陳帥 楊宜康 葉旅洋

摘要：通過研究國內(nèi)外測控技術(shù)的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，預(yù)判未來測控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢：測控系統(tǒng)將發(fā)展成為聯(lián)接陸?？仗旄黝愑腥?無人系統(tǒng)的一體化網(wǎng)絡(luò)化體系，是為陸?？仗旄黝惼脚_提供跟蹤測量、遙測遙控、指揮控制、數(shù)據(jù)傳輸和導(dǎo)航定位授時等多種業(yè)務(wù)支撐的重要信息基礎(chǔ)設(shè)施。梳理出大規(guī)模節(jié)點的綜合信息傳輸和物理測量、天空地一體化測控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議體系、天空地一體化測控網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)、天空地一體化網(wǎng)絡(luò)頻譜架構(gòu)及天空地一體化網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)5項挑戰(zhàn)性關(guān)鍵技術(shù)，針對每項關(guān)鍵技術(shù)提出重點研究方向，并梳理出測控理論和單項技術(shù)的發(fā)展方向，展望測控系統(tǒng)的未來形態(tài)。

關(guān)鍵詞：測控；航天測控網(wǎng)；測運控一體

中圖分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2020）14-70-4

0引言

測控最初的概念是指測量與控制，TT&C（Tracking，Telemetry and Command）即對飛行器進(jìn)行跟蹤測軌、遙測和遙控等。測控系統(tǒng)是聯(lián)接飛行器與地面的信息傳輸媒介，是航天工程和軍事設(shè)施的重要組成部分。隨著軍事需要和航天技術(shù)的不斷發(fā)展，測控系統(tǒng)的內(nèi)涵不斷演進(jìn)，由初期的TT&C到測控通信（TT&C and Communication，T&C），再到空間通信與導(dǎo)航（Space Communication and Navigation，SCaN）[1-2]。目前，陸海空天各類有人/無人系統(tǒng)技術(shù)快速發(fā)展，對測控通信提出了更高的要求，測控系統(tǒng)為陸?？仗旄黝愑腥?無人系統(tǒng)提供跟蹤測量、遙測遙控、指揮控制、數(shù)據(jù)傳輸和導(dǎo)航定位授時等多種業(yè)務(wù)支撐的重要信息基礎(chǔ)設(shè)施。未來戰(zhàn)爭形態(tài)正在演進(jìn)為陸?？仗炀W(wǎng)電全域的網(wǎng)絡(luò)化、智能化和一體化聯(lián)合作戰(zhàn)。測控網(wǎng)絡(luò)作為信息物理融合一體化的信息傳導(dǎo)介質(zhì)與時空參數(shù)測量手段，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的角色是整個戰(zhàn)場體系的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，起到?jīng)Q定戰(zhàn)爭勝敗的關(guān)鍵作用。

1國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1942年，測控系統(tǒng)首次用于德國V2火箭的跟蹤、遙控和遙測，70多年來，測控通信體制經(jīng)歷了分離測控體制、統(tǒng)一載波測控通信體制、擴頻測控通信體制和相控陣多目標(biāo)測控通信體制4個發(fā)展階段。測控系統(tǒng)平臺由陸海基平臺發(fā)展到了跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（TDRSS）及全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等天基平臺；同時測控目標(biāo)由單站單目標(biāo)發(fā)展成為單站多目標(biāo)測控；作用距離由近地空間向深空測控發(fā)展；工作頻段向Ka和激光頻段發(fā)展；測控鏈路形態(tài)由點對點向多網(wǎng)綜合和天空地一體網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展；測控設(shè)備的綜合化、數(shù)字化和軟件定義化程度不斷提高，操作便捷性和可重構(gòu)能力越來越強。測控系統(tǒng)按照應(yīng)用范圍可以分為航天測控網(wǎng)、無人機測控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)等[3]。

1.1航天測控網(wǎng)

航天測控網(wǎng)是完成運載火箭和航天器跟蹤測軌、遙測、遙控、通信和導(dǎo)航定位授時的綜合電子信息網(wǎng)絡(luò)，主要分為近地網(wǎng)、天基網(wǎng)和深空網(wǎng)3類。根據(jù)國內(nèi)外的發(fā)展情況，多個獨立的測控網(wǎng)逐步走向綜合化的通信與導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)。2008年，美國國家航空航天局確立了SCaN計劃，包括集成前階段（2010—2015年）、集成階段（2015—2020年）和集成后階段（2020—2025年），通過3個階段的發(fā)展，將近地網(wǎng)、天基網(wǎng)和深空網(wǎng)整合成一個統(tǒng)一的綜合網(wǎng)絡(luò)，使用國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和用戶接口，利用所有資源為太陽系載人探測和科學(xué)任務(wù)提供通信與導(dǎo)航業(yè)務(wù)，包括跟蹤測量、遙測遙控、指揮控制、數(shù)據(jù)傳輸和導(dǎo)航定位授時等業(yè)務(wù)[4]。

目前，我國在近地測控網(wǎng)建設(shè)方面，測控通信體制發(fā)展到擴頻測控體制，工作頻段增加了Ka頻段，實現(xiàn)了多頻段測控天線共用和基帶測控與數(shù)傳一體化等。在天基測控網(wǎng)建設(shè)方面，“天鏈一號”中繼衛(wèi)星系統(tǒng)實現(xiàn)了三星組網(wǎng)運行；在深空測控網(wǎng)建設(shè)方面，建成了66 m S/X雙頻段和35 m S/X/Ka三頻段深空測控通信系統(tǒng)，以及深空干涉測量系統(tǒng)，對火星遠(yuǎn)地點以內(nèi)的深空目標(biāo)覆蓋率達(dá)到90%以上。未來，我國還將建成天空地一體化測控通信網(wǎng)絡(luò)，提供跟蹤測量、遙測遙控、指揮控制、數(shù)據(jù)傳輸和導(dǎo)航定位授時等多種業(yè)務(wù)[5]。

1.2無人機測控系統(tǒng)

20世紀(jì)60年代，無人機作為單平臺在實戰(zhàn)中開始應(yīng)用，地面人員通過空地視距通信鏈路實現(xiàn)無人機的控制。隨著無人機作戰(zhàn)方式的改變和作戰(zhàn)范圍的擴大，無人機開始裝備寬帶超視距數(shù)據(jù)鏈和衛(wèi)星通信設(shè)備，滿足全球范圍內(nèi)無人機跟蹤測量、遙測遙控、指揮控制和數(shù)據(jù)傳輸需求。

美軍現(xiàn)階段對以無人機為代表的無人裝備實施測控的主要方式是利用視距和衛(wèi)星手段，小型戰(zhàn)術(shù)無人機一般不裝備衛(wèi)通鏈路，更多的是采用視距數(shù)據(jù)鏈；中高空、長航時無人機通常都會配備視距、超視距多條通信鏈路來滿足跟蹤測量、遙測遙控、指揮控制、起降控制和數(shù)據(jù)傳輸需求。通常大中型無人機會搭載Link-16數(shù)據(jù)鏈、MP-CDL數(shù)據(jù)鏈及機間數(shù)據(jù)鏈等多種數(shù)據(jù)鏈實現(xiàn)有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)[6-7]。

國內(nèi)現(xiàn)役無人裝備測控同樣采用視距與衛(wèi)星通信2種手段，均具備寬帶和窄帶2種類型的測控鏈路，其組織運用方式與美軍基本相同。在無人平臺位置測量與導(dǎo)航方面，國內(nèi)無人機同樣以GPS、北斗、GLONASS等衛(wèi)星導(dǎo)航手段為主，同時，視距測控鏈路提供地空、空空測距與測向功能，可實現(xiàn)無衛(wèi)星導(dǎo)航信號下無人平臺的定位與導(dǎo)航。

1.3數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)

數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)是飛機平臺與地面站之間進(jìn)行指揮控制、跟蹤、遙測、遙控、通信和導(dǎo)航定位授時等業(yè)務(wù)的無線通信系統(tǒng)。為提高通信可靠性、實時性和連續(xù)性，中大型無人/有人飛機一般都包括視距數(shù)據(jù)鏈和超視距數(shù)據(jù)鏈。數(shù)據(jù)鏈包括測控數(shù)據(jù)鏈和偵察數(shù)據(jù)鏈，測控數(shù)據(jù)鏈的典型代表是美國及北約的Link-4、Link-11、Link-16、Link-22數(shù)據(jù)鏈。偵察數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)切畔鬏敽椭笓]控制一體化的寬帶數(shù)據(jù)鏈，用于無人機和地面控制中心的信息交互和實時指揮控制，最典型的偵察數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)敲儡姷膽?zhàn)術(shù)通用數(shù)據(jù)鏈（TCDL）[8]。

2測控技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)與對策

未來戰(zhàn)爭將是陸?？仗炀W(wǎng)電域的多域、跨域和全域作戰(zhàn)任務(wù)，以及高動態(tài)、強對抗、大規(guī)模有人/無人集群協(xié)同的網(wǎng)絡(luò)化、智能化和一體化的多軍種聯(lián)合作戰(zhàn)。戰(zhàn)場的復(fù)雜對抗環(huán)境對測控系統(tǒng)和測控技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。

2.1大規(guī)模節(jié)點的信息綜合傳輸和物理測量

測控系統(tǒng)作為信息傳導(dǎo)介質(zhì)和時空參數(shù)測量的基礎(chǔ)設(shè)施，需要支持大規(guī)模目標(biāo)節(jié)點高容量、大帶寬、低延時和高安全性的寬帶數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)；支持大規(guī)模目標(biāo)節(jié)點同時、全域、全天候和連續(xù)實時的高精度測量業(yè)務(wù)；支持大規(guī)模目標(biāo)節(jié)點的導(dǎo)航定位授時服務(wù)，支持大規(guī)模節(jié)點的指揮控制、任務(wù)規(guī)劃和決策調(diào)度業(yè)務(wù)?，F(xiàn)有的天地基測控系統(tǒng)受制于技術(shù)局限，以及設(shè)施和領(lǐng)域限制，業(yè)務(wù)容量嚴(yán)重受限，戰(zhàn)場生存率也不容樂觀，無法為大規(guī)模節(jié)點提供安全可靠的信息綜合傳輸和物理測量服務(wù)。

物聯(lián)網(wǎng)和5G技術(shù)的發(fā)展，為研究面向超大規(guī)模分布式可重構(gòu)有人/無人集群系統(tǒng)的寬帶一體化測控網(wǎng)提供了技術(shù)基礎(chǔ)[9]。針對多軍兵種跨域聯(lián)合作戰(zhàn)的任務(wù)時敏性、不確定性、強對抗性及平臺低生存率等復(fù)雜惡劣環(huán)境，面向陸?？仗旄黝愑腥?無人節(jié)點，基于全球低軌寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座和5G技術(shù)，構(gòu)建天空地一體化綜合業(yè)務(wù)測控網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)寬帶數(shù)據(jù)傳輸、高精度測量、導(dǎo)航定位授時、指揮控制、任務(wù)規(guī)劃和決策調(diào)度業(yè)務(wù)的一網(wǎng)融合，具備強魯棒性的綜合業(yè)務(wù)支持能力、強對抗環(huán)境的安全防護能力、結(jié)構(gòu)可重構(gòu)能力和任務(wù)動態(tài)適應(yīng)能力。

2.2天空地一體化測控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議體系

為了實現(xiàn)多域、跨域和全域測控通信，測控網(wǎng)需要融合多種各具特點的異構(gòu)測控子網(wǎng)，實現(xiàn)天空地一體化測控。天空地一體化網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點距離遠(yuǎn)、拓?fù)涓叨葎討B(tài)、組成高度異構(gòu)、接入隨機觸發(fā)、鏈路傳輸時延較大、鏈路連接不連續(xù)及上下行鏈路非對稱等特點，對整個網(wǎng)絡(luò)的魯棒性、兼容性和可拓展性等提出了挑戰(zhàn)。因為融合了多種各具特點的異構(gòu)測控子網(wǎng)，各子網(wǎng)對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系的具體需求也不盡相同。現(xiàn)有的TCP/IP、CCSDS及DTN等并不能完全適應(yīng)于天空地一體化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，亟需設(shè)計新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系，在兼容各子網(wǎng)特定需求的同時，實現(xiàn)一體化網(wǎng)絡(luò)功能[10]。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)已經(jīng)在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中得到應(yīng)用?；赟DN和NFV可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)邏輯功能切片，將物理資源虛擬化成虛擬網(wǎng)絡(luò)，每個切片在邏輯上相互隔離，可以運行不同的協(xié)議，適配各切片網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)需求，可解決高效利用網(wǎng)絡(luò)資源與業(yè)務(wù)低時延保障之間的矛盾。因此，天空地一體化測控網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系可以借鑒現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系的成果，實現(xiàn)靈活高效、智能化和一體化組網(wǎng)。

2.3天空地一體化測控網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)

天空地一體化網(wǎng)路拓?fù)渥兓l繁，導(dǎo)致拓?fù)渚S護負(fù)荷過重，網(wǎng)絡(luò)資源利用率較低。特別是在強對抗的戰(zhàn)場環(huán)境中，受限于物理環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)層面的強干擾特性，路由抗毀性難以保障。由于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間缺乏融合協(xié)議，多域、跨域或者全域端到端路由難以構(gòu)建，這些問題均對路由的建立、維護和選擇產(chǎn)生了重要影響。

為了高效、可靠地實現(xiàn)信息分組的路由和轉(zhuǎn)發(fā)，需要開展天空地一體化網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)的研究。具體包括：天空地一體化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錂C制、抗毀路由算法及異網(wǎng)融合等。同時，分層路由架構(gòu)和域間路由隔離機制對天空地一體化網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。各異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)針對各自網(wǎng)絡(luò)的獨特性設(shè)計專用的路由算法，且無需考慮其他網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)自我獨立管理；而域間則通過兼容性較強的域間路由協(xié)議實現(xiàn)安全可靠的互聯(lián)。

2.4天空地一體化網(wǎng)絡(luò)頻譜架構(gòu)

天空地一體化網(wǎng)絡(luò)測控的工作頻段涵蓋了S、X、Ku、Ka以及未來的激光頻段，為了滿足多域、跨域和全域測控場景的需求，需要統(tǒng)籌考慮涵蓋低、中、高頻段在內(nèi)的全頻段。

為了實現(xiàn)全頻段頻率資源的高效管理，研究基于認(rèn)知無線電技術(shù)的頻譜智能感知、頻譜智能分析、自適應(yīng)頻譜資源分配、動態(tài)信道分配和自適應(yīng)功率控制技術(shù)，實現(xiàn)動態(tài)頻譜分配和頻譜共享，提高頻譜效率和頻譜劃分的靈活性。

2.5天空地一體化網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)

由于天空地一體化網(wǎng)絡(luò)固有的、開放的網(wǎng)絡(luò)通信信道和異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁變化，安全邊際難以確定，容易受到不同方面和不同層次的干擾和攻擊，如太陽黑子爆發(fā)、宇宙射線等自然因素對終端設(shè)備形成的物理影響和破壞，電離層反射和空間電磁輻射等因素導(dǎo)致信號畸變及數(shù)據(jù)傳輸中斷等。尤其是在強對抗的復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下，測控系統(tǒng)面臨電磁域的窄帶干擾、壓制式干擾和欺騙干擾等，無線信道被惡意入侵、竊取和篡改，網(wǎng)絡(luò)空間的博弈對抗等挑戰(zhàn)。

為了保障強對抗、復(fù)雜電磁環(huán)境下的天空地一體化測控網(wǎng)絡(luò)的信息安全可靠傳輸，需要開展組網(wǎng)電磁空間波形安全與防護、網(wǎng)絡(luò)空間信息安全與防護的策略研究與設(shè)計，解決射頻隱身、自適應(yīng)抗干擾、物理層安全、加密與認(rèn)證及入侵檢測問題，實現(xiàn)整網(wǎng)匿蹤、抗截獲、抗干擾、抗入侵和抗盜用。

未來陸?？仗齑笠?guī)模有人/無人節(jié)點的綜合信息傳輸、物理測量需求和強對抗、復(fù)雜電磁環(huán)境下的戰(zhàn)場環(huán)境，對天空地一體化測控網(wǎng)絡(luò)提出了挑戰(zhàn)，進(jìn)而引導(dǎo)和推動測控理論和單項技術(shù)發(fā)展。包括研究信息綜合傳輸和物理測量多業(yè)務(wù)一體化融合技術(shù)；研究Ka頻段測控技術(shù)和激光測控技術(shù)，提高測控系統(tǒng)工作頻段，以支持寬帶數(shù)據(jù)傳輸和高精度測量；研究新型高速數(shù)據(jù)傳輸調(diào)制/解調(diào)方案；研究高精度測距測速測量技術(shù)、全球衛(wèi)星導(dǎo)航高精度定位技術(shù)和無線電定位技術(shù)，超高精度和穩(wěn)定度時鐘技術(shù)、精密時間/頻率同步技術(shù)；研究高精度相對測量技術(shù)；研究有人/無人節(jié)點智能化，自主化測控，授時和信息交互技術(shù)；研究相控陣測控技術(shù)和寬帶天線組陣技術(shù)；研究新型網(wǎng)絡(luò)傳輸與接入技術(shù)、組網(wǎng)協(xié)議和路由技術(shù)；研究寬帶擴/跳頻、混沌擴頻、電磁空間波形安全與防護等安全防護技術(shù)；研究測控系統(tǒng)設(shè)備綜合化、數(shù)字化和軟件定義無線電技術(shù)等。

3測控技術(shù)的展望

未來戰(zhàn)爭將是陸?？仗炀W(wǎng)電域的多域、跨域和全域作戰(zhàn)任務(wù)，以及高動態(tài)、強對抗、大規(guī)模有人/無人集群協(xié)同的網(wǎng)絡(luò)化，智能化和一體化的多軍種聯(lián)合作戰(zhàn)體系。作為綜合信息傳輸和物理測量的重要基礎(chǔ)設(shè)施，測控系統(tǒng)的研究和建設(shè)可以吸納借鑒大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計算和區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)的成果，發(fā)展成為網(wǎng)絡(luò)化、智能化、弱中心化、云架構(gòu)、隨遇接入、跨域覆蓋、安全可靠、測運控一體和多業(yè)務(wù)融合的全域一體化綜合信息網(wǎng)絡(luò)，為未來戰(zhàn)場廣域態(tài)勢感知與認(rèn)知、信息傳輸與指揮控制、多層次全方位立體精確打擊提供重要支撐和保障。

4結(jié)束語

測控系統(tǒng)作為陸海空天各類有人/無人系統(tǒng)綜合信息傳輸和物理測量的重要信息基礎(chǔ)設(shè)施，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的角色是整個戰(zhàn)場體系的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，起到?jīng)Q定戰(zhàn)爭勝敗的關(guān)鍵作用。立足于有人/無人系統(tǒng)集群的網(wǎng)絡(luò)化、智能化和一體化測控需求，結(jié)合測控系統(tǒng)的演變歷程，發(fā)展能夠適應(yīng)未來測控需求的測控系統(tǒng)，是未來軍事技術(shù)發(fā)展的重要研究內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)

[1]雷厲，朱勤專.飛行器測控通信技術(shù)發(fā)展趨勢與建議[J].飛行器測控學(xué)報，2014，33（6）：463-468.

[2]顏潔，彭玉婷.NASA空間通信與導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀及未來發(fā)展[J].國際太空，2018， 475（7）：25-31.

[3] LIU Jiaxing. Spacecraft TT & C and Information Transmission Theory and Technologies[M]. Berlin：Springer， 2015.

[4] YOUNES B A，SCHIER J S. Space Communications and Navigation （SCaN） Integrated Network Architecture Definition Document （ADD） Volume 1： Executive Summary[J]. NASA SCaN-ADD-V1，Revision，2014，2：21.

[5]李瀟，陸婷婷，李，等.國外空天地一體化網(wǎng)絡(luò)及其在聯(lián)合作戰(zhàn)中的應(yīng)用[J].飛航導(dǎo)彈，2020，1（5）：59-63，70.

[6]劉明輝.無人機高速數(shù)據(jù)鏈關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2019.

[7]翟中英，閆朝星.無人機測控通信自組網(wǎng)技術(shù)綜述[J].遙測遙控，2018，39（4）：66-74.

[8]何肇雄.戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)技術(shù)研究[D].長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2011.

[9]王胡成，徐暉，程志密，等.5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].電信科學(xué)，2015，31（9）：156-162.

[10]李賀武，吳茜，徐恪，等.天地一體化網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展與趨勢[J].科技導(dǎo)報，2016，34（14）：95-106.