測控系統(tǒng)仿真與測控設(shè)備軟件化技術(shù)

二、測控系統(tǒng)設(shè)備級仿真技術(shù)
1．測控設(shè)備仿真技術(shù)需求背景
　　當(dāng)前，導(dǎo)彈武器系統(tǒng)與航天工程的高額費用已成為當(dāng)今各國發(fā)展航空、航天事業(yè)和國防力量的一個至關(guān)重要的制約因素，以某種經(jīng)濟、有效的方式進行系統(tǒng)研制和培訓(xùn)、演練等已成為各國軍方走出困境的出路。系統(tǒng)仿真技術(shù)作為一項戰(zhàn)略技術(shù)，在測控系統(tǒng)研制中的重要性十分顯著。
　　在測控系統(tǒng)研制過程中，一個新體制測控系統(tǒng)的建立，必須經(jīng)過嚴密的論證。通過系統(tǒng)仿真可以對不同體制的測控系統(tǒng)從總體設(shè)計上進行方案驗證和優(yōu)化，預(yù)測、評估其可行性及相關(guān)技術(shù)指標和性能，提高導(dǎo)彈武器和航天器測控系統(tǒng)設(shè)計、分析與試驗驗證的質(zhì)量和效率，縮短研制周期。測控系統(tǒng)仿真分為系統(tǒng)級和設(shè)備級仿真。系統(tǒng)級仿真是將衛(wèi)星與地面站進行聯(lián)合設(shè)計確定星座形式、通信方式、定軌方法、星地指標等。設(shè)備級仿真需保證飛行器的軌道測量精度和指令、數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_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(diào)制解調(diào)體制、組合干擾、信號的短穩(wěn)、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(shù)傳比特誤碼率的影響。通過測控系統(tǒng)設(shè)備級綜合化仿真平臺的構(gòu)建及模擬方案的仿真運行，可以優(yōu)化設(shè)備級方案設(shè)計和指標分配，使實際研制的系統(tǒng)擺脫以往依賴反復(fù)的實際試驗和使用經(jīng)驗指導(dǎo)設(shè)備級系統(tǒng)設(shè)計這一狀況，從而可提高測控系統(tǒng)設(shè)備級設(shè)計、分析的質(zhì)量和效率，在最優(yōu)化資源配置條件下提高飛行器的測軌精度和數(shù)據(jù)傳輸準確性。
2．國內(nèi)外發(fā)展概況
　　在先進國家，仿真早已成為一種工具，廣泛應(yīng)用于各類系統(tǒng)的全生命周期活動及人員訓(xùn)練決策等過程中。
　　在測控領(lǐng)域，目前美國等先進國家對一個新測控系統(tǒng)的建設(shè)都是通過系統(tǒng)仿真技術(shù)進行自頂向下的設(shè)計，在頂層設(shè)計出布站分布、系統(tǒng)測控體制、頻率安排、預(yù)計軌道精度等，通過仿真進行分析、優(yōu)化，提出星、地設(shè)備指標。設(shè)備研制部門根據(jù)大系統(tǒng)提出的指標進行設(shè)備級的系統(tǒng)設(shè)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(wǎng)表，最后形成目標系統(tǒng)的FPGA、ASIC、DSP等板級電路產(chǎn)品。在這種自頂向下的仿真設(shè)計過程中，可以經(jīng)常將下一級模塊嵌入上一級環(huán)境中進行聯(lián)合仿真，不斷修改、完善設(shè)計，使最后形成的目標系統(tǒng)完全能滿足系統(tǒng)的要求。因此，測控總體技術(shù)、測控組網(wǎng)技術(shù)和仿真、設(shè)備的仿真設(shè)計和軟件無線電可重組技術(shù)已構(gòu)成了一個自頂向下的統(tǒng)一體，為航天測控系統(tǒng)的建設(shè)帶來了全新的觀念。
　　在國內(nèi)，目前對測控系統(tǒng)的研制基本上是先進行系統(tǒng)設(shè)計，而后進行電路設(shè)計。系統(tǒng)設(shè)計主要依據(jù)理論分析和過去成功的經(jīng)驗，當(dāng)進行一個新系統(tǒng)的設(shè)計時，往往需要參考多個具有所需功能的不同系統(tǒng)，進行合理的改進、綜合，為各分系統(tǒng)或單元分配指標。分系統(tǒng)或單元根據(jù)功能和指標要求進行研制，最后進行系統(tǒng)聯(lián)試，發(fā)現(xiàn)問題進行改進。如果在聯(lián)試中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計存在較大問題，必須更改各分系統(tǒng)或單元的設(shè)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(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：
　?。?）采用軟件仿真技術(shù)進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；
　?。?）有利于迅速吸收不斷發(fā)展中的先進測控與通信技術(shù)，不斷完善測控或通信模塊；
　　（3）便于進行優(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；
　?。?）可以非常逼近實際系統(tǒng)，為工程設(shè)計提供準確的評估手段，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；
　?。?）通過計算機軟件仿真，便于準確、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。
4．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、測速精度指標與誤碼率指標的仿真分析，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。
5．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)。

三、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、模塊化和標準化方向發(fā)展。通過采用高速A／D、DSP、FP－GA、MPU、DDS、數(shù)?；旌霞呻娐?、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，進行綜合化、一體化設(shè)計。測控設(shè)備的模塊化、標準化的主要內(nèi)容包括單元模塊化、功能、技術(shù)指標系列化、接口標準化、規(guī)范化。
　　測控設(shè)備技術(shù)發(fā)展的新特征促進了軟件無線電技術(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、標準化、規(guī)范化的良好的技術(shù)途徑。