一體化測控技術，商業航天測控的未來

+魏興

1957年10月4日，隨著世界上第一顆人造地球衛星從蘇聯的拜科努爾發射場發射升空，進入近地軌道，一個嶄新的行業——航天測控，開始步入人們的視線。經過六十多年的發展，航天測控體系已經逐漸成熟，成為各大航天強國必備的部門；而航天測控在技術上的成熟和測控設備價格的逐步降低，使商業化運營的測控公司逐漸出現并迅速發展起來。

為什么需要航天測控：風箏沒有線飛不高

航天測控英文為Telemetry,Tracing and Control,縮寫為TT&C，是為保證航天器在軌道上正常運行，地面與航天器進行遙測（Telemetry）、遙控（Telecommand）、跟蹤（Tracing）和通信的技術。

那么，為什么火箭及航天器必須進行測控呢？有以下這些原因：

●火箭發射的飛行面臨極大的風險，必須對火箭的速度、方向、飛行姿態、軌道，各種系統的工作狀態等進行實時監測，并由火箭的飛行控制系統進行調整。

●航天器進入軌道的精度如果不高，甚至偏離軌道，需要進行實時監測，啟動航天器上的發動機進行調整。

●航天器工作的宇宙空間環境極為惡劣：在真空中飛行，受太陽照射的一面溫度可以高達100攝氏度以上，而背陰面，溫度則可能低至零下100攝氏度到零下200攝氏度；太空環境中充斥著各種致命的宇宙射線、電磁波輻射和空間碎片。航天器長年累月在這種環境下工作，出故障的概率很大，必須有測控系統對它們的狀態進行跟蹤，并控制航天器進行姿態等各種調整。

●航天器受外部環境的影響，其飛行軌道可能會發生改變。比如與隕石和太空垃圾相撞。更常見的是，在低地球軌道（LEO）上飛行的航天器，仍然會受到極其稀薄的大氣層影響，受到空氣分子的阻礙后，飛行速度會逐漸減慢。如果速度低于第一宇宙速度，那么航天器就會被地球引力吸引回地面，在大氣層中燒毀。因此，LEO軌道上的航天器必須經常啟動發動機進行加速，測控系統是絕對必要的。

●有時航天器還需要主動地調整飛行軌道，比如飛船變軌與空間站對接、衛星從試驗軌道轉移至工作軌道、為了避開其他航天器或者太空垃圾而變軌等。調整軌道的全過程都需要有測控系統來跟蹤和控制。

因此，如果我們把航天器比喻成風箏，那么測控系統就是控制風箏的線。如果沒有這根線，風箏要么飛掉，要么墮地。航天器在其工作壽命的全過程里，都需要航天測控系統的幫助，來維持正常的飛行狀態和工作狀態。

事實上，航天器在軌道上出現故障的概率比普通人想象的大得多。據不完全統計，衛星在軌的故障率高達85%左右，衛星壽命未達標率高達45%左右，衛星突變故障率高達53.1%，衛星漸變故障率也高達46.9%。這些觸目驚心的數字表明，能讓衛星在太空中持續正常工作是一件多么不容易的事情。所以我國航天測控領域的專家沈榮駿院士有一句很接地氣的話，形象地闡明了測控的重要性：衛星上天以后，玩兒的就是測控。

圖1 國產航天測控光電經緯儀

衛星出故障并不可怕，在測控系統的幫助下，大部分的故障都是可及時發現并處理的。如果衛星的姿態、軌道、速度等飛行參數不正常，可以在測控系統的控制下啟動發動機進行調整；如果衛星上某些設備工作不正常，可以在測控系統的控制下切換到備份設備、進行系統重構或容錯運行等，甚至可以上傳更新衛星的軟件，使用各種方法檢測，維修故障。

航天測控系統的商業化基礎：USB/UXB不簡單

既然航天測控系統如此重要，那么就讓我們來仔細看看，航天測控系統究竟是什么樣的，如何工作的。

如果你曾經在電視上看過火箭發射的現場直播，那么一定會留意到指揮大廳里工作人員發出的報告聲：“光學跟蹤正常”，“USB/UXB 工作正常”，“雷達工作正常”，“遙測信號正常”等等。沒錯，這些都是地面測控系統的組成部分。

●進行光學跟蹤的設備通常指的是光電經緯儀（圖1）。它的外形就像一個巨大的天文望遠鏡。光電經緯儀由跟蹤機架、成像系統、測角系統、激光跟蹤測量系統、微機控制和處理系統組成。能對火箭和衛星等航天器進行精確地跟蹤測量。但是它的工作距離通常只有幾百公里，并且非常容易受到云層、雨雪等天氣的影響。

用于航天測控的光電經緯儀十分昂貴，通常只有在火箭發射時，在有限的幾個測控站部署。無法做到全球大規模部署，對衛星提供日常的測控服務。

●雷達的原理是由雷達天線向目標發射出無線電波，無線電波達到目標后，少數電波被目標反射回來，又被雷達天線接收。雷達根據反射信號與發射信號的時間差進行測距，根據反射信號的方位進行測角。用于航天測控的雷達也是十分昂貴的，無法大規模部署。

以USB設備為例，此USB并非你電腦上的USB插口，它的全稱是“Unified S Band”，意思是“統一S波段”設備。S波段指的是頻率在2Ghz到4Ghz之間的電磁波。既然不是雷達，它又怎么能測量航天器的距離和方位呢？

它的原理非常簡單。我們要測量的航天器是所謂的“合作目標”，而不是像敵人的導彈那樣的“非合作目標”。合作目標是會主動和你配合工作的。所有需要測控的航天器上都會裝備至少一個工作于S波段的轉發器。當需要測量距離和方位的時候，地面的USB測控站向航天器發射一組偽隨機的編碼，航天器上的轉發器收到這組編碼后立即向地面發射回去。USB測控站接收到航天器發回的編碼，根據往返時間就能計算出與航天器之間的距離，根據地面USB測控站的天線方位角和仰角就能確定航天器的角位置。

以上功能只是USB系統的三大功能之一：跟蹤測軌。而USB設備上還集成了另外兩大功能：一個是遙控，它能夠向航天器發送控制命令、時鐘同步信息、各種參數，甚至進行遠程的軟件升級等等；另一個是遙測，它還能夠從航天器接收各種數據匯報、圖像、視頻等等。

所以，航天測控設備系統從本質上來講就是一種天線方位能夠自動調節的通信系統。它的復雜度要比雷達系統降低很多，造價也相應的便宜很多。這就使得在全球建造大量的測控站，無縫測控所有衛星軌道，在經濟性上成為可能，為航天測控行業商業化打下了基礎。

USB測控系統是美國宇航局在上世紀60年代為“阿波羅”登月計劃研制的，它是航天測控技術發展史上的一個里程碑。這一技術解決了當時載人航天測控網的兩大缺陷：一是該網采用了多種頻段的設備，從而導致飛船上的設備復雜，負荷過重，電磁兼容性差；二是當時的測控網的作用距離達不到月球。為了解決這些問題，USB系統包含了四個主要的技術要素：

●統一了載波：即把跟蹤測軌、遙測、遙控信號通過多個副載波調制到一個載波上，大大簡化了航天器上的設備，減輕了載荷重量，還避免了由多個分離設備帶來的電磁兼容問題。

●采用了S波段：有利于提高作用距離和提高測量精度，也有利于電磁兼容和寬頻帶要求。

●采用了50年代發明的鎖相環技術。

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●采用偽隨機碼測距，解決了遠達38萬公里外月球軌道的測距問題。

在隨后的幾十年中，統一波段測控體制逐漸被全球主要航天國家接受，成為事實上的國際標準，并且除了S波段以外，也逐漸向其他波段擴展，L波段（1～2GHz）、C波段（4～8GHz）、X波段（8～12GHz），等等，都加入了統一波段體制。最早擴展到的是C波段，稱為UCB系統。這些不同的波段能適應不同國家的無線電管理規則，提供不同的帶寬，其無線電信號的傳播特性也有所不同。這些不同的波段的系統能夠共享同一套天線。這樣的多波段航天測控站就能夠為絕大部分衛星提供測控服務了。

一個典型的統一波段測控站的外形如圖2所示。

這是我國民營航天測控公司中的佼佼者，北京天鏈測控技術有限公司（簡稱“天鏈測控”）寧波地面站的自動測控系統。我們可以看到，這個測控站的天線是直徑高達7.3米的拋物面天線，也就是普通人說的“大鍋蓋”。根據天鏈測控的介紹，這套天線兼容L波段、S波段和X波段。拋物面天線的直徑越大，天線增益就越高，更能接收到更微弱的信號；使用相同功率的發射機，天線直徑越大信號傳輸的距離就越遠。實際上，直徑2.4米左右的拋物面天線就能滿足低地球軌道（LEO）衛星的測控需求了。更大直徑的天線能夠支持更高軌道的航天器測控。

除了這樣的“大鍋蓋”以外，部分航天器還支持VHF/UHF頻段的測控系統。VHF是指頻率在30Mhz到300Mhz之間的無線電波，對應的波長為1米到10米之間，也稱為甚高頻；UHF是指頻率在300Mhz到3000Mhz之間的無線電波，對應的波長為1分米到1米之間。這兩個頻段的測控站天線通常采用八木天線（如圖3），也就是我們日常所見的魚骨狀天線。

圖2 北京天鏈測控技術有限公司寧波站的自動測控系統

正因為測控站技術的成熟化和標準化，測控站設備的成本也得到了有效控制。通常一個兼容多個波段，擁有直徑7米左右天線的航天測控站，主要設備成本能夠控制在1000萬元人民幣以內（不包括土地和建筑成本）。

全球測控網：是接力賽也是擊鼓傳花

眾所周知，由于地球曲率的影響和地面山脈，樹木和建筑物等的阻擋，地面測控站的視野是有限的，每個測控站的工作范圍只能覆蓋航天器軌道一小部分。要想讓航天器在環繞地球飛行時盡可能不間斷地保持測控，就必須在全球各地建設測控站，多個測控站對航天器接力測控。測控站的全球組網是這個行業的本質要求。

實際上，各國建立的航天測控站都有相當大的余力，特別是那些為了可靠而設有雙套設備的測控站，所以各國測控站相互合作，充分發揮測控資源，降低航天測控任務的費用，已經成為趨勢。國際空間數據咨詢委員會已經提出了一系列CCSDS標準，作為航天測控站互相聯通組網的標準接口。這為在全球商業化地運營測控網打下了堅實的技術基礎。

我國已經有商業航天測控公司開始向國際進軍，例如天鏈測控，該公司已經在歐洲、南美洲和大洋洲以及東南亞地區通過合作和自建，全球可用地面站達到了32座，已經能夠提供全球性的衛星測控網服務。

一體化測控技術：云養衛星的便捷方法

近些年來，隨著計算機技術，通信技術以及云技術的發展，一體化測控技術逐漸浮出水面。傳統的航天測控網的架構通常基于S/C模式，即服務器/客戶端模式，分布于各地的測控站將作為客戶端，與控制中心（服務器）交換數據。這一架構能夠比較好地完成航天測控任務，但是在新時代面前，尤其是在商業化測控大發展的時代，也逐漸顯示出一些不足。比如，在這種架構下，只有控制中心才有聯系所有測控站的權力，客戶如果想要看到自己衛星的情況，必須要到控制中心去才行。

圖3 天鏈測控三亞站部署的八木天線

圖4 天鏈測控南美洲合作站，天線口徑大于7.5米

圖5 天鏈測控的軟件升級與開發規劃中，未來將發展沉浸式服務體驗

而一體化測控技術則把整體架構構建在云服務之上。測控站通過通用的TCP/IP網絡，通過電信網絡運營商的交換機和服務器，連接到測控云上面，所有數據都通過云數據庫來集中處理和分發。而測控大廳里顯示的測控軟件也是運行在云服務之上，是一種典型的SaaS（軟件即服務）系統。

與封閉的服務器架構相比，開放的SaaS架構好處多多：

●首先，客戶除了能夠在測控大廳里接受測控服務以外，還能夠使用筆記本電腦和各種移動設備，通過公用網絡連接到云服務器上，在任何時間和地點都能夠進行測控。

●其次，云服務架構方便擴展和移植，增加測控站不會給測控系統的軟件帶來多少工作量。

●再次，使用商用云服務系統使得測控公司不必關注底層硬件和軟件，而是把精力集中在做好測控服務軟件本身上。商用云服務系統的軟硬件均經過市場的考驗，擁有非常高的可靠性。

●最后，使用云服務系統還有利于部署未來的新業務，比如利用VR技術將航天器測控虛擬化，讓客戶或操作人員沉浸在立體化的虛擬場景中，宛如科幻電影，極大地提升客戶的體驗并提高操作人員的效率（如圖5）。

我們看到，天鏈測控正是充分利用SaaS架構帶來的好處，一步一步地實現航天測控系統的快速發展的。我們相信，基于云架構的一體化測控技術就是商業航天測控的未來。

天鏈測控成立于2017年6月，到今天僅僅三年，就已經在全球建成了擁有32個測控站的測控網，執行了70余次大型測試和火箭、衛星保障任務，這個發展速度不可謂不驚人。據介紹，天鏈測控的技術團隊大部分來自我國航天測控總體單位，測控系統的實施單位和測控軟件設計及衛星運維單位等業內權威單位，平均從業經驗在15年以上。公司先后服務了20多個用戶單位，專業的服務得到用戶的廣泛認可。他們高效工作的背后，就是一套以SaaS云服務為基礎的、承載著諸多關鍵測控技術的一體化測控系統。

天鏈測控的成功經驗再次說明，一體化測控技術就是商業航天測控的未來。