IP技术在航天测控通信网的应用

一、什么是测控通信网随着载人航天等试验任务的开展，信息类型不断增加，测控通信网的出现便变得十分重要，除航天器外，运载火箭和导弹的飞行试验也要采用测控技术，但是两者在规模上有很大区别。对于早期的近、中程火箭，作用距离很短，用一个或两个测量站，即可覆盖整个射程，不存在地面测控站组网问题。进入航天技术时代后则有很大不同，即使是发射运载火箭，把卫星送入轨道，射程都在2000～3000千米之遥。卫星进入轨道后，其轨道变为以地球为圆心或焦点之一的闭合曲线，因而只有在全球大量布设跟踪站，才能增加交换信息的时间，称为接触时间，也称覆盖率。这些数量众多的跟踪站需要有统一的时间基准，接收的观测数据，才能编辑在一个时间尺度之内。另外要求有统一的地理坐标，测得的轨道数据才能相互衔接。再者各台站需要统一指挥协调工作才能发挥作用。因而才出现组成测控通信网的问题。测控通信网除拥有众多的各个跟踪站之外，还有一个飞行操作控制中心（FOCC）来管理、协调各台站之间的衔接关系。简单来说，测控通信网其实就是为火箭、航天器发射和飞行过程中，传递测控和其他信息的通信网络。它利用多种传输线路和终端，经各级交换中心将分布于各地的航天器发射场、航天测控站、航天控制中心以及用户终端联系起来，实现网中各点间的信息交换。二、航空通信监测网的作用该网由信源终端、用户终端、传输终端、通信线路、人工和自动交换设备和软件系统组成。其中包括电话、电报、传真、电视和数据传输等网络，汇集于航天测控中心，称为“总通信中心”。在发射场区设区域通信中心，大型测控站设通信分中心，形成多级信息交换体制。测控通信系统在载人航天任务中主要是，对火箭、飞船目标的飞行轨道和工作状态进行监视，并根据控制要求，对火箭、飞船进行飞行控制；测量运载火箭起飞漂移量及摄录飞行实况景象；跟踪测量运载火箭、飞船（含留轨舱）轨道；接收、记录和传送运载火箭、飞船（含留轨舱）与航天员遥测参数以及飞船电视、部分科学实验（有效载荷）数据等；建立地面与航天员之间双向话音链路；计算并显示飞行轨道和控制量，实时显示火箭、飞船、有效载荷工作状态和航天员生理状态参数及电视图像，实时和事后处理各种信息；待发段提供逃逸指令上行通道、上升段进行逃逸与火箭飞行安全控制，参与上升段和运行段飞船应急返回控制；对飞船进行飞行控制，向飞船（含留轨舱）发送遥控指令和注入数据；按要求生成并执行飞行控制计划及故障对策预案；完成与其他有关系统的数据交换；进行船地时间比对和校准，提供调度指挥及通信保障。

那么IP技术对航空通信监测网到底有什么作用？三、IP技术在航天测控通信网中有什么作用？未来航空航天任务的应用，如军事情报、监视、侦察等空间应用、深空探测、空间科学等，对测控网在支持综合业务信息传送能力、信息传送容量和信息传送方式等方面提出了更高的要求。对测控网的技术体制进行改进，适应未来航天器与地面系统之间航天应用信息传送的要求，尤其是地面站与卫星之间的传输协议和调度机制的选择和应用尤为重要。测控网作为测控的基础网络设施，其发展和技术革新深受各国空间局的重视。当前，许多国家的航天测控领域都在进行这方面的改革，美国国家航空航天局(NASA)和欧洲空间局(ESA)测控网的变迁深刻体现了IP技术带来的影响。IP技术在NASA航天测控网的应用从1996年起，NASA将多年航天测控中形成的具有相当规模的五个现有广域测控网—NASA通信网(Nascom)、项目支持通信网(PSCN)、NASA科学互连网(NSI)、宇航网(AEROnet)和地球观测系统数据信息系统主干网(EOSDISBnet)合并，组成NASA综合业务网(NISN)。WilliamD.Ivancic、DavidBrooks和BrainFrantz.在《NASA’sBroadbandSatellite》文献中表明：NASA包交换系统用TCP/IP业务取代X.25包交换业务；用IP协议取代天基网地面数据传输系统的主要组成多路复用/分路器(MDM)使用的4800比特组(4800BB)协议，同时对MDM进行改造，使其支持IP协议；Nascom用IP协议取代使用多年的4800BB协议，同时将报文交换系统（MSS）更换为支持IP协议的MSS；提供路由数据业务的网络全部采用IP协议。驱使NASA采用IP协议的因素是：降低通信网成本；减少定制专用系统，优化网络拓扑结构，降低设备和劳力成本；建设一个标准的卓越的商业成品网络。随着地面互联网技术的飞速发展，IP技术已成为目前以及未来的主要网络传输技术，目前国际上关于航天测控网的研究也倾向于将地面互联网延伸到航天器，实现地面终端用户到航天器的全IP连接。特别是因为IP技术对于移动性的良好的支持性，更是得到了广泛的应用。近年来，较有影响力的研究主要是NASA的OMNI计划和VMOC项目。

四、从VMOC项目看IP技术在航天测控网的应用以VMOC项目为例,VirtualMissionOperationsCenter是2003年起NASA开发的基于Internet的安全应用,可以提供用户友好的接口，使处于战场环境的人员可以获取卫星数据库中的信息，并可以操控航天器。VMOC系统的天基部分又卫星系统组成，将卫星系统引入IP技术，就必须加入真正意义上的路由器。CLEO(CiscoLowEarthOrbit)是低轨卫星上的Cisco路由器。CLEO是Cisco公司和NASA合作开发的一个项目,在SSTL的环境监测卫星UK-DMC上设置Cisco路由器，采用IP技术，从而将卫星纳入到Internet中。CLEO可以为地面和卫星之间实现通信提供良好的接口。VMOC通过多个可以接Internet的地面站接收卫星遥测数据，并使用高等级的互联网标准web服务，要求任务管理系统调度卫星获取地面图像。其特点是充分利用高度自主的微小卫星平台、模块化的有效载荷、共同的接口界面以及通过国防部保密的TCP/IP路由网直接向卫星发送指令和分发卫星图像，构建快速响应的航天科研生产管理机制与发射模式，获得战术应用的实战响应能力。在美国海军、空军、陆军、航空航天局和产业部门联合举行的“战术卫星1”实验计划中，VMOC负责经由保密TCP/IP路由网，向“战术卫星1”指派任务和分发信息的有效载荷接口。目前VMOC还准备实施由空军和海军空间战场实验室提出的卫星与非保密TCP/IP路由网(NIPRNET)接口实验。VMOC的基本网络拓扑结构如下图1所示，该图是VMOC实验计划的网络结构，该网络配置的目的是使一个远端用户可以通过VMOC安全的接入并操作测控对象。图1VMOC基本拓扑结构

五、IP技术在ESA航天测控网的应用ESA通信网由三部分组成：为整个欧空局提供基础设施并行使管理职责的信网ESACOM；为任务和航天器提供全生命周期支持的任务支持网OPSNET；为国际空间站欧洲部分ColubuS轨道设施(COF)和Ariane运载工具(ATV)提供支持的互连地面子网(IGS)。ESACOM的前身是ESANET。ESANET是一个多用途通信网，它支持ESA站点内的本地通信，ESA机构和地面站之间的通信，以及ESA和外部合作伙伴之间的通信。后来，ESA利用Internet技术对该通信网作了改造，改造后的ESANET称为ESACOM，它是基于帧中继的虚拟专用网，提供基于TCP/IP协议的业务以满足欧空局内的数据联网要求。作为ESA信息高速公路的基础设施ESACOM面临进一步的改革，未来将在ESACOM上综合所有的业务，ESACOM将建成一个能独立承载内部站点的所有数据、话音和媒体业务的综合业务网。ESA已建成的航天器操作支持网OPSNET把位于达姆施塔特(Darmstadt)的操作控制中心(OCC)与ESA的地面站及其它与航天任务有关的站点连接起来。OPSNET是传输任务关键数据、话音和信息，通过任务控制系统和一个或多个地面站支持多个无人航天器同步操作的网络。它还兼顾支持在工业组装、集成和测试(AIT)地进行的航天器鉴定测试(SVTs)。在多种因素的驱动下，OPSNET开始IP技术过渡。最终，将构筑一个基于IP路由器的专用网—OPSNET内部网基础设施，它将是一个服务于所有任务(平台和载荷操作)的开放式网络。该网将提供基于IP的网络服务，使用传输控制协议TCP或用户数据报协议(UDP)作为传输协议。使得从OPSNET内部网向全球Internet提供载荷数据传输成为可能，例如科学数据分配。该网使用安全网关或防火墙维护网络安全。从长远来看，一旦能够建立通用网络设施，可以在网络管理、硬件维护和操作人员方面节省相当的费用。互联地面子网(IGS)是ESA支持国际空间站欧洲部分Colubus轨道设施(COF)和Ariane运载工具(ATV)的网络。在建设中，由于Internet技术的发展非常迅速，IP成为事实上的工业标准。魏晨曦在《TCP/IP技术在航天测控通信中的应用》表示，IGS采用了IP协议，通过IP网关提供各项业务，IGS具有到其他空间局保密网的网关，可以满足空间实验平台的远程操作对通信系统提出的高安全、高可靠、高保密要求。根据WilliamIvancic,、DaveStewart和DanShell的《Network-CentricOperationsofaSpace-BasedAsset:CiscoRouterinLowEarthOrbit(CLEO)andVirtual

MissionOperationsCenter(VMOC)》以及ECriscuolo、KHogie、RParise的《TransportProtocolsandApplicationsforuseinspace》,对美国VMOC和OMNI计划的分析，可以发现该计划应用的是典型的移动IPv4协议接入到地面网络，该实验已经获得了一定的成功。如图2所示，OMNI和VMOC计划采用移动IP技术解决非同步轨道航天器经过不同地面站时的移动性问题时，无一例外的在才用移动IPv4协议时选择了基于三角路由(TriangularRouting)的传输协议。它的基本传输机制同样也是移动IPv4的机制，基本工作机制是：VMOC中的客户主机(CN)首先向卫星节点发送业务请求信息，该信息经由卫星节点的家乡代理(HA)处理，通过卫星节点现接入地面站(FA)发送请求信息，再由卫星节点将相关业务数据到有权限访问的客户主机中。VMOC使用在移动IP接入部分完全采用了移动IPv4的技术。图2移动IPv4在VMOC计划中的应用面对航天测控通信的变化,TCP／IP网络将能很好地适应，特别是在网络传输方面，比“点对点”传输模式要强大得多的功能，所以TCP／IP在航天测控通信中的应用将会改变