航天測控技術李濟生院士訪談錄

何懿

孫家棟院士說，對整個航天器試驗任務來說，航天器的發射入軌好像是一場好戲的序幕，而航天測控則是劇情的展開。作為中國人的驕傲之一——“北斗”導航系統，即將開啟全球組網。如何測控“北斗”系統？航天測控技術在軍事上的重要應用以及未來的發展方向？本刊記者帶著相關問題專訪了李濟生院士。

李濟生 1997年入選中國科學院院士。我國第一代航天測控科技工作者，主要從事人造衛星軌道動力學研究工作。1966年畢業于南京大學天文系，此后，在西安衛星測控中心工作，曾任西安衛星測控中心總工程師，總裝備部科技委常任委員，現在軍委科技委工作。獲國家級和部委級科技進步獎多項，編著有《人造衛星精密軌道確定》和《航天器軌道確定》等著作與教材。1992年被國家人事部授予有突出貢獻的中青年專家，1995年獲首屆中國航天基金獎，2000年獲何梁何利科學技術獎。

TT&C

記者（以下簡稱“記”）：目前，主要國家都在大力發展太空力量和手段，搶占這一新的戰略制高點，而無論是進入空間、利用空間及控制空間都離不開航天測控技術，請您介紹一下該項技術。

李濟生院士（以下簡稱“李”）：航天器的測控主要是遙測、遙控、跟蹤測定軌三大方面。英文縮寫是TT&C，概括了它的主要工作內容。第一個T為Telemetry，遙測;第二個T是Tracking，跟蹤航天器軌道;C是Control控制。

航天任務的組成

地面測控站獲取衛星的工作狀態主要是通過衛星上的敏感器。例如，太陽帆板上的敏感器將測量的電壓、電流數據傳回到地面測控站，從而了解太陽帆板是否工作正常。再如，衛星上的燃料箱中的敏感器將測得的壓力、溫度等數據反饋到地面測控站。而燃料箱的體積是預知的，通過這些數值就可以計算出衛星上還有多少燃料，從而掌握衛星的工作狀態。這是遙測。

跟蹤的主要任務是測軌。如地球衛星、月球探測器雖然已設計好了軌道，但是發射時總會有誤差，運行過程中的控制也會有誤差，而且軌道會受到周圍環境的影響而發生變化，如大氣阻力，因此必須用跟蹤數據計算它的軌道。

控制是衛星發射入軌后，地面測控站對衛星進行監控。像靜止軌道的衛星，發射后衛星先進入一個大橢圓軌道（例如：近地點高度500千米，遠地點高度36 000千米，軌道傾角27度），要在地面測控系統的操控之下，經多次測軌和變軌后衛星才能進入靜止軌道（赤道上空35 787千米，圓軌道，軌道傾角0度），并定點在預定位置。在靜止軌道上運行的衛星繞地球公轉一圈的時間與地球自轉周期一致，在地球上看衛星好像是在地球上空固定的位置上。由于衛星會受到太陽、月球等天體的引力以及地球非球形部分的引力，衛星在靜止軌道上的定點位置是會漂移的，該漂移有偏差范圍，現在規定是0.05度，超過這個范圍就可能會與其它衛星發生碰撞或受到干擾。這時就要通過衛星上的發動機把它控制回來。

“神舟”飛船返回艙返回主著陸場控制過程示意

又如偵察衛星發射后，并不是時刻處于工作狀態，當地面發生特定情況時，地面測控站會向它發出工作指令。如朝鮮核試驗，美國通過衛星進行偵察，需要控制衛星在朝鮮上空進行工作。再如通信衛星由地面站控制波束指向，通過很窄的波束進行定點通信，其它人則收不到信號。

此外，航天器返回地球需要地面站進行精確控制。原理就像我們拿一根繩栓著小石頭，提高到一定速度后，小石頭會圍繞手轉起來，速度低了則會落下來。返回艙在天上是頭朝前運行的，圍繞地球運轉?，F在把它掉過頭來，讓發動機朝前，點火后推力變成阻力了，速度降低，返回艙就慢慢落下來了，而且必須控制它降落到指定地點。

隨著航天技術的發展，天基探測和空間操作已成為重要的發展方向。例如，利用衛星對其它空間目標進行成像觀測、對衛星部件的更換和組裝、燃料加注等，這些都需要地面測控系統對衛星進行控制。

控制還包括航天器的故障處理。在軌衛星的很多故障都需要地面測控系統進行監控和處理。例如：衛星姿態異常、由于衛星電源故障需關閉星上某些載荷、衛星變軌過程異常等等。

有位記者對航天測控系統形象地描述：“如果沒有航天測控系統，天上的衛星就像個斷了線的風箏?！?/p>

記：最近，長3乙運載火箭發射衛星時出現故障，航天測控如何處理的？

李：它的故障是沒有將衛星推到預定軌道上去。怎么補救呢？衛星上也有燃料和發動機，原本是用于變軌、定點軌道保持。由于長3乙沒有到達預定軌道，只能通過衛星上自帶的發動機和燃料將它推到預定軌道。

美國KNOS衛星拍攝的我國酒泉衛星發射場圖像，并計算出發射場的位置，誤差約25米

記：航天測控主要是哪些設備？工作原理是什么？

李：衛星上遙測系統主要的設備是敏感器，敏感器測出數據后，通過傳輸系統，以無線通信的方式傳輸到地面上。對于地面測控設備現在已把測軌、接收遙測數據、發送遙控指令這幾個功能合并到一個設備上了。

跟蹤的主要設備是雷達。地面雷達用來測量衛星的距離、方位角、仰角以及視向速度等。另外，多普勒測速儀利用多普勒效應也可以測量衛星視向運動速度。還有光學設備也能測量衛星的方位角和仰角。此外還有其它一些設備，如激光測距儀，發射激光到衛星的反射鏡上，激光再返回地面接收，以此測算衛星到測距儀的距離。這些數據都可用于計算航天器的軌道。

記：深空探測的數據能接收到嗎？

李：可以。圍繞地球運行的衛星，一開始距地球只有幾百千米，之后擴展到36 000千米的地球靜止軌道上，月球探測提高到了38萬多千米，火星更遠，傳回地球的信號越來越弱，如何清晰接收信號需要解決。

記：我國曾多次一箭雙星發射，“北斗”也即將開始全球組網，在測控方面有難點嗎？

李：我們給美國發射“銥”星時，就是一箭雙星發射、測定軌。以前還進行過一箭三星發射，從測控設備、處理方法等方面來看沒什么問題。

“北斗”系統的全球監控困難應該也不大，因為二三十顆星分布在全球，圍繞地球旋轉，相當于排隊通過我們的領空，可以逐顆測控。要是同時測控由幾十顆衛星組成的編隊就有難度。而且我們已在國外建立有地面站，如南美、歐洲、非洲、巴基斯坦，也可以對“北斗”衛星系統進行跟蹤。

軍事應用

記：美軍70%以上的通信，80%以上的情報偵察與監視，90%以上的精確武器制導，都依賴于空間系統，以人造衛星構成的天基作戰系統已成為美國進行現代化戰爭的神經中樞。航天測控技術在軍事上有哪些主要應用。

李：可以歸納為以下幾種，

軌道機動、規避碰撞。衛星入軌后就在預定的軌道運行，但是，由于某些特定情況的出現，需要衛星改變現有運行軌道才能實現應用目標。例如，地面發生了突發事件，需要衛星對該地區進行偵察監視，可是，衛星當前的軌道在短期內不經過該地區，這時就需要對衛星運行軌道進行機動控制，改變衛星的運行軌道，使其盡早通過特定地區。再例如，地球靜止軌道衛星，在圍繞地球運行過程中，會受到月球、太陽、其它天體引力和地球非球形部分引力的影響，衛星位置在不停的漂移，當超出限定位置時需要對其進行定點保持控制。

從1957年世界首顆衛星發射升空，全世界發射的衛星到目前已有10 000多顆，其中很多衛星已經失效。另外，在發射衛星時還會產生很多廢棄物，這些都統稱為“空間碎片”，直徑在10厘米以上的碎片如果與衛星相撞的話，可能會損壞甚至使衛星報廢。因此，當預測到這種情況要發生時就要對衛星的運行軌道進行機動控制，以免衛星與空間碎片相撞。2013年，我國的兩顆衛星為規避碎片碰撞，各進行了一次軌道機動。

空間控制。未來戰爭中，航天裝備是重要的組成部分，交戰雙方都會試圖破壞對方的航天裝備，空間對抗將會成為一個新的作戰領域。一旦發生空間對抗，對航天器的精準控制至關重要。主要包括空間態勢感知、防御性空間攻防和進攻性空間攻防三方面。美國不僅積極開發利用空間，而且極其重視控制空間技術的發展，正在研制更先進的空間監視系統。例如，新一代“空間籬笆”、天基太空監視系統、空間監視望遠鏡等。目前，美國和俄羅斯都發射了預警衛星，可對陸基和潛射彈道導彈發射進行預警。美國正在研發“天基紅外系統”（SBIRS），可在小型導彈發射后10～20秒發出預報。2012年，美軍啟動了“鳳凰” 計劃，對外宣稱是利用在軌退役衛星的部件重新組裝新衛星。但實際上這個技術也可以用于攻擊別國的衛星，如拆毀對方的衛星。同時，美軍以“空間維修”為名，發展各種空間操作技術，以清理空間碎片為名，發展多種碎片清理技術，而這些技術同樣也可用于空間對抗。當然，這些空間操作都離不開地面對航天器的測控。

記：航天測控技術未來會朝哪些方向發展？

李：地基和天基相結合，實現天地一體化的測控，減少地面測控的工作量，擴大航天測控范圍是世界航天測控技術發展的重要方向。目前全世界主要靠地面站測控航天器。但天上衛星越來越多，為提高測控效率，會用天基的一些裝備對衛星進行測控，提高衛星測控的效費比。比如說利用導航衛星可以使航天器實現自主定位。我們有“北斗”，美國有GPS，俄羅斯有“格洛納斯”，歐洲正在發展“伽利略”衛星導航系統，給衛星裝上接收導航衛星信號的裝置，就可以確定衛星的位置，計算出衛星軌道，不再依靠地面跟蹤設備。利用天基設備進行航天器測控還可以大大擴展測控范圍，使用地基設備測控只能限于在設備的周邊地區飛過的衛星，而天基測控則可實現全球測控。而且，天基測控不受地球大氣層的影響，看得更加清晰。

將來還會發展用于小衛星群的測控技術。一個小衛星群有幾十顆甚至上百顆小衛星，跟蹤測控都很麻煩。目前，美國正在發展對靜止軌道目標進行識別的天基探測計劃，縮寫為GSPA。因為地球靜止軌道距地面的斜線距離4萬千米左右，如果看地球靜止軌道的衛星，只能看得見很大的衛星，而且看到的只是一個點。GSPA是地球靜止軌道態勢感知小衛星，可以近距離獲取目標衛星的相關信息，將有力提升美國對靜止軌道目標的識別能力。

衛星測控和通信設備

未來航天器還將朝自主測控、智能化方向發展。衛星裝上自主測控設備后，就能夠自己測量軌道、定位并調整控制偏離的軌道，自主處理衛星出現的某些故障。

發展中繼衛星也是一個重要方向。近地衛星每天大約圍繞地球轉16圈，在我國境內一般只能看到6圈，其中3圈升軌（衛星從南向北運行），3圈降軌（從北向南運行），每圈只能跟蹤7至10分鐘的時間，此時可以接收到它的數據。當衛星轉離中國的監控范圍后，我們看不到更控制不了它，需要等待好幾個小時才能獲得它的信息。有了中繼衛星后，衛星獲得的信息馬上傳到中繼衛星上，再傳回國內，就可以實時獲得相關信息了，而且，地面測控系統也可以通過中繼衛星將遙控信息傳送到衛星上。

中繼衛星不僅對地球衛星有用，月球探測、深空探測也有用。比如月球探測，由于月球自轉周期與月球繞地球公轉周期一樣，所以在地球上看不到月球的背面，需要在月球的背面放一顆中繼衛星，通過它傳輸數據到地球，擴大探測范圍。

中國航天測控技術的發展

記：您從第一顆人造衛星“東方紅”發射就開始參與到我國的衛星測控事業中，請您回顧一下我國在航天測控技術發展中遇到過哪些困難？

李：1967年我國開始組建衛星測控系統;1970年，發射了第一顆“東方紅”衛星，到目前為止天上工作的衛星約有150多顆。

總體而言，我國衛星測控技術發展順利，已達到國際先進水平。曾經遇到的困難是軌道計算。1970年代軌道計算誤差在幾千米，到1984年時，雖然定軌精度提高到了200米，但還不能滿足當時對定軌精度的指標要求。經過多年努力之后，1993年定軌精度達到國際先進水平，滿足了我國航天技術發展的需求。

現在，我國測控技術有了很大的提高。像雷達測距，以前的誤差在20幾米，現在誤差小于5米;1970年時，衛星測速誤差60厘米/秒，到80年代就提高到2.5厘米/秒，經多年努力，現在測量精度有了進一步提高。

我國早已實現激光測距，精度可以達到1～2個厘米。

在覆蓋率方面，不但實現了部分全球布站，而且，也已利用中繼衛星實施測控。天基測控探測方面做了一些試驗和技術探索，在不久的將來也會用上。

在航天器測軌方面，目前已利用天文觀測網對航天器進行測軌。例如：原來屬于天文探測網的VLBI（very long baseline interferometry，甚長基線干涉儀），其測量精度達到0.05角秒（注：雷達精度一般是20～40角秒）。

記：我國與國外相比，測控技術處于什么水平？

李：我國航天測控技術達到了國際先進水平，但是與美國相比還有差距。美國在全球布設了20多個地面監控站，并早已實現了深空測控，1977年發射的“旅行者1號”探測器，已經飛出太陽系，距地球幾十億千米，還能接收到它的信號。

在空間態勢感知方面，美國可以對2萬多個空間目標進行編目，到2018年可實現對20萬個目標編目，我國還有較大差距。

記：未來我國航天測控技術朝哪些方向發展？

李：總的發展方向是優化地基，發展天基，構建深空，綜合利用。

除了剛才提到的天地基一體化外，還會利用自然界存在的一些信息進行測定軌。例如，X射線脈沖星測軌。這種脈沖星直徑大小只有十幾千米，快速自轉并發射X射線，當X射線的波束掃到地球方向時，衛星可以收到它的信號。X射線脈沖星的脈沖周期特別穩定，利用脈沖到達時間可以測定航天器的軌道。

第二代“北斗”衛星導航定位系統覆蓋圖

全球布站和海上測控?，F在測控站主要在國內，西到喀什，東到佳木斯，南到海南。對近地衛星，我國國內測控站每天只能看到衛星6圈，僅依靠國內測控站對衛星測控，其測控時間還不到衛星運行時間的5%。因此要通過全球布站和海上測控來擴大測控覆蓋范圍。

航天器以后還要智能化。自己監控狀態、控制軌道、處理故障。

記：我國已躋身于航天大國之列，具備了一定的進入空間、利用空間和控制空間的能力，在未來發展過程中，航天測控技術還會面臨哪些“攔路虎”？

李：難點主要是小衛星的測控問題。小衛星成本低，安全性高，但是數量太多，對它們的測控比較難。如果像現在一樣，一個設備跟蹤一顆星，幾十顆甚至上百顆衛星沒法跟蹤。

二是航天器的測控覆蓋率不夠?？臻g對抗和偵察衛星等，如果在國外遇到干擾和攻擊，國內卻看不到和測控不了。

三是測定軌的精度待提高。提高測軌精度才能提高定軌的精度。激光測距的精度比較高，但受天氣的影響非常大，如下雨就測不到了。

第四個難點就是航天器的自主故障處理還待加強。

深空測控也是急待解決的一大難點。例如火星的最近距離是5 500萬千米，遠距時高達4億千米，信號的時延非常大，一個無線信號傳輸過去，按光速30萬千米/秒計算，需要十幾分鐘才能傳到，更快地接收、發射信號還待研究。深空探測器要登陸其它的天體，它的精確定位和導航也是個問題。比如到火星上去，誤差達到幾千米量級。

再有就是監控碎片。美國空間目標探測識別能力比我們強，識別直徑10厘米的空間碎片已達到2萬多個，目前正在研制S波段“空間籬笆”，預計2018年可以探測到20萬個2.5厘米的空間碎片。

航天器測控系統的安全性也是一大問題。測控系統有測控站，測控中心，測控設備的天線很大。現在我國深空測控用的喀什的天線直徑35米，佳木斯的天線為66米（測軌用）。這么大的設備無法隱藏，而且為了發送接收無線電信號，天線也不能藏到山洞中去，只能放在地球表面上，戰時很容易遭到攻擊。

記：浩瀚的宇宙奧妙無窮，太空牧星的世界高山仰止。衷心感謝您接受本刊采訪及對院士專訪欄目的鼎力支持和幫助。