適于資源動態(tài)重組的測控設(shè)備體系結(jié)構(gòu)?

洪宇，張宏，李娜（.西安衛(wèi)星測控中心宇航動力學國家重點實驗室，西安70043；.空軍工程大學航空航天工程學院，西安70038）

適于資源動態(tài)重組的測控設(shè)備體系結(jié)構(gòu)?

洪宇1，??，張宏1，李娜2
（1.西安衛(wèi)星測控中心宇航動力學國家重點實驗室，西安710043；2.空軍工程大學航空航天工程學院，西安710038）

資源動態(tài)重組能夠有效提高航天測控站的運行效益。介紹了我國傳統(tǒng)測控設(shè)備的體系結(jié)構(gòu)，從優(yōu)化測控站總體設(shè)計的角度入手，設(shè)計了適應(yīng)資源動態(tài)重組需求的測控設(shè)備的體系結(jié)構(gòu)及其監(jiān)控管理方式，提出了集中監(jiān)控管理平臺的概念，分析了其功能需求，討論了需要重點關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)。所提出的體系結(jié)構(gòu)可供該領(lǐng)域的設(shè)計、管理人員借鑒。

測控站；測控設(shè)備；動態(tài)重組；體系結(jié)構(gòu)；集中監(jiān)控管理平臺

近年來，隨著我國航天發(fā)射活動的密集程度不斷增加，地面測控網(wǎng)的測控設(shè)備數(shù)量也不斷增加，但是仍然難以滿足日益增長的航天器測控需求。為了解決這個現(xiàn)實矛盾，通過對測控資源動態(tài)重組的途徑來達到測控網(wǎng)（站）運行效益最大化的理念日益受到重視，相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)研究也不斷深入。

本文從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，在對國內(nèi)外航天機構(gòu)測控設(shè)備的組成方式進行分析的基礎(chǔ)上，以提高測控站的系統(tǒng)可靠性及快速反應(yīng)能力為目的，設(shè)計了適應(yīng)動態(tài)重組需求的測控設(shè)備的體系結(jié)構(gòu)，并對此體系結(jié)構(gòu)的工程實現(xiàn)中需要研究的關(guān)鍵技術(shù)進行了討論。

1 我國傳統(tǒng)測控設(shè)備的體系結(jié)構(gòu)

在航天測控設(shè)備的研制方式上，我國的傳統(tǒng)做法是：按“型號”研制，按“套”部署。即，根據(jù)某一特定型號測控設(shè)備的系統(tǒng)指標和功能需求來確定該型號設(shè)備的天伺饋、發(fā)射、接收、基帶、時頻、標校等分系統(tǒng)的配置，針對該型號設(shè)備的配置方案確定內(nèi)部各分系統(tǒng)的連接關(guān)系及機械、電氣接口，監(jiān)控管理軟件及其接口則針對該型號的需求專門設(shè)計，從而使得每套設(shè)備均為一個定制系統(tǒng)。

在這種體系結(jié)構(gòu)下，設(shè)備的主要分系統(tǒng)通常采用1∶1熱備份設(shè)計，當在線設(shè)備發(fā)生故障時，可以快速地切換到備份設(shè)備，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。實踐表明，這種設(shè)計模式在多次重大航天測控任務(wù)中均發(fā)揮了關(guān)鍵作用。但是，在這種體系結(jié)構(gòu)下，隨著近年來任務(wù)密度的不斷增加，只能夠通過不斷增加成套設(shè)備來提高測控網(wǎng)的測控能力，一定的投入并不能在測控網(wǎng)的運行、管理方面取得最佳的效益，具體表現(xiàn)為：

（1）一套測控系統(tǒng)的可靠性高度依賴于內(nèi)部各分系統(tǒng)的熱備份，同一測控站內(nèi)隸屬不同系統(tǒng)但具有相同功能的分系統(tǒng)不能靈活互換；

（2）對同一測控站內(nèi)，不同的測控系統(tǒng)配有相同功能的配套設(shè)備（例如氣象、時頻、標校等），造成了重復建設(shè)，使用效率不高；

（3）當某系統(tǒng)需要進行功能升級擴充時，往往需要調(diào)整硬件連接關(guān)系，并重新開發(fā)系統(tǒng)監(jiān)控軟件，研發(fā)工作量大。

以上問題使得測控站內(nèi)有限的測控資源不能夠得到最大程度的利用，在航天發(fā)射測控活動極其頻繁的今天，這種體系結(jié)構(gòu)的缺點日益凸顯。

基于以上問題，通過對測控資源動態(tài)重組來達到測控網(wǎng)（站）運行效益最大化的理念日益受到業(yè)界的重視，其基本思想是：

（1）對某一功能模塊而言，由一套系統(tǒng)內(nèi)的1∶1備份變?yōu)闇y控站內(nèi)的N∶M備份，在確保系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)上盡量減少設(shè)備配置；

（2）避免重復建設(shè)，將時頻終端、測試儀器、數(shù)據(jù)傳輸計算機等功能相同、要求相近的設(shè)備按全站共用的要求來設(shè)計；

（3）增強設(shè)備組合的靈活性，可以快捷地接入新增設(shè)備，提高測控站的快速反應(yīng)能力。

2 資源動態(tài)重組的測控設(shè)備體系結(jié)構(gòu)

2.1 國外航天機構(gòu)地面測控站的體系結(jié)構(gòu)

（1）美國NASA深空站的組成方式

對于NASA的深空測控站，其天線及信道設(shè)備作為一個單獨系統(tǒng)來配置，中頻以下則可靈活接入不同功能的終端設(shè)備，所有設(shè)備均與位于加州帕薩迪納的操作中心具備遠程監(jiān)控接口。如戈爾德斯頓站配有DSS14（70m）、DSS15（34MHEF）、DSS24（34MBWG）、DSS26（34MBWG）、DSS16（26m）5套大型天線，每套天線均配備有不同功能的終端設(shè)備，堪培拉站及馬德里站的組成形式與之類似。

（2）歐空局測控站的組成方式

對于歐空局的大多數(shù)測控站，天線、伺服、信道、跟蹤接收機等設(shè)備均劃分為前端系統(tǒng)，由前端控制計算機統(tǒng)一管理，一個測控站內(nèi)可能存在多套前端系統(tǒng)，前端系統(tǒng)與終端系統(tǒng)之間通過開關(guān)矩陣連接。其監(jiān)控管理網(wǎng)絡(luò)采用了如圖1所示的結(jié)構(gòu)。在圖1所示的結(jié)構(gòu)中，前端控制計算機（FEC）、中頻調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)（IFMS）及其他設(shè)備均接入監(jiān)控局域網(wǎng)。監(jiān)控局域網(wǎng)的核心是本地監(jiān)控服務(wù)器，擔負對地面設(shè)施控制中心和測站各分系統(tǒng)的監(jiān)控信息匯集分發(fā)任務(wù)，并通過通信鏈路與位于德國達姆施塔特的地面設(shè)施控制中心（GFCC）進行監(jiān)控信息交換。

另外，瑞典空間公司的基律納站配備了多套天線及多套終端設(shè)備，通過大規(guī)模的中頻信號開關(guān)矩陣實現(xiàn)了多套天線和終端設(shè)備之間的靈活組合，并能靈活地接入第三方設(shè)備。

從掌握的資料看，NASA及歐空局的測控站在一定程度上實現(xiàn)了天線和終端設(shè)備之間的測控信號傳輸路由的靈活組合，但均未在系統(tǒng)監(jiān)控層面上實現(xiàn)站內(nèi)設(shè)備的動態(tài)重組。

2.2 資源動態(tài)重組的測控設(shè)備體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前，我國的測控設(shè)備是按天伺饋、發(fā)射、接收、基帶、監(jiān)控等分系統(tǒng)來劃分的［1］，每個分系統(tǒng)均與監(jiān)控分系統(tǒng)有信息接口，分系統(tǒng)之間也有各種軟件及硬件接口，系統(tǒng)內(nèi)部物理連接及信息交換關(guān)系復雜，明顯不適應(yīng)動態(tài)重組的需求。

參考國外相關(guān)系統(tǒng)的組成方式，可從全站綜合優(yōu)化的角度來設(shè)計測控設(shè)備的體系結(jié)構(gòu)，將全站測控設(shè)備劃分為集中監(jiān)控平臺、前端系統(tǒng)、終端系統(tǒng)、開關(guān)矩陣組、公共設(shè)備5個部分。

（1）集中監(jiān)控管理平臺

取消傳統(tǒng)的按套配置的系統(tǒng)監(jiān)控臺，代之以軟件功能現(xiàn)場可重組的測站集中監(jiān)控平臺，完成全站測控設(shè)備的綜合配置管理，適應(yīng)動態(tài)重組及系統(tǒng)功能擴充的需要，避免了以往增加設(shè)備即增加操作管理人員的困境。

（2）前端系統(tǒng)

傳統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)中，天線控制單元、接收、發(fā)射等分系統(tǒng)均直接與系統(tǒng)監(jiān)控臺交換監(jiān)控數(shù)據(jù)。在資源動態(tài)重組的體系結(jié)構(gòu)中，若維持以上關(guān)系，則隨著測控站設(shè)備量的增加，監(jiān)控系統(tǒng)的信息交換關(guān)系將變得非常復雜。參考國外測控站的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以將某個天伺饋、信道、跟蹤接收機的設(shè)備組合定義為一個前端系統(tǒng)，前端系統(tǒng)是動態(tài)重組的基本單元之一。從簡化測站設(shè)備的角度出發(fā)，可不設(shè)置獨立的前端計算機，而是在集中監(jiān)控管理平臺中定義一個前端系統(tǒng)監(jiān)控模塊，通過網(wǎng)絡(luò)接口與前端系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備進行監(jiān)控信息交換。一個測站內(nèi)可以配置多套前端系統(tǒng)。

（3）終端系統(tǒng)

將測站配備的綜合基帶、信號角錄等設(shè)備定義為終端系統(tǒng)，一個測站的終端系統(tǒng)中可以配備多臺終端設(shè)備，每一臺終端設(shè)備均為動態(tài)重組的基本單元，并接受集中監(jiān)控管理平臺的管理。

（4）開關(guān)矩陣組

從上面的劃分可以看出，前端系統(tǒng)與終端設(shè)備間的主要接口是中頻測控（或數(shù)傳）信號，開關(guān)矩陣組的任務(wù)就是完成中頻信號的傳輸路由配置，建立前端系統(tǒng)和終端設(shè)備之間的物理連接。開關(guān)矩陣組的狀態(tài)配置由集中監(jiān)控管理平臺統(tǒng)一管理。

（5）公共設(shè)備

傳統(tǒng)的測控設(shè)備為每套設(shè)備均配備了時頻終端、測試儀器、氣象設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸計算機等設(shè)施，造成了重復建設(shè)。可將以上設(shè)備作為全站的公共設(shè)備來統(tǒng)籌建設(shè)，由集中監(jiān)控管理平臺統(tǒng)一管理。

需要指出的是，有別于傳統(tǒng)設(shè)備體系結(jié)構(gòu)的是：傳統(tǒng)上，跟蹤接收機是作為綜合基帶的一個模塊存在的，跟蹤接收機與天饋系統(tǒng)、自跟蹤接收信道及伺服系統(tǒng)之間的接口關(guān)系比較復雜，可以將跟蹤接收機作為一個獨立設(shè)備配置于前端系統(tǒng)，使得前端系統(tǒng)具備完整的自跟蹤環(huán)路，避免了將跟蹤接收機與自跟蹤接收信道及伺服系統(tǒng)之間的復雜接口關(guān)系引入動態(tài)配置開關(guān)矩陣，簡化了開關(guān)矩陣設(shè)計，更有利于實現(xiàn)動態(tài)重組的設(shè)計目標。

綜合以上考慮，對于以動態(tài)重組思想設(shè)計的測控設(shè)備的體系結(jié)構(gòu)可以描述為：測控站以集中監(jiān)控管理平臺為運行核心，配置有多套前端系統(tǒng)、終端設(shè)備及公共設(shè)備，前端系統(tǒng)與終端設(shè)備通過開關(guān)矩陣組來實現(xiàn)中頻信號的連接。集中監(jiān)控平臺根據(jù)跟蹤任務(wù)計劃自動對站內(nèi)設(shè)備進行配置，完成設(shè)備組合、參數(shù)配置、自動流程運行等工作。適應(yīng)資源動態(tài)重組的測控設(shè)備體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3 系統(tǒng)可靠性分析

對測控站的系統(tǒng)可靠性進行全面分析比較困難，為簡化問題，考慮到前端系統(tǒng)及綜合基帶設(shè)備是測控站中最為關(guān)鍵的兩類設(shè)備，因此可以從前端系統(tǒng)及綜合基帶設(shè)備對測控站系統(tǒng)可靠性的影響來入手分析。

在傳統(tǒng)的測控設(shè)備體系下，假設(shè)某測控站最多需同時跟蹤L個航天器，站內(nèi)配備M套測控設(shè)備，每套測控設(shè)備配備有2臺互為備份的綜合基帶。設(shè)天伺饋及信道系統(tǒng)的綜合失效概率為p1，綜合基帶的失效概率為p2，則該測控站對L個航天器的跟蹤功能的失效概率為

在資源動態(tài)重組的體系下，假設(shè)某測控站內(nèi)配有M套前端系統(tǒng)及N套綜合基帶，綜合基帶采用軟件無線電技術(shù)設(shè)計，可通過軟件加載的方式實現(xiàn)各種測控體制。設(shè)前端系統(tǒng)的綜合失效概率為p1，綜合基帶的失效概率為p2，則該測控站對L個航天器的跟蹤功能的失效概率為

令N＝2M，對比式（1）及式（2），則有PB＜PA。

從以上分析可以看出，在設(shè)備配備數(shù)量相當?shù)那闆r下，采用資源動態(tài)重組體系結(jié)構(gòu)的設(shè)備構(gòu)成的測控站的系統(tǒng)失效率要低于傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的測控設(shè)備組成的測控站。

在資源動態(tài)重組的體系下，對于某些應(yīng)急測控需求，只要從外部調(diào)配的設(shè)備滿足動態(tài)重組的技術(shù)要求，即可將其快速接入測控站，與站內(nèi)其他設(shè)備構(gòu)成完整系統(tǒng)，而無需對硬件連接關(guān)系及監(jiān)控管理軟件作大量更動，使得測控站具有較高的快速反應(yīng)能力，同時也提高了該測控站在測控網(wǎng)內(nèi)的可用度。

2.4 適應(yīng)資源動態(tài)重組的測控站監(jiān)控管理方式

在確立測控資源動態(tài)重組的體系結(jié)構(gòu)的同時，必須有與之相適應(yīng)的監(jiān)控管理方式。傳統(tǒng)的針對設(shè)備型號的預定功能進行固化設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)肯定無法滿足動態(tài)重組的需求，必須采取新的監(jiān)控管理方式。

在動態(tài)重組的場景之下，已經(jīng)沒有傳統(tǒng)的系統(tǒng)型號的劃分。這樣，可以為全站建立一個集中監(jiān)控管理平臺，以此為核心來完成站內(nèi)測控設(shè)備的綜合監(jiān)控，平臺主要由兩部分構(gòu)成，一是集中監(jiān)控管理服務(wù)器（或服務(wù)器組），構(gòu)成平臺的功能核心部分；二是本地（或遠程）操作機，主要功能是提供良好的用戶界面。集中監(jiān)控管理服務(wù)器的主要功能定位如下：

（1）完成與各前端系統(tǒng)、開關(guān)矩陣組及終端設(shè)備的監(jiān)控信息交換，實現(xiàn)對站內(nèi)設(shè)備的監(jiān)控功能；

（2）完成測控設(shè)備的任務(wù)參數(shù)、配置參數(shù)、工作計劃及組合狀態(tài)的存儲功能；

（3）完成與遠程及本地操作機的信息交換；

（4）控制站內(nèi)設(shè)備按工作計劃自動運行；

（5）完成站內(nèi)設(shè)備的自動故障診斷及處理。

測站的時頻、氣象、數(shù)據(jù)處理、標校等設(shè)備應(yīng)作為公共資源統(tǒng)一配置，也納入集中監(jiān)控平臺統(tǒng)一管理。適應(yīng)資源動態(tài)重組的測控設(shè)備集中監(jiān)控管理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

集中監(jiān)控管理平臺必須是一套標準化、開放式的監(jiān)控系統(tǒng)，能夠以操作人員現(xiàn)場配置的方式來快速適應(yīng)站內(nèi)設(shè)備的重組變化、升級改造或新增設(shè)備的接入，避免因此而導致對監(jiān)控軟件代碼的反復更動。如圖4所示，在集中監(jiān)控管理平臺中，每個前端系統(tǒng)或終端設(shè)備的監(jiān)控功能均作為一個單獨功能單元出現(xiàn)，平臺還包括集中公共系統(tǒng)監(jiān)控、開關(guān)矩陣組監(jiān)控、動態(tài)重組配置管理、系統(tǒng)參數(shù)存儲管理、自動化運行管理等功能單元。

監(jiān)控管理平臺可以根據(jù)任務(wù)的需求來動態(tài)組合出若干套虛擬測控系統(tǒng)，對測站、網(wǎng)管中心及任務(wù)中心而言，每套虛擬系統(tǒng)均可作為一套功能完整的測控系統(tǒng)來使用。

3 工程實現(xiàn)中需要關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 大規(guī)模開關(guān)矩陣

傳統(tǒng)測控設(shè)備的中頻開關(guān)矩陣是作為一個整件的形式來出現(xiàn)的，若其中某些通道失效，只能使用備份通道代替，失效通道過多則只能返廠維修，可維修性、可擴展性并不好。

大規(guī)模開關(guān)矩陣是動態(tài)重組的基礎(chǔ)，與傳統(tǒng)的中頻開關(guān)矩陣相比，適應(yīng)動態(tài)重組的大規(guī)模開關(guān)矩陣必須具備高可靠性、高可維修性，可方便地進行級聯(lián)擴展，并支持智能故障診斷功能。

3.2 標準化接口

（1）監(jiān)控接口標準化

在動態(tài)重組的測控系統(tǒng)內(nèi)，各前端系統(tǒng)及終端系統(tǒng)的監(jiān)控信息都匯集到了集中監(jiān)控管理平臺，并由集中監(jiān)控管理平臺進行解析、處理，這就要求所有設(shè)備的監(jiān)控信息必須處于同一個協(xié)議框架之內(nèi)，該框架必須是開放式的［2］，能夠靈活適應(yīng)各種不同類型設(shè)備的監(jiān)控需求，并能方便地升級擴展。

（2）中頻接口標準化

若要將不同生產(chǎn)廠家的前端系統(tǒng)及終端系統(tǒng)進行動態(tài)重組，就必須確保中頻接口的機械及電氣特性互相兼容。對于工程測控中常用的70 MHz中頻信號而言，目前已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)標準化。但對于不同頻段、不同速率的數(shù)傳信號而言，其中頻頻率、信道帶寬、傳輸方式等方面尚需研究制定相應(yīng)的規(guī)范。

3.3 監(jiān)控軟件動態(tài)重組技術(shù)

對于動態(tài)重組的測控系統(tǒng)，集中監(jiān)控管理軟件不能僅僅對系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備監(jiān)控功能進行機械堆砌，而應(yīng)該是對參與動態(tài)組合的設(shè)備進行智能化的動態(tài)重組。其主要需求有以下三方面：

（1）監(jiān)控管理軟件應(yīng)高度模塊化，各模塊間兼容性好，可以方便地通過現(xiàn)場配置方式生成不同設(shè)備組合的監(jiān)控工作場景，并可靠運行；

（2）對于動態(tài)變化的設(shè)備組合狀態(tài)，應(yīng)能夠根據(jù)設(shè)備的不同任務(wù)特性，正確地處理其自動化工作流程［3］及故障診斷流程；

（3）對于動態(tài)組合生成的監(jiān)控工作場景，應(yīng)具有良好的人機界面，并具有人工編輯的功能。

近年來，業(yè)內(nèi)的研究主要集中在“軟總線”［4－5］的概念及實現(xiàn)技術(shù)上，該技術(shù)在某些領(lǐng)域已經(jīng)得到應(yīng)用，但在測控系統(tǒng)的工程應(yīng)用方面仍需開展進一步研究。

4 結(jié)束語

測控資源動態(tài)重組的工作模式是提高測控網(wǎng)可靠性及運行效率的較優(yōu)解決方案。從目前的工程實踐上看，仍有大量的具體技術(shù)問題有待解決，尤其是對動態(tài)重組系統(tǒng)的監(jiān)控管理方式上，是目前最迫切需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。除了本文所述的技術(shù)問題外，隨著測控資源動態(tài)重組推向工程應(yīng)用，傳統(tǒng)的按系統(tǒng)型號來研制、生產(chǎn)定制系統(tǒng)的研制管理模式及以單套設(shè)備為對象的資源調(diào)配模式也將發(fā)生深刻的改變，在這方面也有許多問題值得進一步探討。

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HONG Yu was born in Xi′an，Shaanxi Province，in 1973.He is now a senior engineer with theM.S.degree.His research concerns radiomeasurementand the overall design of TT＆C station.

Email：hongyu0613＠163.com

張宏（1973—），男，甘肅敦煌人，工程師，主要研究方向為航天測控站總體設(shè)計；

ZHANG Hong was born in Dunhuang，Gansu Province，in 1973.He is now an engineer.His research concerns the overall design of TT＆C station.

李娜（1978—），女，陜西渭南人，碩士，講師，主要研究方向為自動控制理論。

LINa was born in Weinan，Shaanxi Province，in 1978.She is now a lecturer with the M.S.degree.Her research concerns the theory of autocontrol.

Monitoring and Control Equipment Architecture for Resources DynaMic Reconstruction

HONG Yu1，ZHANG Hong1，LINa2
（1.State Key Laboratory of Astronautic Dynamics，Xi′an Satellite Control Center，Xi′an 710043，China；2.School of Aeronautics and Astronautics Engineering，Air Force Engineering University，Xi′an 710038，China）

Resource dynamic reconstruction can increase the running efficiency of space tracking telemetry and control（TT＆C）station effectively.China′s traditional TT＆C equipmentarchitecture is introduced.Based on optimizing overall design of TT＆C station，the architecture of TT＆C equipment which meets the requirement of resource dynamic reconstruction is designed，the conception of centralized monitoring and control platforMis proposed，the function requirementofwhich isanalyzed.Key technologywhich needs to lay stresson is discussed.The architecture presented herein can be useful for those who are engaged in design and management in this field.

TT＆C station；TT＆C equipment；dynamic reconstruction；architecture；centralized monitoring and control platform

date：2013－03－27；Revised date：2013－05－31

??通訊作者：hongyu0613＠163.coMCorresponding author：hongyu0613＠163.com

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A

1001－893X（2013）06－0683－05

洪宇（1973—），男，陜西西安人，碩士，高級工程師，主要研究方向為無線電測量技術(shù)及航天測控站總體設(shè)計；

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.06.001

2013－03－27；

2013－05－31