TDRSS新一代地面系统体系结构研究

2018-12-26史西斌李鲡瑶

无线电工程 2018年1期

关键词：体系结构终端用户

史西斌，李鲡瑶

(北京空间信息中继传输技术研究中心，北京 100094)

TDRSS新一代地面系统体系结构研究

史西斌，李鲡瑶

(北京空间信息中继传输技术研究中心，北京 100094)

当前的TDRSS地面系统主要是20世纪90年代中期开发的，面临着设施设备老化、过时、异质、操作和维护非常困难等问题，无法适应未来发展的需要。为此，NASA启动了TDRSS新一代地面系统开发项目，即天基网地面段维持(SGSS)项目。概括了TDRSS地面系统的现状并指出了存在的问题，阐述了TDRSS新一代地面系统的体系结构、业务能力，分析总结了TDRSS新一代地面系统体系结构的益处和特点，可为我国中继卫星地面系统的后续建设与发展提供参考。

跟踪与数据中继卫星系统；地面系统体系结构；天基网地面段维持项目

0 引言

经过30多年的建设，NASA已经建成了包含多个空间节点[1]、多颗在轨卫星、多个地面站且具备全球覆盖能力的跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)[2]。TDRSS地面系统作为整个网络的“心脏”，主要包括地面终端站、测距转发站和网络控制中心等[3]。从地理位置上说，目前TDRSS地面系统共有白沙地面站(WSGT)、第二白沙地面站(STGT)和关岛地面站(GRGT)3个场区[4]以及7个地面终端站[5]。由于经过多次业务改造[6]，再加上各地面终端站建设时的技术发展水平有所差异，因此3个场区的地面终端站数量、支持业务等配置不完全相同[7]。

分析表明，TDRSS地面系统当前面临下列挑战[8]：① 地面终端站采用“烟囱式”体系结构，信号通过设备链到达特定TDRS。地面终端站与所能支持的TDRS之间存在较强的耦合性，从而限制了灵活性，并增加了每个地面终端站所需设备的数量，因为每颗TDRS都要求有自己的一组主用和备用地面设备；② 经过多年运行，现有设备老化过时严重，运行维持以及改造的成本越来越高。硬件、软件和固件方面的限制使得服务可靠性面临着非常大的风险。此外，地面站体系结构本身也已过时，运行维护属于劳动力密集型，终端部件无法适应未来的能力扩展需求。为此，NASA开发了新一代TDRSS地面系统，结合先进的技术对地面系统的体系结构和功能进行重新设计，以从根本上解决上述问题，提高整个系统的支持能力[9]。

1 TDRSS新一代地面系统

极高的用户服务可用度需求，连同为满足未来需求和降低运行成本而不断演变的必要性，要求应对现有的地面终端站部件进行替换。新的部件必须是可扩展、可升级且易于运行维护的。正是意识到这种升级的需求，NASA确立了天基网地面段维持(SGSS)项目[10]，任务是保证TDRSS最少再服务25年[11]。

1.1 体系结构

SGSS的目标是实现一个现代化的地面系统，能使TDRSS继续向用户提供高质量的服务，满足利益相关方的需求，并大大减少所需的操作和维护资源。SGSS的体系结构要素如图1所示[12]，主要包括7部分，每一部分负责执行特定的系统功能。

图1 SGSS体系结构要素

① 星地链路(SGL)：提供了TDRS与SGSS之间的物理接口，传输用户数据和TDRS TT&C信号。SGL包括中频/射频转换电子设备、用于射频信号收发的物理天线系统，也包括分布在整个地面终端中的精确定时和频率基准。

② 数字信号处理(DSP)：提供管理通信信道所需的信号处理功能，即提取用户和TDRS返向(遥测)链路数据并处理用户和TDRS前向(遥控)链路数据。DSP部分也包含模数和数模转换功能以及子频带调谐/组合(SBT/SBC)。DSP通过生成TDRS和用户距离、多普勒测量，为跟踪服务提供支持。

③ 用户业务网关(USG)：是远程和本地用户的数据业务网关。功能主要包括对空间链路扩展(SLE)接口、IP传输的支持，对4800BB、跟踪和时钟相关电文、用户数据业务(AOS/ENCAP处理、速率缓冲)以及用户数据记录(返向业务数据的记录和回放)的传统支持。

④ 业务管理(SM)：提供用于业务管理的远程用户业务管理接口和本地SGSS操作员接口。SM接收业务申请，并利用任务优先级生成计划，保持地面和空间设备的可用度信息；容许应急或实时申请的自动化与人工调度，并为已计划的业务提供指令；也报告调度计划的度量信息，包括用户业务核算(记账)数据。

⑤ 卫星与地面管理(FGM)：管理控制TDRS卫星以及管理地面终站端自身。只要可能，地面终端站管理控制就同用户和TT&C数据隔离开。

⑥ 企业基础设施(EI)：提供SGSS系统内所用的通用软件和硬件部件。不同于其他部分，EI通常不参与应用级；然而，也有部分例外，包括企业电文传输和提供通用业务，如日志。EI为对所有其他部门的处理和网络互联支持奠定了系统基础。EI提供计算平台，此平台作为所有应用软件的宿主，包括所有的管理和控制处理。

⑦ 维护与训练(MT)：为维护、测试和训练能力提供独立的环境，并部署在维护与训练设施(MTF)内。包括用于对实用系统中出现的故障进行分析和解决的工具与设备，在软件和硬件更新部署到实用系统中之前进行测试的能力，也包括TDRS模拟器、地面段模拟器和各种分析模型。

总体上看，SGSS体系结构采用了设备集中共用即设备池的配置方式，如图2所示[13]。只有非常少量的设备是独占式，且专用于每颗TDRS。可以根据池中空闲资源、业务执行来选择用户支持设备，并且设备在使用之后返回到池中，以供下次使用。这种配置方式使得地面系统的设备数量更少，配置更加灵活，硬件利用更加高效，并且容许地面终端内以及之间的同质设备池。

图2 SGSS的设备池式体系结构

1.2 业务能力

SGSS最终部署完毕后，将形成包含4个场区、9个地面终端站的地面系统，如图3所示[14]，并且其业务能力也得到大幅提升。

图3 最终部署完成后的SGSS

SGSS除了支持TDRSS的现有业务之外，还将提供下列新能力：

① 总体：增强了地面段的弹性(可缩放)和可扩展性，提高了操作的连续性，广泛使用商用现货(COTS)部件，实现了接口标准化、分布式智能化。

② 数字信号处理：能够易于增加未来波形；及早进行信号数字化，以实现无损分发；具备高速包交换能力；支持LDPC(1/2、7/8速率)解译码、7/8速率TPC码、模4差分译码等新编码模式以及8PSK调制[15]；提供Ka单程跟踪业务；Ku/Ka频段单址前向(KuSAF/KaSAF)、Ka频段单址返向(KaSAR)、Ku频段单址返向(KuSAR)数据速率分别提高为50 Mbps、>1 Gbps、600 Mbps。

③ 业务管理：优化了业务，设计了CCSDS SM、Web等新的计划调度接口[16]。

④ 天地链路：WSGT主天线增加S频段能力，实现了设备到天线的后端交换等。

⑤ 卫星与地面管理：实现了自动电平控制、TDRS和地面段协调发令、远程TDRS遥测接入，增强了地面终端操作员的态势感知能力。

⑥ 企业基础设施：采用面向服务的体系结构(SOA)和IPv6协议，符合新的安全性标准以及广泛使用虚拟机(VM)。

⑦ 用户业务网关：支持CCSDS、AOS/封装、速率缓冲和空间链路扩展(SLE)业务[17]。

⑧ 维护和训练：支持系统建模，提供开发、测试和训练环境以及增强型TDRS模拟器，维护更加简单。

2 特点分析

相比于TDRSS当前的地面系统体系结构，SGSS通过系统的简单性、灵活性、基础设施合并、故障容忍、采用商业标准进行数据传输、利用商业接口消除对特有经销商的依赖、更低的操作成本以及其他，给NASA及其用户带来非常多的益处。SGSS的预期好处如表1所示。

2.1 采用创新的“设备池”概念增强地面系统灵活性

当前地面系统体系结构的特点是由固定设备串、固定接口串再加上特定天线(通常采用1∶1配置)构成业务链来为用户提供服务，缺点则是单个部件故障会导致整个设备串退出服务。为了快速恢复备份操作，往往需要快速响应的、劳动力密集的维护操作。

SGSS体系结构由于采用了“设备池”的配置方式，可以实现大多数信号处理与交付资源与单个地面终端站各种地面天线之间的灵活组合。若带宽足够，SGSS可以实现站点间的资产共享，从而规避了当前地面系统的上述缺点或不足。可以说，“设备池”概念是SGSS体系结构的核心所在，它减少了所需设备数量，增加了资源分配的灵活性，可以几乎透明的方式实现系统增长。

2.2 通过数字化提高信号处理与分发能力

现有的地面终端很大程度上采用模拟信号处理和分发系统。遥测信号以模拟格式传输，直到解调器，在解调器这里将其转换成数字信号。同样，遥控信号在调制器中从数字形式转换成模拟形式，然后由此向前传输。模拟系统易遭信号损失、干扰，需要昂贵的电缆、波导和开关。

SGSS中，对紧随地面天线处接收与下变频(K～L频段)之后的整个TDRS下行链路进行了数字化。用户和TDRS遥测放入到VITA 49包中，随后送到数字解调器。对于遥控信号，则尽可能长时间保持数字形式的信息，在发射到TDRS之前再转换成模拟形式。数字化技术是SGSS采用的最重要的关键技术之一，能够实现无损分发、无限复制及广泛采用开放标准基础设施。SGSS正是通过数字化的信号分发和处理，实现了8PSK、LDPC和TPC、更高速率(Ku返向600 Mbps；Ka返向1.2 Gbps)、地面终端间中频信号传输等新特性。

2.3 采用2NT冗余方式提高信号处理可靠性

根据SGSS最初的设计，所有正常用户服务的信号处理部件都采用双冗余(2N)方式。由于2N冗余方式的成本过高，但又要使脆弱性(偶发损坏或丢弃以太网包)降低且能在要求的时间范围内识别部件故障并恢复服务，为此SGSS开发了一种称为2NT的架构。在此架构中，数字信号传输采用2N冗余，信号处理则采用2N和Nx+Mx组合方式的冗余；Nx表示可同时支持x类服务(宽带、窄带或TTC/接收机或发射机/正常业务或测试)的最大数，Mx表示可提供的x类备用设备的数量。

表1 当前系统与SGSS的比较[8]

图4 2NT数据传输结构

前向、返向以及内部数字基带和数字中频信号连接都采用了2NT方式，如图4所示。然而对于基带和数字中频来说2NT的行为是不同的[18]。例如，对于基带而言，所有基带信源(包发射机)同时发送相同的带有时标的包到独立的A、B数据路径上；所有基带信宿(包接收机)侦听A、B路径，并正常处理来自主路径(由SGSS控制系统确定)的包；若主路径包损坏或丢弃，信宿自动用另一路径上的相应包代替。总之，2NT数据传输结构提供冗余路径，从而增加了可靠性并简化了故障隔离。

2.4 采用非现场维修为主的系统维护模式

当前，地面终端站的维护大多数是在现场进行。当一个部分故障时，需要大量的人员来维修硬件。SGSS中，硬件现场维修不再是主要维修模式，而是将硬件设计成故障时易于更换的，将故障部件返回给经销商进行维修。因此，利用更少的人员就可以满足SGSS的维修需求。

当服务过程中出现故障时，系统将自动配置并切换到其他部件，从而最小化对正在进行服务的影响。由于设备池化，池深可以适应多个故障，且不会造成重大影响。池深以及架上备件数量的确定将通过分析部件可靠性，同时考虑整个系统可用性需求来完成。这样，紧急情况下，维修不必在夜间或周末进行，而是在正常工作时间内进行，从而可以大大减少人员数量。

2.5 利用虚拟机技术使未来的技术更新更加容易

SGSS将广泛使用虚拟机(VM)，使应用和操作系统与物理平台隔离开。对于操作系统来说，虚拟机看起来像一个物理机器，模拟了硬件部件，可使操作系统以其固有的模式运行。虚拟化能够实现应用和操作系统的长寿命，为透明的技术更新提供了机会，并最优化机器的利用。目前，虚拟机性能接近专用机器的物理性能，可使多个虚拟机运行在单个平台上且具有较小的性能影响。由于实现了应用与硬件平台的隔离，虚拟机也提供了额外的安全措施。

3 结束语

SGSS由于采用了新的体系结构以及先进技术，将会使TDRSS地面系统的支持能力以及整个系统为用户提供服务的能力得到极大提高。SGSS中，商业和开放标准的采用使得技术更新和升级更经济有效，系统的可伸缩性使得能力扩展更加容易。SGSS最终部署完毕后，将能够支持20颗TDRS工作星、8颗TDRS备份星，可为200个用户目标提供服务。

[1] 张丽艳，丁溯泉，史西斌.中继卫星系统组网备份策略研究[J].飞行器测控学报，2013，32(1)：17-22.

[2] 史西斌，程砾瑜，王文基，等.中继卫星系统组网运行问题研究[J].飞行器测控学报，2013，32(1)：11-16.

[3] GSFC Exploration and Space Communications ProjectsDivision.Space Network Handbook[R].Original.Greenbelt,Maryland:Goddard Space Flight Center,2007.

[4] 郭丽红，李平.NASA TDRSS现状与未来发展展望[J].科技情报快讯，2014(12)：1-16.

[5] GSFC Exploration and Space Communications Projects Division.Space Network User’s Guide[R].Revision 10.Greenbelt,Maryland:Goddard Space Flight Center,2012.

[6] 史西斌，李本津，王锟，等.美国三代跟踪与数据中继卫星系统的发展[J].飞行器测控学报，2011，30(2)：1-8.

[7] GSFC Space Network Project.Requirements Specification for the White Sands Complex.REV.1,DCN005[R].Greenbelt,Maryland:Goddard Space Flight Center,2008.

[8] GITLIN T,WALYUS K.NASA’s Space Network Ground Segment Sustainment Project Preparing for the Future[C]∥SpaceOps 2012 Conference,2012:77-90.

[9] Space Network Ground Segment Sustainment (SGSS) Project.SGSS Customer Forum #1[EB/OL] http:∥esc.gsfc.nasa.gov/space-communications/sgss.html,2011-10-21.

[10] Space Network Ground Segment Sustainment (SGSS) Project.Space Network Ground Segment Sustainment (SGSS) Newsletter[EB/OL] http:∥esc.gsfc.nasa.gov/space-communications/sgss.html,2013-08-22.

[11] 杨红俊.国外数据中继卫星系统最新发展及未来趋势[J].电讯技术，2016，56(1):109-116.

[12] Space Network Ground Segment Sustainment (SGSS) Project.SGSS Customer Technical Interchange Meeting 2013[EB/OL] http:∥esc.gsfc.nasa.gov/space-communications/sgss.html,2014-02-02.

[13] LOOMIS N M.Modernizing the NASA Space Network Ground Systems for Centralized Management and Control of Distributed Shared Resources[C]∥13th International Conference on Space Operations,2014:687-694.

[14] Space Network Ground Segment Sustainment (SGSS) Project.SGSS Customer Forum #2 rev.1[EB/OL] http:∥esc.gsfc.nasa.gov/space-communications/sgss.html,2013-09-01.

[15] Space Network Ground Segment Sustainment Project.Space Network (SN) Ground Segment Sustainment (SGSS) System Requirements Document (SRD) Baseline[R].GSFC,2009.

[16] Space Network Ground Segment Sustainment (SGSS) Project.SGSS Customer Technical Interchange Meeting 2015[EB/OL] https:∥sgss.gsfc.nasa.gov/sgss,2016-04-01.

[17] Exploration and Space Communications Projects Division (ESC)/Space Network Ground Segment Sustainment (SGSS) Project and Networks Integration Management Office (NIMO).Customer Technical Interchange Meeting (TIM)-3[EB/OL] https:∥sgss.gsfc.nasa.gov/sgss,2016-07-25.

[18] SCHUPLER B R.,SPENCER J D.Digital Signal Distribution and Processing in the NASA Space Network Ground Segment Sustainment Project[C]∥13th International Conference on Space Operations,2014:1188-1203.

ResearchonNewGenerationofTDRSSGroundSegmentArchitecture

SHI Xibin,LI Liyao

(BeijingSpaceInformationRelayandTransmissionTechnologyResearchCenter,Beijing100094,China)

The current Tracking and Data Relay Satellite System (TDRSS) ground segment,developed in the mid 1990s,suffers from severe obsolescence,and its ground terminals use significantly different architectures.It becomes increasingly difficult to sustain,operate,maintain,modify the current TDRSS ground system and future demands cannot be accommodated.Therefore,NASA established the effort to develop a new generation of TDRSS Ground Segment,also known as Space Network Ground Segment Sustainment (SGSS) project.The current status of TDRSS Ground Segment and the challenges it faces are summarized,the new generation of TDRSS Ground Segment architecture and its associated capabilities are presented,and the benefits and features of this new architecture are analyzed,which can provide reference for the subsequent development of China’s data relay satellite system.

TDRSS；ground segment architecture；SGSS project

2017-09-22

国家高技术研究发展计划(“863”计划)基金资助项目(2015AA7011071)

10.3969/j.issn.1003-3106.2018.01.13

史西斌,李鲡瑶.TDRSS新一代地面系统体系结构研究[J].无线电工程,2018,48(1):59-63.[SHI Xibin,LI Liyao.Research on New Generation of TDRSS Ground Segment Architecture[J].Radio Engineering,2018,48(1):59-63.]

V474.22；V556.8

1003-3106(2018)01-0059-05