測控系統仿真與測控設備軟件化技術

二、測控系統設備級仿真技術
1．測控設備仿真技術需求背景
　　當前，導彈武器系統與航天工程的高額費用已成為當今各國發展航空、航天事業和國防力量的一個至關重要的制約因素，以某種經濟、有效的方式進行系統研制和培訓、演練等已成為各國軍方走出困境的出路。系統仿真技術作為一項戰略技術，在測控系統研制中的重要性十分顯著。
　　在測控系統研制過程中，一個新體制測控系統的建立，必須經過嚴密的論證。通過系統仿真可以對不同體制的測控系統從總體設計上進行方案驗證和優化，預測、評估其可行性及相關技術指標和性能，提高導彈武器和航天器測控系統設計、分析與試驗驗證的質量和效率，縮短研制周期。測控系統仿真分為系統級和設備級仿真。系統級仿真是將衛星與地面站進行聯合設計確定星座形式、通信方式、定軌方法、星地指標等。設備級仿真需保證飛行器的軌道測量精度和指令、數據傳輸的準確性，提出合理的分機指標，重點考慮測控體制、各種信號形式、調制解調體制、組合干擾、信號的短穩、信道的群時延、糾錯編／譯碼等對測距測速精度的影響及對數傳比特誤碼率的影響。通過測控系統設備級綜合化仿真平臺的構建及模擬方案的仿真運行，可以優化設備級方案設計和指標分配，使實際研制的系統擺脫以往依賴反復的實際試驗和使用經驗指導設備級系統設計這一狀況，從而可提高測控系統設備級設計、分析的質量和效率，在最優化資源配置條件下提高飛行器的測軌精度和數據傳輸準確性。
2．國內外發展概況
　　在先進國家，仿真早已成為一種工具，廣泛應用于各類系統的全生命周期活動及人員訓練決策等過程中。
　　在測控領域，目前美國等先進國家對一個新測控系統的建設都是通過系統仿真技術進行自頂向下的設計，在頂層設計出布站分布、系統測控體制、頻率安排、預計軌道精度等，通過仿真進行分析、優化，提出星、地設備指標。設備研制部門根據大系統提出的指標進行設備級的系統設計，先確定模塊功能，再由功能模塊的算法生成硬件描述語言（VHDL）或DSP的C或匯編代碼，然后進行邏輯綜合生成門級網表，最后形成目標系統的FPGA、ASIC、DSP等板級電路產品。在這種自頂向下的仿真設計過程中，可以經常將下一級模塊嵌入上一級環境中進行聯合仿真，不斷修改、完善設計，使最后形成的目標系統完全能滿足系統的要求。因此，測控總體技術、測控組網技術和仿真、設備的仿真設計和軟件無線電可重組技術已構成了一個自頂向下的統一體，為航天測控系統的建設帶來了全新的觀念。
　　在國內，目前對測控系統的研制基本上是先進行系統設計，而后進行電路設計。系統設計主要依據理論分析和過去成功的經驗，當進行一個新系統的設計時，往往需要參考多個具有所需功能的不同系統，進行合理的改進、綜合，為各分系統或單元分配指標。分系統或單元根據功能和指標要求進行研制，最后進行系統聯試，發現問題進行改進。如果在聯試中發現系統設計存在較大問題，必須更改各分系統或單元的設計，這種研制手段極易造成人力、物力、財力和時間上的浪費。
3．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。
4．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。
5．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。

三、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。