IP技術(shù)在航天測(cè)控通信網(wǎng)的應(yīng)用

什么是測(cè)控通信網(wǎng)隨著載人航天等試驗(yàn)任務(wù)的開展，信息類型不斷增加，測(cè)控通信網(wǎng)的出現(xiàn)便變得十分重要，除航天器外，運(yùn)載火箭和導(dǎo)彈的飛行試驗(yàn)也要采用測(cè)控技術(shù)，但是兩者在規(guī)模上有很大區(qū)別。對(duì)于早期的近、中程火箭，作用距離很短，用一個(gè)或兩個(gè)測(cè)量站，即可覆蓋整個(gè)射程，不存在地面測(cè)控站組網(wǎng)問題。進(jìn)入航天技術(shù)時(shí)代后則有很大不同，即使是發(fā)射運(yùn)載火箭，把衛(wèi)星送入軌道，射程都在2000～3000千米之遙。衛(wèi)星進(jìn)入軌道后，其軌道變?yōu)橐缘厍驗(yàn)閳A心或焦點(diǎn)之一的閉合曲線，因而只有在全球大量布設(shè)跟蹤站，才能增加交換信息的時(shí)間，稱為接觸時(shí)間，也稱覆蓋率。這些數(shù)量眾多的跟蹤站需要有統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)，接收的觀測(cè)數(shù)據(jù)，才能編輯在一個(gè)時(shí)間尺度之內(nèi)。另外要求有統(tǒng)一的地理坐標(biāo)，測(cè)得的軌道數(shù)據(jù)才能相互銜接。再者各臺(tái)站需要統(tǒng)一指揮協(xié)調(diào)工作才能發(fā)揮作用。因而才出現(xiàn)組成測(cè)控通信網(wǎng)的問題。測(cè)控通信網(wǎng)除擁有眾多的各個(gè)跟蹤站之外，還有一個(gè)飛行操作控制中心（FOCC）來管理、協(xié)調(diào)各臺(tái)站之間的銜接關(guān)系。簡(jiǎn)單來說，測(cè)控通信網(wǎng)其實(shí)就是為火箭、航天器發(fā)射和飛行過程中，傳遞測(cè)控和其他信息的通信網(wǎng)絡(luò)。它利用多種傳輸線路和終端，經(jīng)各級(jí)交換中心將分布于各地的航天器發(fā)射場(chǎng)、航天測(cè)控站、航天控制中心以及用戶終端聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)中各點(diǎn)間的信息交換。航空通信監(jiān)測(cè)網(wǎng)的作用該網(wǎng)由信源終端、用戶終端、傳輸終端、通信線路、人工和自動(dòng)交換設(shè)備和軟件系統(tǒng)組成。其中包括電話、電報(bào)、傳真、電視和數(shù)據(jù)傳輸?shù)染W(wǎng)絡(luò)，匯集于航天測(cè)控中心，稱為“總通信中心”。在發(fā)射場(chǎng)區(qū)設(shè)區(qū)域通信中心，大型測(cè)控站設(shè)通信分中心，形成多級(jí)信息交換體制。測(cè)控通信系統(tǒng)在載人航天任務(wù)中主要是，對(duì)火箭、飛船目標(biāo)的飛行軌道和工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，并根據(jù)控制要求，對(duì)火箭、飛船進(jìn)行飛行控制；測(cè)量運(yùn)載火箭起飛漂移量及攝錄飛行實(shí)況景象；跟蹤測(cè)量運(yùn)載火箭、飛船（含留軌艙）軌道；接收、記錄和傳送運(yùn)載火箭、飛船（含留軌艙）與航天員遙測(cè)參數(shù)以及飛船電視、部分科學(xué)實(shí)驗(yàn)（有效載荷）數(shù)據(jù)等；建立地面與航天員之間雙向話音鏈路；計(jì)算并顯示飛行軌道和控制量，實(shí)時(shí)顯示火箭、飛船、有效載荷工作狀態(tài)和航天員生理狀態(tài)參數(shù)及電視圖像，實(shí)時(shí)和事后處理各種信息；待發(fā)段提供逃逸指令上行通道、上升段進(jìn)行逃逸與火箭飛行安全控制，參與上升段和運(yùn)行段飛船應(yīng)急返回控制；對(duì)飛船進(jìn)行飛行控制，向飛船（含留軌艙）發(fā)送遙控指令和注入數(shù)據(jù)；按要求生成并執(zhí)行飛行控制計(jì)劃及故障對(duì)策預(yù)案；完成與其他有關(guān)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換；進(jìn)行船地時(shí)間比對(duì)和校準(zhǔn)，提供調(diào)度指揮及通信保障。

那么IP技術(shù)對(duì)航空通信監(jiān)測(cè)網(wǎng)到底有什么作用？未來航空航天任務(wù)的應(yīng)用，如軍事情報(bào)、監(jiān)視、偵察等空間應(yīng)用、深空探測(cè)、空間科學(xué)等，對(duì)測(cè)控網(wǎng)在支持綜合業(yè)務(wù)信息傳送能力、信息傳送容量和信息傳送方式等方面提出了更高的要求。對(duì)測(cè)控網(wǎng)的技術(shù)體制進(jìn)行改進(jìn)，適應(yīng)未來航天器與地面系統(tǒng)之間航天應(yīng)用信息傳送的要求，尤其是地面站與衛(wèi)星之間的傳輸協(xié)議和調(diào)度機(jī)制的選擇和應(yīng)用尤為重要。測(cè)控網(wǎng)作為測(cè)控的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，其發(fā)展和技術(shù)革新深受各國(guó)空間局的重視。當(dāng)前，許多國(guó)家的航天測(cè)控領(lǐng)域都在進(jìn)行這方面的改革，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)和歐洲空間局(ESA)測(cè)控網(wǎng)的變遷深刻體現(xiàn)了IP技術(shù)帶來的影響。IP技術(shù)在NASA航天測(cè)控網(wǎng)的應(yīng)用從1996年起，NASA將多年航天測(cè)控中形成的具有相當(dāng)規(guī)模的五個(gè)現(xiàn)有廣域測(cè)控網(wǎng)—NASA通信網(wǎng)(Nascom)、項(xiàng)目支持通信網(wǎng)(PSCN)、NASA科學(xué)互連網(wǎng)(NSI)、宇航網(wǎng)(AEROnet)和地球觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)主干網(wǎng)(EOSDISBnet)合并，組成NASA綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)(NISN)。WilliamD.Ivancic、DavidBrooks和BrainFrantz.在《NASA’sBroadbandSatellite》文獻(xiàn)中表明：NASA包交換系統(tǒng)用TCP/IP業(yè)務(wù)取代X.25包交換業(yè)務(wù)；用IP協(xié)議取代天基網(wǎng)地面數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的主要組成多路復(fù)用/分路器(MDM)使用的4800比特組(4800BB)協(xié)議，同時(shí)對(duì)MDM進(jìn)行改造，使其支持IP協(xié)議；Nascom用IP協(xié)議取代使用多年的4800BB協(xié)議，同時(shí)將報(bào)文交換系統(tǒng)（MSS）更換為支持IP協(xié)議的MSS；提供路由數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)全部采用IP協(xié)議。驅(qū)使NASA采用IP協(xié)議的因素是：降低通信網(wǎng)成本；減少定制專用系統(tǒng)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，降低設(shè)備和勞力成本；建設(shè)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的卓越的商業(yè)成品網(wǎng)絡(luò)。隨著地面互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，IP技術(shù)已成為目前以及未來的主要網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，目前國(guó)際上關(guān)于航天測(cè)控網(wǎng)的研究也傾向于將地面互聯(lián)網(wǎng)延伸到航天器，實(shí)現(xiàn)地面終端用戶到航天器的全I(xiàn)P連接。特別是因?yàn)镮P技術(shù)對(duì)于移動(dòng)性的良好的支持性，更是得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，較有影響力的研究主要是NASA的OMNI計(jì)劃和VMOC項(xiàng)目。

從VMOC項(xiàng)目看IP技術(shù)在航天測(cè)控網(wǎng)的應(yīng)用以VMOC項(xiàng)目為例,VirtualMissionOperationsCenter是2003年起NASA開發(fā)的基于Internet的安全應(yīng)用,可以提供用戶友好的接口，使處于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的人員可以獲取衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息，并可以操控航天器。VMOC系統(tǒng)的天基部分又衛(wèi)星系統(tǒng)組成，將衛(wèi)星系統(tǒng)引入IP技術(shù)，就必須加入真正意義上的路由器。CLEO(CiscoLowEarthOrbit)是低軌衛(wèi)星上的Cisco路由器。CLEO是Cisco公司和NASA合作開發(fā)的一個(gè)項(xiàng)目,在SSTL的環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星UK-DMC上設(shè)置Cisco路由器，采用IP技術(shù)，從而將衛(wèi)星納入到Internet中。CLEO可以為地面和衛(wèi)星之間實(shí)現(xiàn)通信提供良好的接口。VMOC通過多個(gè)可以接Internet的地面站接收衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)，并使用高等級(jí)的互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)web服務(wù)，要求任務(wù)管理系統(tǒng)調(diào)度衛(wèi)星獲取地面圖像。其特點(diǎn)是充分利用高度自主的微小衛(wèi)星平臺(tái)、模塊化的有效載荷、共同的接口界面以及通過國(guó)防部保密的TCP/IP路由網(wǎng)直接向衛(wèi)星發(fā)送指令和分發(fā)衛(wèi)星圖像，構(gòu)建快速響應(yīng)的航天科研生產(chǎn)管理機(jī)制與發(fā)射模式，獲得戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的實(shí)戰(zhàn)響應(yīng)能力。在美國(guó)海軍、空軍、陸軍、航空航天局和產(chǎn)業(yè)部門聯(lián)合舉行的“戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星1”實(shí)驗(yàn)計(jì)劃中，VMOC負(fù)責(zé)經(jīng)由保密TCP/IP路由網(wǎng)，向“戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星1”指派任務(wù)和分發(fā)信息的有效載荷接口。目前VMOC還準(zhǔn)備實(shí)施由空軍和海軍空間戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室提出的衛(wèi)星與非保密TCP/IP路由網(wǎng)(NIPRNET)接口實(shí)驗(yàn)。VMOC的基本網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖1所示，該圖是VMOC實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該網(wǎng)絡(luò)配置的目的是使一個(gè)遠(yuǎn)端用戶可以通過VMOC安全的接入并操作測(cè)控對(duì)象。圖1VMOC基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

IP技術(shù)在ESA航天測(cè)控網(wǎng)的應(yīng)用ESA通信網(wǎng)由三部分組成：為整個(gè)歐空局提供基礎(chǔ)設(shè)施并行使管理職責(zé)的通信網(wǎng)ESACOM；為任務(wù)和航天器提供全生命周期支持的任務(wù)支持網(wǎng)OPSNET；為國(guó)際空間站歐洲部分ColubuS軌道設(shè)施(COF)和Ariane運(yùn)載工具(ATV)提供支持的互連地面子網(wǎng)(IGS)。ESACOM的前身是ESANET。ESANET是一個(gè)多用途通信網(wǎng)，它支持ESA站點(diǎn)內(nèi)的本地通信，ESA機(jī)構(gòu)和地面站之間的通信，以及ESA和外部合作伙伴之間的通信。后來，ESA利用Internet技術(shù)對(duì)該通信網(wǎng)作了改造，改造后的ESANET稱為ESACOM，它是基于幀中繼的虛擬專用網(wǎng)，提供基于TCP/IP協(xié)議的業(yè)務(wù)以滿足歐空局內(nèi)的數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)要求。作為ESA信息高速公路的基礎(chǔ)設(shè)施ESACOM面臨進(jìn)一步的改革，未來將在ESACOM上綜合所有的業(yè)務(wù)，ESACOM將建成一個(gè)能獨(dú)立承載內(nèi)部站點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)、話音和媒體業(yè)務(wù)的綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)。ESA已建成的航天器操作支持網(wǎng)OPSNET把位于達(dá)姆施塔特(Darmstadt)的操作控制中心(OCC)與ESA的地面站及其它與航天任務(wù)有關(guān)的站點(diǎn)連接起來。OPSNET是傳輸任務(wù)關(guān)鍵數(shù)據(jù)、話音和信息，通過任務(wù)控制系統(tǒng)和一個(gè)或多個(gè)地面站支持多個(gè)無人航天器同步操作的網(wǎng)絡(luò)。它還兼顧支持在工業(yè)組裝、集成和測(cè)試(AIT)地進(jìn)行的航天器鑒定測(cè)試(SVTs)。在多種因素的驅(qū)動(dòng)下，OPSNET開始IP技術(shù)過渡。最終，將構(gòu)筑一個(gè)基于IP路由器的專用網(wǎng)—OPSNET內(nèi)部網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，它將是一個(gè)服務(wù)于所有任務(wù)(平臺(tái)和載荷操作)的開放式網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)將提供基于IP的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，使用傳輸控制協(xié)議TCP或用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UDP)作為傳輸協(xié)議。使得從OPSNET內(nèi)部網(wǎng)向全球Internet提供載荷數(shù)據(jù)傳輸成為可能，例如科學(xué)數(shù)據(jù)分配。該網(wǎng)使用安全網(wǎng)關(guān)或防火墻維護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，一旦能夠建立通用網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，可以在網(wǎng)絡(luò)管理、硬件維護(hù)和操作人員方面節(jié)省相當(dāng)?shù)馁M(fèi)用?；ヂ?lián)地面子網(wǎng)(IGS)是ESA支持國(guó)際空間站歐洲部分Colubus軌道設(shè)施(COF)和Ariane運(yùn)載工具(ATV)的網(wǎng)絡(luò)。在建設(shè)中，由于Internet技術(shù)的發(fā)展非常迅速，IP成為事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。魏晨曦在《TCP/IP技術(shù)在航天測(cè)控通信中的應(yīng)用》表示，IGS采用了IP協(xié)議，通過IP網(wǎng)關(guān)提供各項(xiàng)業(yè)務(wù)，IGS具有到其他空間局保密網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)，可以滿足空間實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的遠(yuǎn)程操作對(duì)通信系統(tǒng)提出的高安全、高可靠、高保密要求。根據(jù)WilliamIvancic,、DaveStewart和DanShell的《Network-CentricOperationsofaSpace-BasedAsset:CiscoRouterinLowEarthOrbit(CLEO)andVirtual

MissionOperationsCenter(VMOC)》以及ECriscuolo、KHogie、RParise的《TransportProtocolsandApplicationsforuseinspace》,對(duì)美國(guó)VMOC和OMNI計(jì)劃的分析，可以發(fā)現(xiàn)該計(jì)劃應(yīng)用的是典型的移動(dòng)IPv4協(xié)議接入到地面網(wǎng)絡(luò)，該實(shí)驗(yàn)已經(jīng)獲得了一定的成功。如圖2所示，OMNI和VMOC計(jì)劃采用移動(dòng)IP技術(shù)解決非同步軌道航天器經(jīng)過不同地面站時(shí)的移動(dòng)性問題時(shí)，無一例外的在才用移動(dòng)IPv4協(xié)議時(shí)選擇了基于三角路由(TriangularRouting)的傳輸協(xié)議。它的基本傳輸機(jī)制同樣也是移動(dòng)IPv4的機(jī)制，基本工作機(jī)制是：VMOC中的客戶主機(jī)(CN)首先向衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)發(fā)送業(yè)務(wù)請(qǐng)求信息，該信息經(jīng)由衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的家鄉(xiāng)代理(HA)處理，通過衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)現(xiàn)接入地面站(FA)發(fā)送請(qǐng)求信息，再由衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)將相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)到有權(quán)限訪問的客戶主機(jī)中。VMOC使用在移動(dòng)IP接入部分完全采用了移動(dòng)IPv4的技術(shù)。圖2移動(dòng)IPv4在VMOC計(jì)劃中的應(yīng)用面對(duì)航天測(cè)控通信的變化,TCP／IP網(wǎng)絡(luò)將能很好地適應(yīng)，特別是在網(wǎng)絡(luò)傳輸方面，比“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”傳輸模式要強(qiáng)大得多的功能，所以TCP／IP在航天測(cè)控通信中的應(yīng)用將會(huì)改變測(cè)