采用測(cè)控資源重組技術(shù)后，射頻或中頻信號(hào)低損穩(wěn)相傳輸將成為測(cè)控資源重組面臨的一個(gè)問題。目前，中頻電纜低損穩(wěn)相傳輸問題已經(jīng)得到有效解決，但射頻電纜的傳輸損耗仍然比較大，相位穩(wěn)定性也比較差，并且損耗還隨著頻率的增大而增加。因此，射頻信號(hào)的低損穩(wěn)相傳輸將是一個(gè)需要繼續(xù)研究的問題。

5 實(shí)施方案

測(cè)控設(shè)備資源重組是低成本、高效率完成多星多任務(wù)的技術(shù)手段，未來應(yīng)在我國(guó)綜合測(cè)控站進(jìn)行推廣實(shí)施，初步實(shí)施方案是：

(1)對(duì)目前的綜合測(cè)控站進(jìn)行分析評(píng)估，將已有測(cè)控資源進(jìn)行有效整合，通過調(diào)研、設(shè)計(jì)形成已有測(cè)控設(shè)備進(jìn)行資源重組的具體建設(shè)方案，并落實(shí)建設(shè)任務(wù)，建成我國(guó)的資源重組系統(tǒng)；

(2)建成后的資源重組系統(tǒng)需形成完整的設(shè)計(jì)和接入規(guī)范，作為后續(xù)測(cè)控設(shè)備研制的重要設(shè)計(jì)依據(jù)之一，以便新測(cè)控設(shè)備的順利接入；

(3)當(dāng)出現(xiàn)新的測(cè)控任務(wù)需要進(jìn)行測(cè)控支持時(shí)，應(yīng)對(duì)建成的資源重組系統(tǒng)性能進(jìn)行綜合分析評(píng)估，盡可能地考慮利用已有系統(tǒng)，僅進(jìn)行必要的擴(kuò)充性建設(shè)來滿足新的測(cè)控任務(wù)要求；

(4)擴(kuò)充的測(cè)控設(shè)備按照接入規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，正式接入資源重組系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)先對(duì)其進(jìn)行接入驗(yàn)證，當(dāng)確認(rèn)其各項(xiàng)指標(biāo)要求均符合接入規(guī)范后，方可正式接入資源重組系統(tǒng)。

6 結(jié)束語

目前，我國(guó)在測(cè)控設(shè)備軟件重組技術(shù)方面已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平，并在測(cè)控設(shè)備工程應(yīng)用上廣泛推廣了該技術(shù)。在某些測(cè)控設(shè)備的設(shè)計(jì)初期也考慮了硬件重組技術(shù)，并在工程應(yīng)用上也實(shí)現(xiàn)了測(cè)控資源重組，但由于種種原因，測(cè)控設(shè)備硬件資源重組并沒有得到有效推廣。在我國(guó)航天事業(yè)飛速發(fā)展的今天，我國(guó)的大型綜合測(cè)控站也越來越多，充分利用測(cè)控設(shè)備資源重組技術(shù)，將是利用有限經(jīng)費(fèi)完成日益繁重測(cè)控任務(wù)的一條有效技術(shù)途徑。本文在介紹了測(cè)控資源重組技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和我國(guó)測(cè)控設(shè)備的發(fā)展情況后，提出了我國(guó)未來測(cè)控資源重組系統(tǒng)的建設(shè)方案和實(shí)施方案，對(duì)我國(guó)未來測(cè)控資源重組系統(tǒng)的建設(shè)具有一定指導(dǎo)意義。

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