黃 興，朱亞明，張元明

(上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109)

0 引言

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，人類進入太空及快速部署航天飛行器的需求越來越強烈與迫切，數(shù)據(jù)顯示世界航天發(fā)射次數(shù)自2018年以來連續(xù)三年超過100次，中國航天發(fā)射任務連續(xù)三年接近40次，未來人類航天活動將更加活躍[1]。中國目前擁有酒泉、太原、西昌三大航天發(fā)射中心和文昌航天發(fā)射場，現(xiàn)役長征系列運載火箭主要是液體燃料火箭，對發(fā)射場的保障要求較高，且流程上難以進一步壓縮，客觀上造成現(xiàn)有的發(fā)射場資源難以支撐更高的發(fā)射頻次。便攜式機動發(fā)射、海上發(fā)射等新興發(fā)射方式將成為中國航天發(fā)射突破發(fā)射場資源限制的一條可行途徑，特別是針對固體火箭和小型運載火箭[2-4]。

2016年以來，隨著XX-5/6/7/8為代表的新一代運載火箭的研制及首飛成功，我國運載火箭技術水平跨入了一個新的時代，電氣系統(tǒng)作為運載火箭的一個重要組成部分，目前正在經(jīng)歷以總線數(shù)字體制、高可靠三冗余、分布式控制、集成模塊化綜合電子(IMA)及主動的動力及載荷控制為代表技術的第四代電氣系統(tǒng)[5]，下一代電氣系統(tǒng)在美國空間發(fā)射系統(tǒng)(SLS)及歐洲新一代運載火箭的牽引下也呈現(xiàn)出智能化、集成化、便捷化的發(fā)展趨勢。與之對應的地面發(fā)射支持系統(tǒng)也在同步進行技術迭代，宋征宇等[6]提出了新一代航天運輸系統(tǒng)測發(fā)控技術發(fā)展的方向為智能(從自動測試到智能判讀)、全面(從開環(huán)靜態(tài)測試到閉環(huán)動態(tài)測試)、便捷(減少操作內(nèi)容，降低操作難度)。王子瑜等[7]提出了先進地面測發(fā)控技術的發(fā)展思路：一體化設計技術、遠程發(fā)射支持技術、測試數(shù)據(jù)自動判讀技術。

同時，我國三大航天發(fā)射中心也在積極開展升級換代，以智能化、信息化、數(shù)字化為代表的技術更新思路正在成為發(fā)展共識。新一代航天發(fā)射場將充分應用先進的信息化手段和通信技術，打造智慧航天發(fā)射場，釋放信息化手段對生產(chǎn)方式的推進作用。

本文提出了應用新一代移動無線通信技術進行無線測發(fā)控的方案，介紹了無線測發(fā)網(wǎng)絡的建設思路和關鍵技術，給出了依托無線測發(fā)控方案進行遠程測發(fā)與便攜式測發(fā)的應用模式。無線測發(fā)控方案方便與公共5G網(wǎng)絡的融合，為便攜式機動發(fā)射及智慧航天發(fā)射場的建設提供快捷、高效的數(shù)據(jù)通信服務。

1 總體架構

我國三大航天發(fā)射基地均是20世紀伴隨著中國航天事業(yè)起步而建設的，按照“建用一體”的建設管理模式，發(fā)射場各系統(tǒng)獨立開展建設，缺乏頂層規(guī)劃與設計，各系統(tǒng)自成體系，邊界明顯，信息共享層次不高[8]。同時，隨著商業(yè)航天的發(fā)展，各商業(yè)航天企業(yè)也在積極醞釀商業(yè)航天發(fā)射場的建設，航天測控網(wǎng)絡等共性資源也亟需開展頂層設計，提供共享接口，避免資源重復建設。

云計算是近年來信息領域的重要發(fā)展方向，是新一代互聯(lián)網(wǎng)革命的核心，對各行各業(yè)生產(chǎn)方式的變革產(chǎn)生了深遠的影響。云的強大計算能力與數(shù)據(jù)共享能力，為新一代智慧航天發(fā)射場的建設提供了積極思路。蔡紅維等[8]提出了基于云計算的航天發(fā)射場業(yè)務網(wǎng)絡體系架構，指出未來航天發(fā)射場網(wǎng)絡體系架構將向更安全可靠、更加融合以及更具彈性的方向發(fā)展，主要體現(xiàn)在網(wǎng)絡體系高度融合，發(fā)射場裝備逐步云化、綜合化。胡士斌[9]等提出依托航天試驗任務IP網(wǎng)開展云計算平臺建設，給出了云計算平臺的系統(tǒng)架構和軟硬件接口建設思路。各大航天發(fā)射中心也在積極探索應用信息化技術手段進行發(fā)射場改造的實踐，近年來相關課題的申報屢見不鮮[10-11]。

本文結合第五代移動通信技術及云計算技術，提出了“云+邊+端”的新一代智慧航天發(fā)射建設方案。

采用云計算技術，在全國范圍內(nèi)建立航天數(shù)據(jù)云，實現(xiàn)資源共享、云計算、數(shù)據(jù)挖掘等功能，航天數(shù)據(jù)云提供航天發(fā)射場、航天測控網(wǎng)及科研研制單位數(shù)據(jù)接入服務，通過光纖進行跨域數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)運載火箭研制數(shù)據(jù)、測發(fā)數(shù)據(jù)、測控數(shù)據(jù)的全生命周期管理與信息加工處理。依托航天數(shù)據(jù)云，一方面可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的跨域共享，為遠程測發(fā)、便攜式測發(fā)功能的實現(xiàn)提供數(shù)據(jù)支持；另一方面，利用云計算的強大算力，結合實時數(shù)據(jù)驅動，可實現(xiàn)數(shù)字孿生功能，開展飛行動態(tài)在線仿真、在線故障診斷。

邊緣計算在數(shù)據(jù)產(chǎn)生端部署計算中心，提供數(shù)據(jù)的邊緣計算能力，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的就近處理以減少數(shù)據(jù)傳輸時延[12]。云計算領域中突出的問題是很多邊緣數(shù)據(jù)產(chǎn)生端與中心云平臺距離較遠，導致數(shù)據(jù)傳輸延時較大，無法滿足實時性要求較高的應用場景。對于航天數(shù)據(jù)云來說，各航天發(fā)射場、測控中心節(jié)點及各研制單位均可以設置獨立的邊緣計算中心，同時邊緣計算中心也數(shù)據(jù)云的核心節(jié)點，向上可提供運力支持，向下可提供實時的數(shù)據(jù)處理。

終端即各底層數(shù)據(jù)處理設備，主要負責數(shù)據(jù)采集與人工交互。在本方案中，運載火箭箭地交互終端采用無線測發(fā)網(wǎng)絡覆蓋，以減少箭地電纜連接，簡化箭地拓撲；無線測發(fā)網(wǎng)絡充分應用第五代移動通信技術，使用5G空口資源實現(xiàn)對箭地通信的無線覆蓋，承載網(wǎng)采用光纖連接，發(fā)射場部署移動邊緣計算中心(MEC)提供邊緣計算支持，核心網(wǎng)絡層集成5G通信協(xié)議，方便與5G公共移動網(wǎng)互聯(lián)，支持便攜式測發(fā)、遠程測發(fā)應用場景,如圖1所示。

圖1 基于云邊端架構的智慧航天發(fā)射場架構

2 無線測發(fā)網(wǎng)絡

無線測發(fā)網(wǎng)是指在發(fā)射場塔架周邊應用第五代移動通信技術構建獨立的無線局域網(wǎng)，實現(xiàn)對發(fā)射塔架及周邊一定范圍內(nèi)的無線覆蓋，同時在發(fā)射場設置邊緣計算中心(MEC)負責進行網(wǎng)絡管理，測試后端及其他局域網(wǎng)數(shù)據(jù)可通過IP接入MEC，MEC可與公共5G移動網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，支撐跨域數(shù)據(jù)共享，賦能遠程測發(fā)與智能測發(fā)構想。運載火箭測試設備及箭上數(shù)據(jù)采用5G終端接入無線測發(fā)網(wǎng)絡，簡化發(fā)射場箭地間的有線連接，優(yōu)化箭地接口，如圖2所示。

圖2 無線測發(fā)網(wǎng)示意圖

無線測發(fā)網(wǎng)絡采用接入網(wǎng)+承載網(wǎng)+核心網(wǎng)的總體架構，接入網(wǎng)由AAU(active antenna unit，有源天線單元)+DU(distribute unit，分布單元)/CU(centralized unit，集中單元)組成，承擔無線通信終端接入功能，主要對發(fā)射塔架及周邊進行無線覆蓋，簡化箭地連接關系。承載網(wǎng)是指為接入網(wǎng)和核心網(wǎng)提供連接鏈路，主要包括為各網(wǎng)絡實體提供光纖連接。核心網(wǎng)提供網(wǎng)絡管理、數(shù)據(jù)交互服務，運行于邊緣計算中心(MEC)硬件資源中。

2.1 接入網(wǎng)

接入網(wǎng)實現(xiàn)無線信號的接入功能，由AAU+DU/CU構成，最終匯入MEC。有源天線單元(AAU, active antenna unit)是射頻處理單元與天線陣列(massive MIMO)的組合，實現(xiàn)對基帶信號的調制與空間輻射主要完成5G-NR物理層的職能，如表1所示?；鶐幚韱卧行鑼崟r性處理的功能實體分割為分布單元(DU， distributed unit)，非實時性要求的功能實體分割為集中單元(CU，centralized unit)，DU與AAU就近部署，CU集中部署[13]。

表1 無線接入網(wǎng)主要性能指標

2.2 承載網(wǎng)

承載網(wǎng)承擔各功能實體之間的連接功能，一般將AAU至DU的傳輸鏈路稱為前傳，DU至CU的傳輸鏈路稱為中傳，CU以上的傳輸鏈路為回傳。對于發(fā)射場環(huán)境，前端AAU位于塔架上，CU/DU位于塔架地下設備間，兩者距離較近，因此采用光纖直連的方式。中傳與回傳對于承載網(wǎng)在帶寬、組網(wǎng)靈活性、網(wǎng)絡切片等方面需求是基本一致的，因此采用統(tǒng)一的承載方案，采用增強型光傳送網(wǎng)技術(OTN， optical transport network)，具有大帶寬、低時延、多業(yè)務透明傳送、高精度同步、安全可靠、易維護等優(yōu)點，可實現(xiàn)CPRI、eCPRI、NGFI、Ethernet等多路業(yè)務信號的點到點波長直達傳輸[14]。

2.3 核心網(wǎng)

核心網(wǎng)網(wǎng)絡管理及通信協(xié)議的實現(xiàn)功能，負責整個無線測發(fā)網(wǎng)的管理、數(shù)據(jù)交換及與外部的接口。無線測發(fā)網(wǎng)核心網(wǎng)的架構及網(wǎng)元構成如表2所示，核心網(wǎng)采用基于服務的架構(SBA，service based architecture)，即把原來具有多個功能的整體，分拆為多個具有獨自功能的網(wǎng)元實體，每個網(wǎng)元獨立承擔相應功能[15-16]。

表2 核心網(wǎng)網(wǎng)元功能

核心網(wǎng)硬件采用通用平臺，由標準機柜與刀片服務器組成，采用通用服務器平臺后，網(wǎng)元的功能開始虛擬化(NFV, network function virtualization)，體現(xiàn)為軟件定義網(wǎng)元功能[17]。

2.4 網(wǎng)絡切片

網(wǎng)絡切片是從接入網(wǎng)、承載網(wǎng)至核心網(wǎng)全流程的傳輸機制，接入網(wǎng)采用切片ID+QOS機制，利用服務質量(QoS, quality of service)機制區(qū)分保障比特流(GBR，guaranteed bit rate)與非保障比特流(non-GBR)來實現(xiàn)業(yè)務等級劃分，高帶寬切片業(yè)務使用GBR類型，低時延切片業(yè)務使用Non-GBR類型。承載網(wǎng)提供高帶寬和低時延兩類靈活以太網(wǎng)(FlexE，flexible Ethernet)硬切片，高帶寬切片內(nèi)部采用隊列調度(PQ, priority queuing)，低時延切片采用加權公平隊列(WFQ，weighted fair queuing)調度，不同等級業(yè)務按不同QoS實現(xiàn)差異化保障[18-19]。

核心網(wǎng)用戶管理網(wǎng)元(UPF，user plane function)同時提供共享切片和獨立切片，高帶寬切片業(yè)務使用共享UPF，低時延切片業(yè)務使用獨享UPF。

無線測發(fā)網(wǎng)需同時滿足對測試數(shù)據(jù)的大帶寬傳輸及關鍵測發(fā)指令的高可靠、低延時傳輸?shù)炔煌膽脠鼍?，針對不同的應用場景對網(wǎng)絡的性能要求側重不同，無線測發(fā)網(wǎng)采用網(wǎng)絡切片來實現(xiàn)不同的傳輸模式，如圖3所示，不同的切片采用不同協(xié)議和網(wǎng)絡配置參數(shù)來滿足不同的應用需求。

圖3 網(wǎng)絡切片概念示意圖

3 運載火箭無線測發(fā)應用

運載火箭無線測發(fā)應用研究是指實現(xiàn)基于無線測發(fā)網(wǎng)絡的運載火箭發(fā)射場測發(fā)控方案設計。

3.1 無線測發(fā)應用總體方案設計

基于無線測發(fā)網(wǎng)的測發(fā)應用研究主要是將原建立在有線以太網(wǎng)基礎上的測發(fā)控系統(tǒng)通過無線測發(fā)網(wǎng)實現(xiàn)，兩種網(wǎng)絡的主要區(qū)別在于無線測發(fā)網(wǎng)在接入網(wǎng)端采用無線通信方式，可以解決發(fā)射場前端箭地之間通過通信線纜進行連接導致的箭地電纜繁多的弊端，實現(xiàn)運載火箭箭地無纜化的目的。

無線測發(fā)網(wǎng)核心網(wǎng)依然采用基于TCP/IP的以太網(wǎng)傳輸協(xié)議，因此無線測發(fā)網(wǎng)在網(wǎng)絡架構上層與基于以太網(wǎng)的測發(fā)控系統(tǒng)保持一致。

新一代運載火箭采用高速總線后，所有的信息都在總線上交互，地面測發(fā)控系統(tǒng)只需通過5G通信模塊將總線納入無線測發(fā)網(wǎng)的接入網(wǎng)內(nèi)，即可實現(xiàn)箭地信息的高速、無線通信。

地面一體化測發(fā)控系統(tǒng)按功能主要分為發(fā)控模塊、測控模塊以及數(shù)傳通信模塊，分別實現(xiàn)運載火箭的發(fā)射控制、測控通信以及數(shù)據(jù)傳輸功能，這3大功能都是建立在箭地通信的基礎之上，不同的是其對通信的需求各有不同，發(fā)控側重于指令傳輸?shù)膶崟r性與高可靠性，測控通信側重于高可靠性與高帶寬，數(shù)據(jù)傳輸則偏重于高帶寬。

3.2 發(fā)控功能模塊設計

發(fā)控主要實現(xiàn)對運載火箭的供電、轉電、點火、起飛等關鍵動作的控制，一般由地面發(fā)控計算機(PLC)根據(jù)主機指令發(fā)送相應的電氣指令控制箭上配電器、點火控制通路執(zhí)行相關動作。我國現(xiàn)役運載火箭發(fā)控指令一般采用28 V電壓指令信號，由地面控制箭上設備配電與起飛點火動作；而新一代運載火箭多采用智能供配電系統(tǒng)，配電及發(fā)控的功能均由箭上設備實現(xiàn)，地面只需發(fā)送配電或允許點火命令，箭上控制系統(tǒng)會智能檢測配電狀態(tài)或者起飛狀態(tài)，由箭上設備進行實際的配電和點火動作。因此對于新一代運載火箭，采用通過網(wǎng)絡發(fā)送控制信號進行發(fā)控動作更為簡便，重點是命令在通信網(wǎng)絡中的傳輸可靠性及實時性保證。

發(fā)控命令采用基于超高可靠超低時延通信(uRLLC,ultra reliable & low latency communication)的網(wǎng)絡切片進行數(shù)據(jù)傳輸，保證通信指令的可靠性和實時性，如圖4所示。同時，為保證發(fā)控指令的安全性，對發(fā)控計算機入網(wǎng)必須采取相應的鑒權措施和數(shù)據(jù)通信加密服務。

圖4 發(fā)控命令信息流示意圖

3.3 測控模塊及數(shù)傳通信模塊設計

測控模塊主要負責對箭上相關測試信號的測量，反饋結果至地面測發(fā)控系統(tǒng)，配合一體化系統(tǒng)進行測發(fā)流程的開展。數(shù)傳通信模塊主要負責測試數(shù)據(jù)的傳輸與轉發(fā)。現(xiàn)役型號測控模塊多采用地面采集設備采集測量箭上端信號，新一代運載火箭多采用箭上設備自采集通過總線傳輸測量結果，因此對新一代運載火箭而言測控模塊其功能進一步弱化，可以合并至數(shù)傳通信模塊，因此重點對數(shù)傳通信模塊進行設計。

箭上采用總線設計后，總線上的信息通過5G通信模塊實時發(fā)送至地面數(shù)據(jù)中心，箭地間約定好通信的規(guī)范，無線測發(fā)網(wǎng)采用基于增強移動寬帶(eMBB, enhance mobile broadband)網(wǎng)絡切片進行數(shù)據(jù)的高速傳輸，數(shù)據(jù)中心同時負責與發(fā)射場測控系統(tǒng)及氣象系統(tǒng)的接口及數(shù)據(jù)匯總，最后分發(fā)至相關的判讀終端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，如圖5所示。對于臨時性的測試設備數(shù)據(jù)入網(wǎng)需求，對數(shù)據(jù)源設備配置5G通信模塊，接入無線測發(fā)網(wǎng)絡，并匯總至數(shù)據(jù)中心。

圖5 測控及數(shù)傳示意圖

通信模塊采用基于MH5000工業(yè)模組的嵌入式設計方案，MH5000核心芯片為華為巴龍5000，該芯片是工業(yè)級器件，單芯多模、支持SA和NSA組網(wǎng)模式，同時兼容4G/3G/2G網(wǎng)絡[20]。

MH5000工業(yè)模組支持多種接口，方便與主體設備集成，支持普通桿狀天線，經(jīng)測試MH5000在5G移動通信網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)可穩(wěn)定實現(xiàn)200 Mbps以上的傳輸速率，供電接口為5 V直流電源，支持Windows、Linux操作系統(tǒng)驅動,其技術指標如表3所示。

表3 MH5000芯片技術指標

3.4 遠程/便攜式測發(fā)應用

無線測發(fā)網(wǎng)絡可與公共5G移動通信網(wǎng)連通，借助公共5G公共移動通信網(wǎng)實現(xiàn)遠程測發(fā)與基于手機或筆記本電腦的便攜式測發(fā)應用?？紤]測發(fā)流程的實時性要求，涉及流程控制相關的計算放在本地MEC完成，遠程可跨域進行網(wǎng)絡切片傳輸，保障通道獨立，減少傳輸延遲，同時源頭上控制傳輸信息量，對關鍵信息進行遠程傳輸。

4 實驗結果與分析

為測試方案的性能，進行了5G通信終端與微基站的通信測試。

4.1 實驗步驟和方法

試驗產(chǎn)品配套如表4所示。

表4 測試設備配套

試驗項目：

1)不同通信距離及環(huán)境下通信速率、通信延時測試；

2)誤碼率測試。

4.2 實驗數(shù)據(jù)分析

測試場地選擇在空曠室外，MH5000工業(yè)模組采用n78(3.5 GHz)頻段配置。

由表5中的測試數(shù)據(jù)可以看出：

表5 測試數(shù)據(jù)

1)當前設備的通信時延最低能到2 ms左右，可以滿足現(xiàn)場通信需求，如果要跨域傳輸，時延至少在數(shù)十毫秒量級；

2)通過采用不同的通信配置，eMBB與uRLCC能夠實現(xiàn)不同的應用需求，目前對5G網(wǎng)絡切片尚無明確的行業(yè)標準；

3)兩種配置的通信速率與通信時延可以滿足運載火箭測發(fā)的應用需求。

5G通信標準也在不斷更新，R16標準設備目前尚未大規(guī)模商業(yè)應用，對網(wǎng)絡切片的技術方案目前正在商討制定標準，未來5G通信網(wǎng)絡性能將更加完善，對工業(yè)控制領域適應性更好[21]。

5 結束語

本文提出了借鑒第五代移動通信技術進行航天發(fā)射場無線測發(fā)網(wǎng)絡建設的方案，采用接入網(wǎng)+承載網(wǎng)+核心網(wǎng)的網(wǎng)絡架構，構建發(fā)射場范圍內(nèi)工業(yè)現(xiàn)場無線總線，采用網(wǎng)絡切片技術同時滿足大帶寬測試數(shù)據(jù)及低延時、高可靠測發(fā)指令的傳輸需求?？蓪崿F(xiàn)箭地無纜化，提高一體化測發(fā)控系統(tǒng)的信息化水平，也為遠程測發(fā)、便攜式測發(fā)和智能化測發(fā)奠定了技術基礎。