史璐璐，孫立鵬，張亞龍，任幸東，李向鵬

（太原衛(wèi)星發(fā)射中心，太原，030045）

0 引言

海上航天發(fā)射是一種新的衛(wèi)星發(fā)射模式，有利于運載火箭執(zhí)行特殊軌道衛(wèi)星發(fā)射任務，可以選擇低緯度發(fā)射區(qū)域，節(jié)約能耗，提高運載能力。國外海上發(fā)射技術(shù)已經(jīng)有50 多年的歷史［1］，但應用實踐規(guī)模較小，1999 年3 月，海上發(fā)射公司成功發(fā)射了第1 枚運載火箭。

2019年6月，中國首次在海上成功發(fā)射了長征十一號火箭，驗證了關(guān)鍵技術(shù)［2］。2020年9月，長征十一號火箭海遙二運載火箭發(fā)射的圓滿成功，標志著中國海上發(fā)射進入了商業(yè)化應用階段［3］。隨著中國航天發(fā)射多樣化深入拓展，發(fā)射試驗任務逐步成為重點發(fā)展課題。海上航天發(fā)射任務的通信網(wǎng)絡具有系統(tǒng)性強、可靠性和機動性要求高、易受環(huán)境影響等特點，陸海間通信、船船間通信是網(wǎng)絡組織的難點。中國海上發(fā)射任務處于起步階段，通信網(wǎng)絡組織方面缺少可借鑒的經(jīng)驗，中國通信保障模式尚未形成固化模式。本文通過對通信組網(wǎng)結(jié)構(gòu)及模式、信息傳輸流程、應急通信保障方式進行優(yōu)化設計，旨在為海上航天發(fā)射通信網(wǎng)絡的設計和快速構(gòu)建提供參考，為提高海上發(fā)射任務通信保障能力奠定基礎(chǔ)。

1 節(jié)點設置及信息系統(tǒng)組成

1.1 節(jié)點設置

根據(jù)海上發(fā)射任務組織模式，需要保障指控中心、岸上技術(shù)測試區(qū)、海上發(fā)射平臺、保障船4個節(jié)點間的信息傳輸。任務準備階段，通信系統(tǒng)需要保障岸上技術(shù)測試區(qū)對火箭和衛(wèi)星技術(shù)狀態(tài)測試工作。在火箭海上運輸和發(fā)射階段，要保障由指控中心、保障船及發(fā)射平臺間組織信息通信。通信節(jié)點設置及信息傳輸需求示意如圖1所示。

1.2 信息系統(tǒng)組成

1.2.1 業(yè)務系統(tǒng)組成

海上航天發(fā)射任務信息系統(tǒng)主要包括測發(fā)系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、氣象系統(tǒng)等業(yè)務系統(tǒng)。通信網(wǎng)絡是將各系統(tǒng)的任務信息快速、安全、可靠地提供給分系統(tǒng)內(nèi)部和指控中心，在協(xié)同方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。通信網(wǎng)絡的功能和性能直接影響著整個發(fā)射任務信息系統(tǒng)的運行效率和應用效果。海上發(fā)射任務信息系統(tǒng)構(gòu)成示意如圖2所示。

圖2 信息系統(tǒng)構(gòu)成示意Fig.2 Information system composition

1.2.2 信息傳輸需求

指控中心也是信息處理、應用以及指揮系統(tǒng)的核心。發(fā)射平臺、保障船、岸上測試技術(shù)區(qū)的測發(fā)系統(tǒng)設備、測控系統(tǒng)設備、氣象系統(tǒng)設備、指揮通信設備的任務相關(guān)信息需要傳輸至指控中心，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后為任務實時組織指揮提供決策支持。在發(fā)射平臺、保障船、岸上測試技術(shù)區(qū)的分中心之間也需要獲得任務實施發(fā)射的相關(guān)信息，便于協(xié)同指控中心完成發(fā)射任務各階段的具體工作。

海上發(fā)射任務通信網(wǎng)絡保障的業(yè)務類型主要有數(shù)據(jù)、指揮調(diào)度、圖像、電話等。數(shù)據(jù)業(yè)務包括測發(fā)系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)、C3I數(shù)據(jù)、船上測控設備數(shù)據(jù)、船上氣象設備數(shù)據(jù)。指揮調(diào)度采用分級指揮方式，并覆蓋各個重要參試崗位。圖像業(yè)務傳輸將實施發(fā)射過程中的實況圖像、狀態(tài)監(jiān)視圖像、發(fā)射海域狀況監(jiān)視圖像實時傳輸至相應的指揮所，為指揮員提供直觀的決策支持。電話業(yè)務保障日常通信聯(lián)絡。

2 通信網(wǎng)絡設計

2.1 設計原則

通信網(wǎng)絡設計要以海上航天機動發(fā)射任務需求為牽引，運用IP網(wǎng)絡綜合承載各系統(tǒng)業(yè)務，結(jié)合保障海上發(fā)射轉(zhuǎn)運過程中和發(fā)射區(qū)域的應急通信需求，建設結(jié)構(gòu)體系合理、網(wǎng)絡一體化、開放式、安全可靠的通信網(wǎng)絡。在通信網(wǎng)絡基礎(chǔ)上構(gòu)建信息系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺，實現(xiàn)任務信息的網(wǎng)絡傳輸、安全共享和智能處理，確保發(fā)射過程高效、安全、可靠運轉(zhuǎn)。

通信網(wǎng)絡設計原則為：

a）信息安全、保密性原則。

采用加密技術(shù)和完善的網(wǎng)絡管理機制，應用可信的網(wǎng)絡安全管理軟件，確保信息系統(tǒng)的安全。

b）可靠性與實用性相結(jié)合原則。

采用成熟的通信網(wǎng)絡設備，系統(tǒng)具備一定的可升級能力，同時具備必要的管理、冗余、備份、容錯和網(wǎng)絡自愈等功能，以保證可靠性和穩(wěn)定性。

海上機動發(fā)射任務通信網(wǎng)絡和信息傳輸關(guān)系復雜，安裝放置空間有限，陸海間不具備地面電路開通條件。為適應機動快速發(fā)射特點，通信網(wǎng)絡設計時要考慮經(jīng)濟性和實用性，控制好建設規(guī)模，避免盲目建設。

c）應急保障原則。

海上環(huán)境狀況有很多不可控因素，當任務信息網(wǎng)絡遭受破壞時，為準確掌握出海執(zhí)行任務人員安全狀況和所處環(huán)境，必須構(gòu)建應急通信手段。

2.2 體系結(jié)構(gòu)

通信網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)設計分為傳輸層、承載層、通信應用層、通信網(wǎng)管、信息安全5個層次。

傳輸層主要包括光纖通信、衛(wèi)星通信、微波通信等通信方式，為承載層提供信息傳輸電路。承載層目前主要是專用IP網(wǎng)絡，擔負各種任務信息和業(yè)務的綜合承載。通信應用層主要是指通信系統(tǒng)為信息指揮中心提供指揮調(diào)度、圖像、時統(tǒng)、電話等應用信息。通信網(wǎng)管與信息安全支撐著信息系統(tǒng)的高效、可靠運轉(zhuǎn)。

2.3 組網(wǎng)設計

根據(jù)通信網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)的要求，海上航天發(fā)射通信網(wǎng)絡總體設計如圖3 所示。除了發(fā)射任務信息外，還需在指控中心、發(fā)射平臺、保障船配備衛(wèi)星電話終端，作為應急通信手段。信息安全和通信網(wǎng)管采用常規(guī)通信組織方式。

圖3 通信網(wǎng)絡總體設計Fig.3 Overall design of communication network

2.3.1 傳輸層設計

傳輸層的構(gòu)建是通信網(wǎng)絡設計的主體工作，關(guān)系到通信網(wǎng)絡的性能和可靠性。關(guān)鍵信息傳輸設計時電路和設備應有一定的冗余度，確保傳輸系統(tǒng)的高可靠性。通信網(wǎng)絡傳輸層設計需要考慮各節(jié)點所處的地理位置、地形地貌、傳輸介質(zhì)、信息帶寬需求及路由冗余等多方面因素。

a）陸陸傳輸電路。

任務指控中心與岸上技術(shù)測試區(qū)間開通地面電路和衛(wèi)星通信電路，分別構(gòu)建IP體制通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)雙路由同時傳輸信息。

b）船船傳輸電路。

在發(fā)射平臺和保障船間使用兩套獨立的微波通信設備開通區(qū)域?qū)拵ЬW(wǎng)絡［4］。合理設置微波系統(tǒng)天線數(shù)量和架設位置，保障兩船在行進、轉(zhuǎn)彎、調(diào)頭過程中通信不間斷。

c）陸海傳輸電路。

在任務指控中心與保障船、發(fā)射平臺之間分別開通1條衛(wèi)星通信電路，構(gòu)建IP體制通信網(wǎng)絡。為實現(xiàn)雙路由保障，應使用兩套地球站分別對應不同的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，避免出現(xiàn)單點失效情況。保障船、發(fā)射平臺應采用船載衛(wèi)星通信天線或“動中通”天線技術(shù)，保證衛(wèi)星通信鏈路在船體行進、船搖、較大風力等狀況下通信不中斷。

通過對以上傳輸層設計分析，保障船、發(fā)射平臺、指控中心節(jié)點間為環(huán)狀網(wǎng)絡，任意兩點間通信中斷都能通過迂回路由保障通信不中斷。各個節(jié)點間傳輸電路均構(gòu)建IP體制通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)各個節(jié)點間信息傳輸和資源共享。

2.3.2 承載層設計

a）網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)設計。

承載層以IP協(xié)議構(gòu)建，為保障數(shù)據(jù)傳輸時延的相對穩(wěn)定性，各個節(jié)點間采用廣域網(wǎng)方式構(gòu)建，按信息傳遞關(guān)系規(guī)劃設計配置靜態(tài)路由。

根據(jù)圖3中網(wǎng)絡層結(jié)構(gòu)可以看出，岸上技術(shù)測試區(qū)與指揮中心間網(wǎng)絡設計為雙網(wǎng)雙路由，在保障船與指控中心間構(gòu)建單網(wǎng)雙路由，發(fā)射平臺與指控中心間構(gòu)建單網(wǎng)單路由，兩船之間使用兩條微波電路構(gòu)建單網(wǎng)雙路由。兩條微波電路可通過鏈路聚合技術(shù)實現(xiàn)捆綁和相互保護，提高網(wǎng)絡帶寬和可靠性。發(fā)射平臺、保障船、指控中心間網(wǎng)絡層設計高低優(yōu)先級路由，實現(xiàn)信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡層保護。

b）網(wǎng)絡負載設計。

由于對任務信息傳輸?shù)膶崟r性要求高，通信網(wǎng)需要以輕負載方式運行，以保證網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的傳輸時延和丟包率滿足任務要求。設計網(wǎng)絡負載時，地面電路傳輸容量大，帶寬利用率不超過60%，衛(wèi)星通信電路受頻率資源和傳輸能力限制，帶寬利用率不超過80%。

2.3.3 應用層設計

通信網(wǎng)絡主要保障數(shù)據(jù)、音視頻、時統(tǒng)3類應用系統(tǒng)信息。測發(fā)、測控、氣象設備數(shù)據(jù)業(yè)務系統(tǒng)由相應業(yè)務系統(tǒng)負責。通信系統(tǒng)需完成音視頻和時統(tǒng)應用信息的系統(tǒng)性設計。

a）音視頻應用系統(tǒng)。

1）指揮調(diào)度系統(tǒng)設計。

根據(jù)任務需要，一般設置分級指揮關(guān)系。一級為指控中心，二級為岸上技術(shù)測試區(qū)、保障船。保障船配置一套調(diào)度交換系統(tǒng)，完成發(fā)射平臺與保障船間測發(fā)系統(tǒng)內(nèi)部指揮通信任務。岸上技術(shù)測試區(qū)配置一套調(diào)度交換系統(tǒng)，完成火箭、衛(wèi)星在技術(shù)廠房測試期間的通信指揮任務，發(fā)射階段根據(jù)需求開通與指控中心、保障船間的調(diào)度。

2）電視監(jiān)視系統(tǒng)設計。

電視監(jiān)視系統(tǒng)重點是保障船、發(fā)射平臺、指控中心間圖像傳輸，岸上技術(shù)測試區(qū)可以經(jīng)指控中心圖像系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)而獲取發(fā)射區(qū)實況圖像。電視監(jiān)視系統(tǒng)由電視圖像服務器系統(tǒng)、視頻采集設備、視頻傳輸設備3部分構(gòu)成。

保障船配置一套具有圖像匯集、分發(fā)、視頻切換、圖像設備遠控、快速編輯回放、監(jiān)視、存儲、刻錄等功能的圖像系統(tǒng)。保障船與指控中心實現(xiàn)圖像系統(tǒng)互聯(lián)，根據(jù)發(fā)射流程不同階段選取關(guān)鍵圖像發(fā)送。發(fā)射區(qū)域圖像源獲取主要包括保障船和發(fā)射平臺的發(fā)射實況圖像、關(guān)鍵狀態(tài)/場景監(jiān)視圖像。發(fā)射平臺攝像機由保障船技術(shù)人員遠程進行調(diào)焦、鏡頭拉伸等功能控制。電視監(jiān)視系統(tǒng)設計示意如圖4所示。

圖4 電視監(jiān)視系統(tǒng)設計示意Fig.4 Design of television monitoring system

3）電話通信。

在岸上測試發(fā)射區(qū)、保障船配置電話交換設備并接入指控中心電話交換系統(tǒng)，發(fā)射平臺只配置電話終端。各關(guān)鍵崗位以局內(nèi)放號、指控中心遠程放號相結(jié)合的方式分別開通電話業(yè)務，提高電話業(yè)務可靠性。

b）時統(tǒng)設計。

海上發(fā)射任務中，受限于發(fā)射平臺的通信方艙在危險區(qū)以內(nèi)，T0控制臺可設置在保障船或指控中心。模擬起飛觸發(fā)信號可以在發(fā)射平臺完成IP 格式轉(zhuǎn)換，部署在保障船或指控中心的T0 控制臺接收到IP 起飛觸發(fā)信號后，通過減去網(wǎng)絡傳輸時延、起飛信號判別時延、軟件處理時延等綜合修正參數(shù)，獲得較為精確的T0信息［5］，并通過IP網(wǎng)絡向數(shù)據(jù)處理中心發(fā)送。

以在發(fā)射平臺配置起飛信號IP化裝置、保障船設置T0控制臺方式為例，設計T0產(chǎn)生和傳輸方案，起飛信號和T0 傳輸示意如圖5 所示。起飛信號IP 化裝置與起飛觸點或火箭點火起飛信號接口間使用電纜通信方式傳輸。起飛信號IP化裝置生成IP觸發(fā)信號后，通過船間微波電路構(gòu)建的IP 網(wǎng)絡發(fā)送到保障船T0 控制臺。T0 控制臺在接收到IP 起飛信號后，形成T0，以組播方式向指控中心發(fā)送。主用路由使用保障船與指控中心間的衛(wèi)星通信電路，備用路由使用船與船間的微波電路和發(fā)射平臺與指控中心間的衛(wèi)星通信電路。

圖5 起飛信號和T0傳輸示意Fig.5 Transmission of takeoff signal and T0

2.3.4 應急通信

天通衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)利用星上轉(zhuǎn)發(fā)器，支持集群通信，可與地面電話網(wǎng)、民用移動通信等通信網(wǎng)絡互通，為陸海單元間提供不依賴于任務專用線路的“動中通”通信手段［6］。

根據(jù)天通衛(wèi)星移動通信中各衛(wèi)星的覆蓋范圍和發(fā)射海域位置，合理選擇天通衛(wèi)星平臺，相關(guān)節(jié)點及值班室配備手持終端、便攜終端、車載終端，依托其現(xiàn)有網(wǎng)管站實現(xiàn)對入網(wǎng)終端設備的管控，可提供話音、數(shù)據(jù)、短消息、視頻以及定位信息等業(yè)務。天通衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)運用模式示意如圖6所示。

圖6 天通衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)運用模式示意Fig.6 Application mode of Tiantong satellite mobile communication system

2.3.5 系統(tǒng)間接口設計

系統(tǒng)間接口在設計時需盡量減少接口類型，以降低通信網(wǎng)絡的復雜度。海上航天發(fā)射通信網(wǎng)絡主要包括與指控中心計算機、C3I系統(tǒng)、測控設備、氣象設備以及通信應用業(yè)務的接口。為實現(xiàn)各類信息的綜合承載和信息共離，各系統(tǒng)間以IP協(xié)議接口為主。

3 效能評估

評價通信網(wǎng)絡的指標［7］有可靠性、傳輸性能、安全性等。針對本文研究與設計的內(nèi)容，主要對通信網(wǎng)絡設計的可靠性、實時性、安全性進行簡要分析與評估。

3.1 網(wǎng)絡可靠性評估

通信網(wǎng)絡可靠性取決于傳輸層和網(wǎng)絡層結(jié)構(gòu)與配置情況。在陸海間兩條衛(wèi)星通信電路和船與船間的微波電路形成環(huán)狀保護，任意一條鏈路中斷均不影響指控中心、保障船、發(fā)射平臺3個節(jié)點的正常通信，可靠性較高。

為定量分析設計的網(wǎng)絡可靠性，將通信網(wǎng)絡中的每條傳輸鏈路作為系統(tǒng)可靠性計算模型的基本組成單元，采用系統(tǒng)串聯(lián)、并聯(lián)可靠度計算模型［8］進行評估。綜合考慮各傳輸鏈路的地理環(huán)境因素、鏈路中間節(jié)點數(shù)量、傳輸距離以及不可控因素，對各傳輸鏈路可靠性進行估值。保障船的船體穩(wěn)定性相對較差，容易受海域環(huán)境影響，指控中心與保障船間衛(wèi)星通信鏈路可靠度為Rs1，估算值為90%；發(fā)射平臺船體穩(wěn)定性較高，指控中心與發(fā)射平臺間衛(wèi)星通信鏈路可靠度為Rs2，估算值為95%；陸地間通信鏈路可靠性高，指控中心與岸上技術(shù)測試區(qū)間衛(wèi)星通信鏈路可靠度為Rs3，估算值為99%；光纖通信鏈路可靠度為Ro，估算值為98%；船船間距離較近，兩條微波通信鏈路聚合后可靠度為Rm，估算值為99%。

3.1.1 節(jié)點間通信可靠性評估

a）指控中心與保障船間通信可靠性評估。

指控中心與保障船主用路由為指控中心與保障船間衛(wèi)星通信鏈路，備用路由為指控中心與發(fā)射平臺間的衛(wèi)星通信鏈路、船船間微波通信鏈路。兩節(jié)點間主備鏈路關(guān)系為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，衛(wèi)星通信鏈路與微波鏈路為串聯(lián)結(jié)構(gòu)。根據(jù)串聯(lián)、并聯(lián)系統(tǒng)可靠度計算模型計算公式不難得出，指控中心與保障船間通信可靠度Ra為99.4%。計算過程如下：

b）指控中心與發(fā)射平臺間通信可靠性評估。

指控中心與發(fā)射平臺主用路由為指控中心與發(fā)射平臺間衛(wèi)星通信鏈路，備用路由為指控中心與保障船間的衛(wèi)星通信鏈路、船船間微波通信鏈路。同樣，根據(jù)串聯(lián)、并聯(lián)系統(tǒng)可靠度計算模型可以得出指控中心與發(fā)射平臺間通信可靠度Rb為99.46%。計算過程如下：

c）指控中心與岸上技術(shù)測試區(qū)間通信可靠性評估。

指控中心與岸上技術(shù)測試區(qū)間主用路由為光纖通信線路，備用路由為衛(wèi)星通信線路。根據(jù)并聯(lián)系統(tǒng)可靠度計算模型得出Rc為99.98%。計算過程如下：

3.1.2 網(wǎng)絡系統(tǒng)可靠性評估

由于任務組織要求指控中心與其他3個節(jié)點間通信鏈路均須保持有效，因此網(wǎng)絡可靠度Rn可參考串聯(lián)系統(tǒng)模型計算，計算結(jié)果為98.85%。計算過程如下：

3.2 網(wǎng)絡傳輸性能評估

a）實時性分析。

海上發(fā)射任務中，任務指控中心需要對任務測量信息進行實時處理，對信息傳輸時延有較高要求。為提高網(wǎng)絡傳輸實時性能，避免網(wǎng)絡擁塞和減小時延抖動，網(wǎng)絡設計采用了輕載和靜態(tài)路由策略，有效減小了數(shù)據(jù)包的排隊時延和異徑傳輸引起的時延抖動。

光纖通信構(gòu)建的網(wǎng)絡，端到端網(wǎng)絡傳輸時延通常在100 ms以內(nèi)，具體時延值與經(jīng)過光傳輸設備的節(jié)點數(shù)和實際經(jīng)過的光纖線路長度有關(guān)。在帶寬利用率低于60%的情況下，實際租用的光纖傳輸鏈路構(gòu)建的網(wǎng)絡端到端時延測試結(jié)果在14～26 ms之間。

在使用地球靜止軌道衛(wèi)星（距地高度約36 000 km）通信鏈路構(gòu)建的通信網(wǎng)絡中，端到端傳輸時延主要取決于衛(wèi)星通信電波在自由空間的傳輸距離，端到端傳輸時延約在270 ms左右。根據(jù)中國歷次海上發(fā)射任務中對衛(wèi)星通信網(wǎng)絡測試結(jié)果統(tǒng)計，在帶寬利用率低于80%的情況下，端到端傳輸時延在260～290 ms之間。

b）丟包率評估。

衛(wèi)星通信鏈路誤碼率一般優(yōu)于10-7，光傳輸鏈路誤碼率一般優(yōu)于10-10，所構(gòu)建的IP 網(wǎng)絡丟包率優(yōu)于0.1%（包長64 Byte）。實際設計的網(wǎng)絡丟包率指標測試結(jié)果優(yōu)于0.01%。

3.3 安全（保密）性評估

海上發(fā)射區(qū)域一般選擇公海區(qū)域，周邊環(huán)境難以管控，且衛(wèi)星通信和微波等無線通信工作頻段具有公開性，存在電磁泄露和無線信號遭非法獲取等風險。為確保信息安全，網(wǎng)絡設計中使用了網(wǎng)絡保密機實現(xiàn)對語音、數(shù)據(jù)、圖像等任務信息的加密傳輸，降低了信息被竊取的安全隱患。

4 結(jié)束語

海上航天發(fā)射通信網(wǎng)絡設計核心是根據(jù)系統(tǒng)間信息傳輸需求設計傳輸層和承載層。通信網(wǎng)絡設計時要充分考慮傳輸能力、冗余路由、信息流量傳輸需求、業(yè)務類型等因素，合理設計網(wǎng)絡。海上航天發(fā)射與陸地機動發(fā)射任務對通信網(wǎng)要求有所區(qū)別，通信裝備應著重提高適應濕熱、鹽霧、多雨等環(huán)境能力和復雜電磁環(huán)境的抗干擾能力。為適應載船使用面積有限、周期短、機動距離遠等特點，通信裝備盡量集成化，減少系統(tǒng)安裝調(diào)試時間以便快速組網(wǎng)?？紤]到海域發(fā)射的特殊性，必要時可補充短波通信作為最低限度通信手段，確保在出海作業(yè)時能夠應對極端、復雜的周邊環(huán)境。