中國布局“深空測控網(wǎng)”

席志剛

中國的嫦娥三號發(fā)射前夕，正值美國大片《地心引力》在全球熱映，電影中一名女宇航員因為一次太空中的意外事故與地球大后方失去了聯(lián)系，不得不一個人面對宇宙的無垠和人類的孤獨并想方設(shè)法回到地球。

電影的故事雖然虛構(gòu)，但卻形象地展示了現(xiàn)代航天中測控通信的重要“臍帶”作用。

事實上，為了保障這條臍帶的通暢，在中國航天向浩瀚宇宙進(jìn)發(fā)的過程中，一張由?；鶞y量船、國內(nèi)陸基、海外陸基以及天鏈1號、2號組成的“深空測控網(wǎng)”正在逐漸完成。這些測控站點就好像是蜜蜂的復(fù)眼，地面工作人員通過這些“復(fù)眼”了解嫦娥三號運行、飛行等情況，落月后展開月地間的遙操作，控制月球車的行走動作，并為未來的深空測控提供支持。

遙操作“三大中心”

無論是嫦娥三號 “落月”，還是月球車巡視勘察，都需要極為精確的測控控制技術(shù)做保障。

航天專家龐之浩告訴《中國新聞周刊》，本次任務(wù)是中國首次在地外天體實施軟著陸探測，任務(wù)技術(shù)狀態(tài)之新、飛控技術(shù)難度之大均前所未有。

據(jù)北京航天飛行控制中心總工程師周建亮介紹，此次任務(wù)飛控工作有“三高”：技術(shù)狀態(tài)全新，處置能力要求高；遙操作約束復(fù)雜，飛行控制精度高 ；系統(tǒng)交互多，著陸器和巡視器兩器協(xié)同程度高。針對這些難點，北京航天飛行控制中心先后突破了高精度月面視覺定位、月面巡視動態(tài)任務(wù)規(guī)劃、巡視器路徑規(guī)劃與行走控制等六大關(guān)鍵技術(shù)。

這些技術(shù)和任務(wù)最終都需要來自地面的指揮，因而建設(shè)一張能夠?qū)嵤┚_測控的深空測控網(wǎng)必不可少。

據(jù)了解，嫦娥一號共使用了6個國內(nèi)測控站，以及南美、歐洲、大洋洲等海外監(jiān)測站，加上海上移動的兩艘遠(yuǎn)望號測控船，觀測嫦娥一號的“復(fù)眼”達(dá)到十余只。

嫦娥二號發(fā)射時中國已經(jīng)具備了由13個測控站組成的龐大、先進(jìn)的航天測控通信網(wǎng)。這些測控系統(tǒng)包括3個中心、3條測量船、6個位于國內(nèi)的測控站、1個建于國外的測控站、4個天文觀測站及1個國際聯(lián)網(wǎng)測控站。

“嫦娥二號是嫦娥三號的先導(dǎo)星，承擔(dān)著為嫦娥三號月面軟著陸驗證部分關(guān)鍵技術(shù)，特別是首次試驗X頻段深空測控技術(shù)。”龐之浩解釋說，X頻段深空測控試驗的成功實施將使無線電傳輸信號頻率大大提高，遠(yuǎn)距離測控通信效果更好、測量精度更準(zhǔn)、信息容量更大，是中國邁向深空探測的重要一步。

據(jù)了解，嫦娥三號使用地面測控系統(tǒng)更加先進(jìn)和全面。包括啟用多處天文臺配合地面測控。整個測控網(wǎng)絡(luò)的核心是位于國內(nèi)的三大中心，即西昌衛(wèi)星發(fā)射中心、北京航天飛行控制中心和西安衛(wèi)星測控中心。它們有不同分工，分別側(cè)重不同的測控任務(wù)。

西安衛(wèi)星測控中心負(fù)責(zé)對分布在國內(nèi)外的多個測控站、船、中繼衛(wèi)星組成的測控網(wǎng)實施管理。

北京航天飛行控制中心是航天飛行器任務(wù)的飛行控制和遙操作中心，也是嫦娥三號任務(wù)全過程的指揮控制神經(jīng)中樞，是所有測控信息的集散地。嫦娥三號在奔月之路上的各階段數(shù)據(jù)注入與指揮控制，均與這個中心的指揮控制息息相關(guān)。

西昌衛(wèi)星發(fā)射中心則主要擔(dān)負(fù)發(fā)射時對火箭的測控任務(wù)，接收記錄北京中心轉(zhuǎn)發(fā)的衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)并提供給衛(wèi)星系統(tǒng)。準(zhǔn)確判斷運載火箭飛行狀態(tài)，在發(fā)生故障、情況危急時立即正確分析情況并做出相應(yīng)決策，保證發(fā)射段火箭與衛(wèi)星的安全。

“深空測控網(wǎng)”

測控系統(tǒng)是所有航天器飛行的“神經(jīng)中樞”，航天器在發(fā)射段、上升段、變軌段、分離段、返回制動段等關(guān)鍵飛行段落都離不開測控通信支持。而航天測控水平則是一個國家航天發(fā)展水平的重要標(biāo)志，因此，中國一直在努力完善自己的測控通信網(wǎng)。

航天測控網(wǎng)一般由航天控制中心、分布在世界各地的若干航天測控站、海上測量船以及空中空間測控平臺組成。測控站按其分布，有陸上測控站、海上測量船、空中測量飛機(jī)和跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星四大類。

中國從1967年開始建設(shè)自己的航天測控網(wǎng)，2011年神舟八號發(fā)射前，航天測控通信網(wǎng)進(jìn)行了全面升級，由專線體制升級到網(wǎng)絡(luò)體制，并與中繼衛(wèi)星系統(tǒng)共同參與測控組網(wǎng)。

與嫦娥一號、二號不同，嫦娥三號任務(wù)的重點和難點是“兩器協(xié)同控制與巡視器的遙操作”。對于應(yīng)急處置能力、飛行控制精度和天地協(xié)同控制提出了更高的要求。

為此，在三大中心之外，嫦娥三號還啟用了經(jīng)過改擴(kuò)建的佳木斯測控站，該測控站新安裝了64米口徑測控天線，并同時具備三個頻段通信測控功能。與已擁有35米口徑測控天線的新疆喀什測控站共同構(gòu)成一個深空測控網(wǎng)，并與三亞新型測控站形成中國航天陸基測控網(wǎng)“大三角”布局。

為了提高測控精度，嫦娥三號還啟用了多處天文臺配合地面測控。包括云南昆明40米口徑和北京密云50米口徑射電望遠(yuǎn)鏡，以及中科院上海天文臺剛建成的65米口徑射電望遠(yuǎn)鏡，為嫦娥三號任務(wù)提供精確測控保障。

“測控網(wǎng)和天文臺相互備份，可以確保遙操作精準(zhǔn)?！饼嬛普f，兩個以上的天文射電望遠(yuǎn)鏡組合起來可以實現(xiàn)測軌和定軌，于是我國采用了測控網(wǎng)與天文測量技術(shù)聯(lián)合測軌的方法，用以提高定軌精度。

這種聯(lián)合測控的方式將在未來的深空測控網(wǎng)中得到更多應(yīng)用。按照計劃，佳木斯64米口徑測控站、喀什35米口徑測控站以及將于2016年建成的南美測控站將構(gòu)成的三站聯(lián)網(wǎng)的深空測控網(wǎng)。而未來新疆烏魯木齊天文觀測站要建立80米口徑望遠(yuǎn)鏡，也將是未來深空測控的補(bǔ)充力量。