对NASA天基SDR技术的分析

李海潮， 崔 亭， 刘 涌

(1西安卫星测控中心西安710043 2北京跟踪与通信技术研究所北京100094)

引 言

众所周知，软件无线电的基本思想是将数字化处理(宽带A/D和D/A变换)尽可能地靠近射频天线，建立一个满足“A/D—DSP—D/A”模型的开放的、可扩展的、结构最简的通用硬件平台，在这个硬件平台上把尽可能多的无线通信功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等，用可升级的、可替换的软件来实现［1］。迄今为止，受硬件工艺水平的限制，纯粹的软件无线电概念并没有在实际产品中得到广泛的应用，但是基于软件无线电概念的软件定义无线电SDR(Software Defined Radio)技术却越来越受到人们的重视。

SDR技术并不是一个具体的无线通信系统的实现方法，而是实现软件无线电概念的一个架构体系。采用SDR技术的无线通信系统，具备可重构和可编程的能力，可适用多种标准、多个频带，实现多种功能。

目前，SDR具有多种体系标准，如GNURadio、VanuRadio、OMG-SBC、JTRS-SCA、STRS等。其中， JTRSSCA是美国国防部(DOD)制定的地基SDR体系标准，而STRS则是NASA发布的第一个天基SDR体系标准。

NASA借鉴JTRS-SCA和工业界的成功经验，总结了近十多年来美国在天基SDR技术研究、演示验证等方面的成果，于2006年发布了天基无线通信系统的SDR体系标准STRS(Space Telecommunications Radio System)。至今，STRS标准已进行过两次更新。2012年NASA将采用STRS标准的SCaN测试平台放置到国际空间站(ISS)上，并邀请众多高校和研究机构利用该测试平台进行天基SDR关键技术的研究、测试和验证。本文对NASA的天基SDR技术发展状况进行分析、探讨。

1 NASA天基SDR技术研究现状

NASA对天基SDR技术的研究，可以追溯到2000年JPL研发Blackjack可编程GPS接收机。下面给出NASA天基SDR技术研究的主要发展历程［2，3］。2000年，JPL研制Blackjack可编程GPS接收机，首次使用天基SDR技术;2003年，NASA发射低功耗收发航天器DTO，演示早期天基SDR技术;2005年，NASA成立天基SDR技术研究组;2006年，NASA发布世界上第一个天基SDR技术标准STRSver 1.0，2007年和2010年又先后发布STRS ver 1.01和STRS ver 1.02;2012年，NASA发射采用STRS标准研发的SCaN测试平台到国际空间站，进行天基SDR技术研究和演示验证试验。

目前，采用天基SDR技术的美国天基无线通信系统主要有三类:①GPS-Blackjack接收机，搭载的航天器包括SRTM、Champ、JASON、GRACE;②ITT的 LPT系统，搭载的航天器包括 STS-107、Global Flyer、F-16 AFSS、AFRL TacSat-2;③JPL的UHF-Electra系统，搭载的航天器主要是MRO(火星侦察轨道器)和MSL(火星科学实验室)。

2 STRS结构标准

为了在NASA的航天任务中推广天基SDR技术，由NASA空间通信导航办公室(简称SCaN)资助，于2005年成立了天基SDR研究组，成员是来自JPL、APL GRC、GSFC、JSC等相关研究机构的工程师。2006年，NASA发布了世界上第一个开放的天基SDR标准STRS ver1.0。目前，STRS标准的最新版本是ver 1.02［4，5］。

STRS标准并不是具体的天基无线通信系统的实现方法，而是一个抽象的模型协议。它把天基无线通信系统抽象化后，按其所需提供的能力和特性划分层次，包括底层硬件、上层操作系统、操作环境和顶层的信号处理应用等多个层次。它描述了软件执行过程中各个软件单元间的结构关系，以及操作环境和信号处理模块之间的API接口。

制定STRS标准的目标是为各类航天器提供通用的天基SDR技术架构，在紧密结合现有标准的基础上，实现天基无线通信系统功能和接口的标准化。通过抽象出天基无线通信系统的发射、接收信号形式，实现信号处理应用模块软、硬件组件的可重用。重用符合天基SDR技术标准的软、硬件组件，可使天基无线通信系统的实现不依赖于具体任务，从而降低任务风险和对单个软件/硬件厂商的依赖。

NASA使用基于STRS标准的通用天基无线通信系统平台，可为各类航天任务提供多样化信号处理功能，可根据不同任务阶段、任务需求重构天基无线通信系统，实现特定要求的通信、导航等功能。

2.1 硬件架构

图1是STRS标准中规定的硬件架构。硬件架构主要包括通用多功能处理模块(GPM)、信号处理模块(SPM)和射频处理模块(RFM)三个部分。

GPM完成天基无线通信系统中软件模块的运行、管理，由通用多功能处理器、系统总线、存储器、TT&C接口、地面支持遥测和测试接口、操作环境、系统控制和无线配置软件等构成。

RFM对天基无线通信系统接收、发送的信号进行射频处理，包括滤波、放大、数字化等。RFM组件主要包括滤波器、RF开关、功分器、LNAs、功放、A/D、D/A等。

SPM对来自于RFM的格式化数据进行接收、变换、数字信号处理等。SPM组件包括ASICs、FPGAs、DSPs、存储器、连接光纤或总线。此外，按照STRS标准协议，硬件架构还包括安全模块(SEC)、网络模块(NM)和光纤模块(OM)等。STRS标准协议对各种底层硬件模块的类型及内部要求进行了详细说明和规定，这里不再展开讨论。

图1 STRS硬件架构Fig.1 STRS hardware architecture

2.2 软件架构

STRS软件架构规定了天基无线通信系统中不同软件模块间的相互关系，软件模块与系统操作环境、硬件平台之间的接口关系，以及操作环境与硬件平台之间的接口关系。STRS软件架构的运行环境如图2所示。

图2 STRS软件架构的运行环境Fig.2 Operating environment of STRS software architecture

运行环境的顶层是信号处理应用和高级服务，接下来是可移植操作系统(POSIX)的API接口子集和STRS的API接口，然后是操作系统(OS)和STRS基础架构，最后是硬件抽象层HAL的API接口和BSP、Drivers、GPM、Specialized HW等物理硬件驱动。

软件架构也采用分层形式，以不同的软件组件实现，具体的软件组件名称和功能如表1所示。

表1 STRS软件组件描述Table 1 STRS software components descriptions

2.3 STRS与SCA的区别

虽然STRS和SCA都隶属于SDR技术范畴，但是应用环境的不同决定了二者不尽相同。为更好地理解STRS，本节简要分析两者的区别。

首先从软件和硬件的隔离方式来区分SCA和STRS，如图3所示。

SCA采用通用对象请求中介架构(简称CORBA)和核心框架作为中间件，将无线通信系统平台的上层软件与底层硬件隔离。STRS则采用STRS API、基础架构和硬件抽象层(HAL)API作为中间件，STRSAPI可实现对无线通信系统平台发射、接收信号的抽象化，HAL API可实现底层硬件接口的抽象化，从而在隔离软、硬件的同时，保证软、硬件组件的相互独立性和可重用性。

图3 SCA/STRS软件和硬件隔离方式Fig.3 The separation types of software and hardware for SCA and STRS

就应用环境和信号特点而言，基于STRS标准的天基无线通信系统与基于SCA标准的地基无线通信系统之间存在如下不同点:

①天基无线通信系统适用于地外空间，必须考虑太空辐射环境下的信号处理和存储要求。其系统技术复杂度、工作能力和设备冗余度都受到限制，工作能力较地基无线通信系统差，与地面其它通信系统相比，性能更差，一般滞后1～2代;

②天基无线通信系统受航天器尺寸、重量、功耗等限制，结构开销必须折中考虑;

③相比地基无线通信系统，天基无线通信系统的可靠性要求更高，如载人航天任务具有高级别的可靠性要求，对于关键安全应用，必须进行防止单点失效设计;

④天基无线通信系统的传输速率要求一般在每秒千比特量级，有的甚至要求达到每秒吉比特量级，而地基无线通信系统的传输速率通常只能达到每秒数十兆比特;

⑤天基无线通信系统的信号频率可高达Ka频段，而地基无线通信系统的信号频率只能达到S频段;

⑥天基无线通信系统必须具备远程、无线加载数据的能力。

3 SCaN测试平台

为了进行天基SDR技术研究及STRS标准的应用测试和演示验证，NASA于2008年启动了通信、导航和组网可重构测试平台计划，即CoNNeCT project，供NASA各部门及业界其它机构、高校等进行研究。该计划后来更名为SCaN计划。

SCaN计划的技术研究领域包括:①演示应用天基SDR技术后天基无线通信系统的可重构性，即天基无线通信系统中多功能处理器、FPGA、DSP资源的可编程性、可重配性;②天基无线通信系统的频谱效率;③天基无线通信系统的组网技术;④定位、导航、授时;⑤高数据率通信;⑥天线组阵技术;⑦认知应用;⑧多址通信;⑨RF感知应用等。

SCaN计划的测试平台如图4所示［5］。该测试平台是一个由基于SDR技术的可编程、可重配置的发射、接收模块和相应的射频天线组成的天基无线通信系统，它工作在S、Ka、L频段。NASA已于2013年完成了该测试平台的发射和在轨运行试验，并与Ka频段TDRSS卫星进行了高速率通信测试。2013年4月该测试平台完成了在美国白沙地区进行的网络服务支持测试。同时SCaN团队还升级Glenn/Goddard/TDRSS(GGT)波形，使得GGT信号性能提升了6dB。

图4 SCaN测试平台构成Fig.4 Major components of SCaN testbed

另外，SCaN测试平台还成为了TDRS-K中继卫星的第一个Ka频段在轨用户。2013年5月SCaN团队更新了载荷电子软件(PAS)，完成了JPL设备进行GPS试验所必需的软件支持，并用软件将JPL的SDR设备定义为GPS接收机，成功地在L1、L2、L5三个频点的载波上实现了定位。

搭载在SCaN测试平台上的无线通信系统设备主要是由JPL、GD、Harris三家厂商提供的。各家的无线通信系统在硬件结构和器件使用上虽有所不同，但均支持STRS标准。它们的基本配置情况如下:

①JPL Electra无线通信系统，具有S频段通信和GPS接收能力。它可接收、发射S频段TDRSS中继信号，其数据传输速率为192kb/s、24kb/s;可接收、解调TDRSS前向链路信号，其数据传输速率为72kb/s、18kb/s。 它还具备 GPS L1、L2c、L5 频点载波接收能力和组网能力。

②GD星光无线通信系统，供第四代TDRSS用户使用。它工作在S频段，可接收、发射S频段TDRSS中继信号，其数据传输速率为192kb/s、24kb/s;可接收、解调TDRSS前向链路信号，其数据传输速率为72kb/s、18kb/s。它也具备一定的组网能力。

③Harris Ka频段无线通信系统，工作在Ka频段，可生成长度为223-1的伪随机码，其信号形式符合CCSDS 732.0-B-2协议。在SQPSK调制体制下，数据传输速率在300kb/s至100Mb/s之间可变;在BPSK调制体制下，数据传输速率在300kb/s至25Mb/s之间可变。

4 未来发展

有文献研究表明，未来版本的STRS标准将加入导航、测距、安全等方面的内容，使遥操作、自主操作、认知无线电以及深空应用等成为可能。格林研究中心(GRC)的研究人员已经撰文探讨在STRS中插入认知无线电(CR)的可行性。

正在积极开展的基于SCaN测试平台的应用研究、测试、演示、验证活动，推动了NASA天基SDR技术和基础架构平台(设计开发软硬件、测试仪器)的大发展。

在具体应用方面，目前NASA有如下两个方面的计划:

①2016年发射载有Ka频段通用航天应答机的航天器至火星;

②2018年发射载有X/UHF频段通用航天应答机的航天器至火星。

5 结束语与建议

本文介绍NASA天基SDR技术研究概况，讨论2008年发布的STRS ver1.02版的软、硬件分层结构，及其在2013年发射升空的SCaN测试平台上的应用情况，分析未来STRS标准的发展方向。

本文根据NASA开展天基SDR技术研究的发展历程，提出我国开展天基SDR技术研究的三点建议:

①组织我国各航天技术研发、生产单位，制订和发布开放的、可拓展的、具有自主知识产权的天基SDR技术标准和相应的软、硬件体系架构［7，8］，前瞻性地规定天、地基航天测控设备通信协议、信号体制、信号处理方法和各类相关接口协议，使其兼具技术发展和设备升级改造的冗余度，解决航天器研发、生产过程中，各单位标准不统一的混乱局面，提高生产效率，降低航天任务风险，满足我国航天事业快速发展、稳步推进的现实需要。

②大力研发天基无线通信系统的模组化技术，在安全、自主可控前提下，实现硬件模组、软件模块、系统操作环境以及这三者之间接口的标准化，使天基无线通信系统具备可远程操控、可重构和易于组网的能力。

③发射在轨测试平台，深入开展天基SDR技术应用的测试、验证工作，摸索天基SDR技术未来的发展和应用方向。

［1］杨小牛，楼才义，徐建良.软件无线电原理与应用［M］.北京:电子工业出版社，2001:5～7.

［2］Forum SDR.Comments on NASA Space Telecommunications Radio System(STRS)Open Architecture Specification， SDRF-07-W-0013-V1.0.0［C］.SDR Forum.2007.

［3］NASA.Space Telecommunications Radio System STRS Architecture Standard［S］.Revision 1.02.1.2010.

［4］Todd Quinn， Thomas Kacpura.Strategic Adaptation of SCA for STRS:SDR Forum Technical Conference［C］//Orlando，Florida，Nov.13-17，2006， NASA，2007.

［5］Johnson SK，Reinhart R C，Kacpura T J.CoNNeCT's Approach for the Development of Three Software Defined Radios for Space Application［C］//2012 IEEE Aerospace Conference，Big Sky，MT，United States，2012.

［6］胡行毅.NASA STRS开放架构软件层次［J］.卫星与网络，2008，78(11):78～80.

［7］陈大海，张 健，向敬成.软件无线电体系结构研究［J］.信息与电子工程，2003，1(4):318～322.Chen Dahai， Zhang Jian， Xiang Jingcheng.Research on the Architecture of the Software Radio［J］.Information and Electronic Engineering，2003，1(4):318 ～322.

［8］范建华，王晓波，李云洲.基于软件通信体系结构的软件定义无线电系统［J］.清华大学学报(自然科学版)，2011，51(8):1031～1037.Fan Jianhua， Wang Xiaobo， Li Yunzhou.SDR System Based on the Software Communication Architecture［J］.Journal of Tsinghua University(Science and Technology)，2011，51(8):1031 ～1037.