陳雨迪，劉燕都，焦義文

（航天工程大學 北京 101400）

引 言

二十世紀六十年代以來，美國靶場司令委員會RCC（Range Commanders Council）下屬的靶場儀器組IRIG（Inter-Range Instrumentation Group）發(fā)布了一系列IRIG 106遙測標準。隨著遙測技術標準不斷提升和發(fā)展，我國現(xiàn)行的遙測標準（GJB 21）基本上參照了IRIG 106[1]。

隨著各類航空、航天飛行器的出現(xiàn)，特別是針對組網式的飛行器，飛行試驗的遙測需求不斷增長，除了傳輸數(shù)據量和所需帶寬增長外，為實現(xiàn)高效飛行試驗而建立飛行試驗遙測網絡的需求也被提出。2004年10月，美國試驗中心和項目評估投資機構CETIP（Central Test and Evaluation Investment Program）啟動了集成網絡增強遙測iNET（integrated Network Enhanced Telemetry）項目計劃[2]。作為iNET項目計劃的一部分，遙測網絡標準TmNS（Telemetry Network Standard）被用來規(guī)范和指導系統(tǒng)的開發(fā)和組件之間的互操作。TmNS隨著IRIG 106的修訂不斷更新發(fā)展，目前最新版為2019年7月發(fā)布的IRIG 106-19[3]。

1 TmNS概念及發(fā)展

TmNS作為iNET的核心部分，最早在2007年的文獻[4]中就被提出，作為IRIG 106的第二部分進行具體細節(jié)的更新和發(fā)展。

1.1 TmNS概念

制定TmNS的目的是通過定義系統(tǒng)的功能接口來促進網絡遙測系統(tǒng)體系結構的開放性和不同組件供應商之間的互操作性，以實現(xiàn)在諸多試驗對象、RF（Radio Frequency）網絡、遙測地面站之間的通信和協(xié)同工作。

TmNS的核心是描述網絡上組件的網絡和接口，所有基于TmNS的網絡都力求接近現(xiàn)有的基于因特網的網絡。同時，TmNS還提供了與現(xiàn)有設備、方法和技術融合的機制。TmNS不同于其他的技術革新，它通過顯著提高頻譜效率和數(shù)據交換效率來革新飛行測試的執(zhí)行方式，其基本原則是增強而不是取代現(xiàn)有的遙測系統(tǒng)，這一基本原則又進一步產生了將基于TmNS的功能與現(xiàn)有的設備、方法和技術結合起來的需要。

1.2 TmNS突出功能

根據IRIG 106的闡述，TmNS的IP網絡具備路由、服務質量QoS（Quality of Service）和阻塞控制等特性，為遙測技術帶來了以下一些新的功能：

①雙向通信功能：可以直接從傳感器和記錄器實時訪問測試設備上當前和過去的測量數(shù)據；在串行流遙測饋送丟失數(shù)據時能近實時地對測試設備恢復測量；向地面站提供對測試設備進行狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)配置等實時控制的能力。

②動態(tài)頻譜共享：基于對遙測資源的瞬時需求，能提供在多個并發(fā)測試活動之間共享頻譜資源的能力。

③服務質量：提供根據特定活動的優(yōu)先級來動態(tài)共享頻譜資源的能力，也會考慮一些特定服務的優(yōu)先傳輸，例如語音服務。

④完全互聯(lián)系統(tǒng)：提供從一個天線到另一個天線的無縫轉換傳輸和接收數(shù)據的能力，包括不同網絡(頻率)和其他距離范圍的天線。

⑤超視距遙測：TmNS具備實現(xiàn)測試設備到測試設備遙測(中繼)通信的能力，從而支持大量測試設備的測試和長距離測試。

1.3 TmNS標準發(fā)展

TmNS作為iNET項目計劃的核心部分，對于TmNS的描述最早出現(xiàn)在文獻[4]中。iNET項目計劃最初設想是通過吸引廣大用戶和設備供應商的參與來共同開發(fā)完善以實現(xiàn)空地一體的集成網絡增強遙測，因此沒有在最初就制定出統(tǒng)一的協(xié)議、數(shù)據接口、硬件管理機制等技術標準。在iNET的項目文件中，TmNS被定義為遙測網絡系統(tǒng)(Telemetry Network System)。

隨著iNET項目計劃的不斷探索和相關技術驗證，對于TmNS的設想形成了更具體的統(tǒng)一認識。IRIG 106對TmNS的定義也發(fā)展為遙測網絡標準（Telemetry Network Standard），對其進行標準化描述，收入到遙測標準的第二部分，但沒有正式納入發(fā)布版本。直到2017年IRIG 106-17[5]第一次將TmNS作為21章到28章納入到正式發(fā)布的版本中，并且在IRIG 106-19[3]中增添了部署TmNS頻段計劃并且將TmNS部署頻段計劃合并到遙測標準的第2章中。

1.4 國內對于TmNS標準研究現(xiàn)狀

國內相關文獻中，文獻[1, 2, 6]最早對網絡遙測技術進行研究探索：文獻[1]在國內最早介紹了當時最新發(fā)布的iNET遙測網絡標準，概述了遙測網絡系統(tǒng)(TmNS)的概念與范疇，引入了網絡化遙測的概念；文獻[2]重點探討了遙測網絡系統(tǒng)的體系結構，包括外圍設備、外設配置人機接口、網絡管理等，并闡述了遙測網絡在航空飛行試驗中的應用前景；文獻[6]介紹了遙測網絡系統(tǒng)的技術框架，包括系統(tǒng)組成、體系結構、增強功能和主要技術指標，并給出了一種可行的TmNS技術實現(xiàn)方案。文獻[7-12]就遙測網絡的網絡組網技術進行了研究：文獻[7]提出基于無線網技術來實現(xiàn)新的“飛行試驗遙測數(shù)據實時遠程傳輸”方案，參照遙測網絡標準對飛行試驗遙測傳輸中的無線組網技術和數(shù)據安全進行了研究；文獻[8-10]對遙測網絡系統(tǒng)的聯(lián)網控制協(xié)議進行了研究，為提出用于新一代遙測網絡系統(tǒng)的控制與聯(lián)網協(xié)議做出了一定的貢獻；文獻[11]對S+C波段飛行試驗遙測網絡系統(tǒng)的管理需求、管理方法等進行了研究，提出并實現(xiàn)了基于SNMP協(xié)議的遙測網絡系統(tǒng)管理技術方案；文獻[12]利用基于無線mesh網絡的測試系統(tǒng)，優(yōu)化無線mesh網絡組網模式和各參數(shù)，增強了網絡遙測的通信穩(wěn)定性和可靠性，增加了單機遙測傳輸距離，同時測試了多機協(xié)同試飛時遙測傳輸距離的性能。文獻[13]研究分析比較了B-LM算法和E-LM算法運用于TmNS射頻網絡管理的性能；文獻[14-17]為綜述類文章，從技術應用、未來前景等角度也對網絡化遙測進行了分析。

2 TmNS技術框架

2.1 TmNS分層架構

基于文獻[18]提出的構想，國際互聯(lián)網工程任務組IETF（Internet Engineering Task Force）成功定義了一種用來描述IP網絡的沙漏方法，如圖1所示。TmNS利用基于IETF沙漏結構模型描述的IP網絡描述了TmNS的層次構型，其中IP層是網絡組件之間基本互操作性的重要保證。圖2顯示了經典IETF IP沙漏模型的TmNS專門化。

圖1 IETF沙漏構型Fig.1 Hourglass model defined by IETF

圖2 TmNS專門化的沙漏構型Fig.2 Hourglass model specialized for TmNS

在沙漏構型的基礎上，再對TmNS進行分層架構設計。根據設計理念，TmNS本質上是一個通信和數(shù)據交付系統(tǒng)，參照TCP/IP模型它被劃分為應用層、傳輸層、互聯(lián)網層和網絡接入層。同時，TmNS根據需求在應用層增添了無線電接入網絡應用、數(shù)據傳輸應用和常見的客戶端/服務器應用的相關協(xié)議；在網絡接入層增添了射頻鏈接層和射頻物理層的相關協(xié)議，如圖3所示。在對應的分層架構模型中，TmNS中的一層服務于它上面的層，并由它下面的層服務，數(shù)據交互嚴格遵從層與層之間的特定協(xié)議。

2.2 TmNS定義的兩種指揮控制平臺

實際運行過程中，TmNS定義了兩個主要的命令和控制平臺，分別是測試/任務指揮控制平臺（圖4中紅色部分）和靶場基礎設施指揮控制平臺（圖4中黑色部分），這兩種平臺體現(xiàn)了傳統(tǒng)遙測體系與網絡化遙測融合的方式，其基本理念就是通過兩類指揮控制平臺對遙測網絡的功能進行分解分配，并區(qū)分每個平臺內數(shù)據傳輸?shù)男问健⒚芗墸瑥亩鴮崿F(xiàn)高效、安全的網絡化遙測。

測試/任務指揮控制平臺主要負責特定測試相關的命令和控制。該指揮控制平臺主要由測試設備和任務控制室的紅色網絡組件組成，如圖4所示，紅色網絡組件位于內聯(lián)網絡加密器的后面。它涉及測量、遙測處理、消息/數(shù)據格式確定、數(shù)據記錄、測試設備組件狀態(tài)的配置，平臺內傳遞的信息是未進行加密的文本。

靶場基礎設施指揮控制平臺主要用于單個或多個范圍內的與給定測試所需的資源供應相關的命令和控制。該平臺主要由地面天線站點、距離操作中心和測試設備上的黑網絡組件組成。它包含頻譜共享、QoS、雙向遙測通信的建立和管理，以及來自測試設備的從一個給定的地面天線位置到另一個天線位置的通信轉換（天線到天線的切換），其內部的信息是以密文形式傳遞的。

圖3 TmNS分層架構Fig.3 Layered architecture of TmNS

圖4 TmNS定義的命令和控制平臺Fig.4 Command and control planes defined by TmNS

3 TmNS關鍵技術

3.1 基于網絡的數(shù)據信息

為了方便數(shù)據信息加解密編解碼，實現(xiàn)高效安全地傳輸信息，遙測網絡中數(shù)據傳遞以統(tǒng)一的信息格式傳遞，這要求不僅包含了地面IP網絡中標準化傳輸，還包含了在射頻端的信息格式統(tǒng)一化。測試數(shù)據以TmNS數(shù)據消息（TmNS Data Message）的形式傳遞，其中包含一個數(shù)據頭信息和一個有效信息負載，如圖5所示。

實際測量是包含在TmNS數(shù)據消息的數(shù)據包中，并且在TmNS數(shù)據消息中測量參數(shù)的映射是定義在一個系統(tǒng)配置文件中。該系統(tǒng)配置文件是一個元數(shù)據描述語言MDL（Metadata Description Language）定義的文件，用來描述特定的正在傳輸或者使用TmNS數(shù)據消息的設備配置信息。

圖5 TmNS數(shù)據消息Fig.5 TmNS data message

3.2 系統(tǒng)配置管理

TmNS中的系統(tǒng)管理是基于國際標準化組織電信管理網絡模型FCAPS。作 為 電 信 管 理 網TMN（Telecommunications Management Network）層次結構的補充，國際電信聯(lián)盟電信標準部ITU-T同時劃分出了網絡管理系統(tǒng)提供的五個通用的管理職能：故障、配置、計算、性能和安全性FCAPS（Fault，Configuration，Accounting，Performance and Security）。本質上，在系統(tǒng)管理和配置方面，TmNS系統(tǒng)由兩類部件——托管設備和TmNS管理員組成。通過提供網絡上故障、配置、會計、性能和安全配置信息的視圖，實現(xiàn)了對所有從屬于遙測網絡部件的管理。

圖6顯示了由TmNS特例化的系統(tǒng)管理構建模塊，其使用的核心技術是簡單網絡管理協(xié)議SNMP（Simple Network Management Protocol），SNMP管理信息庫MIBs（Management Information Bases）為進行管理提供參考手冊。托管設備執(zhí)行名為“代理（agents）”的應用程序，這些應用程序使用TmNS定義的管理信息庫來提供它們內部狀態(tài)并接受控制和配置。文件傳輸協(xié)議（FTP）、超文本傳輸協(xié)議（HTTP）和Internet控制消息協(xié)議在文件傳輸、用戶發(fā)現(xiàn)和參數(shù)配置方面發(fā)揮了重要作用。

圖6 TmNS系統(tǒng)管理Fig.6 System management of TmNS

3.3 時間同步

整個基于TmNS的系統(tǒng)內時間使用基于IEEE 1588-2008的時間協(xié)議進行分發(fā)，該版本時間協(xié)議也稱為精確時間協(xié)議版本2，并且在TmNS系統(tǒng)中，時間信息是在不添加任何報文的情況下傳輸?shù)?。網絡遙測標準中定義的時間同步協(xié)議中，規(guī)定了三類時鐘，分別是IEEE 1588主時鐘、IEEE 1588從時鐘和IEEE 1588邊界時鐘。主時鐘接口主要支持關鍵網絡節(jié)點的時間同步，與GPS時鐘源同步；從時鐘接口應用于次重要的網絡節(jié)點同步于主時鐘接口的關鍵網絡節(jié)點，當網絡內沒有主時鐘接口的關鍵網絡節(jié)點時，從時鐘以最后一個已知時間為準自行計時；邊界時鐘技術用于支持將時間同步數(shù)據傳輸?shù)叫枰叨韧降脑O備，例如透明時鐘。帶有主時鐘或從時鐘的網絡節(jié)點都支持外部的秒脈沖輸出，以便在一微秒內驗證分布式時鐘之間的時間信號同步是否鎖定。

3.4 服務質量

當遙測網絡遇到數(shù)量眾多的用戶提交的差異化服務需求時，為避免產生的阻塞使得傳輸數(shù)據、服務需求丟失，TmNS標準采用了QoS機制。QoS機制可用于特定測試或跨多個測試中的某些數(shù)據集，由于性能原因、飛行安全考慮等因素，這些數(shù)據集可能有嚴格的傳輸優(yōu)先級要求。針對這些數(shù)據集不同的優(yōu)先級，TmNS注釋了一個典型的差異化服務體系結構，形成標準的IP QoS機制，用于協(xié)調相互競爭的數(shù)據傳輸，應對可能產生網絡的網絡阻塞。

3.5 射頻網絡管理

射頻網絡采用了一個基于開放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型OSI（Open System Interconnect Reference Model）的數(shù)據傳輸方法。在經典的OSI模型中，數(shù)據通過OSI堆棧先從應用層傳遞到物理層，再通過傳播媒介在物理層之間傳輸，最后回到接收方應用程序的堆棧。在大多數(shù)情況下，射頻網絡的操作與其他任何采用TCP/ IP協(xié)議的網絡一樣，使用標準的數(shù)據管理協(xié)議創(chuàng)建消息，例如簡單的網絡管理協(xié)議；在傳輸層依據TCP或UDP協(xié)議封裝數(shù)據包；然后進一步封裝成包含邏輯尋址和路徑路由確定的IP包。射頻網絡與OSI模型的不同之處在于數(shù)據鏈路和物理層，為了支持通過RF鏈路進行傳輸，射頻網絡中修改了媒體訪問控制MAC（Media Access Controls）協(xié)議。

射頻網絡媒體接入采用了一種基于時隙結構的傳輸方案，在每個分配的頻點上將串行的通道分成多個時隙Epoch在多個鏈路進行分配。這樣在同一頻率上就實現(xiàn)了多個鏈路時分復用[13]。由于鏈路中任務時有時無，需求多樣化，所以需要對時隙Epoch進行動態(tài)管理。為了支持Epoch結構的動態(tài)更新，TmNS定義了傳輸機會TxOp（Transmission Opportunities）。TxOp是傳輸實體可以通過其相關的RF接口進行傳輸?shù)臅r間窗口，包含一個開始時間和一個停止時間，決定了一個Epoch的重復時間邊界。收發(fā)器根據RF網絡消息提供的TxOp來更新他們當前的活動策略，選擇性地先執(zhí)行部分Epoch，如圖7所示。

圖7 基于時隙結構的傳輸Fig.7 Transmission scheme based on Epoch

4 TmNS未來發(fā)展以及啟示

4.1 TmNS未來發(fā)展

在最新版的IRIG 106-19中，遙測網絡標準提出了若干未來需要繼續(xù)補充發(fā)展的內容：

①物理鏈路層的多載波傳輸

目前TmNS標準物理層協(xié)議中采用了單載波形偏移正交相移鍵控SOQPSK-TG（Shaped Offset Quadrature Phase Shift Keying）信息調制方式。為了有利于機載設備和地面系統(tǒng)之間的連續(xù)數(shù)據流遙測的同步和互操作性，在與靶場委員會頻譜管理小組（Frequency Management Group of the Range Commanders Council）進行協(xié)調后，標準建議射頻網絡遙測采用4900.0MHz到4922.0MHz的頻帶。但是目前的單載波調制方式仍有一定的局限性，為了提高抗多徑干擾和抗多普勒效應的性能[19]，TmNS在未來的標準中為多載波調制預留了位置。

②數(shù)據信息傳輸協(xié)議中需求定義的應用數(shù)據傳輸部分

需求定義的應用數(shù)據傳輸（Request-Defined Application Data Transfer）是TmNS特有的通過資源客戶端傳輸TmNS數(shù)據消息的屬于應用程序級別的方法。其中包含基于實時流協(xié)議RTSP（Real Time Streaming Protocol）的控制通道、基于RTSP的數(shù)據通道、可靠性至上RC（Reliability Critical）傳輸協(xié)議和需求定義的數(shù)據通道。其中前三個協(xié)議已作出詳細描述，“需求定義的數(shù)據通道”這一節(jié)還未形成統(tǒng)一標準，有待后期補充發(fā)展。

③RF 鏈路管理的容量動態(tài)分配算法

RF鏈路中，鏈路管理器LM（Link Manager）是一個負責優(yōu)化控制和協(xié)調射頻網絡中鏈路容量分配的TmNS應用，主要通過管理無線電組件傳輸機會分配的TDMA控制器實現(xiàn)。目前標準中還未對鏈路容量動態(tài)分配算法進行詳細闡述，有待后期的研究發(fā)展。

4.2 網絡遙測帶來的啟示

目前我國航天飛行器的遙測現(xiàn)狀是各型任務主要基本參照遙測標準（GJB 21），根據任務的需求不同進行差異化的訂制。這種工作模式在現(xiàn)有的遙測任務規(guī)模、飛行器數(shù)量的情況下，是暫時可以滿足任務需求的。未來隨著航天飛行器數(shù)量增多、遙測任務規(guī)模擴大，尤其是小衛(wèi)星組網等需求，目前固定的點對點遙測接收工作模式難以滿足用戶數(shù)量劇增的需求[20]。即使大規(guī)模建站，不采用網絡IP化的遙測，現(xiàn)行遙測模式也難以應對數(shù)量眾多優(yōu)先級各異的遙測需求。因此遙測標準相應部分亟需更新，網絡化遙測應加強推廣。

5 結束語

本文在分析遙測標準IRIG 106-19中關于遙測網絡標準更新部分的基礎上，分析了網絡遙測技術的技術框架、關鍵技術和未來發(fā)展，并提出了網絡遙測帶來的啟示。大力發(fā)展網絡化遙測，符合我國未來空地一體遙測網絡建設的趨勢，也對形成新的遙測標準具有積極意義。