对NASA空间通信无线电系统的分析和研究

1、对NASA空间通信无线电系统的分析和研究摘  要：介绍美国基于软件定义无线电SDR技术的空间通信无线电系统STRS的开展状况和研究意义，对STRS的硬件和软件架构模型进行研究和分析。对NASA的空间通信和导航SCaN测试平台和基于STRS标准的APPSTARTM体系以及应用进行梳理，并对STRS的应用前景和开展方向进行分析，最后对我国的空间通信无线电开展提出建议。关键词：软件定义无线电 空间通信 STRS SCaN APPSTARTM中图分类号：V476       

2、;           文献标识码：A            文章编号：1674-098X202106a-0137-03目前卫星的问题随着科技与社会的进步和开展，人们对通信卫星的功能和性能提出了更高的要求。然而传统的卫星都是基于特定任务研制，卫星发射入轨后，它的通信载荷就根本固化，在卫星寿命周期内不能跟上地面技术的进步，在有新的任务性能需求或者功能需求时，因为卫星功能

3、单一且升级困难，所以不得不需要发射新的卫星来满足需求。引出SDR，SDR的定义SDRSoftwareDefinedRadio技术的出现为解决上述问题提供了思路和手段。SDR技术不是一个具体的无线电通信系统的实现方法，而是实现软件无线电概念的一个架构体系【1】，采用SDR技术的无线电通信系统可以通过软件编程到达按需要实现各种无线电通信功能，比方可以调整工作频率，改变调制解调模式和更改通信协议等。NASA和ESA等航天机构都在进行将SDR理念引入卫星设计和研制中的尝试。STRSSpaceTelecommunicationsRadioSystem就是NASA发布的第一个正在不断被完善的并应用于NAS

4、A空间任务的空间无线电通信架构标准，它尽可能的在NASA的无线电开发中使用SDR技术来为NASA的空间通信提供共性，以到达设计的重用性和功能的可扩展性【2】，降低卫星研发的本钱。1 STRS的开展现状NASA在经过大量的技术积累和实验之后，格伦研究中心于2021年12月发布STRS开发架构描述文件，2021年4月发布了第一版STRS技术标准，之后征集来自NASA不同研究中心的专家和其他相关机构专家们的诠释和评价，对STRS标准进行修正和完善，并分别于2021年和2021年和2021年发布了新版本。2021年，NASA发射了“空间通信与导航SpaceCommunicationsandN

5、avigation，SCaN实验台到国际空间站，并进行了STRS标准的技术研究和演示验证。美国哈里斯公司基于STRS标准，在SCaN方案下发布了AppSTARTM软件定义有效载荷体系结构，并在一些太空工程中得到应用，比方高速Ka波段软件无线电台SDR、合成孔径雷达和播送式自动相关监视ADS-B接收机等【3】。2 STRS架构STRS标准的核心设计思想是提升设计的通用性和可移植性，它的架构采用模块化和分层的设计思想，旨在提高设计的标准化程度，开发人员可以根据任务需要选择适宜的模块来完成设计，并且有利于后续新技术的插入和模块的修改更新。STRS标准的架构可以分为硬件架构、固件架构和软件架

6、构三大类型，其中固件是指嵌入到FPGA等器件中的程序，STRS标准中知识指出了从设计到开发过程中固件的使用情况，下面主要介绍硬件和软件这两個架构的具体内容。2.1硬件架构相比于软件技术，硬件技术开展变化较快，而且航天器的无线电系统实现通常都有非常具体的航天器依赖和需求，所以STRS标准中只是在功能级别上指定了硬件架构模块，而不是具体的物理实现。而且在硬件架构的开发过程中，开发人员需要考虑几个关键的约束和条件。首先是灵活性，即硬件架构要可以处理不同级别的任务，所以硬件体系架构需要采用一系列的可重新配置的处理技术，包括可选参数的GPP、DSP和FPGA等;此外该体系架构随着时间的推移还需要支持新技

7、术的注入，以适应处理器速度和信号处理速度的快速开展;最后是信号数字化的转化点要靠近天线。在综合考虑以上要点之后，开发人员提供了一个灵活的硬件体系框架，如下图3-1所示。STRS标准的硬件架构以模块化的方式来设计，主要由三大模块组成，分别为通用处理模块GPM、信号处理模块SPM和射频模块RFM，开发人员可以根据任务需求自主选择适宜的模块来实现硬件设计。GPM是无线电平台的主要控制组件，主要包含通用处理器GPP和各种存储元素。其中GPP上运行无线电平台的操作环境、硬件抽象层HAL和应用程序，存储元素为GPP的运行提供工作内存和必要的代码存储功能。GPM包括一个系统控制组件，通过系统总线和各种符合标

8、准标准的接口实现对SPM、RFM的控制和管理，比方调整RFM的增益和频率等。SPM的主要功能是实现数字化数据和数据包的转化，它的实现可以根据实现的复杂度和任务的应用和数据速率来选择，与GPM的数据处理能力相比，SPM提供更高处理能力的数字信号操作和管理能力。STRS标准建议使用可重配置和重编程的起价来实现SPM，这样可以允许在硬件不需要重新设计的情况下进行新应用的实现。RFM的组件包括模数/数模转化器，功率放大器等，它的功能主要包括频率转换和增益控制、模拟滤波、模数数模转换等，这些功能可以使用各种集成电路实现，可以通过SPM和GPM来对这些组件进行控制。除了以上三个主要的模块之外，硬件架构还可

9、以有光学模块、平安模块和网络模块等。模块开发人员在部署提交模块时，需要提供硬件接口描述HID，开发人员可以根据HID来完成各个模块之间的互联，并且可以根据任务需要增删模块。2.2软件架构STRS的软件架构采用分层的形式来设计，阐述了软件运行时不同的软件组件和各层之间的关系，定义了应用层和操作环境、操作环境和硬件平台之间的接口。STRS的软件架构如图3-2所示。STRS软件架构由三层组成，分别为应用层、核心层和物理层。应用层组件包括波形应用和STRS根底结构，其中波形应用使用STRS根底结构来提供无线电的GPP效劳，STRS根底结构实现由STRSAPI识别的行为和功能以及其他必需的无线电功能，而

10、STRSAPI是为根底结构提供的接口，用于控制应用程序和效劳，它也为应用程序等提供访问STRS根底机构的效劳;核心层组件包括操作系统OS、硬件驱动HWDrivers和版支持包BSP等，其中硬件驱动中的硬件抽象层接口HALAPI提供设备控制接口，负责对STRS无线电中的硬件设备的所有访问，它是软件驱动程序和与硬件通信的BSP的接口;物理层组件主要有GPM平台硬件和专用的硬件，其中GPM主要是运行STRS的根底结构层，而专用的硬件是指STRS平台上存在的其他硬件模块的物理层。2.3架构分析STRS架构标准注重顶层规划，成体系化开展，软硬件别离，注重设计的标准化和灵活性。采用STRS标准的无线电设计

11、，各个模块耦合度低，可以根据需求增删模块，支持后续设计的更新和新技术的插入;平台的功能主要由软件来实现，在不改变硬件设计的情況下可以实现对应用参数的重配置和应用程序的更新，来实现平台功能的重构;波形应用和效劳的可移植性强，设计重用率高，NASA专门建立了波形应用库，可以大大缩短研发周期，节省本钱。3 STRS的应用及前景在经过一定的技术积累后，NASA就开始整理和总结了STRS标准，随后进行了实验验证，同时进行完善和修改。2021年NASA启动了通信、导航以及组网可重构测试平台方案CoNNeCT，后改名SCaN方案，SCaN测试平台于2021年放置到国际空间站。SCaN方案进行了大量

12、的实验和技术研究，比方演示了应用SDR技术后空间通信系统的可重构性，研究了通信系统的组网技术和高数据率通信等技术，进行了SDR技术的开发，主要内容有使研发的平台和波形符合STRS标准，促进各机构广泛采用NASA的STRS标准。在SCaN方案的推动下，哈里斯公司基于STRS标准研发了AppSTARTM软件定义有效载荷体系结构，该结构基于高性能的FPGA处理器和DSP，利用软件实现可重构，使载荷的任务性能可随着未来的需求改变而升级。AppSTARTM软件定义有效载荷由GPP子系统、数字信号处理子系统和射频局部组成，其中数字信号处理子系统是体系的核心，通过对该子系统的配置来决定有效载荷的功能。数字信

13、号处理子系统基于XilinxVirtex4FPGA，不仅具有高度的波形变换灵活性，可以完成包括通信和视频传输等多种空间任务，还可以为下一代通信系统提供所需的处理能力。目前AppSTARTM软件定义有效载荷已经应用到一些太空工程中，比方高数据率的Ka波段软件无线电台、Aireon公司的天基播送式自动相关监视ADS-B接收机和合成孔径雷达等。研究以软件无线电为重点的软件定义卫星技术，实现卫星通信载荷功能和参数可自主地灵活的配置的能力，可以增加卫星的功能密度，在合理的资源规划和卫星任务方案下，可以最大限度的实现卫星资源的利用。除了软件定义卫星方面的应用和研究之外，STRS标准还具有很多其他潜在的应用

14、价值，比方STRS标准可以促进卫星智能化的开展和天基网络的建立。卫星的智能化主要表达在卫星在轨后的自主运行决策和智能化通信，在自主运行决策方面，STRS标准可以为它提供良好的信息采集和效劳，比方状态监测和健康管理等，而且STRS本身就是一个通信协议，在智能化通信方面更是具有巨大优势。此外采用STRS标准的卫星，也更容易实现天基网络的组网，实现卫星之间和地面网络的交互。4 结束语与建议本文介绍了NASA的空间通信无线电系统STRS标准的开展状况和研究意义，并就STRS标准的软硬件架构做了简要的介绍和分析。在对STRS标准的应用和分析中可以看到，一个从顶层设计出发的空间通信无线电标准对我国未来的航天开展有着重要的意义。我们从STRS标准的开展中为我国的软件定义卫星标准吸取经验，一些经验和建议如下：1、贴合我国天基软件定义无线电开展的具体情况，整理总结出符合我国国情的天基SDR体系标准;2、制定开放的标准，要求标准的开拓性好，具有一定的技术前瞻性，标准化天基、地基之间的通信协议、各种接口协议等，使标准具有一定的灵活性，不仅可以满足现有的开展需求，也可以满足未来新技术的插入;3、发射在轨测试平