航天測控網

中國航天測控網從1967年開始建設，已建成包括北京、西安、酒泉測控中心、多個地面測量站及海上測量船隊在內的、功能完善的測控系統，先後完成了我國多種衛星和10次“神舟”無人飛船的測控任務，還為多顆商用衛星提供了測控支持。我國航天測控網立足本國國情，通過優化測控站、船的布局，確保航天器在上升段、變軌段、返回制動段、分離段等關鍵飛行段落的測控支持，規模適當、布局合理。航天測控網對運載火箭和航天器進行跟蹤、測量和控制的專用網路系統。一般由航天指揮控制中心和若干測控站（含測量船、測量飛機、跟蹤與數據中繼衛星）及測控通信系統組成。航天測控網具有對運載火箭和航天器進行跟蹤測量、遙測、遙控、數傳等功能。工作內容主要包括：跟蹤測量航天器，確定其運行軌道；接收、處理航天器的遙測數據（含平台和有效載荷遙測、圖像信息等），監視其工作狀況；依據航天器的工作狀態和任務，控制航天器的姿態、運行軌道；接收和分發有效載荷數據；實時提供航天器的遙測信息、運行軌道和姿態等數據，接收故障模擬數據，並形成故障處理對策；與載人航天器上的航天員進行通信聯絡。航天測控網的主要技術指標包括測量精度、測控覆蓋率、天地數據傳輸速率、多任務支持能力等。

系統構成航天測控網是指對運行中的航天器（運載火箭、人造地球衛星、宇宙飛船和其他空間飛行器）進行跟蹤、測量和控制的大型電子系統。航天測控網包括以下幾個方面：跟蹤測量系統：跟蹤航天器，測定其彈道或軌道；遙測系統：測量和傳送航天器內部的工程參數和用敏感器測得的空間物理參數；遙控系統：通過無線電對航天器的姿態、軌道和其他狀態進行控制；計算系統：用於彈道、軌道和姿態的確定和實時控制中的計算；時間統一系統：為整個測控系統提供標準時刻和時標；顯示記錄系統：顯示航天器遙測、彈道、軌道和其他參數及其變化情況，必要時予以列印記錄；通信、數據傳輸系統：作為各種電子設備和通信網路的中間設備，溝通各個系統之間的信息，以實現指揮調度……各種地面系統分別安裝在適當地理位置的若干測控站（包括必要的測量船和測控飛機）和一個測控中心內，通過通信網路相互聯接而構成整體的航天測控系統。系統特點規模適當，布局合理，以較少的投入獲得了較大的效益。這是航天測控網的鮮明特色。為滿足載人航天的基本要求，航天測控網建立了網路管理中心，對測控網進行集中監控，並負責測控資源的動態優化配置，實現了對陸上、海上所有13個測控站的聯網和統一管理調度。航天測控網可對火箭、各種軌道衛星和載人飛船等航天器提供高精度測控支持服務，實現了“飛向太空、返回地面、同步定點、一網多星、國際兼容、飛船回收”六大歷史性跨越。航天測控網不僅軌道測算精度高，而且具備天地話音、電視圖像和高速數據傳輸等能力。測控中心的專家組可根據各測控站傳來的信息，研究決策並直接向航天器發送指令，實現了對航天器的"透明"控制，大大強化了監控能力，特別是提高了在應急情況下的測控能力。能充分利用有限的國土跨度和其他資源，通過優化測控站、船布局，確保航天器在上升段、變軌段、返回制動段、分離段等關鍵飛行段落的測控支持。工作原理統一S波段（USB）航天測控網是指使用S波段的微波統一測控系統。這裡的微波統一測控系統是指利用公共射頻通道，將航天器的跟蹤測軌、遙測、遙控和天地通信等功能合成一體的無線電測控系統。微波統一系統的基本工作原理是：將各種信息先分別調製在不同頻率的副載波上﹐然後相加共同調製到一個載波上發出；在接收端先對載波解調﹐然後用不同頻率的濾波器將各副載波分開：解調各副載信號使得到發送時的原始信息。微波統一測控系統一般由天線跟蹤/角測量系統、發射系統、接收系統、遙測終端、遙控終端、測距/測速終端、時/頻終端、監控系統、遠程監控或數據傳輸設備以及其它附屬設備組成。統一S波段（USB）航天測控網最早是在20世紀60年代美國在執行阿波羅登月計劃時首先使用的。60年代初，美國在執行水星號和雙子星號載人航天任務時，由於使用了多種頻段的設備分別進行不同的工作﹐結果飛船上天線多﹑重量大﹑可靠性差﹐而且地球上也相應設置了十分複雜的設備。為了改變這種情況，美國國家航空航天局提出採用統一S波段（2000～4000兆赫）系統作為阿波羅登月計劃的地面保障系統，並在60年代中期建成了以統一S波段為主體的跟蹤測控網，從而使航天測控從單一功能分散體制改進為綜合多功能體制。具體內容陸地測控航天測控的基本組成是遍布全球的陸地測控站。為確保對航天器軌道的有效覆蓋並獲得足夠的測量精度，通常利用在地理上合理分佈的若干航天測控站組成航天測控網。因此根據測控區域的要求，陸地測控站分佈範圍很廣，可以建在本國境內，也可以建在全球任何適於測控的地方。地面測控是一件非常重要、非常精細和非常複雜的工作。衛星的地面測控由測控中心和分佈在各地的測控台、站（測量船和飛機）進行。在衛星與運載火箭分離的一剎那，測控中心要根據各台站實時測得的數據，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，測控中心要立即算出其初軌根（參）數，並根據各測控台站發來的遙測數據，判斷衛星上各種儀器工作是否正常，以便採取對策。這些工作必須在幾分鐘內完成。衛星在整個工作過程中，測控中心和各測控台站還有許多繁重的工作要做。其一是不斷地對其速度姿態參數進行跟蹤測量，不斷地精化其軌道根數；其二是對星上儀器的工作狀態進行測量、分析和處理；其三是接收衛星發回的科學探測數據；其四是由於受大氣阻力、地球形狀和日月等天體的影響，衛星軌道會發生振動而離開設計的軌道，因此要不斷地對衛星實施軌道修正和管理。對於返回式衛星，在返回的前一圈，測控中心必須計算出是否符合返回條件。如果符合，還必須精確地計算出落地的時間及落點的經緯度。這些計算難度很大，精度要求很高，因為失之毫釐，將差之千里。返回決定作出后，測控中心應立即作出返回控制方案，包括向衛星發送各種控制指令的時間、條件等。衛星進入返迴圈后，測控中心命令有關測控台站發送調整姿態、反推火箭點火、拋掉儀器艙等一系列遙控指令。在返回的過程中，各測控台站仍需對其進行跟蹤測量，並將數據送至測控中心。由此可見，為使衛星正常地工作，必須有一個龐大的地面測控系統日以繼夜地緊張工作。衛星測控中心是這個系統的核心。計算大廳是測控中心的主要建築之一，那裡聚集著眾多的大型計算機。除了看得見的硬體外，還有許多看不見的軟體--對衛星進行管理的程序系統，包括管理程序、信息收發程序、數據處理程序、軌道計算程序、遙測遙控程序和模擬程序等。這些硬體和軟體，既有計算功能，又有控制功能，它們是測控系統的大腦。測控中心還有它的神經網路，即通信系統，它通過大量的載波電路、專向無線電線路、各向都開通的高速率數據傳輸設備，把衛星發射場、回收場以及各測控台站等四面八方聯繫起來。航天測控站的任務是直接對航天器進行跟蹤測量、遙測、遙控和通信等，它將接收到的測量、遙測信息傳送給航天控制中心，根據航天控制中心的指示與航天器通信，並配合控制中心完成對航天器的控制。陸地測控站通常由跟蹤測量設備、遙測設備、遙控設備、計算機、通信設備、監控顯示設備和時間統一設備組成。隨著無線電技術的發展，測控設備也在不斷發展，獨立的跟蹤測量設備、遙測設備和遙控設備已逐步被共用一路載波通道的統一測控系統所代替。由於數據處理和控制指令生成主要由航天控制中心完成，故航天測控站的計算機以小型或微型計算機為主，履行數據錄取、信息交換和測控設備的自動化監控等任務。選擇陸地測控站站址的要求是：遮蔽角小，電磁環境良好，通信和交通方便。美國在全球各地有數十個固定和機動的測控站。俄羅斯的測控站也非常多，主要分佈在原蘇聯境內，其中拜科努爾發射場就有4個測控站，其它地方的太空跟蹤系統和測控站也不下20個。目前，陸地測控站正在向高功能、國際聯網測控和綜合利用方向發展。但由於受到地理、經濟、政治等條件的限制，一個國家不可能通過在全球各地建立測控站的方式來滿足所有的航天測控需求，即使目前最大的陸地測控網，也只能覆蓋大約15%的測控範圍。為此，各國發展了其它的測控方式，以彌補陸地測控站無力觸及的測控盲區。海洋測控世界上第一艘航天遠洋測量船是美國的"阿諾德將軍號"，1962年下水。第二年，不甘落後的前蘇聯也造出了"德斯納號"。海上測量船是對航天器及運載火箭進行跟蹤測量和控制的專用船。它是航天測控網的海上機動測量站，可以根據航天器及運載火箭的飛行軌道和測控要求配置在適當海域位置。其任務是在航天控制中心的指揮下跟蹤測量航天器的運行軌跡，接收遙測信息，發送遙控指令，與航天員通信以及營救返回濺落在海上的航天員；還可用來跟蹤測量試驗彈道導彈的飛行軌跡，接收彈頭遙測信息，測量彈頭海上落點坐標，打撈數據艙等。航天測量船可按需要建成設備完善、功能較全的綜合測量船和設備較少、功能單一的遙測船。它們除具有船舶結構，控制、導航、動力等系統外，還裝有相應的測控系統。綜合測量船測控系統一般由無線電跟蹤測量系統、光學跟蹤測量系統、遙測系統、遙控系統、再入物理現象觀測系統、聲吶系統、數據處理系統、指揮控制中心、船位船姿測量系統、通信系統、時間統一系統、電磁輻射報警系統和輔助設備等組成。美國現役的測量船有"紅石"號、"靶場哨兵"號和"觀察島"號3艘；俄羅斯現役的測量船有"加加林"號、"柯瑪洛夫"號、"克雷洛夫"號等21艘，其中，"加加林"號滿載排水量5.35萬噸，是世界上噸位最大的測量船。為適應航天技術發展的需要，美、俄等國正不斷為測量船增添性能更可靠、精度和自動化程度更高的測控設備。中國是繼美、俄、法之後第四個擁有航天遠洋測量船的國家，遠望一號和遠望二號都是在1977年下水的。雖然時間上比其它3個國家晚了十幾年，但在測量和控制的技術水平上卻毫不遜色。1990年，中國首次為國外公司發射了"亞洲一號"衛星，當時，休斯公司要求中方必須在衛星發射後半小時內向美方專家提供衛星的初軌根數。結果，遠望號只用了8分鐘就完成了發現、鎖定目標併發出初軌根數的一系列工作，而且，測出的初軌精度比休斯公司所要求的準確了好幾倍。海上測控有許多困難，其中之一就是在船動、測控儀器動、目標也動的狀況下，如何保證測量精度？中國的測控人員在這方面摸索出了一整套的解決方案。比如選擇測量海況較為平靜的海域；在天線上安裝陀螺穩定裝置，在船體上配裝減搖鰭以有效地消除和減少船搖；在數學方法上，他們則考慮了各種動態因素，能夠精確地計算出測量時的雷達中心位置。在測量精度上，遠望號航天遠洋測量船完全可以和國外的陸上航天測量站相媲美。飛機測控測量飛機是航天測控網中的空中機動測控站，可部署在適宜的空域，配合和補充陸上測控站和海上測量船的工作，加強測控能力。測量機上裝載天線，遙測接收、記錄、時統、通信、數據處理等設備及控制台；有的在靠近機頭的外側有專用艙，以安裝光學跟蹤系統。測量飛機的作用靈活而多樣，具體來說在彈道式導彈和運載火箭的主動段，可接收、記錄和轉發遙測數據，彌補地面遙測站因火焰衰減收不到某些關鍵數據的缺陷；裝備光學跟蹤和攝影系統的飛機可對多級火箭進行跟蹤和拍攝各級間分離的照片；在航天器再入段，可有效地接收遙測數據並經通信衛星轉發；裝備紫外光、可見光和紅外光譜測量儀的飛機可測量導彈再入體的光輻射特性；在載人航天器的入軌段和再入段，可保障天地間的雙向話音通信，接收和記錄遙測數據，並實時轉發給地面接收站，必要時給航天器發送遙控指令。測量飛機的發展趨勢是選用更高性能的運輸飛機，並用相控陣天線取代拋物面天線，對多目標進行跟蹤和數據採集，提高其測控能力。衛星測控天基測控衛星主要是利用通信衛星和跟蹤與數據中繼衛星系統，跟蹤與數據中繼衛星系統是一種可跟蹤地球軌道飛行器並將數據傳回地面站的空間中繼站，該系統主要用於實時中繼傳輸各類低軌航天器用戶的信息。衛星在太空中"站的高、看的遠"，具有其它測控方式無可比擬的優勢，天基測控衛星的使用大大拓展了航天測控網的覆蓋範圍。工作在地球靜止軌道上的通信衛星和跟蹤與數據中繼衛星組成星座，便可覆蓋地球上除南、北極點附近盲區以外的全球所有區域；如果與極地軌道的衛星相配合，即可實現全球覆蓋。美國的第一代天基測控網由7顆跟蹤與數據中繼衛星組成，可同時覆蓋25顆中、低軌道衛星，數據傳輸速率可達300Mb/s，可為12種航天器提供服務。目前正在部署的第二代天基測控網功能更加先進，一顆跟蹤與數據中繼衛星可同時接收5個航天器傳來的信號，並同時向一個對象發送信號，可以實時傳輸各類航天器的數據信息，傳輸速率將增至1.2Gb/s～2Gb/s，實現對中、低軌道的全部覆蓋。目前，美國、歐盟和日本都在發展新一代跟蹤與數據中繼衛星系統，數據傳輸碼速率越來越高，通信頻段正向著Ka頻段和光學頻段發展。隨著新一代測控衛星陸續投入使用和性能的提高，天基測控將成為未來航天測控的重要發展方向。基本類別航天測控網依照測控對象，大體上可以分為三類。衛星測控網：為各種應用衛星和科學試驗衛星服務；載人航天測控網：為載人航天器服務。配有與航天員通話和傳遞電視圖像的設備。深空網：為探測月球和其他天體的探測器服務。要對深空目標進行跟蹤測量，要在全球按經度均勻分佈3個測控站。統一測控系統：利用公共射頻通道，將航天器的跟蹤測軌、遙測、遙控和天地通信等功能合成一體的無線電測控系統。甚長基線干涉天文測量網：由多個相距遙遠的射電望遠鏡組成的一個觀測網，每兩個射電望遠鏡之間距離長達幾千千米，乃至上萬千米。中國甚長基線干涉天文測量網：由位於上海天文台佘山站的25米口徑射電望遠鏡，國家天文台烏魯木齊天文站的25米口徑射電望遠鏡，國家天文台密雲站的50米口徑射電望遠鏡，國家天文台雲南天文台的40米口徑射電望遠鏡和位於上海天文台相關處理中心組成。社會意義2005年7月4日，美國宇航局的“深度撞擊”號彗星探測器，與“坦普爾1號”彗星進行了一次史無前例的碰撞，在距地球1.3億公里、相對飛行速度達到每小時36000公里的條件下，"深度撞擊"號準確地命中了“坦普爾1號”彗星。在成功實施這次撞擊前，科研人員已經精確計算出探測器和“坦普爾1號”彗星的運行軌道，控制探測器按既定軌道飛行；及時檢測飛行參數以確定是否需要修正其軌道；發出指令修正並改變探測器軌道；準確地在預定軌道位置釋放撞擊器。這一切說明，對彗星探測器的精確測控是完成這次撞擊實驗的重頭戲。人類已先後將5000多顆衛星、飛船、太空梭和空間站等航天器送入太空。然而，太空並未因此變得雜亂無序，一個神奇的力量引導著這些航天器始終按照自己的軌道飛行，偶爾偏離軌道，也能很快"迷途知返"；一旦發生了故障，就能得到及時搶救和精心照料；即使意外失控隕落，人們也能及早預知，防患於未然。這個神奇的力量，來自於龐大的航天測控網。2016年7月12日中國新一代遠洋航天測量船——遠望7號船，在完成60餘天的海上綜合校飛后，當天正式入列中國衛星海上測控部。遠望7號船是由中國自主設計研製、具有國際先進水平的大型航天遠洋測量船。它的入列，標誌著我國航天遠洋測控事業發展迎來新機遇新跨越，航天遠洋測控能力將實現新提高新突破，對中國航天測控網建設具有重大意義。