航天器异地测控链路无线联试系统设计

李霁川 谭征 吴伟 潘顺良

(中国空间技术研究院载人航天总体部,北京 100094)

统一S频段测控体系(简称USB测控体系)是利用频分复用技术,将多个副载波信号和测距信号调制到一个统一的S频段载波上,扩频测控体系是采用码分多址或多载波码分多址(CDMA)的通信体制,它们是实现对各种飞行器进行定位、遥测、遥控等功能的航天器测控系统。USB测控体系和扩频测控体系在我国有着广泛的应用[1]。我国的航天飞行任务在目前和将来的一段时期,仍将以USB测控网和扩频测控网为主对航天器进行飞行控制[2]。

由于航天器对可靠性要求极高[3],测控链路是指挥控制中心(简称指控中心)与在轨飞行的航天器之间最重要的联络手段[4],因此器地间测控链路的匹配性必须提前得到充分的验证。一般航天器发射前均在本地完成与指控中心的测控链路无线联试,但后续将与指控中心分处异地。由于异地间的距离因素,本地联试系统已无法满足异地联试需求,因此必须展开异地测控链路无线联试系统的设计。

本文首先对无线联试系统现状进行了分析,然后提出了一种基于远程以太网络的无线联试系统设计,并对系统功能进行了验证。

1 无线联试系统现状

当前测控链路无线联试在本地开展,联试的双方分别为航天器与指控中心。航天器USB测控子系统主要包括USB应答机A/B、USB天线网路、USB发射天线、USB接收天线等。航天器扩频测控子系统主要包括扩频应答机A/B、固态放大器、扩频滤波器、低噪声放大器、微波开关、定向耦合器、扩频收发天线等。除传统的跟踪、测距和测速外,USB应答机和扩频应答机均可传输上行遥控、上行话音和下行工程遥测信号[5]。

以当前载人航天器为例,测控链路无线联试期间,无线联试系统在航天器旁配置测控接收天线,接收航天器测控发射天线的下行射频信号,经无线转发设备进行功率放大后由位于楼顶的转发天线发出,天线指向指控中心,指控中心通过楼顶配置的接收天线接收射频信号并解调处理为遥测数据。指控中心发出的上行遥控和话音数据调制为射频信号,经指控中心楼顶的发射天线发出,经与下行相反的路径到达航天器。航天器与指控中心间接口为测控链路无线射频信号。系统架构如图1所示。

图1 本地测控链路无线联试系统Fig.1 TT&C united wireless test system for local united test

后续航天器将与指控中心分处异地,由于无线射频信号只能通过直线传播,且信号功率随距离增加而迅速衰减,现在的本地射频-射频的无线联试系统已不能满足后续异地无线联试需求。

2 系统设计

2.1 功能需求

面对航天器与指控中心分处异地超出射频对通距离的现状,需要一个能够实现器地间射频-数据转换,并保证数据可靠、安全地通过远程以太网络传输的联试系统,完成航天器与指控中心的连接。具体分析见表1。

表1 对异地无线联试系统的要求Table 1 Requirements of different places TT&C united wireless test system

2.2 技术架构

本文设计的无线联试系统由3部分组成:①一体化射频-数据处理组件,由于指控中心收发的数据遵循其指定的信息交换协议,因此仅完成射频-数据间转化不能满足联试任务的需求,还需要增加数据-数据间的协议转换;②网络数据加密传输组件,为避免遭受监听和攻击,设计实现基于互联网安全协议(IPSec)的网络数据加密;③QoS保障组件,为克服异地间远程网络UDP组播传输的丢包、乱序等风险,需针对数据发送与接收端应用程序进行加强,实现具有QoS保障的UDP组播数据传输,保障数据在远程网络传输后的完整性和一致性。总体技术架构如图2所示。

图2 异地无线联试系统技术架构Fig.2 Technology architecture of different places TT&C united wireless test system

由图2可知,异地无线联试系统技术架构由射频-数据处理、远程网络数据加密传输、远程网络数据传输QoS保障等功能组成,具有射频收发、射频-数据处理、协议互通、远程数据安全传输、远程数据可靠传输等异地联试系统所必备的属性。具体功能组成及其实现方法如下:

(1)一体化射频-数据处理,由一体化射频-数据处理平台实现数据协议转换、中频信号调制解调,上下变频、功率控制等。

(2)远程网络数据传输加密,基于IPSec协议实现,采用虚拟专用网络(VPN)隧道加密技术实现对数据的加密,保证数据的安全传输。

(3)远程网络数据传输QoS保障,依托数据分发服务(DDS)技术对数据发送与接收端应用程序进行加强[6],保证数据的可靠传输。

2.3 关键技术分析

1)一体化射频-数据处理

与传统的射频-数据处理采用独立的调制、解调、变频、记录设备搭建方式不同,射频-数据一体化处理平台方案的基本思路是将基于软件无线电的上行数据-中频处理模块、下行中频-数据处理模块、采样记录回放模块、可编程的通用变频器模块集成在高性能的工作站上,并通过集同管理软件实现对所有模块的统一管理,如图3所示。可在一个平台上实现数据协议转换、中频调制解调、上下变频、射频记录回放等功能,可通过加载不同配置文件支持USB测控体制和扩频测控体制。该设计具有集成度高、体积小、可扩展性强的优点。

图3 射频-数据一体化处理平台结构Fig.3 Scheme of integrated RF-data platform

2)远程网络数据加密传输

远程网络数据加密传输的设计基于IPSec协议[7],该协议是隧道加密技术的常用协议。IPSec隧道技术是一种通过使用公共网络的基础设施在网络之间传递数据的方式,使用隧道传递的数据可以是不同协议的数据帧或包。IPSec隧道协议将其他协议的数据帧或包重新封装IP头和协议头后发送。IPSec位于网络协议层次结构中的传输层之下,对于应用层和传输层是透明的,应用程序的设计与加密组件是解耦的。

具体而言,加密组件对远程网络传输的实时数据进行密码运算[8],将数据IP包转换为安全的IPSec包。进入远程公共网络到达对端后,对端加密组件首先对IPSec包的目的地址进行分析,如果目的地址不指向加密组件服务器,则丢弃该包;否则接收并解密IPSec包还原为明文IP包,并向后方应用继续传递。

3)远程网络数据传输QoS保障

无线联试实时数据的传输层采用UDP协议,传输采用组播传输方式。UDP组播采用的是无连接数据报方式进行数据通信,可能出现丢包、乱序等风险,即数据是否能到达接受端和数据到达的顺序都是不能保证的。为保证数据接收的完整性和一致性,提升数据传输的可靠性,技术架构依托数据分发服务(DDS)技术,对数据发送与接收端应用程序进行加强,即由数据发送与接收端应用程序的DDS数据传输模块负责数据的可靠传输。

DDS具有松散耦合、处理复杂数据流能力强、分发效率高、容错性好以及动态可配置等特点。DDS定义了以数据为中心的发布/订阅(Data Centric Publish-Subscribe,DCPS)机制[9],以数据为中心的发布/订阅模型基于全局数据空间的概念,在DDS中所有对该空间中的数据感兴趣的应用程序都可以接入。DDS产品丰富,有RTI DDS、OpenSplice DDS、OpenDDS、MilsoftDDS等。

基于远程以太网络的无线联试系统网络应用为异构的分布式网络。针对这种异构的网络布局,考虑开源软件的接口便利性和高可扩展性,QoS组件选用OpenDDS进行数据发送与接收端的DDS数据传输模块开发。基于Open DDS的QoS组件采用有中心体系结构,如图4所示。在一个节点上运行守护程序,存储用于管理数据和连接的控制信息,数据直接从发布者传到订阅者,但控制和初始化需要与该服务器通信,实现在一个节点上对控制信息统一管理[10]。

在数据发送与接收端应用程序上,使用OpenDDS作为应用程序的底层通信机制,并将OpenDDS协议配置为通过UDP组播方式实现,如图5所示。选择此设计模式,优点是可保持应用程序设计的独立,在网络接口上只需专注于协议的实现。

图4 OpenDDS体系结构Fig.4 Scheme of OpenDDS

图5 应用节点上OpenDDS的使用方法Fig.5 Usage of OpenDDSin application nodes

3 系统验证

3.1 测试系统搭建

本文以载人航天器测控链路无线联试为例进行测试系统搭建。在一地使用射频信号记录仪(Cortex RSR)回放USB链路射频信号并通过天线发出,以模拟载人航天器下行USB射频信号。射频-数据一体化处理平台接收射频信号进行解调、处理,恢复出数据并向外发送。同时一体化平台上安装了弱网模拟软件(Clumsy),用于模拟网络状况不稳定时出现的丢包和乱序现象。QoS服务控制节点接入网络用于保障可靠通信。使用加密机在远程以太网络两端对数据进行加解密。在另一地通过遥测接收与指令发送模拟台接收遥测数据进行统计分析。使用遥测接收与指令发送模拟台发出上行遥控指令与话音数据,经与下行相反的路径到达射频-数据一体化处理平台转换为射频信号,采用测控综合基带设备(Cortex CRT)进行接收和解调,并对Cortex CRT接收的指令和话音进行统计分析。原型系统结构如图6所示。

图6 原型系统结构图Fig.6 Structure of prototype system

3.2 网络加扰

Clumsy是基于C语言开发的一款开源网络模拟工具,它能在Windows平台下人工造成不稳定的网络状态,以检验和调试应用程序在极端网络状态下的表现。Clumsy能实时的将系统接收和发出的网络数据包拦截下来,人工的造成延迟、掉包和篡改等操作后再进行发送。无论实验的目的是要重现网络异常造成的程序错误,还是评估应用程序在不良网络状况下的表现,Clumsy都能在不需要额外添加代码的情况下,在系统层达到想要的效果。

本文使用Clumsy软件分别模拟丢包(Drop)与乱序(Out of Order)的网络情况,用于验证经OpenDDS加强后的数据发送与接收端应用程序在UDP组播通信的表现,如图7所示。

3.3 测试结果分析

本文所构建的原型系统,完全模拟了载人航天器异地USB链路无线联试的上下行通路,因此该场景具有典型代表性。

检查模拟台接收的遥测数据和Cortex CRT接收的遥控指令与话音数据得出:①模拟台可以接收到明文的载人航天器遥测数据;②Cortex CRT可以接收到明文的载人航天器遥控指令与话音数据;③在不同概率下对模拟丢包和乱序的情况进行统计,均未出现丢包与乱序情况,结果如表2所示;④接收端和发送端数据比对完全一致。测试结果验证了本文设计的异地测控链路无线联试系统架构的可行性。

表2 模拟丢包和乱序的数据接收结果Table 2 Result of simulation of packet drop and packet out of order

4 结束语

本文提出了一种支持航天器异地测控链路的无线联试系统设计,在总结异地无线联试需求的基础上,给出了异地无线联试系统的总体设计思路,并结合射频-数据一体化处理等技术设计了系统整体架构。搭建了测试验证系统,通过分析试验,结果表明:此系统可实现射频-数据的处理以及数据的加密传输与可靠传输,满足航天器异地无线联试的工程任务需求,可供后续航天器异地综合测试系统设计时参考。