海上航天發射通信組網模式研究與設計

史璐璐，孫立鵬，張亞龍，任幸東，李向鵬

（太原衛星發射中心，太原，030045）

0 引言

海上航天發射是一種新的衛星發射模式，有利于運載火箭執行特殊軌道衛星發射任務，可以選擇低緯度發射區域，節約能耗，提高運載能力。國外海上發射技術已經有50 多年的歷史［1］，但應用實踐規模較小，1999 年3 月，海上發射公司成功發射了第1 枚運載火箭。

2019年6月，中國首次在海上成功發射了長征十一號火箭，驗證了關鍵技術［2］。2020年9月，長征十一號火箭海遙二運載火箭發射的圓滿成功，標志著中國海上發射進入了商業化應用階段［3］。隨著中國航天發射多樣化深入拓展，發射試驗任務逐步成為重點發展課題。海上航天發射任務的通信網絡具有系統性強、可靠性和機動性要求高、易受環境影響等特點，陸海間通信、船船間通信是網絡組織的難點。中國海上發射任務處于起步階段，通信網絡組織方面缺少可借鑒的經驗，中國通信保障模式尚未形成固化模式。本文通過對通信組網結構及模式、信息傳輸流程、應急通信保障方式進行優化設計，旨在為海上航天發射通信網絡的設計和快速構建提供參考，為提高海上發射任務通信保障能力奠定基礎。

1 節點設置及信息系統組成

1.1 節點設置

根據海上發射任務組織模式，需要保障指控中心、岸上技術測試區、海上發射平臺、保障船4個節點間的信息傳輸。任務準備階段，通信系統需要保障岸上技術測試區對火箭和衛星技術狀態測試工作。在火箭海上運輸和發射階段，要保障由指控中心、保障船及發射平臺間組織信息通信。通信節點設置及信息傳輸需求示意如圖1所示。

1.2 信息系統組成

1.2.1 業務系統組成

海上航天發射任務信息系統主要包括測發系統、測控系統、通信系統、氣象系統等業務系統。通信網絡是將各系統的任務信息快速、安全、可靠地提供給分系統內部和指控中心，在協同方面發揮關鍵作用。通信網絡的功能和性能直接影響著整個發射任務信息系統的運行效率和應用效果。海上發射任務信息系統構成示意如圖2所示。

圖2 信息系統構成示意Fig.2 Information system composition

1.2.2 信息傳輸需求

指控中心也是信息處理、應用以及指揮系統的核心。發射平臺、保障船、岸上測試技術區的測發系統設備、測控系統設備、氣象系統設備、指揮通信設備的任務相關信息需要傳輸至指控中心，經過數據處理后為任務實時組織指揮提供決策支持。在發射平臺、保障船、岸上測試技術區的分中心之間也需要獲得任務實施發射的相關信息，便于協同指控中心完成發射任務各階段的具體工作。

海上發射任務通信網絡保障的業務類型主要有數據、指揮調度、圖像、電話等。數據業務包括測發系統測試數據、C3I數據、船上測控設備數據、船上氣象設備數據。指揮調度采用分級指揮方式，并覆蓋各個重要參試崗位。圖像業務傳輸將實施發射過程中的實況圖像、狀態監視圖像、發射海域狀況監視圖像實時傳輸至相應的指揮所，為指揮員提供直觀的決策支持。電話業務保障日常通信聯絡。

2 通信網絡設計

2.1 設計原則

通信網絡設計要以海上航天機動發射任務需求為牽引，運用IP網絡綜合承載各系統業務，結合保障海上發射轉運過程中和發射區域的應急通信需求，建設結構體系合理、網絡一體化、開放式、安全可靠的通信網絡。在通信網絡基礎上構建信息系統基礎平臺，實現任務信息的網絡傳輸、安全共享和智能處理，確保發射過程高效、安全、可靠運轉。

通信網絡設計原則為：

a）信息安全、保密性原則。

采用加密技術和完善的網絡管理機制，應用可信的網絡安全管理軟件，確保信息系統的安全。

b）可靠性與實用性相結合原則。

采用成熟的通信網絡設備，系統具備一定的可升級能力，同時具備必要的管理、冗余、備份、容錯和網絡自愈等功能，以保證可靠性和穩定性。

海上機動發射任務通信網絡和信息傳輸關系復雜，安裝放置空間有限，陸海間不具備地面電路開通條件。為適應機動快速發射特點，通信網絡設計時要考慮經濟性和實用性，控制好建設規模，避免盲目建設。

c）應急保障原則。

海上環境狀況有很多不可控因素，當任務信息網絡遭受破壞時，為準確掌握出海執行任務人員安全狀況和所處環境，必須構建應急通信手段。

2.2 體系結構

通信網絡體系結構設計分為傳輸層、承載層、通信應用層、通信網管、信息安全5個層次。

傳輸層主要包括光纖通信、衛星通信、微波通信等通信方式，為承載層提供信息傳輸電路。承載層目前主要是專用IP網絡，擔負各種任務信息和業務的綜合承載。通信應用層主要是指通信系統為信息指揮中心提供指揮調度、圖像、時統、電話等應用信息。通信網管與信息安全支撐著信息系統的高效、可靠運轉。

2.3 組網設計

根據通信網絡體系結構的要求，海上航天發射通信網絡總體設計如圖3 所示。除了發射任務信息外，還需在指控中心、發射平臺、保障船配備衛星電話終端，作為應急通信手段。信息安全和通信網管采用常規通信組織方式。

圖3 通信網絡總體設計Fig.3 Overall design of communication network

2.3.1 傳輸層設計

傳輸層的構建是通信網絡設計的主體工作，關系到通信網絡的性能和可靠性。關鍵信息傳輸設計時電路和設備應有一定的冗余度，確保傳輸系統的高可靠性。通信網絡傳輸層設計需要考慮各節點所處的地理位置、地形地貌、傳輸介質、信息帶寬需求及路由冗余等多方面因素。

a）陸陸傳輸電路。

任務指控中心與岸上技術測試區間開通地面電路和衛星通信電路，分別構建IP體制通信網絡，實現雙路由同時傳輸信息。

b）船船傳輸電路。

在發射平臺和保障船間使用兩套獨立的微波通信設備開通區域寬帶網絡［4］。合理設置微波系統天線數量和架設位置，保障兩船在行進、轉彎、調頭過程中通信不間斷。

c）陸海傳輸電路。

在任務指控中心與保障船、發射平臺之間分別開通1條衛星通信電路，構建IP體制通信網絡。為實現雙路由保障，應使用兩套地球站分別對應不同的衛星轉發器，避免出現單點失效情況。保障船、發射平臺應采用船載衛星通信天線或“動中通”天線技術，保證衛星通信鏈路在船體行進、船搖、較大風力等狀況下通信不中斷。

通過對以上傳輸層設計分析，保障船、發射平臺、指控中心節點間為環狀網絡，任意兩點間通信中斷都能通過迂回路由保障通信不中斷。各個節點間傳輸電路均構建IP體制通信網絡，實現各個節點間信息傳輸和資源共享。

2.3.2 承載層設計

a）網絡結構設計。

承載層以IP協議構建，為保障數據傳輸時延的相對穩定性，各個節點間采用廣域網方式構建，按信息傳遞關系規劃設計配置靜態路由。

根據圖3中網絡層結構可以看出，岸上技術測試區與指揮中心間網絡設計為雙網雙路由，在保障船與指控中心間構建單網雙路由，發射平臺與指控中心間構建單網單路由，兩船之間使用兩條微波電路構建單網雙路由。兩條微波電路可通過鏈路聚合技術實現捆綁和相互保護，提高網絡帶寬和可靠性。發射平臺、保障船、指控中心間網絡層設計高低優先級路由，實現信息傳輸的網絡層保護。

b）網絡負載設計。

由于對任務信息傳輸的實時性要求高，通信網需要以輕負載方式運行，以保證網絡數據包的傳輸時延和丟包率滿足任務要求。設計網絡負載時，地面電路傳輸容量大，帶寬利用率不超過60%，衛星通信電路受頻率資源和傳輸能力限制，帶寬利用率不超過80%。

2.3.3 應用層設計

通信網絡主要保障數據、音視頻、時統3類應用系統信息。測發、測控、氣象設備數據業務系統由相應業務系統負責。通信系統需完成音視頻和時統應用信息的系統性設計。

a）音視頻應用系統。

1）指揮調度系統設計。

根據任務需要，一般設置分級指揮關系。一級為指控中心，二級為岸上技術測試區、保障船。保障船配置一套調度交換系統，完成發射平臺與保障船間測發系統內部指揮通信任務。岸上技術測試區配置一套調度交換系統，完成火箭、衛星在技術廠房測試期間的通信指揮任務，發射階段根據需求開通與指控中心、保障船間的調度。

2）電視監視系統設計。

電視監視系統重點是保障船、發射平臺、指控中心間圖像傳輸，岸上技術測試區可以經指控中心圖像系統轉發而獲取發射區實況圖像。電視監視系統由電視圖像服務器系統、視頻采集設備、視頻傳輸設備3部分構成。

保障船配置一套具有圖像匯集、分發、視頻切換、圖像設備遠控、快速編輯回放、監視、存儲、刻錄等功能的圖像系統。保障船與指控中心實現圖像系統互聯，根據發射流程不同階段選取關鍵圖像發送。發射區域圖像源獲取主要包括保障船和發射平臺的發射實況圖像、關鍵狀態/場景監視圖像。發射平臺攝像機由保障船技術人員遠程進行調焦、鏡頭拉伸等功能控制。電視監視系統設計示意如圖4所示。

圖4 電視監視系統設計示意Fig.4 Design of television monitoring system

3）電話通信。

在岸上測試發射區、保障船配置電話交換設備并接入指控中心電話交換系統，發射平臺只配置電話終端。各關鍵崗位以局內放號、指控中心遠程放號相結合的方式分別開通電話業務，提高電話業務可靠性。

b）時統設計。

海上發射任務中，受限于發射平臺的通信方艙在危險區以內，T0控制臺可設置在保障船或指控中心。模擬起飛觸發信號可以在發射平臺完成IP 格式轉換，部署在保障船或指控中心的T0 控制臺接收到IP 起飛觸發信號后，通過減去網絡傳輸時延、起飛信號判別時延、軟件處理時延等綜合修正參數，獲得較為精確的T0信息［5］，并通過IP網絡向數據處理中心發送。

以在發射平臺配置起飛信號IP化裝置、保障船設置T0控制臺方式為例，設計T0產生和傳輸方案，起飛信號和T0 傳輸示意如圖5 所示。起飛信號IP 化裝置與起飛觸點或火箭點火起飛信號接口間使用電纜通信方式傳輸。起飛信號IP化裝置生成IP觸發信號后，通過船間微波電路構建的IP 網絡發送到保障船T0 控制臺。T0 控制臺在接收到IP 起飛信號后，形成T0，以組播方式向指控中心發送。主用路由使用保障船與指控中心間的衛星通信電路，備用路由使用船與船間的微波電路和發射平臺與指控中心間的衛星通信電路。

圖5 起飛信號和T0傳輸示意Fig.5 Transmission of takeoff signal and T0

2.3.4 應急通信

天通衛星移動通信系統利用星上轉發器，支持集群通信，可與地面電話網、民用移動通信等通信網絡互通，為陸海單元間提供不依賴于任務專用線路的“動中通”通信手段［6］。

根據天通衛星移動通信中各衛星的覆蓋范圍和發射海域位置，合理選擇天通衛星平臺，相關節點及值班室配備手持終端、便攜終端、車載終端，依托其現有網管站實現對入網終端設備的管控，可提供話音、數據、短消息、視頻以及定位信息等業務。天通衛星移動通信系統運用模式示意如圖6所示。

圖6 天通衛星移動通信系統運用模式示意Fig.6 Application mode of Tiantong satellite mobile communication system

2.3.5 系統間接口設計

系統間接口在設計時需盡量減少接口類型，以降低通信網絡的復雜度。海上航天發射通信網絡主要包括與指控中心計算機、C3I系統、測控設備、氣象設備以及通信應用業務的接口。為實現各類信息的綜合承載和信息共離，各系統間以IP協議接口為主。

3 效能評估

評價通信網絡的指標［7］有可靠性、傳輸性能、安全性等。針對本文研究與設計的內容，主要對通信網絡設計的可靠性、實時性、安全性進行簡要分析與評估。

3.1 網絡可靠性評估

通信網絡可靠性取決于傳輸層和網絡層結構與配置情況。在陸海間兩條衛星通信電路和船與船間的微波電路形成環狀保護，任意一條鏈路中斷均不影響指控中心、保障船、發射平臺3個節點的正常通信，可靠性較高。

為定量分析設計的網絡可靠性，將通信網絡中的每條傳輸鏈路作為系統可靠性計算模型的基本組成單元，采用系統串聯、并聯可靠度計算模型［8］進行評估。綜合考慮各傳輸鏈路的地理環境因素、鏈路中間節點數量、傳輸距離以及不可控因素，對各傳輸鏈路可靠性進行估值。保障船的船體穩定性相對較差，容易受海域環境影響，指控中心與保障船間衛星通信鏈路可靠度為Rs1，估算值為90%；發射平臺船體穩定性較高，指控中心與發射平臺間衛星通信鏈路可靠度為Rs2，估算值為95%；陸地間通信鏈路可靠性高，指控中心與岸上技術測試區間衛星通信鏈路可靠度為Rs3，估算值為99%；光纖通信鏈路可靠度為Ro，估算值為98%；船船間距離較近，兩條微波通信鏈路聚合后可靠度為Rm，估算值為99%。

3.1.1 節點間通信可靠性評估

a）指控中心與保障船間通信可靠性評估。

指控中心與保障船主用路由為指控中心與保障船間衛星通信鏈路，備用路由為指控中心與發射平臺間的衛星通信鏈路、船船間微波通信鏈路。兩節點間主備鏈路關系為并聯結構，衛星通信鏈路與微波鏈路為串聯結構。根據串聯、并聯系統可靠度計算模型計算公式不難得出，指控中心與保障船間通信可靠度Ra為99.4%。計算過程如下：

b）指控中心與發射平臺間通信可靠性評估。

指控中心與發射平臺主用路由為指控中心與發射平臺間衛星通信鏈路，備用路由為指控中心與保障船間的衛星通信鏈路、船船間微波通信鏈路。同樣，根據串聯、并聯系統可靠度計算模型可以得出指控中心與發射平臺間通信可靠度Rb為99.46%。計算過程如下：

c）指控中心與岸上技術測試區間通信可靠性評估。

指控中心與岸上技術測試區間主用路由為光纖通信線路，備用路由為衛星通信線路。根據并聯系統可靠度計算模型得出Rc為99.98%。計算過程如下：

3.1.2 網絡系統可靠性評估

由于任務組織要求指控中心與其他3個節點間通信鏈路均須保持有效，因此網絡可靠度Rn可參考串聯系統模型計算，計算結果為98.85%。計算過程如下：

3.2 網絡傳輸性能評估

a）實時性分析。

海上發射任務中，任務指控中心需要對任務測量信息進行實時處理，對信息傳輸時延有較高要求。為提高網絡傳輸實時性能，避免網絡擁塞和減小時延抖動，網絡設計采用了輕載和靜態路由策略，有效減小了數據包的排隊時延和異徑傳輸引起的時延抖動。

光纖通信構建的網絡，端到端網絡傳輸時延通常在100 ms以內，具體時延值與經過光傳輸設備的節點數和實際經過的光纖線路長度有關。在帶寬利用率低于60%的情況下，實際租用的光纖傳輸鏈路構建的網絡端到端時延測試結果在14～26 ms之間。

在使用地球靜止軌道衛星（距地高度約36 000 km）通信鏈路構建的通信網絡中，端到端傳輸時延主要取決于衛星通信電波在自由空間的傳輸距離，端到端傳輸時延約在270 ms左右。根據中國歷次海上發射任務中對衛星通信網絡測試結果統計，在帶寬利用率低于80%的情況下，端到端傳輸時延在260～290 ms之間。

b）丟包率評估。

衛星通信鏈路誤碼率一般優于10-7，光傳輸鏈路誤碼率一般優于10-10，所構建的IP 網絡丟包率優于0.1%（包長64 Byte）。實際設計的網絡丟包率指標測試結果優于0.01%。

3.3 安全（保密）性評估

海上發射區域一般選擇公海區域，周邊環境難以管控，且衛星通信和微波等無線通信工作頻段具有公開性，存在電磁泄露和無線信號遭非法獲取等風險。為確保信息安全，網絡設計中使用了網絡保密機實現對語音、數據、圖像等任務信息的加密傳輸，降低了信息被竊取的安全隱患。

4 結束語

海上航天發射通信網絡設計核心是根據系統間信息傳輸需求設計傳輸層和承載層。通信網絡設計時要充分考慮傳輸能力、冗余路由、信息流量傳輸需求、業務類型等因素，合理設計網絡。海上航天發射與陸地機動發射任務對通信網要求有所區別，通信裝備應著重提高適應濕熱、鹽霧、多雨等環境能力和復雜電磁環境的抗干擾能力。為適應載船使用面積有限、周期短、機動距離遠等特點，通信裝備盡量集成化，減少系統安裝調試時間以便快速組網?？紤]到海域發射的特殊性，必要時可補充短波通信作為最低限度通信手段，確保在出海作業時能夠應對極端、復雜的周邊環境。