“國際空間站”飛行控制及測控通信支持分析

郭麗紅（北京跟蹤與通信技術研究所）

“國際空間站”飛行控制及測控通信支持分析

郭麗紅（北京跟蹤與通信技術研究所）

1998年11月，隨著“國際空間站”（lSS）曙光號（Zarya）多功能艙的發射，休斯敦和莫斯科的“國際空間站”飛控人員和工程保障隊開始聯合行動，實施對“國際空間站”的飛行控制和測控通信支持。此后，“國際空間站”不斷發展，參與的國家和組織逐漸增多，其飛行控制和測控通信基礎設施也逐漸發展成為分屬多個國家和組織、遍布世界各地的地基設施和天基設施組成的系統，支持多種接口協議和標準。本文介紹支持“國際空間站”飛行控制與測控通信的主要地基設施（7個控制中心和2個地面通信網）和天基設施（4個數據中繼衛星系統），并在分析“國際空間站”飛行控制與測控通信支持能力現狀的基礎上，展望其未來的發展趨勢。

1　主要地基設施

“國際空間站”的地基測控通信支持基礎設施遍布美洲、歐洲等地，其中，在“國際空間站”飛行控制及測控通信支持中起主要作用的主要包括7個控制中心、連接控制中心的通信網和多個載荷控制中心以及若干地面站。

控制中心

1）美國休斯頓任務控制中心（MCC-H）。負責“國際空間站”的整體操作及安全，以及所有美國航空航天局（NASA）硬件的發射、對接和集成。

2）俄羅斯莫斯科任務控制中心（MCC-M）。負責俄羅斯艙段的發射對接、集成和控制，以及同NASA協調拜科努爾發射場的發射，并在休斯敦任務控制中心發生緊急情況失去控制能力時接管空間站的控制。

3）阿拉巴馬州亨茨維爾載荷操作與集成中心（POIC）。設在馬歇爾航天飛行中心（MSFC）的載荷操作與集成中心協調所有NASA載荷的操作、規劃和安全，提供管理和集成載荷操作的能力，還依照個別載荷用戶的要求，為其提供操作和控制他們的載荷和實驗的能力。

4）德國奧伯法芬霍芬哥倫布控制中心（Col-CC）。它是哥倫布號（Columbus）實驗艙的操作中心，主要職能包括∶星上和地面的任務規劃；監視、控制哥倫布號實驗艙的技術系統以及有效載荷；提供和操作配套的互聯地面子網（IGS）；協調對“國際空間站”上的歐洲有效載荷的操作；在“自動轉移飛行器”（ATV）控制中心控制和操作ATV期間協調歐洲實驗載荷的操作；培訓地面操作團隊。

5）法國圖盧茲自動轉移飛行器控制中心（ATV-CC）。位于法國圖盧茲，負責操作歐洲的“自動轉移飛行器”，并與位于莫斯科和休斯頓的任務控制中心以及哥倫布控制中心合作，在任務和交會對接期間每周7天、每天24h工作。“自動轉移飛行器”發射階段，自動轉移飛行器控制中心協同圭亞那航天中心工作。

6）日本筑波航天中心（TKSC）。負責控制日本的硬件和發射器，它為日本空間實驗艙建立了研發與運行、空間實驗支持和航天員訓練的設施，統稱為空間站綜合中心，其中，直接負責日本空間實驗艙的操作及控制的是日本空間實驗室運行控制中心，或任務控制室（MCR），對在軌的日本實驗艙進行運行控制，并為“H-2轉移飛行器”（HTV）提供控制支持，同時對NASA的任務控制中心和航天員操作綜合中心提供支援。“H-2轉移飛行器”地面控制中心設在筑波航天中心“國際空間站”綜合中心內，它協同“國際空間站”的地面控制中心共同控制“H-2轉移飛行器”。

7）加拿大魁北克移動衛星系統（MSS）操作設施（MOC）。隸屬于加拿大航天局（CSA），負責監測空間站17.4m的機械臂，并培訓航天員取得站上遙控設備的操作資格。所有航天員都要到蒙特利爾附近的圣于貝爾進行2周的一般性培訓（針對具體任務的培訓在休斯頓進行）。該設施還對移動業務系統進行支持，其指令將送到休斯頓的控制設施處。

連接多個控制中心的地面通信網

連接控制中心和地面站的通信網主要是NASA綜合業務網（NISN）和歐洲航天局（ESA）的互聯地面子網。

20世紀90年代末期，NASA專用通信網設施的通信業務向商業化轉型，為此將原有的多個地面網絡組建為NASA綜合業務網，同時開始采用IP協議提供服務，IP化完成后，NASA綜合業務網于2005-2006年間進行了技術更新，替換掉陳舊、不可維護的系統，改進關鍵網絡的可維護性和可靠性，優化網絡連通性，優化網絡帶寬，以更好地為關鍵任務提供更可靠的服務。

ESA為“國際空間站”歐洲部分哥倫布號實驗艙和“自動轉移飛行器”提供支持的地面通信網是互聯地面子網。該網建設之初就采用了IP協議，并提出未來要提供“全IP業務”。互聯地面子網早期設計為異步傳輸模式（ATM）網絡，由于成本原因，除主要的國際合作伙伴和4個載荷控制中心站點通過異步傳輸模式網絡連接到哥倫布控制中心外，其他的站點都通過綜合業務數字網（ISDN）連接到哥倫布控制中心；大約在2009年間，互聯地面子網從ATM/ISDN鏈路向多協議標簽交換（MPLS）/IP鏈路遷移。

2　天基設施

美國第一代“跟蹤與數據中繼衛星”

在“國際空間站”的飛行控制與測控通信中，目前在用的主要是美國的“跟蹤與數據中繼衛星系統”（TDRSS）、俄羅斯跟蹤與數據中繼衛星，其他還有ESA的“阿特米斯”（ARTEMIS）試驗中繼衛星和日本的“數據中繼試驗衛星”（DRTS），以及建設中的“歐洲數據中繼衛星”（EDRS）系統。

美國“跟蹤與數據中繼衛星系統”

NASA“跟蹤與數據中繼衛星系統”提供的測控通信能力包括∶S、Ku、Ka頻段單址業務，S頻段多址業務，單向和雙向測距及測速功能。

目前，NASA空間段的“跟蹤與數據中繼衛星”（TDRS）已發射到第三代。至2016年5月，“跟蹤與數據中繼衛星系統”空間段處于工作軌道的有9顆中繼衛星（4顆一代星，3顆二代星和2顆三代星），即跟蹤與數據中繼衛星-3、5～12。退役后位于超同步軌道的是跟蹤與數據中繼衛星-1和4。

目前，NASA“跟蹤與數據中繼衛星系統”地面段主要由位于新墨西哥州的白沙綜合設施、位于關島的遠程地面終端和位于馬里蘭州哥達德航天飛行中心（GSFC）的網絡控制中心（NCC）組成，通過NASA綜合業務網連接。為了配合第三代“跟蹤與數據中繼衛星”的部署，NASA開展了“天基網地面段維持”（SGSS）項目，項目于2011年啟動，采用先進的技術和體系結構，對現有地面終端系統進行升級改造；并在馬里蘭州的布洛索姆角新增一個地面終端站。“跟蹤與數據中繼衛星系統”的地面系統升級預計在2016年年底完成。屆時，“跟蹤與數據中繼衛星系統”的系統能力將會得到很大提高。

美國第二代“跟蹤與數據中繼衛星”

美國第三代“跟蹤與數據中繼衛星”

俄羅斯跟蹤與數據中繼衛星

蘇聯于20世紀70年代末和80年代初開始研制“射線”（Luch，又名“波束”）系列中繼衛星。該系列最后1顆老一代中繼衛星于1998年退役。因此，自“國際空間站”開始發射至2011年12月間，俄羅斯無在軌運營的民用中繼衛星。期間，“國際空間站”上的俄羅斯艙只能借助于美國的“跟蹤與數據中繼衛星系統”來擴大測控和通信的覆蓋范圍。

目前，俄羅斯第二代“射線”中繼衛星系統已完成部署，目前在軌有4顆衛星，分別于2011年12月、2012年11月、2014年4月、2014年9月發射入軌。射線-5衛星工作在S頻段和Ku頻段，衛星在Ku頻段和S頻段的最高數據傳輸速率分別為150Mbit/s和5Mbit/s，和第一代“射線”衛星相比，已有明顯提高。

歐洲數據中繼衛星

ESA的“阿特米斯”試驗中繼衛星于2001年7月發射，除了進行新技術試驗外，還在ESA的“自動轉移飛行器”任務中發揮了作用。“阿特米斯”數據中繼衛星[21.5°（E）]的任務控制中心和地面站（13.5m天線系統，Ka頻段）位于比利時的雷杜。

2009年2月，ESA啟動“歐洲數據中繼衛星”（EDRS）系統項目，該系統包括2個位于地球同步軌道的數據中繼載荷和1個地面部分。地面部分由任務和操作地面部分（1個衛星控制中心、任務和操作中心，1個饋線鏈路站和用戶地面部分）組成。“歐洲數據中繼衛星”系統將提供激光鏈路和Ka頻段射頻鏈路。首個“歐洲數據中繼衛星”載荷已在2016年1月發射，攜帶第二個“歐洲數據中繼衛星”載荷的衛星將在2017年發射。ESA正在為開發“歐洲數據中繼衛星”的第三個載荷做準備，從而在未來提供覆蓋全球的完整數據中繼服務。

日本“數據中繼試驗衛星”

所有的系統都受筑波軌道間通信站的遠程監視和控制。此外，“數據中繼試驗衛星”驗證試驗地面系統還包括日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）基帶處理設備位于ESA的雷杜站，該設備也由筑波遠程監控，以實現JAXA低軌衛星和ESA的“阿特米斯”衛星之間的自主在軌實驗操作。

3　飛行控制與測控通信支持能力現狀

“國際空間站”的飛行控制和測控通信支持

“國際空間站”的在軌操作由美國NASA統一協調，休斯頓任務控制中心對“國際空間站”運行控制負主要責任，每一個成員國負責管理各自的艙段、有效載荷設備的操作。休斯頓任務控制中心負責協調空間站的所有活動，并且每隔2周編制一個所有合伙者都必須遵循的操作計劃。全球其他中心發出的指令都需由它協調和最后批準。

有效載荷操作和集成中心負責對“國際空間站”上所有實驗室的科學研究活動進行協調。該中心把協調好的科學研究計劃傳送到休斯頓的空間站控制中心，在那里把研究計劃歸并入整個空間站的操作計劃。

“國際空間站”與各成員國航天中心間的通信使用美國的“跟蹤與數據中繼衛星系統”實現，各成員國如想直接接收來自空間站的數據，也可以不通過美國的“跟蹤與數據中繼衛星系統”，直接建立自己的衛星通信系統。其中，日本可選擇使用本國“數據中繼試驗衛星”與其希望號實驗艙（JEM）進行通信；俄羅斯則將NASA“跟蹤與數據中繼衛星”作為其備份通信手段，主要使用自己的測控設備實現“國際空間站”對應艙段的監控，新一代“射線”系統建成后，成為其與空間站通信的重要手段。ESA也同時使用“阿特米斯”試驗衛星保障與“國際空間站”的通信。

利用美國“跟蹤與數據中繼衛星系統”進行通信時，由于存在信號盲區，因而并不能每天24h都能與空間站保持聯系。這種信號中斷區在空間站每圈軌道運行中大約有5min，空間站每天約運行16圈。

所有7個控制中心都需通過白沙地面站接收來自NASA“跟蹤與數據中繼衛星系統”的數據（白沙地面站接收的數據利用NASA綜合業務網和ESA的互聯地面子網把信息分送到日本、德國、法國、加拿大和俄羅斯的每個中心）。

“國際空間站”的指令和科學數據的上行和下行傳輸均采用標準協議，因而數據對所有國際合伙國都是相容的。

北區酒店布局較分散，地下2層酒店配套用房主要為酒店布草間、洗衣房及員工更衣室等，7層為酒店廚房及餐飲區，8～9層為酒店健身及室內游泳池等，11～24層為酒店客房。

（1）美俄艙段飛行控制的指揮路徑

美國在軌艙段（USOS）及載荷的指令經休斯頓任務控制中心、白沙地面設施和“跟蹤與數據中繼衛星”上行。S頻段用于空間站的指揮、控制，以及與乘員進行話音通信。Ku頻段用于大容量信號傳輸，如在空間站和控制中心之間舉行電視會議。

俄羅斯在軌艙段及載荷的指令由莫斯科任務控制中心經地面站直接發射給其艙段，或經由“射線”衛星地面終端、“射線”衛星發給其艙段。

休斯頓任務控制中心和莫斯科任務控制中心互為備份。

（2）其他艙段的指揮路徑

歐洲哥倫布號實驗艙和載荷的遙控指令通過休斯頓任務控制中心上行；哥倫布號實驗艙的下行遙測以S頻段、Ku頻段通過休斯頓任務控制中心和亨茨維爾操作支持中心接收和處理。哥倫布控制中心也接收所有“國際空間站”狀態的處理數據，接收來自休斯頓任務控制中心、亨茨維爾操作支持中心、俄羅斯莫斯科任務控制中心的天/地鏈路數據。

位于筑波航天中心的日本希望號實驗艙（JEM）任務控制室通過2條通信線路訪問在軌的日本希望號實驗艙，①通過位于休斯頓的任務控制中心和NASA的“跟蹤與數據中繼衛星系統”；②通過日本JAXA航天測控網站和JAXA的“數據中繼試驗衛星”。

“國際空間站”遠程載荷操作能力分析

“國際空間站”的有效載荷依照其歸屬由各個國家分別操作管理，具體由分布于世界各地的載荷控制中心負責，且處于NASA馬歇爾航天飛行中心的載荷操作與集成中心的指導和協調之下。

隨著空間實驗室向空間站的變遷，“國際空間站”上載荷的操作模式發生了本質性的變化∶在航天飛機任務期間，為期2周的密集操作已經被面向“國際空間站”的連續操作所取代。大多數載荷操作人員分布在世界各地的載荷操作中心，通過遠程操作的方式操作和監視他們的實驗。這就導致對更多遠程通信帶寬、更長通信時間的需求。

載荷操作與集成中心為ESA、日本、俄羅斯等提供管理和集成載荷操作所需的遠程載荷操作能力，包括為合作伙伴提供遙測、遙控處理，話音通信和視頻分配。

通過使用專用網絡和公共網絡，空間站乘員、NASA中心的操作人員以及遍布全球的大學和公司的研究人員密切合作，基于IP協議的高速可靠網絡，完成“國際空間站”上的科學實驗。載荷操作與集成中心提供的遠程載荷操作能力通過高效費比地使用這些網絡，延展遠程任務支持系統的所及范圍，這樣不僅減少了對專門租用線路和旅行的需求，同時還提高了分布式工作組的協作能力。

運輸工具的飛行控制與測控通信支持

承擔“國際空間站”運輸任務的主要有美國的航天飛機和商業運輸飛船、俄羅斯“聯盟”（Soyuz）和“進步”（Progress）飛船、ESA的“自動轉移飛行器”、日本的“H-2轉移飛行器”，這里，以2008年“自動轉移飛行器”任務為例，介紹運輸工具的飛行控制與測控通信支持。

“自動轉移飛行器”是目前為止最先進的不載人貨運飛船，主要承擔為“國際空間站”運送貨物的任務，并可充當空間站的拖船。

參與2008年“自動轉移飛行器”飛行任務的控制中心包括∶自動轉移飛行器控制中心、休斯頓任務控制中心和莫斯科任務控制中心。

在此次任務中，自動轉移飛行器控制中心主要負責“自動轉移飛行器”的控制，具體包括∶發射窗口、軌道參數、通信覆蓋率、軌道機動參數計算和姿態確定等任務分析工作，負責與2個任務中心、“跟蹤與數據中繼衛星”、“阿特米斯”網絡、法國圭亞那空間中心地面系統的協調，以及調相、變軌、離軌、再入、對接期間“自動轉移飛行器”管理、抬高“國際空間站”軌道機動飛行等飛行控制管理工作。所有的對接及操作都在NASA的監督下進行。

莫斯科任務控制中心和休斯頓任務控制中心負責提供“國際空間站”絕對軌道，休斯頓任務控制中心還負責碎片碰撞預警。“自動轉移飛行器”遙測數據可傳輸至空客防務與航天公司（ADS）的航天運輸任務研制團隊，該研制團隊利用專門研制的設備和硬件、軟件工具為自動轉移飛行器控制中心提供飛控技術支持。

由于“自動轉移飛行器”通過俄羅斯艙段與“國際空間站”對接，對接任務需要莫斯科任務控制的配合。莫斯科任務控制中心在此次任務中主要負責∶“自動轉移飛行器”與“國際空間站”所有對接操作的任務控制；與“國際空間站”乘員的接口；通過俄羅斯星辰號（Zvezda）服務艙與“自動轉移飛行器”建立聯系；把“自動轉移飛行器”的操作整合進總的“國際空間站”操作日程等。

休斯頓任務控制中心在此次任務中的職責是∶“國際空間站”任務的總指揮；為“自動轉移飛行器”任務提供“跟蹤與數據中繼衛星”鏈路；建立“國際空間站”的戰術規劃；領導和協調所有“國際空間站”的管理（包括規劃、操作、安全、連接程序等）團隊；“國際空間站”的碰撞規避預警；領導對所有異常事件的調查、研究。

“自動轉移飛行器”飛行任務包括幾個關鍵階段∶發射，軌道調整，交會對接，再入毀滅。

“自動轉移飛行器”發射后，在上升段，庫魯的測距站、大西洋中部的遙測站、位于亞迷爾群島的機動站接力跟蹤；其后，法國海軍跟蹤船Monge、德國應用科學研究機構的雷達設備接力跟蹤；這些雷達站還為澳大利亞和新西蘭的遙測站提供目標軌道根數；星箭分離過程由新西蘭地面站完成監控。

星箭分離前4min，“自動轉移飛行器”上的2套互為冗余的S頻段系統開始工作，幾乎覆蓋全部飛行過程。期間，通過NASA的“跟蹤與數據中繼衛星系統”和ESA的“阿特米斯”衛星及其配套地面傳輸網絡與任務控制中心建立通信鏈路，具備前向發射5000條遙控指令、返向傳送35000個遙測參數的能力。

多個控制中心、“國際空間站”和“自動轉移飛行器”之間通過數據中繼衛星和位于哥倫布控制中心的互聯地面子網網絡中心保持聯系和信息交換。

自動轉移飛行器控制中心

對“自動轉移飛行器”的遙控和遙測路由隨不同的操作階段（自由飛行、交會對接、對接上以后）而變，主要有3種途徑∶①自由飛行階段，通過休斯頓任務控制中心使用NASA的“跟蹤與數據中繼衛星”，或通過雷杜任務控制中心使用“阿特米斯”衛星與“自動轉移飛行器”聯系；②在接近和交會階段，通過莫斯科任務控制中心、俄羅斯的星辰號服務艙，使用“接近通信系統”與“自動轉移飛行器”聯系；③對接上以后，通過莫斯科任務控制中心，使用“國際空間站”的星辰號服務艙與“自動轉移飛行器”建立總線連接。

“國際空間站”和“自動轉移飛行器”在軌數據以及來自休斯頓任務控制中心、莫斯科任務控制中心和自動轉移飛行器控制中心的地面部分數據通過互聯地面子網收集，處理過的數據在3個控制中心間以“數據業務系統”（DaSS）協議交換。

自動轉移飛行器控制中心通過“數據業務系統”協議以空間數據系統咨詢委員會（CCSDS）標準包的形式與莫斯科任務控制中心交換遙控指令和遙測數據。“數據業務系統”協議確保必要的安全級別和數據交換的標準化。在通過休斯頓任務控制中心的“跟蹤與數據中繼衛星”鏈路，自動轉移飛行器控制中心以嵌入CCSDS指令鏈路傳輸單元（CLTU）的加密包的形式發送遙控指令，以CCSDS信道存取數據單元（CADU）的形式接收“自動轉移飛行器”的遙測數據。這些CCSDS數據幀通過標準協議在自動轉移飛行器控制中心和休斯頓任務控制中心之間交換。法國國家空間研究中心（CNES）設備將各個方向的CCSDS數據轉換成鐘控連續比特流。由此，通過“跟蹤與數據中繼衛星”建立到“自動轉移飛行器”的天/地通信鏈路。

4　未來發展趨勢分析

在經歷了地面支持網絡的IP化之后，“國際空間站”與地面之間的業務也在逐漸向IP化的方向發展。未來，隨著“跟蹤與數據中繼衛星系統”第三代衛星的部署，“國際空間站”的飛行控制和測控通信支持將獲得更高的帶寬和速率。而由于“國際空間站”的飛行控制和測控通信支持涉及多個國家和組織，未來引領技術發展方向的理念主要是通用性、互操作性、靈活性和可擴展性。在這些理念之上，則是系統結構一體化的發展趨勢。

lP技術的應用不斷深入

NASA綜合業務網和ESA的互聯地面子網都已實現網絡的IP化，并逐步開展了IP話音和IP視頻業務。在“國際空間站”和地面之間，具有使用標準互聯網協議的初步聯網能力。

未來，NASA將聯網技術作為有待進一步開發的技術之一，可以想見，網絡技術未來仍將在空間通信導航中發揮重要作用。在這樣的大趨勢下，IP話音、IP視頻等IP業務也將在航天測控領域繼續扮演重要角色。

分析認為，隨著空間通信導航體系中網絡技術的深入應用與不斷發展和成熟，可以預計，未來“國際空間站”的飛行控制和測控通信活動中必定會更多地應用IP技術。

工作頻段向Ka頻段發展

美國跟蹤與數據中繼衛星-8、9、10衛星（即第二代衛星）支持Ka頻段通信，正在研制的第三代跟蹤與數據中繼衛星-K和L也支持Ka頻段。俄羅斯“射線”衛星上將安裝工作在Ka頻段的衛星間轉發信道。ESA“歐洲數據中繼衛星”系統提供激光鏈路和Ka頻段射頻鏈路。因此，“國際空間站”未來的測控通信支持頻段將逐漸向Ka頻段發展。

數據中繼衛星系統發展促進系統間的互操作

天基網互操作計劃的基本目的是國際合作和節省開支。1985年，美國、日本和歐洲的航天機構成立了天基網互操作委員會（SNIP）。通過廣泛的技術協調，已經解決了S頻段互操作問題，在自動轉移飛行器-1、H-2轉移飛行器-1的交會對接任務中，就使用了“跟蹤與數據衛星”的S頻段業務。Ka頻段空間網互操作問題協調較為復雜，最后三方都同意前向鏈路使用23GHz，返向鏈路使用25～27GHz。

未來空間計劃引領系統結構一體化

“國際空間站”在未來的科學探測中具有重要作用。美國“星座”探月計劃就不可避免地涉及到“國際空間站”。新的空間計劃的牽引與技術發展的推動，使得“國際空間站”在未來面臨著發展。在美國“星座”探月計劃C3I系統中，就提出了一些新的理念與技術，這些理念與技術必將促進“國際空間站”的飛行控制和測控通信的發展。雖然由于空間計劃的改變，“星座”探月計劃已經由其他計劃取代，但分析認為這些理念與技術仍將影響新的計劃以及空間站未來的飛行控制和測控通信，其中，比較值得關注的是系統結構一體化∶建立一個松散藕合、互操作的系統結構，通過互操作性使飛行試驗任務的所有元素結合為一體，如主要操作數據（指令、遙測、聲音）采用通用格式、明確數據結構與處理邏輯的定義、通過數據重組使通用的數據驅動操作支持多功能的運載器、采用抽象化的高級別通信協議，以此降低組合成本，增加更替系統的作用時間，從而提高整個試驗項目的靈活性、性能和安全性。此外，功能性層次分區的設置阻隔了系統各部件之間由于更換而產生的影響。同時允許應用程序在傳送數據時不應考慮接收數據，以降低接口成本。

5　結束語

綜上所述，“國際空間站”通過遍布世界各地、分屬不同國家和組織的7個控制中心、若干地面站以及覆蓋全球的4個數據中繼衛星系統，借助美國“全球定位系統”（GPS）進行飛行控制和測控通信，其分布式控制中心是國際合作的結果，而非技術上的需要。

在長期的飛行控制和測控通信實踐中，多個國家和組織間的飛行控制和測控通信設施間逐漸完善，建立了通過多種接口協議或標準交互的規程，通過合作，很多國家和組織的飛控、測控通信設施也得到了發展，系統的互操作性和通用性不斷增強。

未來，在IP技術應用不斷深入、工作頻段向Ka頻段發展、未來空間計劃引領系統結構一體化的趨勢下，在天基網互操作的努力下，“國際空間站”的飛行控制與測控通信將得到更好的保障與支持。

Analysis on Flight Control and TT&C Support of ISS