“國際空間站”飛行控制及測控通信支持分析

郭麗紅（北京跟蹤與通信技術(shù)研究所）

“國際空間站”飛行控制及測控通信支持分析

郭麗紅（北京跟蹤與通信技術(shù)研究所）

1998年11月，隨著“國際空間站”（lSS）曙光號（Zarya）多功能艙的發(fā)射，休斯敦和莫斯科的“國際空間站”飛控人員和工程保障隊開始聯(lián)合行動，實(shí)施對“國際空間站”的飛行控制和測控通信支持。此后，“國際空間站”不斷發(fā)展，參與的國家和組織逐漸增多，其飛行控制和測控通信基礎(chǔ)設(shè)施也逐漸發(fā)展成為分屬多個國家和組織、遍布世界各地的地基設(shè)施和天基設(shè)施組成的系統(tǒng)，支持多種接口協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)。本文介紹支持“國際空間站”飛行控制與測控通信的主要地基設(shè)施（7個控制中心和2個地面通信網(wǎng)）和天基設(shè)施（4個數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)），并在分析“國際空間站”飛行控制與測控通信支持能力現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，展望其未來的發(fā)展趨勢。

1　主要地基設(shè)施

“國際空間站”的地基測控通信支持基礎(chǔ)設(shè)施遍布美洲、歐洲等地，其中，在“國際空間站”飛行控制及測控通信支持中起主要作用的主要包括7個控制中心、連接控制中心的通信網(wǎng)和多個載荷控制中心以及若干地面站。

控制中心

1）美國休斯頓任務(wù)控制中心（MCC-H）。負(fù)責(zé)“國際空間站”的整體操作及安全，以及所有美國航空航天局（NASA）硬件的發(fā)射、對接和集成。

2）俄羅斯莫斯科任務(wù)控制中心（MCC-M）。負(fù)責(zé)俄羅斯艙段的發(fā)射對接、集成和控制，以及同NASA協(xié)調(diào)拜科努爾發(fā)射場的發(fā)射，并在休斯敦任務(wù)控制中心發(fā)生緊急情況失去控制能力時接管空間站的控制。

3）阿拉巴馬州亨茨維爾載荷操作與集成中心（POIC）。設(shè)在馬歇爾航天飛行中心（MSFC）的載荷操作與集成中心協(xié)調(diào)所有NASA載荷的操作、規(guī)劃和安全，提供管理和集成載荷操作的能力，還依照個別載荷用戶的要求，為其提供操作和控制他們的載荷和實(shí)驗(yàn)的能力。

4）德國奧伯法芬霍芬哥倫布控制中心（Col-CC）。它是哥倫布號（Columbus）實(shí)驗(yàn)艙的操作中心，主要職能包括∶星上和地面的任務(wù)規(guī)劃；監(jiān)視、控制哥倫布號實(shí)驗(yàn)艙的技術(shù)系統(tǒng)以及有效載荷；提供和操作配套的互聯(lián)地面子網(wǎng)（IGS）；協(xié)調(diào)對“國際空間站”上的歐洲有效載荷的操作；在“自動轉(zhuǎn)移飛行器”（ATV）控制中心控制和操作ATV期間協(xié)調(diào)歐洲實(shí)驗(yàn)載荷的操作；培訓(xùn)地面操作團(tuán)隊。

5）法國圖盧茲自動轉(zhuǎn)移飛行器控制中心（ATV-CC）。位于法國圖盧茲，負(fù)責(zé)操作歐洲的“自動轉(zhuǎn)移飛行器”，并與位于莫斯科和休斯頓的任務(wù)控制中心以及哥倫布控制中心合作，在任務(wù)和交會對接期間每周7天、每天24h工作?！白詣愚D(zhuǎn)移飛行器”發(fā)射階段，自動轉(zhuǎn)移飛行器控制中心協(xié)同圭亞那航天中心工作。

6）日本筑波航天中心（TKSC）。負(fù)責(zé)控制日本的硬件和發(fā)射器，它為日本空間實(shí)驗(yàn)艙建立了研發(fā)與運(yùn)行、空間實(shí)驗(yàn)支持和航天員訓(xùn)練的設(shè)施，統(tǒng)稱為空間站綜合中心，其中，直接負(fù)責(zé)日本空間實(shí)驗(yàn)艙的操作及控制的是日本空間實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行控制中心，或任務(wù)控制室（MCR），對在軌的日本實(shí)驗(yàn)艙進(jìn)行運(yùn)行控制，并為“H-2轉(zhuǎn)移飛行器”（HTV）提供控制支持，同時對NASA的任務(wù)控制中心和航天員操作綜合中心提供支援。“H-2轉(zhuǎn)移飛行器”地面控制中心設(shè)在筑波航天中心“國際空間站”綜合中心內(nèi)，它協(xié)同“國際空間站”的地面控制中心共同控制“H-2轉(zhuǎn)移飛行器”。

7）加拿大魁北克移動衛(wèi)星系統(tǒng)（MSS）操作設(shè)施（MOC）。隸屬于加拿大航天局（CSA），負(fù)責(zé)監(jiān)測空間站17.4m的機(jī)械臂，并培訓(xùn)航天員取得站上遙控設(shè)備的操作資格。所有航天員都要到蒙特利爾附近的圣于貝爾進(jìn)行2周的一般性培訓(xùn)（針對具體任務(wù)的培訓(xùn)在休斯頓進(jìn)行）。該設(shè)施還對移動業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行支持，其指令將送到休斯頓的控制設(shè)施處。

連接多個控制中心的地面通信網(wǎng)

連接控制中心和地面站的通信網(wǎng)主要是NASA綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)（NISN）和歐洲航天局（ESA）的互聯(lián)地面子網(wǎng)。

20世紀(jì)90年代末期，NASA專用通信網(wǎng)設(shè)施的通信業(yè)務(wù)向商業(yè)化轉(zhuǎn)型，為此將原有的多個地面網(wǎng)絡(luò)組建為NASA綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)，同時開始采用IP協(xié)議提供服務(wù)，IP化完成后，NASA綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)于2005-2006年間進(jìn)行了技術(shù)更新，替換掉陳舊、不可維護(hù)的系統(tǒng)，改進(jìn)關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)的可維護(hù)性和可靠性，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)連通性，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)帶寬，以更好地為關(guān)鍵任務(wù)提供更可靠的服務(wù)。

ESA為“國際空間站”歐洲部分哥倫布號實(shí)驗(yàn)艙和“自動轉(zhuǎn)移飛行器”提供支持的地面通信網(wǎng)是互聯(lián)地面子網(wǎng)。該網(wǎng)建設(shè)之初就采用了IP協(xié)議，并提出未來要提供“全I(xiàn)P業(yè)務(wù)”?；ヂ?lián)地面子網(wǎng)早期設(shè)計為異步傳輸模式（ATM）網(wǎng)絡(luò)，由于成本原因，除主要的國際合作伙伴和4個載荷控制中心站點(diǎn)通過異步傳輸模式網(wǎng)絡(luò)連接到哥倫布控制中心外，其他的站點(diǎn)都通過綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN）連接到哥倫布控制中心；大約在2009年間，互聯(lián)地面子網(wǎng)從ATM/ISDN鏈路向多協(xié)議標(biāo)簽交換（MPLS）/IP鏈路遷移。

2　天基設(shè)施

美國第一代“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”

在“國際空間站”的飛行控制與測控通信中，目前在用的主要是美國的“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)”（TDRSS）、俄羅斯跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星，其他還有ESA的“阿特米斯”（ARTEMIS）試驗(yàn)中繼衛(wèi)星和日本的“數(shù)據(jù)中繼試驗(yàn)衛(wèi)星”（DRTS），以及建設(shè)中的“歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”（EDRS）系統(tǒng)。

美國“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)”

NASA“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)”提供的測控通信能力包括∶S、Ku、Ka頻段單址業(yè)務(wù)，S頻段多址業(yè)務(wù)，單向和雙向測距及測速功能。

目前，NASA空間段的“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”（TDRS）已發(fā)射到第三代。至2016年5月，“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)”空間段處于工作軌道的有9顆中繼衛(wèi)星（4顆一代星，3顆二代星和2顆三代星），即跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星-3、5～12。退役后位于超同步軌道的是跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星-1和4。

目前，NASA“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)”地面段主要由位于新墨西哥州的白沙綜合設(shè)施、位于關(guān)島的遠(yuǎn)程地面終端和位于馬里蘭州哥達(dá)德航天飛行中心（GSFC）的網(wǎng)絡(luò)控制中心（NCC）組成，通過NASA綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)連接。為了配合第三代“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”的部署，NASA開展了“天基網(wǎng)地面段維持”（SGSS）項目，項目于2011年啟動，采用先進(jìn)的技術(shù)和體系結(jié)構(gòu)，對現(xiàn)有地面終端系統(tǒng)進(jìn)行升級改造；并在馬里蘭州的布洛索姆角新增一個地面終端站?！案櫯c數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)”的地面系統(tǒng)升級預(yù)計在2016年年底完成。屆時，“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)”的系統(tǒng)能力將會得到很大提高。

美國第二代“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”

美國第三代“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”

俄羅斯跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星

蘇聯(lián)于20世紀(jì)70年代末和80年代初開始研制“射線”（Luch，又名“波束”）系列中繼衛(wèi)星。該系列最后1顆老一代中繼衛(wèi)星于1998年退役。因此，自“國際空間站”開始發(fā)射至2011年12月間，俄羅斯無在軌運(yùn)營的民用中繼衛(wèi)星。期間，“國際空間站”上的俄羅斯艙只能借助于美國的“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)”來擴(kuò)大測控和通信的覆蓋范圍。

目前，俄羅斯第二代“射線”中繼衛(wèi)星系統(tǒng)已完成部署，目前在軌有4顆衛(wèi)星，分別于2011年12月、2012年11月、2014年4月、2014年9月發(fā)射入軌。射線-5衛(wèi)星工作在S頻段和Ku頻段，衛(wèi)星在Ku頻段和S頻段的最高數(shù)據(jù)傳輸速率分別為150Mbit/s和5Mbit/s，和第一代“射線”衛(wèi)星相比，已有明顯提高。

歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星

ESA的“阿特米斯”試驗(yàn)中繼衛(wèi)星于2001年7月發(fā)射，除了進(jìn)行新技術(shù)試驗(yàn)外，還在ESA的“自動轉(zhuǎn)移飛行器”任務(wù)中發(fā)揮了作用?！鞍⑻孛姿埂睌?shù)據(jù)中繼衛(wèi)星[21.5°（E）]的任務(wù)控制中心和地面站（13.5m天線系統(tǒng)，Ka頻段）位于比利時的雷杜。

2009年2月，ESA啟動“歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”（EDRS）系統(tǒng)項目，該系統(tǒng)包括2個位于地球同步軌道的數(shù)據(jù)中繼載荷和1個地面部分。地面部分由任務(wù)和操作地面部分（1個衛(wèi)星控制中心、任務(wù)和操作中心，1個饋線鏈路站和用戶地面部分）組成?！皻W洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”系統(tǒng)將提供激光鏈路和Ka頻段射頻鏈路。首個“歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”載荷已在2016年1月發(fā)射，攜帶第二個“歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”載荷的衛(wèi)星將在2017年發(fā)射。ESA正在為開發(fā)“歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”的第三個載荷做準(zhǔn)備，從而在未來提供覆蓋全球的完整數(shù)據(jù)中繼服務(wù)。

日本“數(shù)據(jù)中繼試驗(yàn)衛(wèi)星”

所有的系統(tǒng)都受筑波軌道間通信站的遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制。此外，“數(shù)據(jù)中繼試驗(yàn)衛(wèi)星”驗(yàn)證試驗(yàn)地面系統(tǒng)還包括日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）基帶處理設(shè)備位于ESA的雷杜站，該設(shè)備也由筑波遠(yuǎn)程監(jiān)控，以實(shí)現(xiàn)JAXA低軌衛(wèi)星和ESA的“阿特米斯”衛(wèi)星之間的自主在軌實(shí)驗(yàn)操作。

3　飛行控制與測控通信支持能力現(xiàn)狀

“國際空間站”的飛行控制和測控通信支持

“國際空間站”的在軌操作由美國NASA統(tǒng)一協(xié)調(diào)，休斯頓任務(wù)控制中心對“國際空間站”運(yùn)行控制負(fù)主要責(zé)任，每一個成員國負(fù)責(zé)管理各自的艙段、有效載荷設(shè)備的操作。休斯頓任務(wù)控制中心負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)空間站的所有活動，并且每隔2周編制一個所有合伙者都必須遵循的操作計劃。全球其他中心發(fā)出的指令都需由它協(xié)調(diào)和最后批準(zhǔn)。

有效載荷操作和集成中心負(fù)責(zé)對“國際空間站”上所有實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)研究活動進(jìn)行協(xié)調(diào)。該中心把協(xié)調(diào)好的科學(xué)研究計劃傳送到休斯頓的空間站控制中心，在那里把研究計劃歸并入整個空間站的操作計劃。

“國際空間站”與各成員國航天中心間的通信使用美國的“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)”實(shí)現(xiàn)，各成員國如想直接接收來自空間站的數(shù)據(jù)，也可以不通過美國的“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)”，直接建立自己的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。其中，日本可選擇使用本國“數(shù)據(jù)中繼試驗(yàn)衛(wèi)星”與其希望號實(shí)驗(yàn)艙（JEM）進(jìn)行通信；俄羅斯則將NASA“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”作為其備份通信手段，主要使用自己的測控設(shè)備實(shí)現(xiàn)“國際空間站”對應(yīng)艙段的監(jiān)控，新一代“射線”系統(tǒng)建成后，成為其與空間站通信的重要手段。ESA也同時使用“阿特米斯”試驗(yàn)衛(wèi)星保障與“國際空間站”的通信。

利用美國“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)”進(jìn)行通信時，由于存在信號盲區(qū)，因而并不能每天24h都能與空間站保持聯(lián)系。這種信號中斷區(qū)在空間站每圈軌道運(yùn)行中大約有5min，空間站每天約運(yùn)行16圈。

所有7個控制中心都需通過白沙地面站接收來自NASA“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)”的數(shù)據(jù)（白沙地面站接收的數(shù)據(jù)利用NASA綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)和ESA的互聯(lián)地面子網(wǎng)把信息分送到日本、德國、法國、加拿大和俄羅斯的每個中心）。

“國際空間站”的指令和科學(xué)數(shù)據(jù)的上行和下行傳輸均采用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，因而數(shù)據(jù)對所有國際合伙國都是相容的。

北區(qū)酒店布局較分散，地下2層酒店配套用房主要為酒店布草間、洗衣房及員工更衣室等，7層為酒店廚房及餐飲區(qū)，8～9層為酒店健身及室內(nèi)游泳池等，11～24層為酒店客房。

（1）美俄艙段飛行控制的指揮路徑

美國在軌艙段（USOS）及載荷的指令經(jīng)休斯頓任務(wù)控制中心、白沙地面設(shè)施和“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”上行。S頻段用于空間站的指揮、控制，以及與乘員進(jìn)行話音通信。Ku頻段用于大容量信號傳輸，如在空間站和控制中心之間舉行電視會議。

俄羅斯在軌艙段及載荷的指令由莫斯科任務(wù)控制中心經(jīng)地面站直接發(fā)射給其艙段，或經(jīng)由“射線”衛(wèi)星地面終端、“射線”衛(wèi)星發(fā)給其艙段。

休斯頓任務(wù)控制中心和莫斯科任務(wù)控制中心互為備份。

（2）其他艙段的指揮路徑

歐洲哥倫布號實(shí)驗(yàn)艙和載荷的遙控指令通過休斯頓任務(wù)控制中心上行；哥倫布號實(shí)驗(yàn)艙的下行遙測以S頻段、Ku頻段通過休斯頓任務(wù)控制中心和亨茨維爾操作支持中心接收和處理。哥倫布控制中心也接收所有“國際空間站”狀態(tài)的處理數(shù)據(jù)，接收來自休斯頓任務(wù)控制中心、亨茨維爾操作支持中心、俄羅斯莫斯科任務(wù)控制中心的天/地鏈路數(shù)據(jù)。

位于筑波航天中心的日本希望號實(shí)驗(yàn)艙（JEM）任務(wù)控制室通過2條通信線路訪問在軌的日本希望號實(shí)驗(yàn)艙，①通過位于休斯頓的任務(wù)控制中心和NASA的“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)”；②通過日本JAXA航天測控網(wǎng)站和JAXA的“數(shù)據(jù)中繼試驗(yàn)衛(wèi)星”。

“國際空間站”遠(yuǎn)程載荷操作能力分析

“國際空間站”的有效載荷依照其歸屬由各個國家分別操作管理，具體由分布于世界各地的載荷控制中心負(fù)責(zé)，且處于NASA馬歇爾航天飛行中心的載荷操作與集成中心的指導(dǎo)和協(xié)調(diào)之下。

隨著空間實(shí)驗(yàn)室向空間站的變遷，“國際空間站”上載荷的操作模式發(fā)生了本質(zhì)性的變化∶在航天飛機(jī)任務(wù)期間，為期2周的密集操作已經(jīng)被面向“國際空間站”的連續(xù)操作所取代。大多數(shù)載荷操作人員分布在世界各地的載荷操作中心，通過遠(yuǎn)程操作的方式操作和監(jiān)視他們的實(shí)驗(yàn)。這就導(dǎo)致對更多遠(yuǎn)程通信帶寬、更長通信時間的需求。

載荷操作與集成中心為ESA、日本、俄羅斯等提供管理和集成載荷操作所需的遠(yuǎn)程載荷操作能力，包括為合作伙伴提供遙測、遙控處理，話音通信和視頻分配。

通過使用專用網(wǎng)絡(luò)和公共網(wǎng)絡(luò)，空間站乘員、NASA中心的操作人員以及遍布全球的大學(xué)和公司的研究人員密切合作，基于IP協(xié)議的高速可靠網(wǎng)絡(luò)，完成“國際空間站”上的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。載荷操作與集成中心提供的遠(yuǎn)程載荷操作能力通過高效費(fèi)比地使用這些網(wǎng)絡(luò)，延展遠(yuǎn)程任務(wù)支持系統(tǒng)的所及范圍，這樣不僅減少了對專門租用線路和旅行的需求，同時還提高了分布式工作組的協(xié)作能力。

運(yùn)輸工具的飛行控制與測控通信支持

承擔(dān)“國際空間站”運(yùn)輸任務(wù)的主要有美國的航天飛機(jī)和商業(yè)運(yùn)輸飛船、俄羅斯“聯(lián)盟”（Soyuz）和“進(jìn)步”（Progress）飛船、ESA的“自動轉(zhuǎn)移飛行器”、日本的“H-2轉(zhuǎn)移飛行器”，這里，以2008年“自動轉(zhuǎn)移飛行器”任務(wù)為例，介紹運(yùn)輸工具的飛行控制與測控通信支持。

“自動轉(zhuǎn)移飛行器”是目前為止最先進(jìn)的不載人貨運(yùn)飛船，主要承擔(dān)為“國際空間站”運(yùn)送貨物的任務(wù)，并可充當(dāng)空間站的拖船。

參與2008年“自動轉(zhuǎn)移飛行器”飛行任務(wù)的控制中心包括∶自動轉(zhuǎn)移飛行器控制中心、休斯頓任務(wù)控制中心和莫斯科任務(wù)控制中心。

在此次任務(wù)中，自動轉(zhuǎn)移飛行器控制中心主要負(fù)責(zé)“自動轉(zhuǎn)移飛行器”的控制，具體包括∶發(fā)射窗口、軌道參數(shù)、通信覆蓋率、軌道機(jī)動參數(shù)計算和姿態(tài)確定等任務(wù)分析工作，負(fù)責(zé)與2個任務(wù)中心、“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”、“阿特米斯”網(wǎng)絡(luò)、法國圭亞那空間中心地面系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，以及調(diào)相、變軌、離軌、再入、對接期間“自動轉(zhuǎn)移飛行器”管理、抬高“國際空間站”軌道機(jī)動飛行等飛行控制管理工作。所有的對接及操作都在NASA的監(jiān)督下進(jìn)行。

莫斯科任務(wù)控制中心和休斯頓任務(wù)控制中心負(fù)責(zé)提供“國際空間站”絕對軌道，休斯頓任務(wù)控制中心還負(fù)責(zé)碎片碰撞預(yù)警?！白詣愚D(zhuǎn)移飛行器”遙測數(shù)據(jù)可傳輸至空客防務(wù)與航天公司（ADS）的航天運(yùn)輸任務(wù)研制團(tuán)隊，該研制團(tuán)隊利用專門研制的設(shè)備和硬件、軟件工具為自動轉(zhuǎn)移飛行器控制中心提供飛控技術(shù)支持。

由于“自動轉(zhuǎn)移飛行器”通過俄羅斯艙段與“國際空間站”對接，對接任務(wù)需要莫斯科任務(wù)控制的配合。莫斯科任務(wù)控制中心在此次任務(wù)中主要負(fù)責(zé)∶“自動轉(zhuǎn)移飛行器”與“國際空間站”所有對接操作的任務(wù)控制；與“國際空間站”乘員的接口；通過俄羅斯星辰號（Zvezda）服務(wù)艙與“自動轉(zhuǎn)移飛行器”建立聯(lián)系；把“自動轉(zhuǎn)移飛行器”的操作整合進(jìn)總的“國際空間站”操作日程等。

休斯頓任務(wù)控制中心在此次任務(wù)中的職責(zé)是∶“國際空間站”任務(wù)的總指揮；為“自動轉(zhuǎn)移飛行器”任務(wù)提供“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”鏈路；建立“國際空間站”的戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃；領(lǐng)導(dǎo)和協(xié)調(diào)所有“國際空間站”的管理（包括規(guī)劃、操作、安全、連接程序等）團(tuán)隊；“國際空間站”的碰撞規(guī)避預(yù)警；領(lǐng)導(dǎo)對所有異常事件的調(diào)查、研究。

“自動轉(zhuǎn)移飛行器”飛行任務(wù)包括幾個關(guān)鍵階段∶發(fā)射，軌道調(diào)整，交會對接，再入毀滅。

“自動轉(zhuǎn)移飛行器”發(fā)射后，在上升段，庫魯?shù)臏y距站、大西洋中部的遙測站、位于亞迷爾群島的機(jī)動站接力跟蹤；其后，法國海軍跟蹤船Monge、德國應(yīng)用科學(xué)研究機(jī)構(gòu)的雷達(dá)設(shè)備接力跟蹤；這些雷達(dá)站還為澳大利亞和新西蘭的遙測站提供目標(biāo)軌道根數(shù)；星箭分離過程由新西蘭地面站完成監(jiān)控。

星箭分離前4min，“自動轉(zhuǎn)移飛行器”上的2套互為冗余的S頻段系統(tǒng)開始工作，幾乎覆蓋全部飛行過程。期間，通過NASA的“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)”和ESA的“阿特米斯”衛(wèi)星及其配套地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡(luò)與任務(wù)控制中心建立通信鏈路，具備前向發(fā)射5000條遙控指令、返向傳送35000個遙測參數(shù)的能力。

多個控制中心、“國際空間站”和“自動轉(zhuǎn)移飛行器”之間通過數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星和位于哥倫布控制中心的互聯(lián)地面子網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中心保持聯(lián)系和信息交換。

自動轉(zhuǎn)移飛行器控制中心

對“自動轉(zhuǎn)移飛行器”的遙控和遙測路由隨不同的操作階段（自由飛行、交會對接、對接上以后）而變，主要有3種途徑∶①自由飛行階段，通過休斯頓任務(wù)控制中心使用NASA的“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”，或通過雷杜任務(wù)控制中心使用“阿特米斯”衛(wèi)星與“自動轉(zhuǎn)移飛行器”聯(lián)系；②在接近和交會階段，通過莫斯科任務(wù)控制中心、俄羅斯的星辰號服務(wù)艙，使用“接近通信系統(tǒng)”與“自動轉(zhuǎn)移飛行器”聯(lián)系；③對接上以后，通過莫斯科任務(wù)控制中心，使用“國際空間站”的星辰號服務(wù)艙與“自動轉(zhuǎn)移飛行器”建立總線連接。

“國際空間站”和“自動轉(zhuǎn)移飛行器”在軌數(shù)據(jù)以及來自休斯頓任務(wù)控制中心、莫斯科任務(wù)控制中心和自動轉(zhuǎn)移飛行器控制中心的地面部分?jǐn)?shù)據(jù)通過互聯(lián)地面子網(wǎng)收集，處理過的數(shù)據(jù)在3個控制中心間以“數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)”（DaSS）協(xié)議交換。

自動轉(zhuǎn)移飛行器控制中心通過“數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)”協(xié)議以空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（CCSDS）標(biāo)準(zhǔn)包的形式與莫斯科任務(wù)控制中心交換遙控指令和遙測數(shù)據(jù)。“數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)”協(xié)議確保必要的安全級別和數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)化。在通過休斯頓任務(wù)控制中心的“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”鏈路，自動轉(zhuǎn)移飛行器控制中心以嵌入CCSDS指令鏈路傳輸單元（CLTU）的加密包的形式發(fā)送遙控指令，以CCSDS信道存取數(shù)據(jù)單元（CADU）的形式接收“自動轉(zhuǎn)移飛行器”的遙測數(shù)據(jù)。這些CCSDS數(shù)據(jù)幀通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議在自動轉(zhuǎn)移飛行器控制中心和休斯頓任務(wù)控制中心之間交換。法國國家空間研究中心（CNES）設(shè)備將各個方向的CCSDS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成鐘控連續(xù)比特流。由此，通過“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”建立到“自動轉(zhuǎn)移飛行器”的天/地通信鏈路。

4　未來發(fā)展趨勢分析

在經(jīng)歷了地面支持網(wǎng)絡(luò)的IP化之后，“國際空間站”與地面之間的業(yè)務(wù)也在逐漸向IP化的方向發(fā)展。未來，隨著“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)”第三代衛(wèi)星的部署，“國際空間站”的飛行控制和測控通信支持將獲得更高的帶寬和速率。而由于“國際空間站”的飛行控制和測控通信支持涉及多個國家和組織，未來引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展方向的理念主要是通用性、互操作性、靈活性和可擴(kuò)展性。在這些理念之上，則是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一體化的發(fā)展趨勢。

lP技術(shù)的應(yīng)用不斷深入

NASA綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)和ESA的互聯(lián)地面子網(wǎng)都已實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的IP化，并逐步開展了IP話音和IP視頻業(yè)務(wù)。在“國際空間站”和地面之間，具有使用標(biāo)準(zhǔn)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的初步聯(lián)網(wǎng)能力。

未來，NASA將聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為有待進(jìn)一步開發(fā)的技術(shù)之一，可以想見，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)未來仍將在空間通信導(dǎo)航中發(fā)揮重要作用。在這樣的大趨勢下，IP話音、IP視頻等IP業(yè)務(wù)也將在航天測控領(lǐng)域繼續(xù)扮演重要角色。

分析認(rèn)為，隨著空間通信導(dǎo)航體系中網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的深入應(yīng)用與不斷發(fā)展和成熟，可以預(yù)計，未來“國際空間站”的飛行控制和測控通信活動中必定會更多地應(yīng)用IP技術(shù)。

工作頻段向Ka頻段發(fā)展

美國跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星-8、9、10衛(wèi)星（即第二代衛(wèi)星）支持Ka頻段通信，正在研制的第三代跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星-K和L也支持Ka頻段。俄羅斯“射線”衛(wèi)星上將安裝工作在Ka頻段的衛(wèi)星間轉(zhuǎn)發(fā)信道。ESA“歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”系統(tǒng)提供激光鏈路和Ka頻段射頻鏈路。因此，“國際空間站”未來的測控通信支持頻段將逐漸向Ka頻段發(fā)展。

數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展促進(jìn)系統(tǒng)間的互操作

天基網(wǎng)互操作計劃的基本目的是國際合作和節(jié)省開支。1985年，美國、日本和歐洲的航天機(jī)構(gòu)成立了天基網(wǎng)互操作委員會（SNIP）。通過廣泛的技術(shù)協(xié)調(diào)，已經(jīng)解決了S頻段互操作問題，在自動轉(zhuǎn)移飛行器-1、H-2轉(zhuǎn)移飛行器-1的交會對接任務(wù)中，就使用了“跟蹤與數(shù)據(jù)衛(wèi)星”的S頻段業(yè)務(wù)。Ka頻段空間網(wǎng)互操作問題協(xié)調(diào)較為復(fù)雜，最后三方都同意前向鏈路使用23GHz，返向鏈路使用25～27GHz。

未來空間計劃引領(lǐng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一體化

“國際空間站”在未來的科學(xué)探測中具有重要作用。美國“星座”探月計劃就不可避免地涉及到“國際空間站”。新的空間計劃的牽引與技術(shù)發(fā)展的推動，使得“國際空間站”在未來面臨著發(fā)展。在美國“星座”探月計劃C3I系統(tǒng)中，就提出了一些新的理念與技術(shù)，這些理念與技術(shù)必將促進(jìn)“國際空間站”的飛行控制和測控通信的發(fā)展。雖然由于空間計劃的改變，“星座”探月計劃已經(jīng)由其他計劃取代，但分析認(rèn)為這些理念與技術(shù)仍將影響新的計劃以及空間站未來的飛行控制和測控通信，其中，比較值得關(guān)注的是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一體化∶建立一個松散藕合、互操作的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過互操作性使飛行試驗(yàn)任務(wù)的所有元素結(jié)合為一體，如主要操作數(shù)據(jù)（指令、遙測、聲音）采用通用格式、明確數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與處理邏輯的定義、通過數(shù)據(jù)重組使通用的數(shù)據(jù)驅(qū)動操作支持多功能的運(yùn)載器、采用抽象化的高級別通信協(xié)議，以此降低組合成本，增加更替系統(tǒng)的作用時間，從而提高整個試驗(yàn)項目的靈活性、性能和安全性。此外，功能性層次分區(qū)的設(shè)置阻隔了系統(tǒng)各部件之間由于更換而產(chǎn)生的影響。同時允許應(yīng)用程序在傳送數(shù)據(jù)時不應(yīng)考慮接收數(shù)據(jù)，以降低接口成本。

5　結(jié)束語

綜上所述，“國際空間站”通過遍布世界各地、分屬不同國家和組織的7個控制中心、若干地面站以及覆蓋全球的4個數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，借助美國“全球定位系統(tǒng)”（GPS）進(jìn)行飛行控制和測控通信，其分布式控制中心是國際合作的結(jié)果，而非技術(shù)上的需要。

在長期的飛行控制和測控通信實(shí)踐中，多個國家和組織間的飛行控制和測控通信設(shè)施間逐漸完善，建立了通過多種接口協(xié)議或標(biāo)準(zhǔn)交互的規(guī)程，通過合作，很多國家和組織的飛控、測控通信設(shè)施也得到了發(fā)展，系統(tǒng)的互操作性和通用性不斷增強(qiáng)。

未來，在IP技術(shù)應(yīng)用不斷深入、工作頻段向Ka頻段發(fā)展、未來空間計劃引領(lǐng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一體化的趨勢下，在天基網(wǎng)互操作的努力下，“國際空間站”的飛行控制與測控通信將得到更好的保障與支持。

Analysis on Flight Control and TT&C Support of ISS