概 述

航天测控网是指对航天器进行测量控制的专用网络，其主要任务是对上升段运载器进行测量，对故障火箭实施安全控制；对航天器轨道和姿态进行测量和控制，对航天器遥测进行接收处理，对航天器进行遥控，接收载人航天器图像，进行上下话音通信等；为有效载荷提供相关参数。航天测控网的中枢是航天指挥控制中心，不管是地基，还是天基，所有的测控资源都由中心来计划、控制和使用。

我国先后建成了超短波近地卫星测控网、C频段卫星测控网和S频段航天测控网，可为中低轨、地球同步轨道等多种航天器提供测控支持，圆满完成了各次航天飞行的测控任务。

根据我国航天发展中长期发展规划，我国现有C、S两大骨干测控网面临着以下四个方面的新挑战。首先是测控网精度。根据现有测控设备精度和定轨方法，航天器空间定位位置精度可达十米至百米量级。未来的对地观测等新型卫星要求定轨精度在米级以内，甚至厘米量级。其次是测控网的覆盖能力。当前测控网对中低轨道航天器的覆盖率在10％～20％，随着载人航天工程的发展，要求轨道覆盖率在80%以上，尤其在空间交会对接过程中，要求不间断的监视。只有高覆盖率才能保证载人航天任务的安全、可靠。第三，多星管理能力随着我国小卫星、卫星星座的发展，测控网将面临着需测控支持的卫星数目多、多颗星同时过境、卫星相继过境间隔时间缩短等新形势。这就要求测控网具有较强的多星测控、管理能力。第四，高数据率。以往的航天测控任务，前向链路(上行遥控、数据注人等少和返向链路(下行遥测、数传等)的数据传输速率均在几十至几兆以内。以后的观测卫星、空间站的码速率将达百兆量级以上。

我国航天测控技术现状和面临的任务

我国航天测控技术现状

40多年来,为了配合我国的航天试验任务,测控和沟通测控系统的通信技术有了长足的发展。在测控系统总体设计、测控网和测控中心的建设、测量数据的实时和事后分析,以及跟踪测量和指令控制设备技术等方面都跨入了当今世界先进行列。

我国航天测控网由发射和测控中心、若干陆地固定和机动测控站及航天测量船组成。已由UHF、S、C三个频段TTC设备组成的航天测控系统,具备完成第二代卫星、载人航天工程的测控支持能力。在执行历次卫星发射试验任务中,证明其有很高的总体效能。免费论文网。我国航天测控网的主要特点是统一规划,设站较少,效益高;网中各固定站可以根据需要合理组合,综合利用;各车载、船载站可以根据需要灵活配置,机动使用;多数测控设备可以箭、星通用;数据格式及接口实现了标准化、规范化。目前,已形成了以高精度测量带和中精度测控网交叉兼容,以测控中心和多种通信手段相联接的,具有中国特色的陆海基航天测控网,能为各种射向、各种轨道的航天器发射试验和在轨运行提供测控支持,具备国际联网共享测控资源的能力。

未来我国航天事业发展对飞行器测控技术的需求

根据我国航天活动中长期发展规划,在卫星应用与科学探测领域,将继续发展环境与灾害监测、地球资源探测、气象探测、海洋探测、卫星通信等系列卫星,辅以各类科学实验和空间科学探测卫星;在载人航天领域,将进行航天员出舱活动、无人交会对接和载人交会对接试验,陆续建设我国的空间实验室和空间站等;在月球与深空探测领域将逐步实施绕月探测、月面软着陆与月面巡视勘察、自动采样返回以及火星、小行星等深空探测计划。航天活动的持续发展给航天测控系统带来了新的挑战和发展机遇。新的测控需求突出表现在:

1) 高的轨道覆盖率

在载人飞船工程第二步任务中,航天员出舱活动和空间交会对接要求高轨道覆盖率;为提高传输型卫星的利用率和探测信息的时效性,要求高轨道覆盖率;亚轨道飞行器,其轨道机动具有变轨时间突发性和变轨位置的随意性,要求高轨道覆盖率;在月球探测的转移轨道段,要求全程几乎连续的轨道覆盖。免费论文网。

2) 更高的轨道精度

在对地观测卫星和海洋卫星等近地轨道卫星、导航卫星、绕月探测卫星等提出高精度的航天器轨道测量和定位精度的同时空间交会对接、卫星星座、月球着陆探测还提出了航天器间相对位置精度的更高要求。

3)更高的数据传输速率

随着对地观察类卫星的大量应用,测控网需要高速率的数据传输能力,测控通信业务传输速率将突破300 Mb/s。

4)更多的测控目标和更复杂的测控任务

随着航天技术的发展,卫星应用领域不断扩展,未来一段时间内将有大量军事卫星和民用卫星发射入轨,由多颗卫星组成的卫星星座的应用使得卫星在轨数量激增。同时,在传统单颗卫星的测控任务外,对多星的同时测控支持、多星及星座在轨运行管理等增加了航天测控网的负担和操作复杂性。

5)远的测控距离

我国确定开展以月球探测为主的深空探测任务,使得航天测控的距离拓展至40×104km的月球。遥远的距离带来了巨大的时延,使信号微弱,并限制了深空数据传输速率,这些困难使得测控系统必须尽可能地采用最先进的技术,不断提高通信链路和测控精度。

6)更低的测控成本

随着航天测控网规模的日益庞大,长期使用后维护费用占的比例很大,航天器在轨寿命的延长使得运行控制费用不断累积,这些都使降低航天测控任务的总费用成为国际航天界的重要课题。

我国航天测控系统的发展趋势

由陆海基测控网向天地一体化综合测控网过渡

目前的天基测控系统主要有两类:一类是跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS),是以数据中继为主要技术手段的综合航天测控系统;另一类是导航定位系统,可为航天器和地面目标提供高精度定位测速和定时能力。我国航天测控网的主要发展途径是建立数据中继卫星系统,充分利用GPS/GLONASS和我国发展中的北斗全球卫星导航定位系统,优化地面测控站布局,逐步由陆海基测控网向天基为主、天地结合的一体化综合测控网发展。卫星发射段、高轨卫星和小卫星的长期管理由地基设备为主完成;中低轨航天器的长期管理则由天基系统为主、地基设备为辅。

利用以数据中继卫星系统为主建设的天地一体化测控网,不仅能有效地提高网的测控覆盖率、定轨精度、火箭全程测量和同时对多目标的测控能力,而且能够完成各类对地观测卫星的高速实时数据传输的任务。考虑到急需和现实可能性,我国TDRSS应分步发展。第一部以现有卫星平台为基础,以S、Ka固面抛物面天线作星间通信天线,尽快研制和发射一个试验和试用型数据中继卫星。在此基础上再以大卫星平台、可展开式大口径天线为基础研制和发射第二代数据中继卫星,由二颗在轨工作星和一个地面终端站构成高性能实用型系统。同时开拓系统新的应用领域。建立以卫星导航定位系统为基础的外弹道测量(遥测)系统。改造装载GPS/GLONASS/北斗终端的S频段车载遥测站,组成一体化的遥外测综合测量设备;同时加强在测姿、测轨方面的应用,提高飞行器自主测量能力,简化地面测控网。关于火箭飞行安全及卫星、飞船的实时控制问题,天地之间也要有一个合理的分工,充分发挥卫星自主能力不断提高的技术潜力,以便对地面控制能力和测控系统规模有一个明确的建设思路。

补充完善适于小卫星、星座及组网的测控手段

小卫星是当今世界航天领域发展的热点,也是我国重点发展应用的一类航天器。可以设想,未来十年我国在轨运行小卫星的数量将占卫星总数的一半以上,有单星、星座和编队飞行卫星群等。小卫星测控的关键是攻克多星测控管理和小型化的地面高效综合设备技术,希望能通过更合理地使用测控资源和在尽量降低运作费用的前提下,实现对多星发射时入轨段和早期轨道段的测控支持,具备在轨运行段对较多卫星的综合管理能力。

由于我国在轨运行的小卫星较少,而且从重量、体积、自主功能和结构设计等方面还不完全具有现代小卫星的特征,近期仍可应用常规的TTC方案。因此发展小卫星测控的总体思路应是:充分发挥现有测控网的作用,避免重复投入,以首先实现对信息获取(对地观测)小卫星及星座的测控支持为突破口,研究未来大型小卫星网的测控和管理技术;对目前网内部分主站进行适应性配套改造,同时研制必要的机动型小卫星地面高效综合测控设备,共用互补,天基和地基协调配套发展,中心透明工作方式和单站直接操作方式相结合,提高测控网的综合性能。在轨运行仍采用现有S频段测控网或以该网为后盾,提高测控站的自动化程度,对测控站和卫星控制中心各类软件的调度性能作进一步开发、优化,强化网管中心的调度功能,使其具有支持50颗左右在轨卫星测控的能力。改造部分现有设备,使其符合CCSDS建议的标准,适应多用户、多数据类型的任务;提高数据通信系统的适应能力,沟通并完善与用户数据通信的接口,真正赋予用户直接了解、应用和操作所属星上有效载荷的能力,为战时快速反应提供可能性。

建立空间信息资源应用管理网络系统

航天系统是高投入、高风险、高回报的系统,如果能有效地克服目前各类卫星系统以单用户为背景的条块分割现象,形成卫星系统信息的综合利用和共享,将大大提高航天系统的整体效益,对国民经济建设和国防事业都将具有重要意义。因此产生了天基综合信息网的概念。建设中国的天基综合信息网,应从国情出发,采用由简单到复杂、由初级到高级的发展思路,主要把所有已发射和即将发射的卫星及地面系统综合利用起来,尽快构成可实现资源共享的网络。受客观因素制约,初期的数据处理和联网还只能在地面完成。

在我国跟踪与数据中继卫星发射以后,各卫星系统获取的信息可实时汇集到同一中心并使卫星工作效率、工作范围及信息的时效性大大提高。我国的空间资源地面站子系统和信息综合处理管理中心,将获取的信息集中管理,按权限打包分发,并逐步实现复杂的多种信息融合处理,提高空间信息系统所获信息的时间分辨率、目标分辨率和识别能力。这样既可以避免重复投资,又能充分发挥航天系统和测控网的利用率和效益,实现包括测控信息在内的空间信息资源的共享,建成面向用户进行全方位信息服务的空间资源综合处理管理网络系统。

建设和完善空间目标监视系统

空间目标监视系统的作用是监测空间目标,并进行某些状态如轨道参数、辐射特征和形态特征评估,提供目标的空间态势,为相关系统提供满足要求的目标信息。免费论文网。在我国航天测控网的基础上,与国内的空间目标侦察监视系统和人卫观测系统相配合,进行统筹规划和有针对性的设备研制,逐步建成包括星载空间监视网、陆基空间雷达监视网和光电监测网组成的完整的空间目标监视系统,是紧迫、必要和可行的。需要解决的技术重点在于对目标的精密定轨与预报,难点在于大气模型的动态监测。

我国航天测控技术的发展

航天测控技术是对航天器进行跟踪、测量、控制的综合专用技术,涉及跟踪、遥测、遥控、轨道动力学、计算机、数据处理、监控显示和通信等诸多专业技术领域。我国在这些专业技术的创新成果为未来航天测控系统的发展奠定了技术基础。近年来我国在天基测控技术、深空测控技术、小卫星测控技术和卫星星座测控技术等方面都开展了大量研究工作,突破了多项关键技术,并逐步解决了这些新技术在工程实践上的应用问题。

载人航天测控通信技术

我国载人航天工程测控通信系统在测控通信体制、测控网工作模式、高速数据传输技术、数字仿真技术等多个方面实现了重大技术突破。

载人航天测控通信系统布站设计利用我国有限的国土跨度和航天测控资源实现优化,确保了航天器各关键飞行段的测控通信支持,既满足了载人航天基本的测控通信要求,又兼顾了今后测控通信系统的发展,规模适当、布局合理、技术先进,以较少的投入获得了较大的效益,从而实现了测控通信系统整体效能的优化。

以S频段测控系统为骨干的载人航天测控通信系统,充分利用我国现有的测控通信资源,挖潜改造,形成了规模适中、功能齐全的陆海基测控通信系统,既可支持我国载人飞船、所有的中低轨卫星测控,也可支持S频段同步卫星和火箭的测控任务,功能强、体系结构合理,是我国今后航天测控主要使用的具有国际同类先进水平的骨干系统。系统设计符合CCSDS建议书等国际标准和规范,通过突破USB宽频带测距转发等技术首次实现了我国航天测控网与国外航天测控网的联网。通过联网与国外建站相结合,提高了测控通信覆盖率,减少了航天测量船的数量,节省经费数亿元。利用对设备的远程监控技术、网络技术及双路由热备份技术等,载人航天测控通信系统在国内首次设计并实现了测控网的透明工作方式,对航天器的数据处理、状态监视、控制决策和实施由航天器的任务中心统一完成,改变了我国航天测控沿用了20多年的测控中心、测控站共同负责航天器测量数据处理、航天器控制决策的模式。

深空跟踪测量技术

在深空跟踪测量技术方面,除了传统的测距、测速和测角技术外,还跟踪研究了激光测距技术、甚长基线干涉测量技术、实连站干涉仪技术、单向测距测速技术、同波束干涉技术、探测器对探测器的跟踪技术等新的深空跟踪测量技术;针对各种测量资料类型,研究了深空探测器不同轨道段的导航技术;深空通信技术则包括Ka频段的大口径天线技术、天线组阵技术、新的编码技术(如Turbo码)等。深空测控设备相关的地面X和Ka频段大口径高效率天线技术,地面高效大功率发射技术,高增益信道编解码技术,低噪声放大器件及高灵敏度接收系统优化设计技术,高精度、高稳定度时间和频率标准技术的研究工作也正在开展中。不少新技术将在我国未来深空测控网中得到应用。

地球卫星跟踪测量技术

在近地轨道航天器的跟踪测量技术方面,为适应新的任务需求,除了传统的测距、测速和测角技术外,目前正跟踪研究并致力于星地与星间宽带毫米波及光通信技术,多目标测控管理技术,星地与星间链路技术,航天器自主测控技术,测控管理自动化技术,多信源高精度精密测定轨技术,星地与星间一体化测控通信技术,测控资源综合利用与优化配置技术,多星共位技术和天基测控信息路由交换技术等多方面的新技术研究工作。不少新技术都是不断适应新时期航天器的测控需求提出的,随着研究进程的加深,获得的研究成果将逐渐渗透并进入工程实践一线。

结 语

随着多功能小卫星、卫星星座组网及新型航天器的不断发展，应积极研究我国测控网的发展对策。对如何提高测控精度、测控覆盖率和多任务持能力等进行深人研究。总的来讲，我国现有地面测控网可以满足大多数任务的需要。现有地面测控网规模不宜再扩大，应积极发展天基测控网，充分利用天基数据中继卫星的强大优势，早日建成我国自己的中继星系统。在测控网中积极推进CCSDS标准的贯彻使用，建立天地一体化测控网络，避免资源浪费，以降低航天费用。充分发挥我国北斗卫星导航定位系统在航天测控系统中的作用，早日实现航天自主定轨以及卫星轨道自主测量，逐渐摆脱对地基测控网络的依赖。我国航天测控系统正面临新的挑战和机遇,在现有测控网的基础上,以中长期规划测控需求为牵引,在国内外测控技术的推动下,不断适应国际航天测控系统发展趋势,未来的航天测控系统必将发展成为天地空一体化协调发展、系统高效可靠运行、可按需提供各种天地测控通信能力的“大测控”系统。

（本文来源：空间技术海域应用）