王 健 布向偉,2 彭昊旻 趙金棟 魏 凱,2

1. 東方空間技術(shù)北京有限公司,北京 100010 2. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京 100076

0 引言

隨著美國(guó)太空探索技術(shù)公司“星鏈”計(jì)劃的穩(wěn)步推進(jìn),目前近地在軌運(yùn)行衛(wèi)星已達(dá)4000多顆,從 SpaceX 透露的長(zhǎng)遠(yuǎn)計(jì)劃來(lái)看,一共要向近地軌道發(fā)射4.2萬(wàn)顆衛(wèi)星,其中1.2萬(wàn)顆已獲批準(zhǔn),3萬(wàn)顆已提交申請(qǐng)。而地球低軌的軌道、頻率資源是非常有限的,國(guó)際衛(wèi)星界遵循“先占先得”的理念,但因?yàn)椤靶擎湣盵1]計(jì)劃衛(wèi)星數(shù)量龐大,跟以前的地球靜止軌道衛(wèi)星概念不同,“星鏈”對(duì)于低軌的占據(jù)幾乎是“先占永得”。與此同時(shí),在我國(guó)四大陸基衛(wèi)星發(fā)射中心里,即便是距離地球赤道最近的海南文昌衛(wèi)星發(fā)射中心位置也在北緯19°,因此提升高頻次衛(wèi)星發(fā)射能力、完善0～19°小傾角衛(wèi)星發(fā)射服務(wù)對(duì)我國(guó)深空安全意義重大。

海射火箭憑其部署靈活性、發(fā)射適應(yīng)性、角度全向性等一系列獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[2]可以在綜合提升有效載荷運(yùn)載能力的同時(shí)控制殘骸回收落區(qū),彌補(bǔ)陸基發(fā)射的不足。在海射火箭作業(yè)過(guò)程中無(wú)人發(fā)射平臺(tái)端的關(guān)鍵點(diǎn)位監(jiān)控、長(zhǎng)時(shí)航向保持、動(dòng)態(tài)方位瞄準(zhǔn)以及無(wú)人值守發(fā)射等測(cè)發(fā)流程[3]均離不開(kāi)海上無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)。為此,國(guó)內(nèi)外科研單位圍繞工作環(huán)境為海浪晃動(dòng)[4]、空氣中布滿(mǎn)鹽霧、霉菌的海上無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)提出了多種解決方案。其中最早可追溯到上世紀(jì) 60 年代,用于美國(guó)“偵察兵”運(yùn)載火箭海面發(fā)射的海上無(wú)線(xiàn)通信方案由雷神公司提出,其有效作用距離為1km,具體指標(biāo)參數(shù)不詳;20世紀(jì)80年代末,烏克蘭南方公司和俄羅斯能源科研生產(chǎn)公司面向“天頂”號(hào)運(yùn)載火箭海面發(fā)射專(zhuān)門(mén)組建了一家公司,其海上無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中的無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊采用低速時(shí)鐘源32.768kHz,限于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件無(wú)線(xiàn)吞吐量只有不到200Kbps;2019年9 月15日,我國(guó)長(zhǎng)征十一號(hào)在黃海海域順利海射[5],其海上無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)在設(shè)計(jì)維護(hù)上充分考慮了海況影響,通過(guò)中心化的傳統(tǒng)主從式數(shù)據(jù)庫(kù)管理方式[6]實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián),使用特定頻段進(jìn)行關(guān)鍵信號(hào)及視頻數(shù)據(jù)流的傳輸,但是成本高昂且對(duì)中心節(jié)點(diǎn)依賴(lài)較大?；谝陨犀F(xiàn)狀,本文提出了一種基于區(qū)塊鏈的海射火箭無(wú)線(xiàn)測(cè)發(fā)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

海射火箭系統(tǒng)主要由海射指控船和海上無(wú)人發(fā)射平臺(tái)端[7]兩大部分組成,其中海上無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)是兩端信息交互的關(guān)鍵媒介,現(xiàn)有技術(shù)方案大多是選擇1.3GHz～1.5GHz作為主要通信頻段,300MHz～ 500MHz作為備保頻段,海射作業(yè)需要提前較長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行電磁信號(hào)搜集以避開(kāi)干擾,嚴(yán)重受限于發(fā)射海域當(dāng)?shù)氐碾姶怒h(huán)境[8]。本系統(tǒng)選擇公用網(wǎng)絡(luò)2.43GHz作為中心頻率,在對(duì)海面環(huán)境下天線(xiàn)回波損耗及天線(xiàn)增益進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,通過(guò)不可逆哈希算法對(duì)海射指控船端應(yīng)用層信源加密后進(jìn)行數(shù)據(jù)隱蔽傳輸,海上無(wú)人發(fā)射平臺(tái)端由隨機(jī)高度區(qū)塊哈希[9]生成的對(duì)應(yīng)私鑰進(jìn)行測(cè)發(fā)控?cái)?shù)據(jù)的解密,系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)線(xiàn)射頻電路設(shè)計(jì)

海上無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)實(shí)際工作環(huán)境中布滿(mǎn)鹽霧、霉菌,且受海況影響會(huì)出現(xiàn)不同程度的海面晃動(dòng),進(jìn)行無(wú)線(xiàn)射頻電路設(shè)計(jì)時(shí),需注意到前后端數(shù)據(jù)流傳輸是在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)整中完成的。因此,在進(jìn)行無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片選型時(shí),不僅要考慮靈敏度、低功耗以及TCP模式下最大傳輸速率等傳統(tǒng)技術(shù)參數(shù),還要結(jié)合芯片動(dòng)態(tài)環(huán)境響應(yīng)特性綜合考慮。本系統(tǒng)選用德州儀器(TI)的CC3200單芯片無(wú)線(xiàn)微控制器完成射頻電路設(shè)計(jì),其內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)處理器能對(duì)時(shí)域范圍內(nèi)的方位調(diào)整及時(shí)響應(yīng)。CC3200芯片的31管腳RF_BG為射頻端口,負(fù)責(zé)無(wú)線(xiàn)測(cè)發(fā)控指令與視頻數(shù)據(jù)流的收發(fā)。同時(shí)在射頻管腳處外接了帶通濾波器BF1608-E2R4DAA,這樣更能有效衰減作業(yè)海域環(huán)境中無(wú)效頻率信號(hào)[10]的擾動(dòng),保障系統(tǒng)兩端數(shù)據(jù)交互穩(wěn)定流暢,無(wú)線(xiàn)射頻電路如圖2所示。

圖2 無(wú)線(xiàn)射頻電路設(shè)計(jì)

2.2 區(qū)塊存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)

海射火箭各級(jí)箭體內(nèi)部設(shè)計(jì)有數(shù)十種類(lèi)型的箭上電纜網(wǎng)測(cè)點(diǎn)和無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)測(cè)點(diǎn)[11],現(xiàn)有的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采編方案是通過(guò)綜合采編裝置進(jìn)行采集、編幀和存儲(chǔ)后匯入地面遙測(cè)終端進(jìn)行判讀,遙測(cè)數(shù)據(jù)流嚴(yán)重依賴(lài)于綜合采編裝置[12]的管理。本系統(tǒng)將沖擊、溫度、熱流、壓力、推力及電磁閥等54種箭體遙測(cè)信號(hào)作為區(qū)塊鏈中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸,各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)互聯(lián)共享,每個(gè)節(jié)點(diǎn)均設(shè)計(jì)有區(qū)塊存儲(chǔ)電路,指控船端和無(wú)人發(fā)射平臺(tái)端借助公用網(wǎng)絡(luò)下的去中心化的遙測(cè)區(qū)塊節(jié)點(diǎn)傳遞火箭測(cè)試、發(fā)射等類(lèi)型的隱蔽信息,為海射火箭的航班化發(fā)射提供技術(shù)保障,本系統(tǒng)選擇W25Q128FV型芯片作為單個(gè)區(qū)塊節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)顆粒,其中區(qū)塊存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 區(qū)塊存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)

2.3 天線(xiàn)設(shè)計(jì)及仿真

在海射火箭作業(yè)過(guò)程中為充分利用地球自轉(zhuǎn)速率,最大程度地節(jié)省運(yùn)載火箭克服地心引力所需的燃料與推力,海上無(wú)人發(fā)射平臺(tái)端都是在位于赤道附近海域進(jìn)行發(fā)射作業(yè),距離指控船或者海岸邊的距離可達(dá)3km～5km,而系統(tǒng)天線(xiàn)是海面環(huán)境下數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)可靠傳輸?shù)闹匾浇椤榱说玫较到y(tǒng)兩端在相隔5km條件下的天線(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì),本文通過(guò)Ansoft HFSS三維結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)仿真軟件對(duì)系統(tǒng)天線(xiàn)進(jìn)行了仿真,仿真設(shè)計(jì)中選用了中心頻率為2.43GHz,設(shè)置掃頻范圍為2GHz(3GHz,天線(xiàn)回波損耗仿真結(jié)果如圖4所示,天線(xiàn)回波損耗參數(shù)[13]越大,意味著對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)下反射出去的能量損耗越高,性能越差,不難發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)天線(xiàn)在2.43GHz中心頻率下天線(xiàn)回波損耗參數(shù)達(dá)到了最小,性能最優(yōu);天線(xiàn)增益仿真仿真結(jié)果如圖5所示,其中紅色和紫色曲線(xiàn)是極坐標(biāo)系下的xz和xy相互正交平面的增益截圖,最大值約為4.6db,出現(xiàn)頻點(diǎn)位置為2.45GHz。為了權(quán)衡最小回波損耗與最大增益[14]兩種不同類(lèi)型的參數(shù)對(duì)海射火箭作業(yè)中遙測(cè)區(qū)塊節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?在外出實(shí)驗(yàn)中對(duì)不同方案設(shè)計(jì)的天線(xiàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖4 系統(tǒng)天線(xiàn)回波損耗仿真

圖5 系統(tǒng)天線(xiàn)增益仿真

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)無(wú)人發(fā)射平臺(tái)端上位機(jī)軟件基于圖層嵌套類(lèi)程序開(kāi)發(fā)環(huán)境LabVIEW (Laborary Virtual Instrument Engineering Workbench)設(shè)計(jì),圖6所示為箭體遙測(cè)區(qū)塊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序框圖[15],其中“原值”表示上個(gè)遙測(cè)區(qū)塊的哈希值,“新值”表示由上個(gè)遙測(cè)區(qū)塊哈希值、根哈希和隨機(jī)數(shù)組合生成的當(dāng)前區(qū)塊哈希值。遙測(cè)區(qū)塊體部分主要用于確認(rèn)測(cè)點(diǎn)類(lèi)型和各測(cè)點(diǎn)信號(hào)詳值,并將區(qū)塊鏈中所包含的不同類(lèi)型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在W25Q128FV介質(zhì)顆粒中。

系統(tǒng)指控船端上位機(jī)軟件中標(biāo)志信號(hào)“RDFlag”用于控制系統(tǒng)兩端遙測(cè)區(qū)塊傳輸?shù)膯⑼?指控船端在確認(rèn)“RDFlag”信號(hào)有效后,向?qū)Ψ桨l(fā)送應(yīng)用層信源加密請(qǐng)求,無(wú)人發(fā)射平臺(tái)端在接受請(qǐng)求并完成加密動(dòng)作后,通過(guò)天線(xiàn)返回指控船端,從而達(dá)到在公用網(wǎng)絡(luò)頻段傳輸隱蔽數(shù)據(jù)的目的,為海射火箭的無(wú)線(xiàn)測(cè)發(fā)控?cái)?shù)據(jù)提供技術(shù)保護(hù)。圖7所示為系統(tǒng)在區(qū)塊鏈場(chǎng)景下的箭體遙測(cè)數(shù)據(jù)加密流程圖。

圖7 箭體遙測(cè)區(qū)塊加密流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

為了對(duì)真實(shí)自然環(huán)境下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可靠性與工程性進(jìn)行驗(yàn)證,本次實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選在山東省煙臺(tái)市海陽(yáng)市東方航天港附近島礁。無(wú)人發(fā)射平臺(tái)端在海陽(yáng)港碼頭,指控船端在海陽(yáng)市連理島海岸線(xiàn)附近,通過(guò)靈活變換位置來(lái)調(diào)整相對(duì)距離,可以覆蓋100m～5km的實(shí)驗(yàn)范圍,實(shí)驗(yàn)位置示意圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)位置示意圖

本次實(shí)驗(yàn)參試設(shè)備主要包括海射火箭無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)、頻譜儀、測(cè)距儀、IP電話(huà)、POE交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀、避雷器、室外定向天線(xiàn)、室外全向天線(xiàn)、筆記本電腦及配套線(xiàn)纜等。所有參試設(shè)備按照系統(tǒng)兩端電氣連接要求分別置于兩輛實(shí)驗(yàn)保障車(chē)上,保障車(chē)可以提供～220V/50Hz電源,功率不小于3kW,車(chē)內(nèi)保留有較大的空間放置測(cè)試儀器,天線(xiàn)、三腳架、固定座及升降桿置于車(chē)外空地。

在實(shí)驗(yàn)保障條件具備、實(shí)驗(yàn)點(diǎn)位現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)無(wú)誤的基礎(chǔ)上,對(duì)海射火箭無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)進(jìn)行100m、3km和5km三種距離條件下的海上無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及視頻數(shù)據(jù)流傳輸實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)通信功能檢查、TCP模式下系統(tǒng)吞吐量測(cè)試、UDP模式下系統(tǒng)丟包率測(cè)試、系統(tǒng)遙測(cè)區(qū)塊加密功能測(cè)試、無(wú)人發(fā)射平臺(tái)端視頻數(shù)據(jù)流傳輸測(cè)試以及系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)傳輸時(shí)延測(cè)試等內(nèi)容。

4.1 系統(tǒng)100m測(cè)試

在進(jìn)行100m測(cè)試時(shí),系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及兩端位置經(jīng)緯度說(shuō)明如圖9所示。本次測(cè)試中在無(wú)人發(fā)射平臺(tái)端周邊通過(guò)POE交換機(jī)布置了四臺(tái)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī),用于模擬100m距離條件下無(wú)人發(fā)射平臺(tái)端海射火箭發(fā)動(dòng)機(jī)處、芯一級(jí)、芯二級(jí)等關(guān)鍵點(diǎn)位的視頻監(jiān)控,通過(guò)在指控船端觀(guān)察視頻顯示流暢度、有無(wú)黑屏、卡頓等情況對(duì)系統(tǒng)視頻數(shù)據(jù)流傳輸性能進(jìn)行驗(yàn)證,視頻數(shù)據(jù)流100m傳輸顯示如圖10所示。

圖9 系統(tǒng)100m測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

圖10 視頻數(shù)據(jù)流100m傳輸測(cè)試

在對(duì)系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)通信功能進(jìn)行確認(rèn)的基礎(chǔ)上,通過(guò)iPerf3軟件工具進(jìn)行TCP模式下系統(tǒng)吞吐量測(cè)試和UDP模式下系統(tǒng)丟包率測(cè)試。由于距離較近,此時(shí)的測(cè)試結(jié)果僅用來(lái)對(duì)比參考,并不具備較強(qiáng)信服力,在此不再贅述。

4.2 系統(tǒng)3km測(cè)試

在進(jìn)行3km測(cè)試時(shí),系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及兩端位置經(jīng)緯度說(shuō)明如圖11所示,視頻數(shù)據(jù)流3km傳輸顯示如圖12所示。

圖12 視頻數(shù)據(jù)流3km傳輸測(cè)試

在3km情況下,通過(guò)iPerf3軟件工具進(jìn)行不可逆加密后的系統(tǒng)丟包率、時(shí)延測(cè)試,設(shè)置指控船端發(fā)送時(shí)間為600s,發(fā)送速率為80Mbps,測(cè)試結(jié)果中系統(tǒng)丟包率為0.029%,時(shí)延為0.110ms,傳輸數(shù)據(jù)量為5.59GB,系統(tǒng)底層經(jīng)由哈希算法加密后測(cè)得的性能指標(biāo)能夠?qū)ΜF(xiàn)有同條件下的海上無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)規(guī)格參數(shù)形成數(shù)據(jù)包絡(luò)。為對(duì)系統(tǒng)的工程性能做出最佳評(píng)估,TCP模式下的吞吐量測(cè)試放在極端情況5km距離下進(jìn)行。

4.3 系統(tǒng)5km測(cè)試

在進(jìn)行5km測(cè)試時(shí),系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及兩端位置經(jīng)緯度說(shuō)明如圖13所示,視頻數(shù)據(jù)流5km傳輸顯示如圖14所示。

圖13 系統(tǒng)5km測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

圖14 視頻數(shù)據(jù)流5km傳輸測(cè)試

在5km情況下,UDP模式加密測(cè)試結(jié)果中系統(tǒng)丟包率為0.12%,時(shí)延為0.098ms,傳輸數(shù)據(jù)量為5.58GB,與3km情況下相比無(wú)明顯差別。在TCP模式吞吐量測(cè)試時(shí),指控船端開(kāi)啟全雙工模式,多次測(cè)試結(jié)果表明加密后的數(shù)據(jù)上下行吞吐量不低于71.8Mbps。

鑒于本次實(shí)驗(yàn)是對(duì)海射火箭無(wú)線(xiàn)測(cè)發(fā)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路層的先行測(cè)試,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中限于實(shí)際情況并未配套對(duì)應(yīng)運(yùn)載火箭應(yīng)用層設(shè)備,而是選擇標(biāo)準(zhǔn)UDP數(shù)據(jù)包代替火箭測(cè)試、發(fā)射信息數(shù)據(jù)進(jìn)行公用網(wǎng)絡(luò)頻段下的隱蔽傳輸測(cè)試,但這僅涉及到指控船端地面解析軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),并不妨礙海射火箭無(wú)線(xiàn)測(cè)發(fā)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路層的性能驗(yàn)證。

5 結(jié)論

本文提出了一種區(qū)塊鏈場(chǎng)景下的海射火箭無(wú)線(xiàn)測(cè)發(fā)控實(shí)現(xiàn)方法,面向未來(lái)常態(tài)化、便捷化、規(guī)?；纳虡I(yè)發(fā)射需求,創(chuàng)新性地將區(qū)塊鏈技術(shù)引入海射火箭無(wú)線(xiàn)測(cè)發(fā)控服務(wù)流程中,通過(guò)公用網(wǎng)絡(luò)下的去中心化的遙測(cè)區(qū)塊節(jié)點(diǎn)傳遞火箭起豎指令、射前測(cè)試、發(fā)射火焰導(dǎo)流控制等類(lèi)型的隱蔽信息,省去了針對(duì)單次火箭作業(yè)過(guò)程中進(jìn)行無(wú)線(xiàn)測(cè)發(fā)控頻段選擇的“定制”環(huán)節(jié),極大程度提升海射火箭高頻次發(fā)射能力的同時(shí),大幅降低了發(fā)射成本,為海射火箭的快速響應(yīng)、靈活部署、航班化全天候發(fā)射提供了重要的技術(shù)支撐。本文通過(guò)不同距離條件下的海上無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及視頻數(shù)據(jù)流傳輸測(cè)試對(duì)該方法的工程性與可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果表明,該方法各項(xiàng)性能指標(biāo)可以對(duì)現(xiàn)有同類(lèi)方法形成冗余,滿(mǎn)足衛(wèi)星大規(guī)模組網(wǎng)任務(wù)需求,為區(qū)塊鏈應(yīng)用場(chǎng)景下的航天發(fā)展提供了新思路。