测通天地 遥瞰星辰 叩问苍穹 步履不停
2003年10月15日，中国第一艘载人飞船神舟五号发射成功。我们第一次听见了来自太空的中国声音，我们第一次看见了来自太空的中国画面。
在20年后的今天，中国已经全面迈入空间站时代，以全景摄像机、话音处理器和高速通信处理器等为代表的测控通信产品日趋完美。
保障天地通话的测控通信产品是如何发展演变的？中国航天科技集团有限公司八院804所来解密。
奠基：全凭敢闯敢试
“‘921工程’看飞船，飞船就看测控与通信。”测控与通信分系统对于载人航天各个型号飞行器都是至关重要的，是保障飞行器正常运行的神经系统。作为载人航天研制队伍中的重要成员，804所从神舟一号开始，便承担了测控与通信分系统单机产品的研制工作。从1999年神舟一号发射成功到2003年神舟五号成功将中国首位航天员杨利伟送入太空，再到2011年作为中国空间站建设起点的天宫一号顺利升空，中国航天人步履不停，遨游浩瀚，探索未知。
2013年6月20日上午10点，“大家好，我是王亚平，本次授课由我主讲……”804所的图像和话音设备完整记录了神舟十号乘组航天员王亚平在天宫一号空间实验室讲授的特殊的物理课，太空单摆实验、陀螺实验、水膜和水球实验等在一代青少年心中埋下科学的种子，指引着他们向星辰大海前进。从早期载人飞船VCD的图像水平，到天宫空间实验室阶段DVD的水平，从单板相机和电源、通道切换设备分立的形式，到单镜头的高清相机，加上天宫一号的话音处理器采用低码速率高质量话音编码技术，突破了以往只能抓取基本声波语气的瓶颈，在太空的极端物理环境下，实现了高质量的话音通信功能。图像清晰、声音保真度高，不但能通话，而且能进行双向高保真话音传输，助力中国首次太空授课取得圆满成功。
也正是从这个时候起，天地通信的图像、话音、遥控以及有效载荷等多路数据骤然增多。如果说快速高效地进行天地间的数据处理与传输是中国空间站向前发展过程中的“必答题”，那么实现天地间数据的“九省通衢”则是804所高速通信处理器交出的高分答卷。2005年，在总体单位的统筹安排下，804所启动了高速通信处理器的立项论证，产品于2006年8月转入初样研制。在先后进行的三次方案设计中，804所高速通信处理器团队成员敢闯敢试，勇当开路先锋，实现了“从0到1”的历史跨越。
作为高速通信处理器的“首秀”，天宫一号搭载的高速通信处理器是首台具有动态调度功能的高速数据处理器，可以实现对图像、话音、遥控以及有效载荷等多路数据的动态调度组帧、编码及数据分接等功能，重点解决了动态调度算法的设计及实现、高速LVDS信号交叉备份输出、高速时钟切换及连续位流数据的动态平滑输出等问题。
作为804所初代高速通信处理器的技术负责人，张风源从学校毕业之后便投入到该产品的研发设计中。为了实现单机的高速处理能力，他查阅了大量文献资料，刻苦钻研，最终突破了高速RS编码与交织、高速RS译码、动态调度算法、高速数据接口以及位流数据的恢复等一系列复杂问题。经过多次优化之后，高通的数据处理能力及可靠性大大提升，在满足总体技术要求的同时，也为804所后续产品的研发设计奠定了坚实的基础。
开创：苦战定能过关
“我已出舱，感觉良好！”
2008年9月27日，在刘伯明和景海鹏的密切配合下，神舟七号航天员翟志刚缓缓踏出飞船舱门，他手中的五星红旗在太空中高高飘扬。而他说出的那句：“我已出舱，感觉良好”至今听来依然心潮澎湃。
2021年7月4日，航天员刘伯明和汤洪波先后从天和核心舱内成功出舱。这是继神舟七号飞行乘组顺利完成出舱任务后，时隔13年，中国航天员再次执行出舱任务。通过气闸舱定向摄像机a和全景摄像机d,浩瀚太空触手可及。
人世间有一种唯美叫“陪你看日出日落”。在太空中，这种唯美画面航天员一天可以经历16次。但300度左右的温差、真空失重、强辐射环境对全景摄像机来说，未必是件好事——太阳很可能频繁进入全景摄像机的视场，使画面曝光过度。“我们设计了一种自动曝光算法，可以适应不同场景的光线明显变化。”804所全景摄像机主任设计师徐起骄傲地说。作为地面工作人员唯一的“眼睛”，804所“智”造的摄像机通过24小时不间断的监视将在必要时刻为航天员赢得一线生机，为航天员的出舱活动保驾护航。
图像子系统是飞船的“眼睛”，可以将飞船发射飞行过程的图像完整、实时、清晰地显现在全世界人民的面前，为飞船的飞行之旅留住了精彩的瞬间，但图像产品的研制依旧困难重重。
在一次试验中，图像团队发现舱内摄像机在联试过程中发生色彩有轻微变化的现象，“其实对于普通监视摄像机，或许那根本就算不上问题。” 主管设计师沈剑锋回忆道，“但对于成熟产品出现的问题，大家关注度尤其高，而且作为上天产品，图像团队都感到高度紧张与不安。”那几天，大家一起“憋”在实验室，通过使用不同的摄像机，放置于不同的光照环境，进行高低温摸底、加干扰等等验证试验。“我们必须要确定它发生的原因，不能就这么不明不白地蒙混过去。”
几个通宵达旦的“车轮式”排查，几个故障分析树上的红叉叉，设计师们最终确认了引起该现象的原因是摄像机所处的测试环境中日光灯管的频闪引起了自动白平衡调整，属正常现象。就是团队这样苦战的决心和毅力，使得804所的图像产品在每一次发射任务中都能完美演绎。
到了空间站建造阶段，为满足空间站组网需求，804所研制的第二代高速通信处理器整合了图像、话音和以太网关的功能。以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准，可以不受空间限制来进行信息交换。有价值的信息在以太网中被资源整合，具有信息量大、高效、快速的传输特点，而且信息交换的成本低，应用也越来越广泛。目前，以太网通信技术已成为空间站天地通信、器间通信的主流通信方式。
804所研制的第二代高速通信处理器是对初代产品的继续开拓，是空间站通信网技术的“试金石”。它集百兆网络、光纤通信、高速DSP处理技术、网关服务器、高清图像及话音等多项新技术于一身，是天地组网的中心枢纽，被称为“通信神器”。正是有了这台“神器”，航天员在“太空家园”的生活不再枯燥，有了它，天地间的距离将更为亲近。航天员可以视频通话，也可以即时接入移动终端，还可以上网冲浪，听音乐看视频等等。
从天舟二号开始，高通又增加了空间站天地互联网数据代传以及天地互联网组播分发功能，在不增加通道带宽的情况下，地面、空间站能同时收发视频、音频数据。为了提高网络通信的可靠性，804所第二代高通技术负责人邓松峰带领团队还特意增加了网络安全策略设置功能，确保非法数据无法通过。凭借这台“神器”，他们获得了“科学技术进步奖”，邓松峰本人也获得了“曾宪梓载人航天基金奖突出贡献奖”的殊荣。
这一代高速通信处理器实现了三个“首次”：首次在飞船上实现基于以太网交换架构的信息融合技术，构建了以太网交换为基础的系统拓扑结构，实现了飞船内、外设备及模块的互联互通；首次在飞船上实现空间异构信息网络多功能网关技术，解决了以太网、1553B总线、数传网络的高低速总线网络通信问题；首次在飞船上实现基于以太网的多模式高清视频、话音编解码技术，实现了基于空间以太网通信的大数据量高清视频传输，其中各类音视频网络信息流的自动识别、处理、显示和播放的功能也为可视化通信提供技术支持。
“航天这条路很艰辛，需要攻关的新技术越来越多，我们不能墨守成规，要把创新技术可靠地运用到航天中去，为了实现这个梦想，就需要设计师脚踏实地去验证，去突破，而年轻人身上的那种创新和勇于打破墨守成规的拼劲，也给我们希望。”邓松峰说道。
攀登：创新永无止境
“曙光，我是神舟十五号！癸卯兔年即将到来，我们在中国空间站祝你们新春快乐，万事如意！”
“谢谢神舟十五号，我们给你们准备了新春大礼包，祝你们新年快乐！”
相距400公里，这是天地之间的春节问候。2023年1月21日，中国航天员迎来了中国空间站全面建成后的首个除夕。问天舱内，三位航天员特意穿上“祥云服”，挂福字、贴春联、舱壁上的“小麦盆景”绿意盎然……804所“智”造的摄像机将太空家园中满满的年味儿传回地面。
建设世界科技强国，不是一片坦途，唯有创新才能抢占先机。空间站中的话音处理设备和高速通信处理器正是航天技术不断升级的代表产品。
话音处理设备是航天员天地通话、器间通话的必需设备，可为航天员在发射、在轨、返回等环节提供实时语音通信保障。804所话音产品技术负责人黄建青介绍道：“空间站建造阶段的话音处理器，在原有的天地话音链路的基础上，增加了全新的用于交会对接的空空话音链路通道，可以实现载人飞船与空间站对接前的高质量双向通话，为宇航员们在空间站这个太空家园中的生活和工作提供了便携式通话服务，航天员可以不用来回在各个舱之间穿梭就可以进行信息传递。”
与天地链路相比，空空链路存在带宽限制，为了保证通话质量，804所话音处理团队开展了多项方案论证和技术攻关工作，对话音编码算法进行了多次模拟和仿真，经过对编码模式进行改进，“最终使空空话音链路的编码速率降低了的情况下，通话质量依然清晰。”黄建青兴奋的心情溢于言表，“同时，为了提高天地通话的可靠性，新一代的话音处理设备增加一路话音数据下行链路并通过USB应答机下传，通过增加冗余备份通道，确保了话音天地长链路传输的可靠性。另一方面，与兄弟单位一起研制的加解密模块中的密码算法也进行了全新升级，使天地密话通话更具安全性。”
为了实现“技能升级”，确保技术状态更改的正确性，804所话音处理团队在黄建青的带领下在短短的半年的时间里从方案论证到实现，完成了产品的电性能验证及各类鉴定试验的考核，从而保证飞行产品的按时投产与交付。“每一次的升级，对我们也是一次提升，如何保质保量地完成任务，确保成功一直是我们矢志不渝的追求。”黄建青说道。
空间站三舱配置的高速通信处理器是804所研制的第三代高通设备。相比于上一代产品，空间站内的高速通信处理器又再次创新地实现了三个国内“首次”：首次突破了天地通信以太网带宽10倍的跨越；首次采用国产大规模FPGA实现多网口间网络数据交换、高速缓存、路由表维护和网络安全管理；首次采用动态自动网络流量控制技术，实现对多流控终端的统一管理，大大提高了系统可靠性和中继带宽利用率。
朱浩文是第三代高速通信处理器的负责人，也是804所空间站核心舱的技术负责人。2010年，彼时还是所培生的朱浩文在师傅王晓平和魏文超的带领下加入高通团队。两年后，空间站系统组织召开空间站立项综合论证评审会，会上，评审组专家一致认为空间站系统已按要求完成全部立项论证工作，开始转入方案阶段研制工作。2014年1月，804所完成核心舱方案阶段各项技术攻关总结，转入初样研制阶段。也就在此时，毕业不久的朱浩文，正式踏上了空间站高通研制的漫漫征途。
这一代高速通信的特点是处理器速率高、功能复杂，进入初样研制时，高速通信处理器率先落实关键元器件国产化要求，804所通过分类梳理、对比分析、设计优化等一系列工作，开展了多轮产品的元器件国产化论证和迭代，最终实现了元器件种类国产化比率大大提升。
作者：史博臻 任帅娟 杨榛
编辑：商慧
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