工程師詳解測控系統仿真與測控設備軟件化技術

一、測控系統設備級仿真技術

1.測控系統設備級仿真的技術特點

測控系統設備級仿真主要是通過計算機軟件仿真技術，借助計算機，用系統模型對真實系統或設想系統進行試驗。測控系統設備級計算機軟件仿真具有以下特點：

(1)采用軟件仿真技術進行試驗可以大大降低成本，尤其針對大型測控通信系統，可以降低昂貴的硬件投資。同時仿真設備可以重復使用，其試驗環境和試驗方案改變非常容易，可以縮短試驗周期;

(2)有利于迅速吸收不斷發展中的先進測控與通信技術，不斷完善測控或通信模塊;

(3)便于進行優化設計。對方案階段的測控與通信系統，可以先設計出系統模型，用仿真進行反復試驗，找出最優的系統結構和參數，使系統設計優化，提高設計水平;

(4)可以非常逼近實際系統，為工程設計提供準確的評估手段，避免硬件仿真受試驗設備數量和仿真器件水平的限制;

(5)通過計算機軟件仿真，便于準確、迅速、方便地處理仿真結果和數據，并利于數據的保存與事后分析。

2.測控系統設備級仿真的主要任務

測控系統設備級仿真的主要任務是對真實或設想的系統進行概念建模，并在明確了的系統模型上，建立測距、測速精度分析數學模型和仿真模型，建立遙測、遙控、話音、數傳誤碼率分析數學模型和仿真模型。通過仿真模型的運行，獲得對系統測距、測速精度指標與誤碼率指標的仿真分析，從功能原理上對系統運行狀況定性，從方案及技術指標上對系統運行狀況定量，并獲得與實際測控站系統運行結果的一致性。

另一方面，在分系統與部件設計中，通過建立測控系統地面設備中各分系統和部件的數學模型，模擬數據流、控制流以及工作狀態，對系統的動態特性和穩態特性進行分析，對總體和分系統方案給予驗證和評價。首先建立各分系統和部件的數學模型，各分系統數學模型采用單一模塊設計，各分系統模塊內部的部件也采用功能化模塊設計，每個功能模塊均以庫模塊的形式存放在運行庫中，通過選擇不同的功能模塊可以組成不同功能的分系統，繼而根據各分系統的數據流、控制流和工作狀態，組織分系統的獨立仿真，然后再通過測控通信總體方案進行全系統仿真。在分系統獨立仿真時，將其它分系統對它的影響作為該分系統的外部輸入，用外部環境模擬模塊來產生等效的外部輸入，從分系統到總體仿真應滿足組合化原則。

3.測控仿真技術的發展方向

目前，系統仿真技術已成為發達國家重點發展的國家關鍵技術和國防關鍵技術。21世紀信息技術的迅速發展將使仿真技術與航天技術在各個層次上緊密結合成為一個整體。

測控系統仿真技術能為未來的天基測控、小衛星測控、深空測控等系統提供優化方案和關鍵技術設計。在航天仿真領域，將著重發展星座仿真技術，實現衛星在軌運行和多星管理的分布交互仿真。通過衛星自身以及地面站的參與使各個衛星能協調運行，保持準確的位置姿態和工作狀態的銜接。對各種不同的衛星系統從研制到運行的各個階段也要根據情況建立包括地面應用系統和衛星在內的系統模型和仿真系統，以便進行分析、優化及支持衛星的長期運行和管理人員培訓。二、測控設備軟件化技術

1.測控設備技術發展的新特征

航天測控系統是一個復雜系統，它涉及不同的調制體制、工作模式、信息傳輸和數據調制解調處理。以往，我國在衛星測控站的建設模式上基本上是一種衛星就要新研制一套測控站(主要的新研制內容體現在終端設備)，為滿足不同測控任務的要求，往往設備配套龐大，需要重復建設具有相似功能的硬件設備。隨著計算機技術和數字信號處理技術的飛速發展，測控設備逐步向綜合化、數字化、模塊化和標準化方向發展。通過采用高速A/D、DSP、FP-GA、MPU、DDS、數模混合集成電路、高速大容量存儲計算機及網絡技術、總線技術，完成高速數字信號處理和數據處理，將測速、測距、遙測、遙控、數傳和監控綜合為一體，進行綜合化、一體化設計。測控設備的模塊化、標準化的主要內容包括單元模塊化、功能、技術指標系列化、接口標準化、規范化。

測控設備技術發展的新特征促進了軟件無線電技術在測控通信領域中的應用，數字化是測控設備軟件化的基礎，軟件化是實現測控設備綜合化、標準化、規范化的良好的技術途徑。

2.測控設備軟件化技術基礎

測控設備軟件化的技術理論是軟件無線電。軟件無線電技術突破了傳統的無線電設備以功能單一、可擴展性差的硬件為核心的設計局限性，強調以開放性的最簡硬件為通用平臺，盡可能地用可編程、可升級、可重配置的應用軟件來實現各種無線電功能的設計新思路。用戶可通過選用不同的應用軟件，在通用的、可擴展的硬件平臺上，滿足不同時期、不同使用環境的不同功能的需要，并可適應不斷發展的技術進步，節省大量的硬件投資，大大縮短新產品的研制開發周期，適時地適應市場變化。

測控設備軟件化的基礎是數字化，其核心是數字器件、芯片的超高速時間響應及超大規模的高度集成。當前，微電子技術發展迅速，單塊集成芯片上的晶體管數目每隔18個月就增加1倍，2001年已有10億個晶體管的集成芯片面世，未來20年中，將出現1萬億個晶體管的集成芯片。數字電路的高度集成化，為測控設備軟件化技術發展提供了有力保證。

3.測控設備軟件化技術的特點

測控設備軟件化是利用可編程技術，通過加載不同的軟件，實現一機多用，一站多用，從而完成多種功能、多種技術狀態的測控任務。測控設備軟件化的技術特點主要有：

(1)軟件化具有很強的靈活性，通過增加軟件模塊，可以很容易增加新的功能，可以通過無線加載改變軟件模塊或更新軟件，并可根據所需功能的強弱，取舍選用的軟件模塊;

(2)軟件化具有較強的開放性，它采用模塊化、標準化的結構，硬件可以隨著器件和技術的發展而更新或擴展，軟件也可以隨需要而不斷升級;

(3)軟件化可以方便地應用豐富的軟件算法進行數據的平滑處理、系統誤差的修正、建模預測分析、線性或非線性補償及特定條件下的模糊控制，從而有效地提高測控精度;

(4)軟件化可以大量減少設備硬件種類和數量，提高設備小型化水平和系統可靠性，同時大大降低測控系統的研制費用和成本;

(5)軟件化便于測控設備模塊化、標準化。

4.測控設備軟件化技術的內容

測控設備軟件化技術主要包括：

(1)測控視頻數據處理軟件技術，包括數據處理模塊、可重組監控軟件模塊、事后數據處理模塊等;

(2)信道的模塊化與可重組技術及由中頻到射頻的軟件化延伸;

(3)終端設備的可編程、可重組、模塊化、標準化技術;

(4)天線的指向編程控制技術。

5.軟件化技術的發展方向

測控設備軟件化技術以軟件為主導，它的所有工作過程和參數處理都可以由軟件來定義和控制，其發展方向可從以下幾方面進行闡述：

(1)射頻前端采樣數字化技術。軟件無線電的宗旨是盡可能簡化射頻模擬前端，使A/D轉換盡可能地靠近天線去完成模擬信號的數字化，而且數字化后的信號要盡可能地用軟件來處理，實現各種功能和指標。隨著數字芯片及器件的頻響速率的迅速提高，幾千兆赫茲的速率已達到工程應用階段，可以構想，在不久的時間內，射頻直接帶通采樣數字化將有重大突破;

(2)基帶空間傳輸。在無線傳輸中，具有嚴格規律特性的正弦波一直是載波信號的主要形式，基帶空間傳輸就是要擯棄正弦波載波調制，以數字化形式直接實現空間傳輸。它的傳播媒介為非常窄的時域脈沖，脈寬一般小于1 ns。它的信號能量分布在從直流(DC)到幾千兆赫茲范圍，可以用超寬帶天線低失真地輻射和接收;

(3)軟件測試鑒定技術。由于軟件在軟件化的測控設備中起主導作用，那么對軟件的正確性、可靠性測試與鑒定將成為一項專門技術。三、測控系統仿真與測控設備軟件化技術應用綜合

目前，比較流行的幾種通信仿真設計平臺如COSSAP、SPW、SystemView等都能滿足從數字信號處理、濾波器設計，到復雜的通信系統等不同層次的設計、仿真要求。在這些系統中，可以在DSP、通信和控制系統中構造出復雜的模擬、數字、混合和多速率系統。系統具有大量可選擇的庫，允許用戶有選擇地增加通信、邏輯、DSP和射頻/模擬功能模塊，可進行各種系統時域/頻域分析，能夠對射頻/模擬及其混合系統進行理論分析和失真分析。當然，通用通信系統的仿真平臺在很大程度上還不能滿足測控通信系統的應用仿真需求，測控系統仿真在通用平臺上(仿真平臺可自主開發)著重解決測控領域的特殊問題，不僅有系統原理上的定性仿真分析，而且更重要地是需要對分系統和部件設計指標考慮實際部件的性能進行定量仿真分析，指導系統、分系統的實際設計，甚至直接產生DSP、FPGA或VHDL的實用代碼。

由于軟件化以數字化為基礎，在現有器件技術發展水