海上航天发射通信组网模式研究与设计

史璐璐，孙立鹏，张亚龙，任幸东，李向鹏

（太原卫星发射中心，太原，030045）

0 引言

海上航天发射是一种新的卫星发射模式，有利于运载火箭执行特殊轨道卫星发射任务，可以选择低纬度发射区域，节约能耗，提高运载能力。国外海上发射技术已经有50 多年的历史［1］，但应用实践规模较小，1999 年3 月，海上发射公司成功发射了第1 枚运载火箭。

2019年6月，中国首次在海上成功发射了长征十一号火箭，验证了关键技术［2］。2020年9月，长征十一号火箭海遥二运载火箭发射的圆满成功，标志着中国海上发射进入了商业化应用阶段［3］。随着中国航天发射多样化深入拓展，发射试验任务逐步成为重点发展课题。海上航天发射任务的通信网络具有系统性强、可靠性和机动性要求高、易受环境影响等特点，陆海间通信、船船间通信是网络组织的难点。中国海上发射任务处于起步阶段，通信网络组织方面缺少可借鉴的经验，中国通信保障模式尚未形成固化模式。本文通过对通信组网结构及模式、信息传输流程、应急通信保障方式进行优化设计，旨在为海上航天发射通信网络的设计和快速构建提供参考，为提高海上发射任务通信保障能力奠定基础。

1 节点设置及信息系统组成

1.1 节点设置

根据海上发射任务组织模式，需要保障指控中心、岸上技术测试区、海上发射平台、保障船4个节点间的信息传输。任务准备阶段，通信系统需要保障岸上技术测试区对火箭和卫星技术状态测试工作。在火箭海上运输和发射阶段，要保障由指控中心、保障船及发射平台间组织信息通信。通信节点设置及信息传输需求示意如图1所示。

1.2 信息系统组成

1.2.1 业务系统组成

海上航天发射任务信息系统主要包括测发系统、测控系统、通信系统、气象系统等业务系统。通信网络是将各系统的任务信息快速、安全、可靠地提供给分系统内部和指控中心，在协同方面发挥关键作用。通信网络的功能和性能直接影响着整个发射任务信息系统的运行效率和应用效果。海上发射任务信息系统构成示意如图2所示。

图2 信息系统构成示意Fig.2 Information system composition

1.2.2 信息传输需求

指控中心也是信息处理、应用以及指挥系统的核心。发射平台、保障船、岸上测试技术区的测发系统设备、测控系统设备、气象系统设备、指挥通信设备的任务相关信息需要传输至指控中心，经过数据处理后为任务实时组织指挥提供决策支持。在发射平台、保障船、岸上测试技术区的分中心之间也需要获得任务实施发射的相关信息，便于协同指控中心完成发射任务各阶段的具体工作。

海上发射任务通信网络保障的业务类型主要有数据、指挥调度、图像、电话等。数据业务包括测发系统测试数据、C3I数据、船上测控设备数据、船上气象设备数据。指挥调度采用分级指挥方式，并覆盖各个重要参试岗位。图像业务传输将实施发射过程中的实况图像、状态监视图像、发射海域状况监视图像实时传输至相应的指挥所，为指挥员提供直观的决策支持。电话业务保障日常通信联络。

2 通信网络设计

2.1 设计原则

通信网络设计要以海上航天机动发射任务需求为牵引，运用IP网络综合承载各系统业务，结合保障海上发射转运过程中和发射区域的应急通信需求，建设结构体系合理、网络一体化、开放式、安全可靠的通信网络。在通信网络基础上构建信息系统基础平台，实现任务信息的网络传输、安全共享和智能处理，确保发射过程高效、安全、可靠运转。

通信网络设计原则为：

a）信息安全、保密性原则。

采用加密技术和完善的网络管理机制，应用可信的网络安全管理软件，确保信息系统的安全。

b）可靠性与实用性相结合原则。

采用成熟的通信网络设备，系统具备一定的可升级能力，同时具备必要的管理、冗余、备份、容错和网络自愈等功能，以保证可靠性和稳定性。

海上机动发射任务通信网络和信息传输关系复杂，安装放置空间有限，陆海间不具备地面电路开通条件。为适应机动快速发射特点，通信网络设计时要考虑经济性和实用性，控制好建设规模，避免盲目建设。

c）应急保障原则。

海上环境状况有很多不可控因素，当任务信息网络遭受破坏时，为准确掌握出海执行任务人员安全状况和所处环境，必须构建应急通信手段。

2.2 体系结构

通信网络体系结构设计分为传输层、承载层、通信应用层、通信网管、信息安全5个层次。

传输层主要包括光纤通信、卫星通信、微波通信等通信方式，为承载层提供信息传输电路。承载层目前主要是专用IP网络，担负各种任务信息和业务的综合承载。通信应用层主要是指通信系统为信息指挥中心提供指挥调度、图像、时统、电话等应用信息。通信网管与信息安全支撑着信息系统的高效、可靠运转。

2.3 组网设计

根据通信网络体系结构的要求，海上航天发射通信网络总体设计如图3 所示。除了发射任务信息外，还需在指控中心、发射平台、保障船配备卫星电话终端，作为应急通信手段。信息安全和通信网管采用常规通信组织方式。

图3 通信网络总体设计Fig.3 Overall design of communication network

2.3.1 传输层设计

传输层的构建是通信网络设计的主体工作，关系到通信网络的性能和可靠性。关键信息传输设计时电路和设备应有一定的冗余度，确保传输系统的高可靠性。通信网络传输层设计需要考虑各节点所处的地理位置、地形地貌、传输介质、信息带宽需求及路由冗余等多方面因素。

a）陆陆传输电路。

任务指控中心与岸上技术测试区间开通地面电路和卫星通信电路，分别构建IP体制通信网络，实现双路由同时传输信息。

b）船船传输电路。

在发射平台和保障船间使用两套独立的微波通信设备开通区域宽带网络［4］。合理设置微波系统天线数量和架设位置，保障两船在行进、转弯、调头过程中通信不间断。

c）陆海传输电路。

在任务指控中心与保障船、发射平台之间分别开通1条卫星通信电路，构建IP体制通信网络。为实现双路由保障，应使用两套地球站分别对应不同的卫星转发器，避免出现单点失效情况。保障船、发射平台应采用船载卫星通信天线或“动中通”天线技术，保证卫星通信链路在船体行进、船摇、较大风力等状况下通信不中断。

通过对以上传输层设计分析，保障船、发射平台、指控中心节点间为环状网络，任意两点间通信中断都能通过迂回路由保障通信不中断。各个节点间传输电路均构建IP体制通信网络，实现各个节点间信息传输和资源共享。

2.3.2 承载层设计

a）网络结构设计。

承载层以IP协议构建，为保障数据传输时延的相对稳定性，各个节点间采用广域网方式构建，按信息传递关系规划设计配置静态路由。

根据图3中网络层结构可以看出，岸上技术测试区与指挥中心间网络设计为双网双路由，在保障船与指控中心间构建单网双路由，发射平台与指控中心间构建单网单路由，两船之间使用两条微波电路构建单网双路由。两条微波电路可通过链路聚合技术实现捆绑和相互保护，提高网络带宽和可靠性。发射平台、保障船、指控中心间网络层设计高低优先级路由，实现信息传输的网络层保护。

b）网络负载设计。

由于对任务信息传输的实时性要求高，通信网需要以轻负载方式运行，以保证网络数据包的传输时延和丢包率满足任务要求。设计网络负载时，地面电路传输容量大，带宽利用率不超过60%，卫星通信电路受频率资源和传输能力限制，带宽利用率不超过80%。

2.3.3 应用层设计

通信网络主要保障数据、音视频、时统3类应用系统信息。测发、测控、气象设备数据业务系统由相应业务系统负责。通信系统需完成音视频和时统应用信息的系统性设计。

a）音视频应用系统。

1）指挥调度系统设计。

根据任务需要，一般设置分级指挥关系。一级为指控中心，二级为岸上技术测试区、保障船。保障船配置一套调度交换系统，完成发射平台与保障船间测发系统内部指挥通信任务。岸上技术测试区配置一套调度交换系统，完成火箭、卫星在技术厂房测试期间的通信指挥任务，发射阶段根据需求开通与指控中心、保障船间的调度。

2）电视监视系统设计。

电视监视系统重点是保障船、发射平台、指控中心间图像传输，岸上技术测试区可以经指控中心图像系统转发而获取发射区实况图像。电视监视系统由电视图像服务器系统、视频采集设备、视频传输设备3部分构成。

保障船配置一套具有图像汇集、分发、视频切换、图像设备远控、快速编辑回放、监视、存储、刻录等功能的图像系统。保障船与指控中心实现图像系统互联，根据发射流程不同阶段选取关键图像发送。发射区域图像源获取主要包括保障船和发射平台的发射实况图像、关键状态/场景监视图像。发射平台摄像机由保障船技术人员远程进行调焦、镜头拉伸等功能控制。电视监视系统设计示意如图4所示。

图4 电视监视系统设计示意Fig.4 Design of television monitoring system

3）电话通信。

在岸上测试发射区、保障船配置电话交换设备并接入指控中心电话交换系统，发射平台只配置电话终端。各关键岗位以局内放号、指控中心远程放号相结合的方式分别开通电话业务，提高电话业务可靠性。

b）时统设计。

海上发射任务中，受限于发射平台的通信方舱在危险区以内，T0控制台可设置在保障船或指控中心。模拟起飞触发信号可以在发射平台完成IP 格式转换，部署在保障船或指控中心的T0 控制台接收到IP 起飞触发信号后，通过减去网络传输时延、起飞信号判别时延、软件处理时延等综合修正参数，获得较为精确的T0信息［5］，并通过IP网络向数据处理中心发送。

以在发射平台配置起飞信号IP化装置、保障船设置T0控制台方式为例，设计T0产生和传输方案，起飞信号和T0 传输示意如图5 所示。起飞信号IP 化装置与起飞触点或火箭点火起飞信号接口间使用电缆通信方式传输。起飞信号IP化装置生成IP触发信号后，通过船间微波电路构建的IP 网络发送到保障船T0 控制台。T0 控制台在接收到IP 起飞信号后，形成T0，以组播方式向指控中心发送。主用路由使用保障船与指控中心间的卫星通信电路，备用路由使用船与船间的微波电路和发射平台与指控中心间的卫星通信电路。

图5 起飞信号和T0传输示意Fig.5 Transmission of takeoff signal and T0

2.3.4 应急通信

天通卫星移动通信系统利用星上转发器，支持集群通信，可与地面电话网、民用移动通信等通信网络互通，为陆海单元间提供不依赖于任务专用线路的“动中通”通信手段［6］。

根据天通卫星移动通信中各卫星的覆盖范围和发射海域位置，合理选择天通卫星平台，相关节点及值班室配备手持终端、便携终端、车载终端，依托其现有网管站实现对入网终端设备的管控，可提供话音、数据、短消息、视频以及定位信息等业务。天通卫星移动通信系统运用模式示意如图6所示。

图6 天通卫星移动通信系统运用模式示意Fig.6 Application mode of Tiantong satellite mobile communication system

2.3.5 系统间接口设计

系统间接口在设计时需尽量减少接口类型，以降低通信网络的复杂度。海上航天发射通信网络主要包括与指控中心计算机、C3I系统、测控设备、气象设备以及通信应用业务的接口。为实现各类信息的综合承载和信息共离，各系统间以IP协议接口为主。

3 效能评估

评价通信网络的指标［7］有可靠性、传输性能、安全性等。针对本文研究与设计的内容，主要对通信网络设计的可靠性、实时性、安全性进行简要分析与评估。

3.1 网络可靠性评估

通信网络可靠性取决于传输层和网络层结构与配置情况。在陆海间两条卫星通信电路和船与船间的微波电路形成环状保护，任意一条链路中断均不影响指控中心、保障船、发射平台3个节点的正常通信，可靠性较高。

为定量分析设计的网络可靠性，将通信网络中的每条传输链路作为系统可靠性计算模型的基本组成单元，采用系统串联、并联可靠度计算模型［8］进行评估。综合考虑各传输链路的地理环境因素、链路中间节点数量、传输距离以及不可控因素，对各传输链路可靠性进行估值。保障船的船体稳定性相对较差，容易受海域环境影响，指控中心与保障船间卫星通信链路可靠度为Rs1，估算值为90%；发射平台船体稳定性较高，指控中心与发射平台间卫星通信链路可靠度为Rs2，估算值为95%；陆地间通信链路可靠性高，指控中心与岸上技术测试区间卫星通信链路可靠度为Rs3，估算值为99%；光纤通信链路可靠度为Ro，估算值为98%；船船间距离较近，两条微波通信链路聚合后可靠度为Rm，估算值为99%。

3.1.1 节点间通信可靠性评估

a）指控中心与保障船间通信可靠性评估。

指控中心与保障船主用路由为指控中心与保障船间卫星通信链路，备用路由为指控中心与发射平台间的卫星通信链路、船船间微波通信链路。两节点间主备链路关系为并联结构，卫星通信链路与微波链路为串联结构。根据串联、并联系统可靠度计算模型计算公式不难得出，指控中心与保障船间通信可靠度Ra为99.4%。计算过程如下：

b）指控中心与发射平台间通信可靠性评估。

指控中心与发射平台主用路由为指控中心与发射平台间卫星通信链路，备用路由为指控中心与保障船间的卫星通信链路、船船间微波通信链路。同样，根据串联、并联系统可靠度计算模型可以得出指控中心与发射平台间通信可靠度Rb为99.46%。计算过程如下：

c）指控中心与岸上技术测试区间通信可靠性评估。

指控中心与岸上技术测试区间主用路由为光纤通信线路，备用路由为卫星通信线路。根据并联系统可靠度计算模型得出Rc为99.98%。计算过程如下：

3.1.2 网络系统可靠性评估

由于任务组织要求指控中心与其他3个节点间通信链路均须保持有效，因此网络可靠度Rn可参考串联系统模型计算，计算结果为98.85%。计算过程如下：

3.2 网络传输性能评估

a）实时性分析。

海上发射任务中，任务指控中心需要对任务测量信息进行实时处理，对信息传输时延有较高要求。为提高网络传输实时性能，避免网络拥塞和减小时延抖动，网络设计采用了轻载和静态路由策略，有效减小了数据包的排队时延和异径传输引起的时延抖动。

光纤通信构建的网络，端到端网络传输时延通常在100 ms以内，具体时延值与经过光传输设备的节点数和实际经过的光纤线路长度有关。在带宽利用率低于60%的情况下，实际租用的光纤传输链路构建的网络端到端时延测试结果在14～26 ms之间。

在使用地球静止轨道卫星（距地高度约36 000 km）通信链路构建的通信网络中，端到端传输时延主要取决于卫星通信电波在自由空间的传输距离，端到端传输时延约在270 ms左右。根据中国历次海上发射任务中对卫星通信网络测试结果统计，在带宽利用率低于80%的情况下，端到端传输时延在260～290 ms之间。

b）丢包率评估。

卫星通信链路误码率一般优于10-7，光传输链路误码率一般优于10-10，所构建的IP 网络丢包率优于0.1%（包长64 Byte）。实际设计的网络丢包率指标测试结果优于0.01%。

3.3 安全（保密）性评估

海上发射区域一般选择公海区域，周边环境难以管控，且卫星通信和微波等无线通信工作频段具有公开性，存在电磁泄露和无线信号遭非法获取等风险。为确保信息安全，网络设计中使用了网络保密机实现对语音、数据、图像等任务信息的加密传输，降低了信息被窃取的安全隐患。

4 结束语

海上航天发射通信网络设计核心是根据系统间信息传输需求设计传输层和承载层。通信网络设计时要充分考虑传输能力、冗余路由、信息流量传输需求、业务类型等因素，合理设计网络。海上航天发射与陆地机动发射任务对通信网要求有所区别，通信装备应着重提高适应湿热、盐雾、多雨等环境能力和复杂电磁环境的抗干扰能力。为适应载船使用面积有限、周期短、机动距离远等特点，通信装备尽量集成化，减少系统安装调试时间以便快速组网。考虑到海域发射的特殊性，必要时可补充短波通信作为最低限度通信手段，确保在出海作业时能够应对极端、复杂的周边环境。