測控應(yīng)用：運(yùn)籌帷幄 決勝千里

文/ 楊詩瑞

▲ 飛控大廳任務(wù)場景

航天器一般包括導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭、人造地球衛(wèi)星、載人飛船、深空探測器等類型。測控系統(tǒng)對各類航天器進(jìn)行跟蹤、測量和控制，是導(dǎo)彈試驗(yàn)、火箭發(fā)射、衛(wèi)星運(yùn)行和載人航天等不可缺少的組成部分。

不同航天器根據(jù)飛行距離和運(yùn)行軌道的不同，對航天測控要求也不同。航天測控系統(tǒng)總體可分為兩類，一是專為導(dǎo)彈試驗(yàn)和運(yùn)載火箭發(fā)射提供服務(wù)，又稱“靶場測控系統(tǒng)”；二是為衛(wèi)星、載人飛船、深空探測器等提供服務(wù)，又稱“航天測控系統(tǒng)”。

由于火箭和衛(wèi)星在軌道跟蹤上存在原理性的不同，兩種測控系統(tǒng)從功能、體制、要求等方面有較大差別，同時(shí)又相互協(xié)作，共同服務(wù)于航天任務(wù)。

鑄劍大國重器——導(dǎo)彈火箭測控

靶場測控系統(tǒng)專為導(dǎo)彈試飛、運(yùn)載火箭發(fā)射服務(wù)，其任務(wù)重點(diǎn)包括為導(dǎo)彈鑒定、定型和改進(jìn)設(shè)計(jì)提供精密彈道；進(jìn)行運(yùn)載火箭的遙測參數(shù)測量、傳輸、處理以及運(yùn)載火箭飛行外彈道的測量和安全控制任務(wù)，從而獲取飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為運(yùn)載火箭的性能評定、故障分析和改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

導(dǎo)彈試驗(yàn)任務(wù)要精確測量一瞬即逝的彈道。導(dǎo)彈和火箭造價(jià)昂貴，飛過即毀，不允許隨意反復(fù)試飛和測量，故要求每次發(fā)射都測量成功，彈載測量設(shè)備追求一次工作的高可靠性。同時(shí)導(dǎo)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(shí)刻的位置和速度，且測控設(shè)備距目標(biāo)較近，角速度及速度較大，精度要求高，所以導(dǎo)彈和火箭測控設(shè)備更加復(fù)雜和昂貴。

▲ 我國首次海射的測控現(xiàn)場

不同類型的導(dǎo)彈又有不同的需求。

遠(yuǎn)程彈道導(dǎo)彈的靶場需要規(guī)模大、航區(qū)長，并配備大量高精度的測量設(shè)備。為了提高命中精度，對遠(yuǎn)程導(dǎo)彈的再入段也需要精密測量。

巡航導(dǎo)彈由于飛行高度低，地雜波和多徑效應(yīng)影響嚴(yán)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(dǎo)彈測控提出新的挑戰(zhàn)。在經(jīng)歷陸基多站雷達(dá)網(wǎng)、機(jī)載測控系統(tǒng)的發(fā)展階段后，目前基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的測量方法成為主要方向，并且逐漸成熟。

運(yùn)載火箭點(diǎn)火起飛過程中，測控系統(tǒng)要對火箭進(jìn)行軌道測量，這項(xiàng)工作由外彈道測量設(shè)備，包括地面的連續(xù)波雷達(dá)、脈沖雷達(dá)、光學(xué)電影經(jīng)緯儀、地面遙測站等測控設(shè)備及與它們協(xié)同工作的箭上設(shè)備共同來完成。同時(shí)，根據(jù)火箭的遙測和測軌數(shù)據(jù)，通過遙控實(shí)現(xiàn)安全控制。

近幾年來，世界各國主力火箭的更新?lián)Q代逐漸展開，其運(yùn)載能力、發(fā)射方式、入軌形式都發(fā)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(yùn)載火箭飛行時(shí)間長、飛行距離遠(yuǎn)，對測控覆蓋能力提出更高要求?？焖侔l(fā)射火箭陸續(xù)投入應(yīng)用，空射、海射等發(fā)射方式逐漸增多，這類火箭任務(wù)準(zhǔn)備周期短，發(fā)射點(diǎn)位、射向變化大，對測控系統(tǒng)的快速發(fā)射適應(yīng)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(shí)施的末級火箭鈍化、離軌操作等任務(wù)也對測控能力提出新的需求。這些都要求進(jìn)一步優(yōu)化測控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，推進(jìn)新技術(shù)應(yīng)用，構(gòu)建手段多樣、配置優(yōu)化、安全可靠的火箭測控系統(tǒng)。

巡天遙看星河——衛(wèi)星測控

接力運(yùn)載火箭主動段，從星、箭分離衛(wèi)星入軌至工作壽命期間，衛(wèi)星測控一直擔(dān)當(dāng)重任。為使衛(wèi)星正常地工作，有一個(gè)龐大的地面測控系統(tǒng)在日以繼夜地緊張工作。

衛(wèi)星測控的主要任務(wù)是完成對衛(wèi)星的飛行軌道測量、接收星上遙測數(shù)據(jù)、監(jiān)視顯示衛(wèi)星工作狀態(tài)、進(jìn)行衛(wèi)星的姿態(tài)控制與軌道控制等，并且在衛(wèi)星發(fā)生故障時(shí)需要立即轉(zhuǎn)入排除故障的測控，甚至還要利用測控進(jìn)行離軌退役的壽終處理。

衛(wèi)星在與運(yùn)載火箭分離的一剎那，測控中心要根據(jù)各測控站實(shí)時(shí)測得的數(shù)據(jù)，算出衛(wèi)星的位置、速度和姿態(tài)參數(shù)，判斷衛(wèi)星是否入軌。入軌后，測控中心需要在幾分鐘內(nèi)算出衛(wèi)星初軌根數(shù)，同時(shí)根據(jù)各測控站傳遞來的遙測數(shù)據(jù)，判斷衛(wèi)星上各種儀器工作狀態(tài)，以便采取對策。

在衛(wèi)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(xù)跟蹤測量衛(wèi)星的速度和姿態(tài)參數(shù)，不斷精化衛(wèi)星軌道根數(shù)；另一方面要測量、分析和處理星上儀器的工作狀態(tài)，接收衛(wèi)星發(fā)回的科學(xué)探測數(shù)據(jù)。衛(wèi)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(shí)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(wèi)星“身嬌體貴”，在太空中出現(xiàn)一個(gè)微小故障，就有可能壽命終結(jié)。而太空環(huán)境非常惡劣，衛(wèi)星故障時(shí)常發(fā)生。因此，太空應(yīng)急處置能力是測控能力的最突出體現(xiàn)之一。我國西安衛(wèi)星測控中心就曾多次臨危受命，及時(shí)排除衛(wèi)星故障，使衛(wèi)星起死回生，恢復(fù)安全。

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

叩問天上宮闕——載人航天測控

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

在載人飛行中，航天員一般在發(fā)射前2小時(shí)就進(jìn)入返回艙，此后一直要對其身體狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，保持雙向通信聯(lián)系，危險(xiǎn)時(shí)還要進(jìn)行逃逸救生。測控系統(tǒng)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?shù)戎С帧?/p>

為保證航天員安全，測控系統(tǒng)需要保證不間斷地跟蹤測量、數(shù)據(jù)接收和通信傳輸，以及對突發(fā)事件具有快速反應(yīng)能力，對運(yùn)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(bǔ)充，確保高度可靠。

載人航天在上升段、在軌運(yùn)行段、返回段對測控系統(tǒng)的要求有很多不同。

在火箭上升段，由于箭上環(huán)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(diǎn)預(yù)報(bào)是測控的重要內(nèi)容。

▲ 航天測控地面設(shè)施

▲ 佳木斯深空測控站

進(jìn)入在軌運(yùn)行階段后，載人飛船和航天員開始迎來繁重的任務(wù)，同時(shí)也需要測控系統(tǒng)提供可靠穩(wěn)定支持，包括監(jiān)視飛船和航天員的狀態(tài)以及飛船各個(gè)結(jié)構(gòu)部件的展開情況，主要儀器儀表的檢查測試情況；及時(shí)評估運(yùn)行軌道是否正常，保持與航天員的話音通信和電視監(jiān)視；根據(jù)監(jiān)視和評估結(jié)果進(jìn)行分析、判斷，做出是否繼續(xù)飛行、等待返回或立即返回等決策。入軌后要求測控系統(tǒng)能夠提供較長的連續(xù)測控、通信覆蓋時(shí)間。

載人飛船的返回段是任務(wù)成敗的關(guān)鍵，飛船要進(jìn)行兩次大的調(diào)姿、軌道艙與其他兩艙分離、飛船制動和離軌等一系列復(fù)雜操作。測控系統(tǒng)要完成對飛船調(diào)姿、艙段分離、制動過程的連續(xù)跟蹤監(jiān)視，對再入點(diǎn)前后進(jìn)行測量并預(yù)報(bào)返回艙著陸點(diǎn)。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(shí)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?！羁諟y控

國際上通常將月球探測作為深空探測的起點(diǎn)。從1959年1月蘇聯(lián)發(fā)射第一個(gè)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(tǒng)，其主要任務(wù)是對各類深空探測器進(jìn)行跟蹤測量導(dǎo)航、健康狀態(tài)監(jiān)視、任務(wù)飛行控制、探測任務(wù)操作和數(shù)據(jù)傳輸通信。

深空探測最大的挑戰(zhàn)是距離。月球探測跨越38萬公里，火星探測最遠(yuǎn)測控距離達(dá)到4億公里，人類最遠(yuǎn)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(yuǎn)，對其進(jìn)行跟蹤遙測和遙控越難，因此深空測控是發(fā)展最快、技術(shù)最先進(jìn)的航天測控領(lǐng)域。

深空測控系統(tǒng)一般由深空探測器上的星載測控分系統(tǒng)、分布于地面的深空測控站、深空任務(wù)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(wǎng)組成。

為了節(jié)省推力，探測器上用于測控的設(shè)備應(yīng)盡量少，盡量小型化，所以深空探測器最早采用統(tǒng)一載波測控體制。這一體制成為后來USB系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)。

▲ 中國深空測控網(wǎng)相關(guān)深空站

▲ 全球主要深空測控設(shè)施分布

作用距離的增加，使用于深空探測的測控?cái)?shù)傳天線不斷增大，發(fā)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(zhuǎn)影響, 實(shí)現(xiàn)對深空航天器的連續(xù)測控覆蓋,深空測控網(wǎng)通常在全球范圍內(nèi)經(jīng)度上間隔約120度建設(shè)地面站，配備大口徑拋物面天線、大功率發(fā)射機(jī)、極高靈敏度接收系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)以及高精度高穩(wěn)定度時(shí)間頻率系統(tǒng)，確保對距離地球表面在3萬公里以上的航天器進(jìn)行連續(xù)測控。

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

為了執(zhí)行月球、行星和行星際探測任務(wù)，美國宇航局于1958年年初開始建設(shè)深空網(wǎng)。最初在全球設(shè)有5個(gè)站，后調(diào)整為大致相隔120經(jīng)度的3個(gè)站。每個(gè)站有1個(gè)70米、2個(gè)34米、1個(gè)26米口徑的大天線，以滿足深空探測的超遠(yuǎn)程測控。

歐空局深空網(wǎng)由3個(gè)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(wǎng)與探月工程同步發(fā)展，隨著天問一號火星探測任務(wù)的展開，進(jìn)一步建設(shè)完善，目前綜合水平處于世界前列?！?/p>