测控系统仿真与测控设备软件化技术

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。