航天测控：人类伸向太空的触角

　　航天测控：人类伸向太空的触角

　　二十世纪五十年代出现的航天技术，开辟了人类探索外层空间活动的新时代。经过近半个世纪的迅速发展，人类航天活动取得了巨大成就，极大地促进了生产力的发展和社会的进步。今天，航天技术已成为对现代社会最具影响力的高技术之一，世界各国纷纷把发展航天技术作为现代化建设的重要内容。

中华民族在人类发展史上曾创造过灿烂的古代文明。1949年中华人民共和国成立后，中国依靠自己的力量，独立自主地开展航天活动，于1970年成功地研制并发射了第一颗人造地球卫星。迄今，中国在航天技术领域已经取得了举世瞩目的成就，在航天测控等领域已跻身世界先进行列。

　　目前，在距地球数百公里外的太空中运行着上千个人造航天器，这些航天器犹如人们放入太空中的"风筝"，而控制这些航天器的"无形之手"就是航天测控。航天测控由各种各样的测控平台组成，直接对航天器(包括运载火箭)实施跟踪测量和控制，使航天器能够按照人们的要求运行和工作。那么，什么是航天测控系统呢？航天测控系统又是如何开展工作的呢？让我们一起进入人类航天测控的天地，揭开航天测控的神秘面纱。

　　解读航天测控系统

　　航天测控系统是指对运行中的航天器（运载火箭、人造地球卫星、宇宙飞船和其他空间飞行器）进行跟踪、测量和控制的大型电子系统。航天测控系统包括以下几个方面： 跟踪测量系统：跟踪航天器，测定其弹道或轨道；遥测系统：测量和传送航天器内部的工程参数和用敏感器测得的空间物理参数；遥控系统：通过无线电对航天器的姿态、轨道和其他状态进行控制；计算系统：用于弹道、轨道和姿态的确定和实时控制中的计算；时间统一系统：为整个测控系统提供标准时刻和时标；显示记录系统：显示航天器遥测、弹道、轨道和其他参数及其变化情况，必要时予以打印记录；通信、数据传输系统：作为各种电子设备和通信网络的中间设备，沟通各个系统之间的信息，以实现指挥调度……各种地面系统分别安装在适当地理位置的若干测控站（包括必要的测量船和测控飞机）和一个测控中心内，通过通信网络相互联接而构成整体的航天测控系统。

　　我国航天测控系统的特点

　　规模适当，布局合理，以较少的投入获得了较大的效益。这是我国航天测控网的鲜明特色。为满足载人航天的基本要求，我国航天测控网建立了网络管理中心，对测控网进行集中监控，并负责测控资源的动态优化配置，实现了对陆上、海上所有13个测控站的联网和统一管理调度。我国航天测控网可对火箭、各种轨道卫星和载人飞船等航天器提供高精度测控支持服务，实现了"飞向太空、返回地面、同步定点、一网多星、国际兼容、飞船回收"六大历史性跨越。我国航天测控网不仅轨道测算精度高，而且具备天地话音、电视图像和高速数据传输等能力。测控中心的专家组可根据各测控站传来的信息，研究决策并直接向航天器发送指令，实现了对航天器的"透明"控制，大大强化了监控能力，特别是提高了在应急情况下的测控能力。我们充分利用我国有限的国土跨度和其他资源，通过优化测控站、船布局，确保航天器在上升段、变轨段、返回制动段、分离段等关键飞行段落的测控支持。

　　在对"神舟"飞船数次飞行试验的检验之后，我国航天测控系统已经日趋完善，整体性能达到了国际先进水平，可以满足载人航天工程及未来航天飞行器测控需要。据媒体报道，以载人航天工程建设的需求为牵引，我国航天测控网在原有测控网基础上，新建了自行开发研制、符合国际标准的 S频段统一测控系统，可实现对"神舟"飞船的透明监控，测控资源由网管中心优化配置。它将成为我国当前和未来航天器飞行测控的骨干测控网。目前，我国航天测控网可同时为20颗以上卫星和飞船提供测控支持服务。在我国已圆满完成的30颗国际商业卫星发射业务中，西安卫星测控中心都提供了良好的测控支持。2005年05月09日经过检验，正在空间运行的"探测一号"和"探测二号"卫星各项有效载荷运转正常，测控数据传输顺利。这表明我国新一代航天测控通信系统对卫星实施了成功的测控管理，标志着我国航天测控能力实现了由近地轨道、地球同步轨道到极高椭圆轨道的新跨越。"地球空间北京跟踪与通信技术研究所担负着我国航天测控系统的总体规划设计任务。由于" 探测二号"卫星的轨道高度比地球同步卫星高出一倍多，比测控设备的最初设计指标远出近一倍，卫星测控成了首要难题。为此，科技人员通过合理配置地面测控设备和调整设备参数，制定了合理的系统设计方案和应对措施，成功解决了弱信号情况下的测控可靠性问题。双星探测计划"是我国与欧洲空间局联合开展的一项航天合作项目，是人类历史上首次对地球空间环境进行六点立体探测。

　　航天测控的重要性

　　2005年7月4日，美国宇航局的"深度撞击"号彗星探测器，与"坦普尔1号"彗星进行了一次史无前例的碰撞，在距地球1.3亿公里、相对飞行速度达到每小时36000公里的条件下，"深度撞击"号准确地命中了"坦普尔1号"彗星。在成功实施这次撞击前，科研人员已经精确计算出探测器和"坦普尔1号"彗星的运行轨道，控制探测器按既定轨道飞行；及时检测飞行参数以确定是否需要修正其轨道；发出指令修正并改变探测器轨道；准确地在预定轨道位置释放撞击器。这一切说明，对彗星探测器的精确测控是完成这次撞击实验的重头戏。至今，人类已先后将5000多颗卫星、飞船、航天飞机和空间站等航天器送入太空。然而，太空并未因此变得杂乱无序，一个神奇的力量引导着这些航天器始终按照自己的轨道飞行，偶尔偏离轨道，也能很快"迷途知返"；一旦发生了故障，就能得到及时抢救和精心照料；即使意外失控陨落，人们也能及早预知，防患于未然。这个神奇的力量，来自于庞大的航天测控网。

　　航天测控的主要内容

　　根据航天测控方式的不同，可将航天测控划分为以下几个内容。

　　陆地测控。航天测控的基本组成是遍布全球的陆地测控站。为确保对航天器轨道的有效覆盖并获得足够的测量精度，通常利用在地理上合理分布的若干航天测控站组成航天测控网。因此根据测控区域的要求，陆地测控站分布范围很广，可以建在本国境内，也可以建在全球任何适于测控的地方。

　　地面测控是一件非常重要、非常精细和非常复杂的工作。卫星的地面测控由测控中心和分布在各地的测控台、站（测量船和飞机）进行。在卫星与运载火箭分离的一刹那，测控中心要根据各台站实时测得的数据，算出卫星的位置、速度和姿态参数，判断卫星是否入轨。入轨后，测控中心要立即算出其初轨根（参）数，并根据各测控台站发来的遥测数据，判断卫星上各种仪器工作是否正常，以便采取对策。这些工作必须在几分钟内完成。卫星在整个工作过程中，测控中心和各测控台站还有许多繁重的工作要做。其一是不断地对其速度姿态参数进行跟踪测量，不断地精化其轨道根数；其二是对星上仪器的工作状态进行测量、分析和处理；其三是接收卫星发回的科学探测数据；其四是由于受大气阻力、地球形状和日月等天体的影响，卫星轨道会发生振动而离开设计的轨道，因此要不断地对卫星实施轨道修正和管理。对于返回式卫星，在返回的前一圈，测控中心必须计算出是否符合返回条件。如果符合，还必须精确地计算出落地的时间及落点的经纬度。这些计算难度很大，精度要求很高，因为失之毫厘，将差之千里。返回决定作出后，测控中心应立即作出返回控制方案，包括向卫星发送各种控制指令的时间、条件等。卫星进入返回圈后，测控中心命令有关测控台站发送调整姿态、反推火箭点火、抛掉仪器舱等一系列遥控指令。在返回的过程中，各测控台站仍需对其进行跟踪测量，并将数据送至测控中心。由此可见，为使卫星正常地工作，必须有一个庞大的地面测控系统日以继夜地紧张工作。卫星测控中心是这个系统的核心。计算大厅是测控中心的主要建筑之一，那里聚集着众多的大型计算机。除了看得见的硬件外，还有许多看不见的软件--对卫星进行管理的程序系统，包括管理程序、信息收发程序、数据处理程序、轨道计算程序、遥测遥控程序和模拟程序等。这些硬件和软件，既有计算功能，又有控制功能，它们是测控系统的大脑。测控中心还有它的神经网络，即通信系统，它通过大量的载波电路、专向无线电线路、各向都开通的高速率数据传输设备，把卫星发射场、回收场以及各测控台站等四面八方联系起来。

　　航天测控站的任务是直接对航天器进行跟踪测量、遥测、遥控和通信等，它将接收到的测量、遥测信息传送给航天控制中心，根据航天控制中心的指示与航天器通信，并配合控制中心完成对航天器的控制。陆地测控站通常由跟踪测量设备、遥测设备、遥控设备、计算机、通信设备、监控显示设备和时间统一设备组成。随着无线电技术的发展，测控设备也在不断发展，独立的跟踪测量设备、遥测设备和遥控设备已逐步被共用一路载波信道的统一测控系统所代替。由于数据处理和控制指令生成主要由航天控制中心完成，故航天测控站的计算机以小型或微型计算机为主，履行数据录取、信息交换和测控设备的自动化监控等任务。选择陆地测控站站址的要求是：遮蔽角小，电磁环境良好，通信和交通方便。美国在全球各地有数十个固定和机动的测控站。俄罗斯的测控站也非常多，主要分布在原苏联境内，其中拜科努尔发射场就有4个测控站,其它地方的太空跟踪系统和测控站也不下20个。目前，陆地测控站正在向高功能、国际联网测控和综合利用方向发展。但由于受到地理、经济、政治等条件的限制，一个国家不可能通过在全球各地建立测控站的方式来满足所有的航天测控需求，即使目前最大的陆地测控网，也只能覆盖大约15%的测控范围。为此，各国发展了其它的测控方式，以弥补陆地测控站无力触及的测控盲区。

　　我国的陆地航天测控已经取得了长足发展。西安卫星测控中心根据"神舟"六号飞船多人、多天飞行试验的技术要求，展开科研攻关，测控通信和着陆场两大系统建设取得一系列新的进展。在我国"神舟"系列飞船飞行试验中，测控通信和着陆场系统的工作状态及可靠性已得到充分考验。针对第二次载人飞行乘员增加、运行周期长的特点，西安卫星测控中心集智攻关，对软、硬件系统进行了多项改进，各测控站的任务准备时间已缩短至原来的一半左右，测控通信系统的整体技术性能得到了显著提高。西安卫星测控中心建成的集测控、通信、搜索救援回收和气象保障于一体的新型着陆场系统，具有机动能力强、高度协同和高可靠性的特点，可确保"神舟"系列飞船在各类复杂环境下回收任务的完成。为满足"神舟"六号飞船飞行试验需要，着陆场系统新增了光学测量站，具备了拍摄飞船返回舱开伞过程以及下降过程的实况记录功能。据悉，在中国"神舟"系列飞船飞行试验中，测控通信系统和着陆场系统的工作状态及可靠性已得到充分考验。针对第二次载人飞行航天员人数增多、运行周期长的要求，西安卫星测控中心在总结前5次飞船飞行试验经验的基础上，对软、硬件系统进行了一系列改进。与前5次试验相比，测控通信系统的整体技术性能得到了显著提高。航天测控专家指出，新建成的集测控、通信、搜索救援回收和气象保障于一体的新型着陆场系统具有机动能力强、高度协同和高可靠性要求的特点。届时，在"神舟"六号飞船飞行试验中，着陆场气象系统将新增气象预报设备和光学测量站，可以解决飞船运行时间延长带来的气象保障预报难题，并具备了拍摄飞船返回舱开伞过程以及下降过程的实况记录功能。

　　海洋测控。 世界上第一艘航天远洋测量船是美国的"阿诺德将军号"，1962年下水。第二年，不甘落后的前苏联也造出了"德斯纳号"。海上测量船是对航天器及运载火箭进行跟踪测量和控制的专用船。它是航天测控网的海上机动测量站，可以根据航天器及运载火箭的飞行轨道和测控要求配置在适当海域位置。其任务是在航天控制中心的指挥下跟踪测量航天器的运行轨迹，接收遥测信息，发送遥控指令，与航天员通信以及营救返回溅落在海上的航天员；还可用来跟踪测量试验弹道导弹的飞行轨迹，接收弹头遥测信息，测量弹头海上落点坐标，打捞数据舱等。

　　航天测量船可按需要建成设备完善、功能较全的综合测量船和设备较少、功能单一的遥测船。它们除具有船舶结构，控制、导航、动力等系统外，还装有相应的测控系统。综合测量船测控系统一般由无线电跟踪测量系统、光学跟踪测量系统、遥测系统、遥控系统、再入物理现象观测系统、声呐系统、数据处理系统、指挥控制中心、船位船姿测量系统、通信系统、时间统一系统、电磁辐射报警系统和辅助设备等组成。

　　目前，美国现役的测量船有"红石"号、"靶场哨兵"号和"观察岛"号3艘；俄罗斯现役的测量船有"加加林"号、"柯玛洛夫"号、"克雷洛夫"号等21艘，其中，"加加林"号满载排水量5.35万吨，是世界上吨位最大的测量船。为适应航天技术发展的需要，美、俄等国正不断为测量船增添性能更可靠、精度和自动化程度更高的测控设备。中国是继美、俄、法之后第四个拥有航天远洋测量船的国家，远望一号和远望二号都是在1977年下水的。虽然时间上比其它3个国家晚了十几年，但在测量和控制的技术水平上却毫不逊色。1990年，中国首次为国外公司发射了"亚洲一号"卫星，当时，休斯公司要求中方必须在卫星发射后半小时内向美方专家提供卫星的初轨根数。结果，远望号只用了8分钟就完成了发现、锁定目标并发出初轨根数的一系列工作，而且，测出的初轨精度比休斯公司所要求的准确了好几倍。海上测控有许多困难，其中之一就是在船动、测控仪器动、目标也动的状况下，如何保证测量精度？中国的测控人员在这方面摸索出了一整套的解决方案。比如选择测量海况较为平静的海域；在天线上安装陀螺稳定装置，在船体上配装减摇鳍以有效地消除和减少船摇；在数学方法上，他们则考虑了各种动态因素，能够精确地计算出测量时的雷达中心位置。在测量精度上，远望号航天远洋测量船完全可以和国外的陆上航天测量站相媲美。

　　飞机测控。测量飞机是航天测控网中的空中机动测控站，可部署在适宜的空域，配合和补充陆上测控站和海上测量船的工作，加强测控能力。测量机上装载天线，遥测接收、记录、时统、通信、数据处理等设备及控制台；有的在靠近机头的外侧有专用舱，以安装光学跟踪系统。

　　测量飞机的作用灵活而多样，具体来说在弹道式导弹和运载火箭的主动段，可接收、记录和转发遥测数据，弥补地面遥测站因火焰衰减收不到某些关键数据的缺陷；装备光学跟踪和摄影系统的飞机可对多级火箭进行跟踪和拍摄各级间分离的照片；在航天器再入段，可有效地接收遥测数据并经通信卫星转发;装备紫外光、可见光和红外光谱测量仪的飞机可测量导弹再入体的光辐射特性；在载人航天器的入轨段和再入段，可保障天地间的双向话音通信，接收和记录遥测数据，并实时转发给地面接收站，必要时给航天器发送遥控指令。测量飞机的发展趋势是选用更高性能的运输飞机，并用相控阵天线取代抛物面天线，对多目标进行跟踪和数据采集，提高其测控能力。

　　卫星测控。天基测控卫星主要是利用通信卫星和跟踪与数据中继卫星系统，跟踪与数据中继卫星系统是一种可跟踪地球轨道飞行器并将数据传回地面站的空间中继站，该系统主要用于实时中继传输各类低轨航天器用户的信息。

　　卫星在太空中"站的高、看的远"，具有其它测控方式无可比拟的优势，天基测控卫星的使用大大拓展了航天测控网的覆盖范围。工作在地球静止轨道上的通信卫星和跟踪与数据中继卫星组成星座，便可覆盖地球上除南、北极点附近盲区以外的全球所有区域；如果与极地轨道的卫星相配合，即可实现全球覆盖。美国的第一代天基测控网由7颗跟踪与数据中继卫星组成，可同时覆盖25颗中、低轨道卫星，数据传输速率可达300Mb/s，可为12种航天器提供服务。目前正在部署的第二代天基测控网功能更加先进，一颗跟踪与数据中继卫星可同时接收5个航天器传来的信号，并同时向一个对象发送信号，可以实时传输各类航天器的数据信息，传输速率将增至1.2Gb/s～2Gb/s，实现对中、低轨道的全部覆盖。

　　目前，美国、欧盟和日本都在发展新一代跟踪与数据中继卫星系统，数据传输码速率越来越高，通信频段正向着Ka频段和光学频段发展。随着新一代测控卫星陆续投入使用和性能的提高，天基测控将成为未来航天测控的重要发展方向。