测控系统仿真与测控设备软件化技术

一、概　　述
　　21世纪是开发宇宙的世纪，也是争夺制天权的世纪。飞行器和导弹的运行都离不开测控系统的支持。以往测控系统功能和设备灵活性较差，一旦系统和设备安装完毕，要适应新的或其它类型卫星的发射、跟踪定轨和管理任务就比较困难。因此，测控设备模块化、标准化是测控新技术发展的必然趋势。航天事业的发展给测控设备提出新的要求，需降低成本，缩短开发周期。为此，通过测控设备计算机仿真及大量采用计算机软件或高级智能软件，使硬件构成简化，可有效地降低成本、提高系统可靠性及缩短设备研制开发周期。另外，测控设备的综合化和数字化已成为电子系统工程的发展方向，也是测控通信技术发展中必然采用的新技术。数字化是测控设备软件化的基础，计算机仿真为测控设备模块化、标准化及设备可重组方案优化设计提供了重要技术手段。

二、测控系统设备级仿真技术
1．测控设备仿真技术需求背景
　　当前，导弹武器系统与航天工程的高额费用已成为当今各国发展航空、航天事业和国防力量的一个至关重要的制约因素，以某种经济、有效的方式进行系统研制和培训、演练等已成为各国军方走出困境的出路。系统仿真技术作为一项战略技术，在测控系统研制中的重要性十分显著。
　　在测控系统研制过程中，一个新体制测控系统的建立，必须经过严密的论证。通过系统仿真可以对不同体制的测控系统从总体设计上进行方案验证和优化，预测、评估其可行性及相关技术指标和性能，提高导弹武器和航天器测控系统设计、分析与试验验证的质量和效率，缩短研制周期。测控系统仿真分为系统级和设备级仿真。系统级仿真是将卫星与地面站进行联合设计确定星座形式、通信方式、定轨方法、星地指标等。设备级仿真需保证飞行器的轨道测量精度和指令、数据传输的准确性，提出合理的分机指标，重点考虑测控体制、各种信号形式、调制解调体制、组合干扰、信号的短稳、信道的群时延、纠错编／译码等对测距测速精度的影响及对数传比特误码率的影响。通过测控系统设备级综合化仿真平台的构建及模拟方案的仿真运行，可以优化设备级方案设计和指标分配，使实际研制的系统摆脱以往依赖反复的实际试验和使用经验指导设备级系统设计这一状况，从而可提高测控系统设备级设计、分析的质量和效率，在最优化资源配置条件下提高飞行器的测轨精度和数据传输准确性。
2．国内外发展概况
　　在先进国家，仿真早已成为一种工具，广泛应用于各类系统的全生命周期活动及人员训练决策等过程中。
　　在测控领域，目前美国等先进国家对一个新测控系统的建设都是通过系统仿真技术进行自顶向下的设计，在顶层设计出布站分布、系统测控体制、频率安排、预计轨道精度等，通过仿真进行分析、优化，提出星、地设备指标。设备研制部门根据大系统提出的指标进行设备级的系统设计，先确定模块功能，再由功能模块的算法生成硬件描述语言（VHDL）或DSP的C或汇编代码，然后进行逻辑综合生成门级网表，最后形成目标系统的FPGA、ASIC、DSP等板级电路产品。在这种自顶向下的仿真设计过程中，可以经常将下一级模块嵌入上一级环境中进行联合仿真，不断修改、完善设计，使最后形成的目标系统完全能满足系统的要求。因此，测控总体技术、测控组网技术和仿真、设备的仿真设计和软件无线电可重组技术已构成了一个自顶向下的统一体，为航天测控系统的建设带来了全新的观念。
　　在国内，目前对测控系统的研制基本上是先进行系统设计，而后进行电路设计。系统设计主要依据理论分析和过去成功的经验，当进行一个新系统的设计时，往往需要参考多个具有所需功能的不同系统，进行合理的改进、综合，为各分系统或单元分配指标。分系统或单元根据功能和指标要求进行研制，最后进行系统联试，发现问题进行改进。如果在联试中发现系统设计存在较大问题，必须更改各分系统或单元的设计，这种研制手段极易造成人力、物力、财力和时间上的浪费。
3．测控系统设备级仿真的技术特点
　　测控系统设备级仿真主要是通过计算机软件仿真技术，借助计算机，用系统模型对真实系统或设想系统进行试验。测控系统设备级计算机软件仿真具有以下特点：
　　（1）采用软件仿真技术进行试验可以大大降低成本，尤其针对大型测控通信系统，可以降低昂贵的硬件投资。同时仿真设备可以重复使用，其试验环境和试验方案改变非常容易，可以缩短试验周期；
　　（2）有利于迅速吸收不断发展中的先进测控与通信技术，不断完善测控或通信模块；
　　（3）便于进行优化设计。对方案阶段的测控与通信系统，可以先设计出系统模型，用仿真进行反复试验，找出最优的系统结构和参数，使系统设计优化，提高设计水平；
　　（4）可以非常逼近实际系统，为工程设计提供准确的评估手段，避免硬件仿真受试验设备数量和仿真器件水平的限制；
　　（5）通过计算机软件仿真，便于准确、迅速、方便地处理仿真结果和数据，并利于数据的保存与事后分析。
4．测控系统设备级仿真的主要任务
　　测控系统设备级仿真的主要任务是对真实或设想的系统进行概念建模，并在明确了的系统模型上，建立测距、测速精度分析数学模型和仿真模型，建立遥测、遥控、话音、数传误码率分析数学模型和仿真模型。通过仿真模型的运行，获得对系统测距、测速精度指标与误码率指标的仿真分析，从功能原理上对系统运行状况定性，从方案及技术指标上对系统运行状况定量，并获得与实际测控站系统运行结果的一致性。
　　另一方面，在分系统与部件设计中，通过建立测控系统地面设备中各分系统和部件的数学模型，模拟数据流、控制流以及工作状态，对系统的动态特性和稳态特性进行分析，对总体和分系统方案给予验证和评价。首先建立各分系统和部件的数学模型，各分系统数学模型采用单一模块设计，各分系统模块内部的部件也采用功能化模块设计，每个功能模块均以库模块的形式存放在运行库中，通过选择不同的功能模块可以组成不同功能的分系统，继而根据各分系统的数据流、控制流和工作状态，组织分系统的独立仿真，然后再通过测控通信总体方案进行全系统仿真。在分系统独立仿真时，将其它分系统对它的影响作为该分系统的外部输入，用外部环境模拟模块来产生等效的外部输入，从分系统到总体仿真应满足组合化原则。
5．测控仿真技术的发展方向
　　目前，系统仿真技术已成为发达国家重点发展的国家关键技术和国防关键技术。21世纪信息技术的迅速发展将使仿真技术与航天技术在各个层次上紧密结合成为一个整体。
　　测控系统仿真技术能为未来的天基测控、小卫星测控、深空测控等系统提供优化方案和关键技术设计。在航天仿真领域，将着重发展星座仿真技术，实现卫星在轨运行和多星管理的分布交互仿真。通过卫星自身以及地面站的参与使各个卫星能协调运行，保持准确的位置姿态和工作状态的衔接。对各种不同的卫星系统从研制到运行的各个阶段也要根据情况建立包括地面应用系统和卫星在内的系统模型和仿真系统，以便进行分析、优化及支持卫星的长期运行和管理人员培训。

三、测控设备软件化技术
1．测控设备技术发展的新特征
　　航天测控系统是一个复杂系统，它涉及不同的调制体制、工作模式、信息传输和数据调制解调处理。以往，我国在卫星测控站的建设模式上基本上是一种卫星就要新研制一套测控站（主要的新研制内容体现在终端设备），为满足不同测控任务的要求，往往设备配套庞大，需要重复建设具有相似功能的硬件设备。随着计算机技术和数字信号处理技术的飞速发展，测控设备逐步向综合化、数字化、模块化和标准化方向发展。通过采用高速A／D、DSP、FP－GA、MPU、DDS、数模混合集成电路、高速大容量存储计算机及网络技术、总线技术，完成高速数字信号处理和数据处理，将测速、测距、遥测、遥控、数传和监控综合为一体，进行综合化、一体化设计。测控设备的模块化、标准化的主要内容包括单元模块化、功能、技术指标系列化、接口标准化、规范化。
　　测控设备技术发展的新特征促进了软件无线电技术在测控通信领域中的应用，数字化是测控设备软件化的基础，软件化是实现测控设备综合化、标准化、规范化的良好的技术途径。 [p]
2．测控设备软件化技术基础
　　测控设备软件化的技术理论是软件无线电。软件无线电技术突破了传统的无线电设备以功能单一、可扩展性差的硬件为核心的设计局限性，强调以开放性的最简硬件为通用平台，尽可能地用可编程、可升级、可重配置的应用软件来实现各种无线电功能的设计新思路。用户可通过选用不同的应用软件，在通用的、可扩展的硬件平台上，满足不同时期、不同使用环境的不同功能的需要，并可适应不断发展的技术进步，节省大量的硬件投资，大大缩短新产品的研制开发周期，适时地适应市场变化。
　　测控设备软件化的基础是数字化，其核心是数字器件、芯片的超高速时间响应及超大规模的高度集成。当前，微电子技术发展迅速，单块集成芯片上的晶体管数目每隔18个月就增加1倍，2001年已有10亿个晶体管的集成芯片面世，未来20年中，将出现1万亿个晶体管的集成芯片。数字电路的高度集成化，为测控设备软件化技术发展提供了有力保证。
3．测控设备软件化技术的特点
　　测控设备软件化是利用可编程技术，通过加载不同的软件，实现一机多用，一站多用，从而完成多种功能、多种技术状态的测控任务。测控设备软件化的技术特点主要有：
　　（1）软件化具有很强的灵活性，通过增加软件模块，可以很容易增加新的功能，可以通过无线加载改变软件模块或更新软件，并可根据所需功能的强弱，取舍选用的软件模块；
　　（2）软件化具有较强的开放性，它采用模块化、标准化的结构，硬件可以随着器件和技术的发展而更新或扩展，软件也可以随需要而不断升级；
　　（3）软件化可以方便地应用丰富的软件算法进行数据的平滑处理、系统误差的修正、建模预测分　　析、线性或非线性补偿及特定条件下的模糊控制，从而有效地提高测控精度；
　　（4）软件化可以大量减少设备硬件种类和数量，提高设备小型化水平和系统可靠性，同时大大降低测控系统的研制费用和成本；
（5）软件化便于测控设备模块化、标准化。
4．测控设备软件化技术的内容
测控设备软件化技术主要包括：
　　（1）测控视频数据处理软件技术，包括数据处理模块、可重组监控软件模块、事后数据处理模块等；
　　（2）信道的模块化与可重组技术及由中频到射频的软件化延伸；
　　（3）终端设备的可编程、可重组、模块化、标准化技术；
（4）天线的指向编程控制技术。
5．软件化技术的发展方向
　　测控设备软件化技术以软件为主导，它的所有工作过程和参数处理都可以由软件来定义和控制，其发展方向可从以下几方面进行阐述：
　　（1）射频前端采样数字化技术。软件无线电的宗旨是尽可能简化射频模拟前端，使A／D转换尽可能地靠近天线去完成模拟信号的数字化，而且数字化后的信号要尽可能地用软件来处理，实现各种功能和指标。随着数字芯片及器件的频响速率的迅速提高，几千兆赫兹的速率已达到工程应用阶段，可以构想，在不久的时间内，射频直接带通采样数字化将有重大突破；
　　（2）基带空间传输。在无线传输中，具有严格规律特性的正弦波一直是载波信号的主要形式，基带空间传输就是要摈弃正弦波载波调制，以数字化形式直接实现空间传输。它的传播媒介为非常窄的时域脉冲，脉宽一般小于1 ns。它的信号能量分布在从直流（DC）到几千兆赫兹范围，可以用超宽带天线低失真地辐射和接收；
　　（3）软件测试鉴定技术。由于软件在软件化的测控设备中起主导作用，那么对软件的正确性、可靠性测试与鉴定将成为一项专门技术。

四、测控系统仿真与测控设备软件化技术应用综合
　　目前，比较流行的几种通信仿真设计平台如COSSAP、SPW、SystemView等都能满足从数字信号处理、滤波器设计，到复杂的通信系统等不同层次的设计、仿真要求。在这些系统中，可以在DSP、通信和控制系统中构造出复杂的模拟、数字、混合和多速率系统。系统具有大量可选择的库，允许用户有选择地增加通信、逻辑、DSP和射频／模拟功能模块，可进行各种系统时域／频域分析，能够对射频／模拟及其混合系统进行理论分析和失真分析。当然，通用通信系统的仿真平台在很大程度上还不能满足测控通信系统的应用仿真需求，测控系统仿真在通用平台上（仿真平台可自主开发）着重解决测控领域的特殊问题，不仅有系统原理上的定性仿真分析，而且更重要地是需要对分系统和部件设计指标考虑实际部件的性能进行定量仿真分析，指导系统、分系统的实际设计，甚至直接产生DSP、FPGA或VHDL的实用代码。
　　测控系统仿真着重建立一个开放的、可以适应技术和需求不断发展的仿真体系结构，支持以组合的方式来构造仿真系统。仿真系统由功能定义良好的模块化组件和组件间标准化的接口组成，同时仿真系统由通用的仿真支撑结构和独立的仿真应用模型构成。测控系统中各分系统是由众多的功能部件互连而成，如编码器、调制器、侧音产生器、上变频器、解调器、译码器、距离提取器、下变频器、频率综合器、低噪声放大器、放大器、锁相环等硬件设备和数据录取、打包、显示、存储、打印等软件单元，其功能部件的特性往往随被测量和控制的飞行器参数及技术要求不同而略有差异。因此，可以把它们设计成标准模块，用户可根据任务需要进行适当选用。从部件、分系统到系统级联合仿真运行时，在结果符合任务要求和预期指标的前提下，由功能模块的算法生成硬件描述语言（VHDL）或DSP的C或汇编代码，然后进行逻辑综合生成门级网表，最后形成目标系统的FPGA、ASIC、DSP等板级电路产品，实现测控设备功能的软件化。
　　由于软件化以数字化为基础，在现有器件技术发展水平上，目前的测控设备软件化主要体现在测控系统终端（即70 MHz中频以下的基带设备）设备的软件化上。终端设备的软件化，方便地实现了终端设备的可重组。这种可重组终端对数字运算的要求主要是实时性、准确性，包括运算速度、运算能力、数据存储容量、数据吞吐率等。实现终端设备软件化可以有2种途径。一是采用DSP实现。随着新的DSP器件的出现，DSP能够提供的运算量大大提高，许多由ASIC实现的算法可能会逐步转移到用DSP实现，以达到更高的灵活性。但在目前的技术水平下，这种方案存在着功耗大和处理速度慢的缺点。二是采用DSP和FPGA实现。在过去，FPGA是作为ASIC设计的一个快速原型设计方法，是一个中间过程。现在将FPGA直接用于系统设计，可以减少需要的ASIC芯片的个数，提高了灵活性，同时也使研制时间也显著地缩短。它带来的好处是：一个单一的或者相对少的芯片个数可以支持更多标准的组合。
　　因此，测控系统中部件、分系统及系统总体方案可以通过仿真运行与分析来评估，由于仿真模块在功能上形成了模块化、标准化，总体方案中的终端模块可通过专用接口实现测控设备的软件化，将系统仿真与软件化技术紧密结合起来，形成未来测控系统研制的新模式。

五、结束语
　　目前，在测控系统设备研制中，采用仿真技术的只有一些零零星星的专题研究的例子，距一体化、综合化仿真应用距离还较大。相对来讲，测控设备软件化技术较为成熟一些，但实际工程应用中效率还不高，需要我们好好总结。测控系统仿真技术与设备软件化技术的有机结合，将是我们今后相当长的一段时间内需要重点开展实用研究的重要方向。

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