航天測控：萬里星辰一線牽

文/ 趙志遠(yuǎn)

今年7月的火星探測窗口期內(nèi)，中國、美國、阿聯(lián)酋“組團(tuán)”分別向火星發(fā)射了探測器。其中，中國將一步實現(xiàn)環(huán)繞、著陸、巡視探測，美國將進(jìn)行著陸巡視探測，阿聯(lián)酋將進(jìn)行環(huán)繞探測。可能有讀者會問：火星距離地球最遠(yuǎn)有4億公里之遙，人類是怎樣對這些探測器進(jìn)行追蹤、控制的？這便涉及到一個重要概念：航天測控。

宏偉而復(fù)雜的航天活動，不是航天器孤立完成的，而是需要各種龐雜的保障系統(tǒng)來支持配合。測控系統(tǒng)是航天任務(wù)不可或缺的重要組成部分，是天地聯(lián)系的唯一紐帶，測控通信鏈路搭起了廣闊太空中的橋梁，像風(fēng)箏線一樣把航天器與地球緊密聯(lián)系在一起。沒有測控，航天器就是太空中的一點塵埃，航天員也會失去支援，成為太空中的流浪兒。

在人類發(fā)射衛(wèi)星、登陸月球、探索太空等一系列偉大征程中，航天測控系統(tǒng)一直堅實地發(fā)揮著基礎(chǔ)支撐作用。隨著人類航天活動拓展和深入，航天測控系統(tǒng)也在不斷發(fā)展，從初期單一的陸基支持演變成現(xiàn)在基于陸、海、天一體化的對海量任務(wù)的融合服務(wù)。如今，人類正在向重返月球、登陸火星、深空探測、太空旅游與采礦等目標(biāo)邁進(jìn)，航天測控的規(guī)模和能力也將持續(xù)提升，迎接新的挑戰(zhàn)。

▲ 西安衛(wèi)星測控中心 南勇攝

▲ 西安衛(wèi)星測控中心廈門測控站

▲ 先鋒1號衛(wèi)星

能力不斷拓展

航天測控是指對運載火箭和航天器飛行軌跡、姿態(tài)和各分系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行跟蹤測量和監(jiān)視控制，從而保障目標(biāo)按照預(yù)先設(shè)計好的狀態(tài)飛行與工作，確保完成任務(wù)。

受地球曲率影響，單個地面測控站只能追蹤到從視線范圍內(nèi)經(jīng)過的航天器。為了對運載火箭和航天器進(jìn)行全程觀測，就需要在不同地點建設(shè)多個測控站，接力完成測控任務(wù)。多個測控站、管理所有資源的測控中心和連接各個站點的通信系統(tǒng)共同組成了航天測控網(wǎng)。

美國從發(fā)射首顆人造衛(wèi)星的“先鋒計劃 ”起，就開始建造Minitrack測控網(wǎng)。隨著衛(wèi)星種類、運行軌道和測控要求不斷增加，Minitrack網(wǎng)沿西經(jīng)75度至80度，從戈達(dá)德航天中心到智利圣地亞哥建立了7～8個測控站，以捕獲小傾角衛(wèi)星；在南北緯35度范圍內(nèi)，從圣迪戈到澳大利亞建立了4～5個站，來捕獲高傾角衛(wèi)星。通過不斷增加新的設(shè)備，Minitrack網(wǎng)逐漸建成能為各種傾角、不同高度衛(wèi)星服務(wù)的衛(wèi)星跟蹤與數(shù)據(jù)獲取網(wǎng)。

航天測控的內(nèi)涵和能力需求隨著人類太空探索的進(jìn)程而不斷拓展。早期的測控僅僅是簡單地跟蹤航天器和測量其軌道參數(shù)。之后，航天器上搭載的儀器逐漸復(fù)雜，需要采集各種參數(shù)傳回測控站，所以接收下行遙測信息成為測控網(wǎng)的重要任務(wù)。再到后來，人們對航天器的運行控制提出更高要求，改變航天器的軌道和艙內(nèi)環(huán)境、操作航天器的有效載荷、控制航天器的部件和儀器等需求，使上傳遙控信息成為測控網(wǎng)的重要組成部分。至此，便形成了由多種無線電設(shè)備完成跟蹤測軌、遙測和遙控功能的典型航天測控網(wǎng)。

隨著上行和下行數(shù)據(jù)量增大，測控網(wǎng)的任務(wù)開始轉(zhuǎn)變?yōu)橐詳?shù)據(jù)采集為主。發(fā)展到今天，航天器上各種用途的計算機(jī)、處理器越來越多，而且這些計算機(jī)需要遠(yuǎn)程連接到地面測控站和測控中心中的計算機(jī)，于是測控網(wǎng)中傳統(tǒng)的測控信息傳遞變得更接近于天、地計算機(jī)網(wǎng)之間的信息交換。

從陸基向天基的一體化發(fā)展

航天測控的技術(shù)體制也經(jīng)歷了從分散到整合、從陸基擴(kuò)展到天基，正向更優(yōu)化的綜合集成，更高的軌道覆蓋、軌道精度、數(shù)據(jù)傳輸速率，更遠(yuǎn)的測控距離和更低的測控成本等方面發(fā)展。

早期，航天測控系統(tǒng)是由地面測控站里相互分離的跟蹤測軌設(shè)備、遙測設(shè)備、遙控設(shè)備組合而成。它們各自工作在獨立的頻段,使得航天器上的設(shè)備數(shù)量多、重量大、可靠性差，而且容易產(chǎn)生電磁干擾，地面設(shè)備也十分復(fù)雜。

1966年，為保障阿波羅登月計劃，美國宇航局將跟蹤測軌、遙控、遙測設(shè)備綜合為一體，建成統(tǒng)一S波段（USB）測控系統(tǒng)，成為測控技術(shù)發(fā)展史上的一個里程碑。統(tǒng)一波段測控系統(tǒng)自問世后就在空間技術(shù)中迅速推廣,應(yīng)用領(lǐng)域涉及各種火箭、衛(wèi)星、飛船、空間站的測控、深空跟蹤、導(dǎo)彈試驗的安全控制以及航空飛行器的測控。

▲ TDRSS衛(wèi)星

航天測控的一個重要目標(biāo)是增大通信覆蓋率，尤其是載人航天，生命攸關(guān)，與航天員失聯(lián)的每一分鐘都讓人提心吊膽。美國在60年代開始建設(shè)耗資近5億美元的載人航天網(wǎng)，在世界各地設(shè)立20多個USB測控站組成“陸基”測控網(wǎng)，同時配備“海基”測量船隊和“空基”測量飛機(jī),以增大測控通信的覆蓋率，但在最有利的條件下也只能覆蓋不到30%的地球軌道時間。

單靠陸海空基測控網(wǎng)不能解決中、低軌航天器覆蓋問題,航天測控的枝干最終要伸向太空。1983年，美國宇航局開始建設(shè)以地球同步衛(wèi)星為中繼站的“跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)”（TDRSS），再次開創(chuàng)測控發(fā)展的新紀(jì)元。TDRSS把測控站搬到了天上，從上向下俯視低軌航天器來實現(xiàn)高覆蓋率。

▲ 美國設(shè)在澳大利亞的深空測控天線群

以數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)為主建設(shè)的天地一體化測控網(wǎng),能有效提高測控網(wǎng)的覆蓋率、定軌精度、火箭全程測量和同時對多目標(biāo)的測控能力,而且能夠完成各類衛(wèi)星的高速實時數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。我國嫦娥四號任務(wù)中，首先發(fā)射鵲橋中繼星跨越40多萬公里抵達(dá)繞地月L2點的Halo軌道，搭建通信鏈路，為實現(xiàn)人類首次探測器在月背著陸提供測控保障。

除了中繼衛(wèi)星，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也成為天基測控的重要手段。依靠導(dǎo)航衛(wèi)星可以定位和測速,但不能提供遙控和遙測信號,而當(dāng)把衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與遙控、遙測設(shè)備組合在一起，就可以形成一個完整的測控系統(tǒng)。同時衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還可以提供測姿、授時、相對導(dǎo)航等功能，為導(dǎo)彈試驗、航天器自主定位等提供重要支持，在一些特殊領(lǐng)域中具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

▲ 1969年7月20日，美國宇航局提供的這張照片顯示了在阿波羅11號月球艙外活動期間，任務(wù)控制中心30號樓任務(wù)操作控制室里的情景

厚積薄發(fā)，體系支撐

航天測控使命重大，它是依靠什么來完成任務(wù)的呢？

按照功能區(qū)分，航天測控系統(tǒng)包括了跟蹤測軌、遙測、遙控、天地通信與數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)控顯示、地面通信和時間統(tǒng)一等8個主要分系統(tǒng)以及有關(guān)輔助支持系統(tǒng)。

跟蹤測軌系統(tǒng)的功能是將測控天線指向航天器目標(biāo)，獲取目標(biāo)相對測控天線的方向角、距離和速度等位置運動參數(shù)，用來確定航天器的運行軌道。遙測系統(tǒng)通過各種技術(shù)采集航天器內(nèi)部參數(shù)，傳給測控站。這些參數(shù)包括工程參數(shù)、航天員生理參數(shù)、天地回路控制驗證數(shù)據(jù)和有效載荷應(yīng)用數(shù)據(jù)等，幫助地面人員隨時掌握航天器、航天員和各種儀器設(shè)備的工作狀態(tài)，準(zhǔn)確判斷和處理各種情況。

遙控系統(tǒng)的功能是產(chǎn)生指令信息并發(fā)送給航天器，按任務(wù)需要對航天器進(jìn)行實時控制或程序定時控制。航天器的設(shè)備開關(guān)機(jī)、變軌和軌道維持、交會對接和離軌返回、姿態(tài)機(jī)動與維持等都需要遙控系統(tǒng)來控制。天地通信與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)完成航天器和地面之間數(shù)據(jù)傳送，尤其在載人航天中,需要提供與航天員進(jìn)行視頻和話音通信的通道，是天地聯(lián)系的紐帶。

▲ 美國深空測控站

這4個分系統(tǒng)集成在一起，就是統(tǒng)一波段測控系統(tǒng)。“統(tǒng)一”是用一副天線、同一載波信道來傳輸各分系統(tǒng)產(chǎn)生的或要接收的信號。根據(jù)工作頻段的不同，又分為超短波和微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)，微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)具體分為C頻段（UCB）和S頻段統(tǒng)一系統(tǒng)（USB）。目前，UCB和USB都是我國主要使用的航天測控系統(tǒng)。

另外4個分系統(tǒng)屬于通用支撐系統(tǒng)。其中，測控數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理和分析測量數(shù)據(jù)，產(chǎn)生控制指令、注入數(shù)據(jù)，完成信息交換和管理測控系統(tǒng)設(shè)備。監(jiān)控顯示系統(tǒng)展示各類關(guān)鍵信息。地面通信系統(tǒng)通過無線和有線網(wǎng)絡(luò)傳遞數(shù)據(jù)、話音和圖像等信息，使地面測控中心與各測控站連接成一體。時間統(tǒng)一系統(tǒng)為測控系統(tǒng)提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時間信號和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號，使航天測控網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備在統(tǒng)一的時間尺度下、在確定的精度下同步運行。

除了這8個主要系統(tǒng)，航天測控還需要氣象保障、大地測量保障、海上測量船的船位(經(jīng)度、緯度、航向、航速)、船姿(縱橫仰角、船體形變)測量和船上跟蹤天線波束指向穩(wěn)定等各種保障。所有這些系統(tǒng)保障協(xié)調(diào)一致，通過廣泛分布、體系集成的綜合測控系統(tǒng)一線牽連，保障航天器順利遨游于星海。

多樣的航天器，不同的測控要求

不同航天系統(tǒng)可以有專用的測控系統(tǒng)，多種航天系統(tǒng)需求相似也可以合用一個兼容的測控系統(tǒng)。按目標(biāo)類型的不同，航天測控系統(tǒng)又可分為導(dǎo)彈和火箭測控、衛(wèi)星測控、載人航天測控和深空測控4類。它們各有顯著特點，由此產(chǎn)生不同的測控需求和重點。

導(dǎo)彈和火箭測控主要是為導(dǎo)彈鑒定、定型和改進(jìn)設(shè)計提供精密彈道，為運載火箭的性能評定、故障分析和改進(jìn)設(shè)計提供依據(jù)。由于導(dǎo)彈和火箭造價昂貴，飛過即毀，不允許隨意反復(fù)試飛和測量，所以要求每次發(fā)射都測量成功，尤其是對彈載測量設(shè)備的可靠性要求非常高。

衛(wèi)星測控的距離根據(jù)軌道高度不同，跨度從幾百公里到數(shù)萬公里。對于3000公里以下的近地軌道衛(wèi)星來說，由于高度低、運行周期短，衛(wèi)星飛經(jīng)地面速度快，一般過站僅有十幾分鐘觀測時間，需要較多地面站接力來完成測控任務(wù)，同時因為速度快導(dǎo)致衛(wèi)星可控性差，因此一般要求近地衛(wèi)星采用自主控制為主、地面遙控為輔的控制方式。而對于中高軌衛(wèi)星，尤其是地球同步衛(wèi)星，往往只需要一兩個地面站就可完成全部測控任務(wù)。

載人航天測控系統(tǒng)的突出特點就是測控與通信的覆蓋率要求高，除一般跟蹤測軌與遙測、遙控設(shè)備外，還要求配備與航天員通話和視頻的設(shè)備。同時，為了確保航天員的順利入軌和安全返回，載人航天對可靠性的要求非常苛刻，這也對測控網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、操作模式、鏈路建立、設(shè)備組成、軟件開發(fā)等方面提出更高要求。阿波羅任務(wù)中，測控網(wǎng)絡(luò)包括了17個地面站、5艘測控船和8架測控飛機(jī)，全力保障載人飛船的運行。

深空探測系統(tǒng)要為月球、行星和行星際等空間探測航天器服務(wù)，人類深空探測的步伐越走越遠(yuǎn)，對空間探測器跟蹤、遙測、遙控的難度也越來越大，這就迫使深空測控系統(tǒng)采取一切最新和最先進(jìn)的技術(shù)來提升性能，也使深空測控的技術(shù)水平始終處于測控領(lǐng)域最前沿。

為了服務(wù)幾十億公里外的深空探測器，深空測控系統(tǒng)使用特大口徑天線和高靈敏度接收系統(tǒng)。美國宇航局用于支撐月球、行星和行星際探測任務(wù)的深空網(wǎng)建有相隔120度經(jīng)度的3個測控站（戈爾德頓、馬德里、堪培拉站）。每個站有1個70米、2個34米、1個26米口徑的大天線，以滿足深空探測的超遠(yuǎn)程測控。深空測控信號跨越幾十億公里距離，要克服長達(dá)數(shù)小時的時延，測控的實時性很差，這也必須由航天器自主處理，依靠預(yù)置程序來應(yīng)對各種突發(fā)情況。

雖然有不同的測控要求，隨著航天技術(shù)和測控技術(shù)的發(fā)展，多數(shù)航天器的基本測控功能和性能要求之間的差異越來越小，測控站經(jīng)過適應(yīng)性改造也可以滿足多種航天任務(wù)的需求，所以導(dǎo)彈和火箭測控、衛(wèi)星測控、載人航天測控、深空測控等相互融合、一體發(fā)展、綜合調(diào)度，成為全流程、全方位、按需提供各種天地測控通信能力的“大測控”網(wǎng)絡(luò)。★

▲ 阿波羅任務(wù)