工程師詳解測控系統(tǒng)仿真與測控設(shè)備軟件化技術(shù)

一、測控系統(tǒng)設(shè)備級仿真技術(shù)

1.測控系統(tǒng)設(shè)備級仿真的技術(shù)特點

測控系統(tǒng)設(shè)備級仿真主要是通過計算機軟件仿真技術(shù)，借助計算機，用系統(tǒng)模型對真實系統(tǒng)或設(shè)想系統(tǒng)進(jìn)行試驗。測控系統(tǒng)設(shè)備級計算機軟件仿真具有以下特點：

(1)采用軟件仿真技術(shù)進(jìn)行試驗可以大大降低成本，尤其針對大型測控通信系統(tǒng)，可以降低昂貴的硬件投資。同時仿真設(shè)備可以重復(fù)使用，其試驗環(huán)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(fā)展中的先進(jìn)測控與通信技術(shù)，不斷完善測控或通信模塊;

(3)便于進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。對方案階段的測控與通信系統(tǒng)，可以先設(shè)計出系統(tǒng)模型，用仿真進(jìn)行反復(fù)試驗，找出最優(yōu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化，提高設(shè)計水平;

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

(5)通過計算機軟件仿真，便于準(zhǔn)確、迅速、方便地處理仿真結(jié)果和數(shù)據(jù)，并利于數(shù)據(jù)的保存與事后分析。

2.測控系統(tǒng)設(shè)備級仿真的主要任務(wù)

測控系統(tǒng)設(shè)備級仿真的主要任務(wù)是對真實或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行概念建模，并在明確了的系統(tǒng)模型上，建立測距、測速精度分析數(shù)學(xué)模型和仿真模型，建立遙測、遙控、話音、數(shù)傳誤碼率分析數(shù)學(xué)模型和仿真模型。通過仿真模型的運行，獲得對系統(tǒng)測距、測速精度指標(biāo)與誤碼率指標(biāo)的仿真分析，從功能原理上對系統(tǒng)運行狀況定性，從方案及技術(shù)指標(biāo)上對系統(tǒng)運行狀況定量，并獲得與實際測控站系統(tǒng)運行結(jié)果的一致性。

另一方面，在分系統(tǒng)與部件設(shè)計中，通過建立測控系統(tǒng)地面設(shè)備中各分系統(tǒng)和部件的數(shù)學(xué)模型，模擬數(shù)據(jù)流、控制流以及工作狀態(tài)，對系統(tǒng)的動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行分析，對總體和分系統(tǒng)方案給予驗證和評價。首先建立各分系統(tǒng)和部件的數(shù)學(xué)模型，各分系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型采用單一模塊設(shè)計，各分系統(tǒng)模塊內(nèi)部的部件也采用功能化模塊設(shè)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(tǒng)，繼而根據(jù)各分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流、控制流和工作狀態(tài)，組織分系統(tǒng)的獨立仿真，然后再通過測控通信總體方案進(jìn)行全系統(tǒng)仿真。在分系統(tǒng)獨立仿真時，將其它分系統(tǒng)對它的影響作為該分系統(tǒng)的外部輸入，用外部環(huán)境模擬模塊來產(chǎn)生等效的外部輸入，從分系統(tǒng)到總體仿真應(yīng)滿足組合化原則。

3.測控仿真技術(shù)的發(fā)展方向

目前，系統(tǒng)仿真技術(shù)已成為發(fā)達(dá)國家重點發(fā)展的國家關(guān)鍵技術(shù)和國防關(guān)鍵技術(shù)。21世紀(jì)信息技術(shù)的迅速發(fā)展將使仿真技術(shù)與航天技術(shù)在各個層次上緊密結(jié)合成為一個整體。

測控系統(tǒng)仿真技術(shù)能為未來的天基測控、小衛(wèi)星測控、深空測控等系統(tǒng)提供優(yōu)化方案和關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計。在航天仿真領(lǐng)域，將著重發(fā)展星座仿真技術(shù)，實現(xiàn)衛(wèi)星在軌運行和多星管理的分布交互仿真。通過衛(wèi)星自身以及地面站的參與使各個衛(wèi)星能協(xié)調(diào)運行，保持準(zhǔn)確的位置姿態(tài)和工作狀態(tài)的銜接。對各種不同的衛(wèi)星系統(tǒng)從研制到運行的各個階段也要根據(jù)情況建立包括地面應(yīng)用系統(tǒng)和衛(wèi)星在內(nèi)的系統(tǒng)模型和仿真系統(tǒng)，以便進(jìn)行分析、優(yōu)化及支持衛(wèi)星的長期運行和管理人員培訓(xùn)。二、測控設(shè)備軟件化技術(shù)

1.測控設(shè)備技術(shù)發(fā)展的新特征

航天測控系統(tǒng)是一個復(fù)雜系統(tǒng)，它涉及不同的調(diào)制體制、工作模式、信息傳輸和數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)處理。以往，我國在衛(wèi)星測控站的建設(shè)模式上基本上是一種衛(wèi)星就要新研制一套測控站(主要的新研制內(nèi)容體現(xiàn)在終端設(shè)備)，為滿足不同測控任務(wù)的要求，往往設(shè)備配套龐大，需要重復(fù)建設(shè)具有相似功能的硬件設(shè)備。隨著計算機技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展，測控設(shè)備逐步向綜合化、數(shù)字化、模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。通過采用高速A/D、DSP、FP-GA、MPU、DDS、數(shù)模混合集成電路、高速大容量存儲計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、總線技術(shù)，完成高速數(shù)字信號處理和數(shù)據(jù)處理，將測速、測距、遙測、遙控、數(shù)傳和監(jiān)控綜合為一體，進(jìn)行綜合化、一體化設(shè)計。測控設(shè)備的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的主要內(nèi)容包括單元模塊化、功能、技術(shù)指標(biāo)系列化、接口標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。

測控設(shè)備技術(shù)發(fā)展的新特征促進(jìn)了軟件無線電技術(shù)在測控通信領(lǐng)域中的應(yīng)用，數(shù)字化是測控設(shè)備軟件化的基礎(chǔ)，軟件化是實現(xiàn)測控設(shè)備綜合化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的良好的技術(shù)途徑。

2.測控設(shè)備軟件化技術(shù)基礎(chǔ)

測控設(shè)備軟件化的技術(shù)理論是軟件無線電。軟件無線電技術(shù)突破了傳統(tǒng)的無線電設(shè)備以功能單一、可擴展性差的硬件為核心的設(shè)計局限性，強調(diào)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(yīng)用軟件來實現(xiàn)各種無線電功能的設(shè)計新思路。用戶可通過選用不同的應(yīng)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(huán)境的不同功能的需要，并可適應(yīng)不斷發(fā)展的技術(shù)進(jìn)步，節(jié)省大量的硬件投資，大大縮短新產(chǎn)品的研制開發(fā)周期，適時地適應(yīng)市場變化。

測控設(shè)備軟件化的基礎(chǔ)是數(shù)字化，其核心是數(shù)字器件、芯片的超高速時間響應(yīng)及超大規(guī)模的高度集成。當(dāng)前，微電子技術(shù)發(fā)展迅速，單塊集成芯片上的晶體管數(shù)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(xiàn)1萬億個晶體管的集成芯片。數(shù)字電路的高度集成化，為測控設(shè)備軟件化技術(shù)發(fā)展提供了有力保證。

3.測控設(shè)備軟件化技術(shù)的特點

測控設(shè)備軟件化是利用可編程技術(shù)，通過加載不同的軟件，實現(xiàn)一機多用，一站多用，從而完成多種功能、多種技術(shù)狀態(tài)的測控任務(wù)。測控設(shè)備軟件化的技術(shù)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(jù)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(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)，硬件可以隨著器件和技術(shù)的發(fā)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(yīng)用豐富的軟件算法進(jìn)行數(shù)據(jù)的平滑處理、系統(tǒng)誤差的修正、建模預(yù)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(shè)備硬件種類和數(shù)量，提高設(shè)備小型化水平和系統(tǒng)可靠性，同時大大降低測控系統(tǒng)的研制費用和成本;

(5)軟件化便于測控設(shè)備模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化。

4.測控設(shè)備軟件化技術(shù)的內(nèi)容

測控設(shè)備軟件化技術(shù)主要包括：

(1)測控視頻數(shù)據(jù)處理軟件技術(shù)，包括數(shù)據(jù)處理模塊、可重組監(jiān)控軟件模塊、事后數(shù)據(jù)處理模塊等;

(2)信道的模塊化與可重組技術(shù)及由中頻到射頻的軟件化延伸;

(3)終端設(shè)備的可編程、可重組、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù);

(4)天線的指向編程控制技術(shù)。

5.軟件化技術(shù)的發(fā)展方向

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

(1)射頻前端采樣數(shù)字化技術(shù)。軟件無線電的宗旨是盡可能簡化射頻模擬前端，使A/D轉(zhuǎn)換盡可能地靠近天線去完成模擬信號的數(shù)字化，而且數(shù)字化后的信號要盡可能地用軟件來處理，實現(xiàn)各種功能和指標(biāo)。隨著數(shù)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(dá)到工程應(yīng)用階段，可以構(gòu)想，在不久的時間內(nèi)，射頻直接帶通采樣數(shù)字化將有重大突破;

(2)基帶空間傳輸。在無線傳輸中，具有嚴(yán)格規(guī)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(diào)制，以數(shù)字化形式直接實現(xiàn)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(shù)。由于軟件在軟件化的測控設(shè)備中起主導(dǎo)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(shù)。三、測控系統(tǒng)仿真與測控設(shè)備軟件化技術(shù)應(yīng)用綜合

目前，比較流行的幾種通信仿真設(shè)計平臺如COSSAP、SPW、SystemView等都能滿足從數(shù)字信號處理、濾波器設(shè)計，到復(fù)雜的通信系統(tǒng)等不同層次的設(shè)計、仿真要求。在這些系統(tǒng)中，可以在DSP、通信和控制系統(tǒng)中構(gòu)造出復(fù)雜的模擬、數(shù)字、混合和多速率系統(tǒng)。系統(tǒng)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(jìn)行各種系統(tǒng)時域/頻域分析，能夠?qū)ι漕l/模擬及其混合系統(tǒng)進(jìn)行理論分析和失真分析。當(dāng)然，通用通信系統(tǒng)的仿真平臺在很大程度上還不能滿足測控通信系統(tǒng)的應(yīng)用仿真需求，測控系統(tǒng)仿真在通用平臺上(仿真平臺可自主開發(fā))著重解決測控領(lǐng)域的特殊問題，不僅有系統(tǒng)原理上的定性仿真分析，而且更重要地是需要對分系統(tǒng)和部件設(shè)計指標(biāo)考慮實際部件的性能進(jìn)行定量仿真分析，指導(dǎo)系統(tǒng)、分系統(tǒng)的實際設(shè)計，甚至直接產(chǎn)生DSP、FPGA或VHDL的實用代碼。

由于軟件化以數(shù)字化為基礎(chǔ)，在現(xiàn)有器件技術(shù)發(fā)展水