測控應用：運籌帷幄 決勝千里

文/ 楊詩瑞

▲ 飛控大廳任務場景

航天器一般包括導彈、運載火箭、人造地球衛星、載人飛船、深空探測器等類型。測控系統對各類航天器進行跟蹤、測量和控制，是導彈試驗、火箭發射、衛星運行和載人航天等不可缺少的組成部分。

不同航天器根據飛行距離和運行軌道的不同，對航天測控要求也不同。航天測控系統總體可分為兩類，一是專為導彈試驗和運載火箭發射提供服務，又稱“靶場測控系統”；二是為衛星、載人飛船、深空探測器等提供服務，又稱“航天測控系統”。

由于火箭和衛星在軌道跟蹤上存在原理性的不同，兩種測控系統從功能、體制、要求等方面有較大差別，同時又相互協作，共同服務于航天任務。

鑄劍大國重器——導彈火箭測控

靶場測控系統專為導彈試飛、運載火箭發射服務，其任務重點包括為導彈鑒定、定型和改進設計提供精密彈道；進行運載火箭的遙測參數測量、傳輸、處理以及運載火箭飛行外彈道的測量和安全控制任務，從而獲取飛行試驗數據，為運載火箭的性能評定、故障分析和改進設計提供依據。

導彈試驗任務要精確測量一瞬即逝的彈道。導彈和火箭造價昂貴，飛過即毀，不允許隨意反復試飛和測量，故要求每次發射都測量成功，彈載測量設備追求一次工作的高可靠性。同時導彈和火箭彈道在主動段的飛行帶有很大加速度，測量彈道需要確定每一時刻的位置和速度，且測控設備距目標較近，角速度及速度較大，精度要求高，所以導彈和火箭測控設備更加復雜和昂貴。

▲ 我國首次海射的測控現場

不同類型的導彈又有不同的需求。

遠程彈道導彈的靶場需要規模大、航區長，并配備大量高精度的測量設備。為了提高命中精度，對遠程導彈的再入段也需要精密測量。

巡航導彈由于飛行高度低，地雜波和多徑效應影響嚴重，測軌精度要求高，全程有動力飛行，需要考慮低空全程測控。

這些都給導彈測控提出新的挑戰。在經歷陸基多站雷達網、機載測控系統的發展階段后，目前基于衛星導航系統的測量方法成為主要方向，并且逐漸成熟。

運載火箭點火起飛過程中，測控系統要對火箭進行軌道測量，這項工作由外彈道測量設備，包括地面的連續波雷達、脈沖雷達、光學電影經緯儀、地面遙測站等測控設備及與它們協同工作的箭上設備共同來完成。同時，根據火箭的遙測和測軌數據，通過遙控實現安全控制。

近幾年來，世界各國主力火箭的更新換代逐漸展開，其運載能力、發射方式、入軌形式都發生了較大變化，火箭測控需求也面臨著許多變化。

如大型和重型運載火箭飛行時間長、飛行距離遠，對測控覆蓋能力提出更高要求。快速發射火箭陸續投入應用，空射、海射等發射方式逐漸增多，這類火箭任務準備周期短，發射點位、射向變化大，對測控系統的快速發射適應能力和大范圍、全航程測控覆蓋提出更高要求。

此外，還有為減少空間碎片而實施的末級火箭鈍化、離軌操作等任務也對測控能力提出新的需求。這些都要求進一步優化測控系統組成結構，推進新技術應用，構建手段多樣、配置優化、安全可靠的火箭測控系統。

巡天遙看星河——衛星測控

接力運載火箭主動段，從星、箭分離衛星入軌至工作壽命期間，衛星測控一直擔當重任。為使衛星正常地工作，有一個龐大的地面測控系統在日以繼夜地緊張工作。

衛星測控的主要任務是完成對衛星的飛行軌道測量、接收星上遙測數據、監視顯示衛星工作狀態、進行衛星的姿態控制與軌道控制等，并且在衛星發生故障時需要立即轉入排除故障的測控，甚至還要利用測控進行離軌退役的壽終處理。

衛星在與運載火箭分離的一剎那，測控中心要根據各測控站實時測得的數據，算出衛星的位置、速度和姿態參數，判斷衛星是否入軌。入軌后，測控中心需要在幾分鐘內算出衛星初軌根數，同時根據各測控站傳遞來的遙測數據，判斷衛星上各種儀器工作狀態，以便采取對策。

在衛星的生命周期中，測控中心和各測控站同樣有許多繁重的工作要做。一方面要持續跟蹤測量衛星的速度和姿態參數，不斷精化衛星軌道根數；另一方面要測量、分析和處理星上儀器的工作狀態，接收衛星發回的科學探測數據。衛星在空間飛行，受到大氣阻力、地球扁率、日月攝動、輻射壓力等多種攝動因素的影響，逐漸地改變軌道形狀，需要定期開展軌道測量，實施軌道修正和管理。

▲ 歐空局部署在歐洲之外的深空測控站

衛星“身嬌體貴”，在太空中出現一個微小故障，就有可能壽命終結。而太空環境非常惡劣，衛星故障時常發生。因此，太空應急處置能力是測控能力的最突出體現之一。我國西安衛星測控中心就曾多次臨危受命，及時排除衛星故障，使衛星起死回生，恢復安全。

未來幾年，小衛星發射市場增長迅速，在軌衛星數量激增，小衛星星座組網將成為新的發展方向，對小衛星的測控也將改變傳統測控模式。小衛星測控面對的是同時多星測控管理、短弧段稀圈次測控、用戶直接管理控制和機動測控等需求，測控系統要求具有簡單、專用、成本低，測控保障費用低、體積小、重量輕等特點。

叩問天上宮闕——載人航天測控

載人航天測控需要滿足實時跟蹤、高軌道覆蓋率、大信息量傳輸（話音、航天員生理參數、飛船遙測、電視信號等）和高可靠性等特殊要求，衛星測控網不能完全滿足需求。

在載人飛行中，航天員一般在發射前2小時就進入返回艙，此后一直要對其身體狀態進行監視，保持雙向通信聯系，危險時還要進行逃逸救生。測控系統在這一期間要提供視頻圖像接收、與航天員的話音通信、逃逸指令的無線傳輸等支持。

為保證航天員安全，測控系統需要保證不間斷地跟蹤測量、數據接收和通信傳輸，以及對突發事件具有快速反應能力，對運載火箭和飛船有兩種以上的不同測控手段，并能做到相互補充，確保高度可靠。

載人航天在上升段、在軌運行段、返回段對測控系統的要求有很多不同。

在火箭上升段，由于箭上環境條件惡劣、動作事件較多，在此過程中火箭與飛船的故障診斷、飛船的逃逸控制和落點預報是測控的重要內容。

▲ 航天測控地面設施

▲ 佳木斯深空測控站

進入在軌運行階段后，載人飛船和航天員開始迎來繁重的任務，同時也需要測控系統提供可靠穩定支持，包括監視飛船和航天員的狀態以及飛船各個結構部件的展開情況，主要儀器儀表的檢查測試情況；及時評估運行軌道是否正常，保持與航天員的話音通信和電視監視；根據監視和評估結果進行分析、判斷，做出是否繼續飛行、等待返回或立即返回等決策。入軌后要求測控系統能夠提供較長的連續測控、通信覆蓋時間。

載人飛船的返回段是任務成敗的關鍵，飛船要進行兩次大的調姿、軌道艙與其他兩艙分離、飛船制動和離軌等一系列復雜操作。測控系統要完成對飛船調姿、艙段分離、制動過程的連續跟蹤監視，對再入點前后進行測量并預報返回艙著陸點。由于返回過程中航天員遇到的過載不能太大，所以飛船返回的時間和航程都更長，地面站難以覆蓋返回全程，需要在合適的位置布置測量船來完成返回測控覆蓋。

放舟星辰大海——深空測控

國際上通常將月球探測作為深空探測的起點。從1959年1月蘇聯發射第一個月球探測器以來，人類深空探索的腳步已遍布太陽系。深空測控是深空探測的核心系統，其主要任務是對各類深空探測器進行跟蹤測量導航、健康狀態監視、任務飛行控制、探測任務操作和數據傳輸通信。

深空探測最大的挑戰是距離。月球探測跨越38萬公里，火星探測最遠測控距離達到4億公里，人類最遠探測器“旅行者1號”已飛躍超過200億公里。深空探測器飛離地球越遠，對其進行跟蹤遙測和遙控越難，因此深空測控是發展最快、技術最先進的航天測控領域。

深空測控系統一般由深空探測器上的星載測控分系統、分布于地面的深空測控站、深空任務飛行控制中心以及將地面各組成部分連接在一起的通信網組成。

為了節省推力，探測器上用于測控的設備應盡量少，盡量小型化，所以深空探測器最早采用統一載波測控體制。這一體制成為后來USB系統的技術基礎。

▲ 中國深空測控網相關深空站

▲ 全球主要深空測控設施分布

作用距離的增加，使用于深空探測的測控數傳天線不斷增大，發射功率不斷增加，工作頻段不斷提高(HF—S—X—Ka)。

為了克服地球自轉影響, 實現對深空航天器的連續測控覆蓋,深空測控網通常在全球范圍內經度上間隔約120度建設地面站，配備大口徑拋物面天線、大功率發射機、極高靈敏度接收系統、信號處理系統以及高精度高穩定度時間頻率系統，確保對距離地球表面在3萬公里以上的航天器進行連續測控。

目前,美國、歐空局和我國已全面建成深空測控網。俄羅斯、日本、印度、意大利、德國等國家研制建設了自己的深空測控設備，但未形成完整的深空測控網。

為了執行月球、行星和行星際探測任務，美國宇航局于1958年年初開始建設深空網。最初在全球設有5個站，后調整為大致相隔120經度的3個站。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程測控。

歐空局深空網由3個全球分布的具有35米口徑天線的深空站組成,分別是澳大利亞新諾舍站、西班牙塞夫雷羅斯站和阿根廷馬拉圭站。

我國深空測控網與探月工程同步發展，隨著天問一號火星探測任務的展開，進一步建設完善，目前綜合水平處于世界前列。★