史成巍 曲展志 張朋強(qiáng)

中國(guó)人民解放軍63761部隊(duì)，天津301900

隨著太空中人造衛(wèi)星的不斷增加，地面測(cè)控[1]通信任務(wù)也逐年加重，為解決此問(wèn)題，一般通過(guò)繼續(xù)增加地面測(cè)控裝備的方式進(jìn)行解決。然而傳統(tǒng)的測(cè)控裝備由于冗余備份導(dǎo)致建設(shè)成本過(guò)高，建設(shè)周期很長(zhǎng)，已經(jīng)難以滿足日益加重的衛(wèi)星測(cè)控任務(wù)。近年來(lái)，基于資源動(dòng)態(tài)重組[2-3]架構(gòu)的測(cè)控裝備已相繼投入使用，資源動(dòng)態(tài)重組技術(shù)是指利用開關(guān)矩陣等設(shè)備將天線和基帶進(jìn)行靈活配置的技術(shù)，該種技術(shù)通過(guò)動(dòng)態(tài)組合天線、信道和基帶設(shè)備進(jìn)而達(dá)到設(shè)備間互相組合、互相備份的目的，縮減了以往過(guò)多的備份信道、基帶設(shè)備，且并未降低設(shè)備的可靠程度，有效降低了單套測(cè)控裝備的成本，縮減了研發(fā)周期，對(duì)于緩解衛(wèi)星測(cè)控壓力起到了重要作用[4]。該種技術(shù)由于大量節(jié)約設(shè)備資源，近年來(lái)已開始在部分地面測(cè)控站安裝部署，并有逐漸成為航天測(cè)控地面主流裝備的趨勢(shì)。與此同時(shí)，由于新的動(dòng)態(tài)重組結(jié)構(gòu)統(tǒng)一性要求程度高、新舊裝備接口差別大等因素，該技術(shù)在推廣應(yīng)用過(guò)程中遇到很大阻力，比如1套重組系統(tǒng)只加入了3套天線，研制第4套時(shí)由于使用了新的技術(shù)和接口等原因，就無(wú)法納入原有重組系統(tǒng)。本文從工程領(lǐng)域出發(fā)，具體研究制約動(dòng)態(tài)重組測(cè)控技術(shù)發(fā)展應(yīng)用的瓶頸，并提出行之有效的解決方法。

1 動(dòng)態(tài)重組測(cè)控裝備的體系結(jié)構(gòu)

動(dòng)態(tài)重組測(cè)控裝備從以下幾個(gè)方面對(duì)傳統(tǒng)裝備進(jìn)行優(yōu)化：

1)避免資源熱備份浪費(fèi)

傳統(tǒng)測(cè)控裝備主要分系統(tǒng)通常采用1∶1熱備份設(shè)計(jì)[5]，當(dāng)在線設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，可以快速自動(dòng)切換到備份設(shè)備，從而提高系統(tǒng)的可靠性。但這種熱備份設(shè)計(jì)對(duì)于資源的浪費(fèi)顯而易見。

動(dòng)態(tài)重組裝備通過(guò)在資源之間增加開關(guān)矩陣[6-7]，使天線與信道、信道與基帶之間可以互相切換組合。以基帶為例，以往10套天線要使用20套基帶，但資源重組后10套天線使用11套或12套基帶和11套或12套信道即可，當(dāng)某個(gè)基帶或信道故障時(shí)，監(jiān)控分系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整開關(guān)矩陣配置繞開故障設(shè)備，即可恢復(fù)正常狀態(tài)。連接關(guān)系圖見圖1。

2)避免公共設(shè)備浪費(fèi)

傳統(tǒng)測(cè)控裝備每套設(shè)備一般具有單獨(dú)的監(jiān)控分系統(tǒng)、測(cè)試分系統(tǒng)、時(shí)頻分系統(tǒng)等服務(wù)性設(shè)備，造成了分系統(tǒng)重復(fù)建設(shè)、使用效率不高的問(wèn)題。而在動(dòng)態(tài)重組裝備中，所有設(shè)備共用一套監(jiān)控分系統(tǒng)、測(cè)試分系統(tǒng)等附屬公共設(shè)備。這樣不僅避免了公共設(shè)備的浪費(fèi)，還有助于全系統(tǒng)設(shè)備的集中管控。

圖1 動(dòng)態(tài)重組設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

3)裝備升級(jí)改造成本低

傳統(tǒng)測(cè)控裝備進(jìn)行改造升級(jí)時(shí)往往需要對(duì)相關(guān)所有硬件、軟件進(jìn)行升級(jí)，改造、研發(fā)工作量較大，周期也長(zhǎng)。但動(dòng)態(tài)重組裝備的改造往往只是針對(duì)某一資源，比如針對(duì)基帶進(jìn)行升級(jí)、天線進(jìn)行升級(jí)或者監(jiān)控軟件[8]進(jìn)行升級(jí)，相比而言，總體成本要低很多。

2 動(dòng)態(tài)重組技術(shù)發(fā)展瓶頸

盡管動(dòng)態(tài)重組技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)，技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度小，但是近年來(lái)該技術(shù)的推廣卻很緩慢。造成這種現(xiàn)象的原因主要是以下幾方面：

1)研制方不同，制造過(guò)程存在差異

在測(cè)控裝備的實(shí)際建設(shè)中，由于商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)等因素，同一地面測(cè)控站的多套裝備往往是由不同廠家進(jìn)行研制。這就造成在硬件上，各廠家模塊標(biāo)準(zhǔn)[9-10]不統(tǒng)一，部分設(shè)備無(wú)法進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)換；在軟件上，各廠家軟件環(huán)境、接口協(xié)議、軟件架構(gòu)等各不相同，致使無(wú)法使所有設(shè)備集中監(jiān)控，也就無(wú)法集中進(jìn)行調(diào)配。

2)傳統(tǒng)裝備無(wú)法加入動(dòng)態(tài)重組序列

傳統(tǒng)裝備在研制時(shí)由于沒(méi)有考慮與后續(xù)裝備相同的集中監(jiān)控體系，致使新一代動(dòng)態(tài)重組架構(gòu)若需要加入傳統(tǒng)裝備就必須對(duì)裝備進(jìn)行較大程度的改造，花費(fèi)大量人力、財(cái)力和時(shí)間等資源，達(dá)不到資源重組、節(jié)約資源的目的，因此很難實(shí)現(xiàn)將傳統(tǒng)裝備加入動(dòng)態(tài)重組的序列。

3)新研裝備難以加入已有動(dòng)態(tài)重組序列

新研裝備往往采用新技術(shù)，使得裝備在功能上發(fā)生較大的革新，如果再加入已有動(dòng)態(tài)重組裝備中，就需要對(duì)已有動(dòng)態(tài)重組裝備進(jìn)行改造，否則就會(huì)導(dǎo)致裝備不兼容而無(wú)法加入。以office辦公軟件為例，在2007版出現(xiàn)“.docx”文件后，之前版本就無(wú)法編輯該類型文件。而這種情況在技術(shù)的不斷革新過(guò)程中是不可避免的。

正是由于以上原因，動(dòng)態(tài)重組技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中推進(jìn)緩慢，難以實(shí)現(xiàn)不斷擴(kuò)容，無(wú)法發(fā)揮更大的節(jié)約資源作用。

3 解決方法研究

動(dòng)態(tài)重組技術(shù)在發(fā)展過(guò)程中遇到的一系列阻礙，根本原因還是架構(gòu)設(shè)計(jì)上存在缺陷，未考慮兼容的問(wèn)題，最初的設(shè)想只能適用于所有裝備短時(shí)間內(nèi)同時(shí)建成、具備相同或相似的結(jié)構(gòu)與功能的情況。下面針對(duì)主要瓶頸分析具體解決策略。

1)統(tǒng)一軟硬件標(biāo)準(zhǔn)，解決多方研制問(wèn)題

在以往的裝備研制過(guò)程中，盡管對(duì)于裝備研制提出了統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，但標(biāo)準(zhǔn)本身不夠全面細(xì)致。以信道分系統(tǒng)為例，標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了信道分系統(tǒng)對(duì)外的接口比如與基帶的連接方式為SMA接頭公母?jìng)鬟f50MHz中頻信號(hào)[11-12]，對(duì)于信道內(nèi)部連接形式、信道與監(jiān)控的數(shù)據(jù)通信接口等并沒(méi)有約束。各廠家對(duì)于沒(méi)有規(guī)定部分按照自己的風(fēng)格制造，結(jié)果信道內(nèi)部設(shè)備各廠家無(wú)法通用，集中監(jiān)控服務(wù)器也無(wú)法集中監(jiān)控所有設(shè)備。

為了解決這樣的弊端，可以參考臺(tái)式計(jì)算機(jī)的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[13]。對(duì)于組裝臺(tái)式機(jī)而言，所有的部件都是不同廠家，但只要在拼接過(guò)程中考慮不同部件的性能兼容、功率要求等，就能組裝成一個(gè)運(yùn)行順暢的完整設(shè)備。在硬件上關(guān)鍵是標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，需要具體到所有重要部件，比如芯片多少針腳、大小，主板各個(gè)插槽的尺寸都必須統(tǒng)一[14]。換到測(cè)控裝備也是如此，要明確各設(shè)備底層電源模塊、監(jiān)控模塊的規(guī)格及與之相連的接頭。同時(shí)，在規(guī)格的規(guī)定上注意增加靈活度就能避免過(guò)于死板造成效率或者質(zhì)量方面的降低。比如在硬件標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于電源模塊規(guī)格定為“需至少具備4V、8V、12V三個(gè)檔位的電源輸出能力，尺寸小于300×300×300mm，對(duì)外連接采用螺母連接銅纜的方式”。這樣的規(guī)定在具備了主要的統(tǒng)一指標(biāo)的同時(shí)能使研發(fā)單位在部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的選擇，以及在性能上進(jìn)行探索。計(jì)算機(jī)中的內(nèi)存條等部件都是如此，它們的大小、接口都是固定的，但并沒(méi)有影響到不同單位的制造工藝和性能的不斷研發(fā)。在軟件方面，關(guān)鍵則是通信數(shù)據(jù)協(xié)議統(tǒng)一，通信數(shù)據(jù)協(xié)議統(tǒng)一比較成熟的做法就是計(jì)算機(jī)中對(duì)于顯示器、鍵鼠等外設(shè)的使用，它們?cè)趯?shí)現(xiàn)硬件接口統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)還對(duì)具體的數(shù)據(jù)通信接口進(jìn)行了精確的定義[15]。

2)對(duì)于傳統(tǒng)裝備采用短期兼容長(zhǎng)期剔除策略

不同時(shí)期生產(chǎn)的傳統(tǒng)裝備結(jié)構(gòu)功能差別很大，一般來(lái)說(shuō)，越新的裝備與動(dòng)態(tài)重組裝備本身的相似度也越大，所以在動(dòng)態(tài)重組裝備研發(fā)時(shí)應(yīng)特別注意能夠兼容這一部分裝備。具體兼容的策略為對(duì)10年以內(nèi)裝備進(jìn)行低程度的升級(jí)改造，裝備年限超過(guò)10年的則不再考慮納入。10年界限的設(shè)定主要考量為裝備的正常壽命一般為15年，超過(guò)10年的裝備大多已經(jīng)瀕臨報(bào)廢，沒(méi)有融入新體系的必要。這樣的方式在計(jì)算機(jī)中也有應(yīng)用，主要體現(xiàn)在軟件的更新?lián)Q代上，仍以office辦公軟件為例，office軟件發(fā)布新版本后總是能夠兼容舊版本的格式，比如office2007可以兼容舊的doc文件，但是對(duì)于doc前已經(jīng)淘汰的文件格式卻不再兼容。

3)對(duì)于新研裝備采用兼容驅(qū)動(dòng)或壓縮功能的方式

對(duì)于功能上沒(méi)有超出已有動(dòng)態(tài)重組裝備接入要求的新研裝備，采用在已有裝備中增加兼容驅(qū)動(dòng)的方式以保證新功能的正常使用。以計(jì)算機(jī)USB設(shè)備為例，如果計(jì)算機(jī)的是USB2.0結(jié)構(gòu)，只要接入設(shè)備沒(méi)有超出USB2.0的范圍，都可以直接或安裝驅(qū)動(dòng)程序后使用。

對(duì)于新研裝備功能無(wú)法融入已有動(dòng)態(tài)重組裝備的情況，則可以在這些裝備與當(dāng)前重組體系間增加中轉(zhuǎn)模塊，該模塊應(yīng)具備接口轉(zhuǎn)換的功能，以壓縮新研裝備的能力從而融入已有裝備。以計(jì)算機(jī)顯示器為例，購(gòu)置一臺(tái)新的只具備HDMI接口顯示器，但老計(jì)算機(jī)只支持VGA格式，只需要在兩者間增加一個(gè)轉(zhuǎn)換器就能繼續(xù)使用，但后果就是降低了顯示器的使用性能。

4)模塊化設(shè)計(jì)以適應(yīng)不斷更新的技術(shù)

要解決壓縮裝備性能的問(wèn)題，就需要更新動(dòng)態(tài)重組本身以適應(yīng)新技術(shù)的發(fā)展。這時(shí)候動(dòng)態(tài)重組體系本身就如同主板，各個(gè)資源就是所有的設(shè)備，每一部分設(shè)備都可以不斷進(jìn)步，但是主板本身在一定時(shí)間后也需要進(jìn)行更新。這種更新就是動(dòng)態(tài)重組體系設(shè)備基礎(chǔ)的更新，包括集中監(jiān)控體系的更新、對(duì)不同分系統(tǒng)軟硬件接口協(xié)議的更新。這樣的更新同樣需要遵循前面的標(biāo)準(zhǔn)化和向下兼容等原則，不需要太大的變動(dòng)就能實(shí)現(xiàn)整個(gè)動(dòng)態(tài)重組體系的進(jìn)階。這就是模塊化的設(shè)計(jì)理念，不論是硬件還是軟件都是采用這樣的模塊結(jié)構(gòu)，其中每一部分都可以升級(jí)自身功能，在出現(xiàn)無(wú)法兼容前繼續(xù)正常使用，當(dāng)功能升級(jí)到無(wú)法兼容時(shí)采取增加兼容驅(qū)動(dòng)的臨時(shí)方式或者繼續(xù)升級(jí)其他相關(guān)模塊以繼續(xù)該部分的正常使用。如圖2和3所示。

圖2 模塊化軟件結(jié)構(gòu)圖

圖3 模塊化硬件結(jié)構(gòu)圖

綜上而言，核心的解決方法仍然是構(gòu)建模塊化的軟硬件體系結(jié)構(gòu)，在體系中每個(gè)模塊都有完整的標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)范和上下兼容策略，這樣就能有效解決動(dòng)態(tài)重組體系存在的弊病，進(jìn)而促進(jìn)測(cè)控裝備向著更加高效節(jié)約的方向發(fā)展。

4 結(jié)束語(yǔ)

在航天測(cè)控裝備應(yīng)用動(dòng)態(tài)重組體系之后，設(shè)備的利用效率固然得到很大提升，但由于制造體系和新舊設(shè)備兼容等原因?qū)е铝藙?dòng)態(tài)重組體系實(shí)際投入應(yīng)用速度緩慢。為此，本文仿照計(jì)算機(jī)的設(shè)備結(jié)構(gòu)和更新特點(diǎn)制定了模塊化設(shè)備體系結(jié)構(gòu)，并通過(guò)約束具體設(shè)備的軟硬件接口以及采用兼容驅(qū)動(dòng)等形式來(lái)解決動(dòng)態(tài)重組發(fā)展瓶頸。論文方法并未投入使用，具體效果仍然需要現(xiàn)實(shí)檢驗(yàn)。