“編織”中國航天測控網(wǎng)

文/ 楊詩瑞

▲ 通訊中繼衛(wèi)星“鵲橋”示意圖

航天測控已誕生逾半個多世紀，并在航天工程的牽引和電子信息技術的推動下獲得長足的發(fā)展。中國航天測控系統(tǒng)建設開始于1967年，在首顆人造衛(wèi)星東方紅一號的發(fā)射運行中發(fā)揮了重要作用。此后，以各類衛(wèi)星工程、載人航天工程、探月工程等重大航天工程任務為牽引，我國航天測控實現(xiàn)多次技術跨越，形成獨具中國特色的多功能現(xiàn)代化綜合測控網(wǎng)，為我國航天事業(yè)和國民經(jīng)濟、科技、社會發(fā)展作出了突出貢獻。

越“織”越精的測控網(wǎng)

中國航天測控是在上世紀60年代后期為發(fā)射首顆人造衛(wèi)星東方紅一號而建立的。在東方紅一號發(fā)射和在軌運行期間，分布在各地的地面觀測站，對衛(wèi)星實施精確跟蹤測量，成功預報了衛(wèi)星飛臨世界244個城市上空的時間和方位。

早期，我國航天測控發(fā)展基本依賴于型號任務，往往是每試驗一種型號就要研制一種測控設備。直到1973年，錢學森提出，要搞一個統(tǒng)一的航天測控網(wǎng)，完成各類衛(wèi)星的測控任務。根據(jù)總體構(gòu)想，我國測控領域?qū)＜以谠谢A上研制和調(diào)整測控設備，優(yōu)化布局，形成以酒泉、太原、西昌3個發(fā)射場為中心的主動段測量航區(qū)，以及衛(wèi)星測控網(wǎng)、綜合回收區(qū)、遠洋測量船隊、測控中心、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等測控通信建設方案，指導我國航天測控網(wǎng)的建設。1984年4月,地球同步通信衛(wèi)星發(fā)射并定點成功,標志著我國航天測控網(wǎng)已初步建成。

之后，我國航天測控網(wǎng)的規(guī)模和能力伴隨重大航天工程迅速成長。在載人航天工程的牽動下，從1993年開始，我國航天測控網(wǎng)進行多項技術改造和技術更新，建立了陸、?；鵘SB測控網(wǎng)以及USB遠程監(jiān)控系統(tǒng)；新建了酒泉發(fā)射指控中心和北京航天指揮控制中心，改造了西安衛(wèi)星測控中心，進行測量船和各測控站的設備適應性改造，最終在衛(wèi)星測控網(wǎng)基礎上建立起一個與國際接軌的、統(tǒng)一S頻段的載人航天工程測控通信網(wǎng)。這個網(wǎng)絡集測軌、遙測、遙控、通信、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ転橐惑w，是我國迄今為止規(guī)模最大、功能最全的測控通信網(wǎng)，既能滿足載人航天任務的需要，又能同時為多種衛(wèi)星提供測控通信支持。

為進一步提高測控通信覆蓋率，我國從2007年開始先后發(fā)射4顆天鏈一號中繼衛(wèi)星，構(gòu)建天基測控通信網(wǎng)，并成功應用于載人飛船的數(shù)據(jù)中繼、測控和跟蹤、空間交會對接，遙感衛(wèi)星高速數(shù)據(jù)傳輸，航天器測控以及航空器、艦船等非航天器平臺的數(shù)據(jù)中繼傳輸，嫦娥系列探測器測控等，同時北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設與應用，與天鏈系統(tǒng)一起，實現(xiàn)了我國航天測控網(wǎng)由地基向天基的重要跨越。

在探月工程的牽動下，我國深空探測網(wǎng)初步建成，測控能力和距離不斷取得新的突破?！版隙鹨惶枴崩@月飛行中，測控通信距離首次抵達40萬公里。2011年，喀什和佳木斯兩個深空測控站基本建成，嫦娥二號任務將測控通信距離一舉擴展到8000萬公里。

2017年年底，阿根廷35米深空站建成，標志我國深空探測網(wǎng)基本建成，形成較為完善的深空測控能力，對月球和深空航天器的測控覆蓋率達到90%以上。在嫦娥四號任務中，鵲橋中繼星跨越40萬公里，進入繞地月L2點的Halo軌道，突破人類月背測控通信盲區(qū)，使“嫦娥四號”成為首個月背著陸和巡視的探測器。

今年7月，我國首次火星探測任務天問一號探測器順利發(fā)射，航天測控網(wǎng)能力再度升級，將為4億公里外的火星探測器提供測控通信保障。

載人航天測控：天上地下電視電話

載人航天任務對測控通信系統(tǒng)的覆蓋率、測量精度、數(shù)據(jù)傳輸速率、可靠性等均提出了很高要求。

隨著載人航天工程的實施，在神舟飛船發(fā)射、首位航天員進入太空、多人多天飛行任務、首次出艙行走、天宮交會對接、天宮空間站逐步建成等一項項重大突破背后，航天測控系統(tǒng)功不可沒，迅速發(fā)展，可靠支撐各類需求，并最終實現(xiàn)全球布局。

為支持載人航天，我國在原有衛(wèi)星測控網(wǎng)的基礎上，規(guī)劃設計與國際標準接軌的S頻段統(tǒng)一測控通信系統(tǒng)，改變以測控站為主的航天器測控方式，設立網(wǎng)絡管理中心，對測控網(wǎng)實行集中監(jiān)控，并負責測控資源的動態(tài)優(yōu)化配置，實現(xiàn)對陸上、海上所有測控站的聯(lián)網(wǎng)和統(tǒng)一管理調(diào)度，形成了陸、?；d人航天測控通信網(wǎng)。

“神舟五號”首次載人飛行任務中，航天測控網(wǎng)以北京為軸心，在全國8個中心城市布置了共20個監(jiān)控點，在三大洋布下多個測控點，并出動測量船，全面監(jiān)測“神舟五號”發(fā)射、運行、回收情況。神舟飛船運行期間，遠望一號、二號、三號、四號4艘航天測控船在太平洋、大西洋等布陣，執(zhí)行境外對“神舟五號”的測控與通信任務。

▲ 退役的遠望一號測量船

▲ 遠望三號測量船

在長二F火箭點火的一刻起，地面控制中心借助測控網(wǎng)開始密切關注神舟飛船在各個弧段的一舉一動，其中東風、渭南和青島3個陸地測量站負責飛船在上升段的測量，覆蓋率達到100%。遠望一號、二號測量船追蹤入軌段，完成飛船入軌后太陽帆板展開控制、飛船軌道計算、入軌后工況處理、變軌控制和留軌段測控支持。返回段中，“遠望三號”負責返回段飛船調(diào)姿、軌道艙分離、制動點火控制任務，在印度洋的“遠望四號”彌補測控通信盲區(qū)。最后是著陸場的活動測量站，負責飛船再入大氣層后的回收測量。

繼“神五”“神六”后，“神舟七號”任務航天員要實現(xiàn)多人多天飛行、首次太空行走和釋放伴飛小衛(wèi)星等多項任務，這些都給測控通信提出新的要求。首先要滿足多人多天測控通信保障，其次在航天員出艙活動的30多分鐘時間里，必須提供連續(xù)的測控通信覆蓋，對伴飛衛(wèi)星要進行繞飛控制。與此同時，我國天基測控系統(tǒng)邁出第一步，數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星天鏈一號01星首次在神舟任務中運用。

神舟七號飛船的測控通信超過了之前的任何一次航天任務，5艘測量船創(chuàng)造了使用規(guī)模的空前記錄。遠望五號、六號測量船在此次任務中開啟首秀，遠望一號、二號船完成最后一次任務。所以，“神舟七號”任務也是“老中青”三代測控船共同協(xié)作的成果。

“神舟”計劃逐漸促成我國航天測控全球布局，覆蓋范圍不斷擴大。載人工程剛起步時，我國只有測控站和測量船，地面能看見航天員的時間十分短暫。到神舟十號任務時，我國“天鏈一號”已完成三星組網(wǎng)，建立起第一代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，實現(xiàn)200～1200公里軌道高度航天器測控的100%全覆蓋，逐步建立起的東非肯尼亞馬林迪測控站、南亞巴基斯坦卡拉奇測控站等海外測控站，海上遠望系列測控船，各陸基、?；?、天基測控資源構(gòu)成全方位的強大天地通信和測控能力。

神舟十號任務中，首位“太空教師”王亞平開展太空授課，航天員通過質(zhì)量測量、單擺運動、陀螺運動、水膜和水球等5個基礎物理實驗，展示了失重環(huán)境下物體運動特性、液體表面張力特性等物理現(xiàn)象，并通過視頻通話形式與地球上的學生們進行了互動問答。40多分鐘的課程中，天上、地面多點互動，效果清晰、連貫，也見證了我國航天測控能力和覆蓋范圍的巨大進步。

▲ 遠望六號海上測量船

▲ 遠望7號測量船

探月工程測控：指引嫦娥上蟾宮

如果說載人航天工程帶動了我國航天測控網(wǎng)覆蓋范圍的拓展，那么探月工程則帶動了我國航天測控網(wǎng)不斷突破遠程測控新的距離紀錄。伴隨著探月工程“繞”“落”“回”三步走的戰(zhàn)略步伐，我國逐步建成深空測控網(wǎng)，成為世界上功能完備、全球布局的三大深空測控網(wǎng)之一。

立足支持重大航天工程，我國深空測控網(wǎng)建設起步晚、起點高。在總體設計時提出要兼顧中國月球探測和未來深空探測任務，具備測控、數(shù)傳和長基線干涉測量等多種功能于一體，最大限度發(fā)揮深空測控網(wǎng)效能；在技術體制上與國際主流的美國宇航局、歐空局深空任務測控體制相互兼容, 利于國際合作與任務交互支持等。

我國深空測控網(wǎng)包括位于西北喀什、東北佳木斯和位于南美洲阿根廷內(nèi)烏肯省薩帕拉的3個深空站，采用了國際標準的S、X和Ka三頻段，具備支持各類月球和深空探測任務的多頻段遙測、遙控、數(shù)據(jù)接收和跟蹤測量等功能，已形成較為完善的深空測控能力，對月球和深空航天器的測控覆蓋率達到90%以上。

探月一期任務時，載人航天工程中建成的S頻段統(tǒng)一測控系統(tǒng)（USB）可以滿足地球軌道衛(wèi)星測控需求，但最遠距離不超過8萬公里，而嫦娥一號衛(wèi)星的測控距離要求支持40萬公里。受經(jīng)費投入和時間要求的限制，建設大口徑深空測控設備的條件尚不具備，科研人員基于當時的設備基礎，在地面站增配18米單收天線系統(tǒng)、通過技術創(chuàng)新提高天地鏈路性能，完成40萬公里以遠目標測控任務。

盡管采取了一些技術措施，使應用于地球軌道衛(wèi)星的測控網(wǎng)完成了嫦娥一號任務，但要開展后續(xù)的月球和深空探測，必須建設先進的深空探測設備。為此，探月工程二期中開始建設以喀什35米深空站、佳木斯66米深空站為主的深空探測網(wǎng)。

2011年，喀什站和佳木斯站基本建成，而此時，2010年10月發(fā)射的嫦娥二號衛(wèi)星已完成各項既定的工程和科學探測目標,并在2011年8月抵達日地拉格朗日L2點，進行新的科學探測任務。

▲ 遠望號測量船上的雷達跟蹤和遙測系統(tǒng)

從2011年10月起，喀什站和佳木斯站開始為嫦娥二號衛(wèi)星提供測控支持，尤其是在“嫦娥二號”的“圖塔蒂斯”小行星再拓展任務中大顯身手，實現(xiàn)最遠跟蹤距離至約1億公里。

2013年12月，嫦娥三號探測器發(fā)射升空并成功著陸于月球虹灣，開辟我國月球“巡天、觀地、測月”的歷史。這一過程中，喀什站和佳木斯站的深空探測設備首次利用X頻段完成了探測器地月轉(zhuǎn)移、環(huán)月、動力下降、月面工作段的各項測控任務，測量數(shù)據(jù)精度相比S頻段提高3－5倍。

月球背面一直是地面通信和測控的禁區(qū)，因為它始終背朝地球，信號無法傳遞過去。2017年年底，阿根廷35米深空站建成，標志我國深空探測網(wǎng)全面建成。隨后，2018年鵲橋中繼星跨越40萬公里，進入繞地月L2點的Halo軌道，搭起地面與月球背面通信的橋梁，為嫦娥四號任務奠定基礎。

▲ 喀什測控站

2019年1月，嫦娥四號探測器成功著陸于月球背面的預選著陸區(qū)——馮·卡門撞擊坑，喀什測控站通過鵲橋中繼星，繞過月球正面，控制“嫦娥四號”精準降落在月球背面指定位置，并開展巡視勘察，確?！版隙稹辈皇?lián)。玉兔二號巡視器踏上月球表面，著陸器拍下了“玉兔二號”在月背的第一道痕跡影像圖，并把世界第一張近距離月背圖傳回地面。嫦娥四號探測器實現(xiàn)人類首次在月球背面軟著陸和巡視探測，也是我國深空測控網(wǎng)首次全網(wǎng)執(zhí)行測控任務。

截至今年8月，“嫦娥四號”已在月背度過了超過600個地球日，在地面團隊的指揮操作下持續(xù)開展低頻射電天文觀測、月殼分層結(jié)構(gòu)探測、月表環(huán)境探測等活動，不斷豐富人類對月球的認識，取得更多的科學成就。而這背后是我國深空測控網(wǎng)的全網(wǎng)協(xié)同工作、穩(wěn)定可靠運行和多頻段多目標聯(lián)合測控能力在支撐。

▲ 佳木斯測控站

探火任務測控：四億公里外的牽掛

2020年7月23日，我國首次火星探測任務天問一號探測器，在文昌航天發(fā)射場由長五遙四火箭發(fā)射升空。“天問一號”將經(jīng)歷7個月的漫漫旅程抵達火星，一次完成“繞、落、巡”3項任務。著陸器將在火星表面軟著陸，并

在著陸區(qū)附近開展巡視探測，同時環(huán)繞器開展為期2年的中繼和遙感探測。

相比登月需要跨越的40萬公里路程，地球到火星的距離在5000萬公里到4億公里不等。除了幾百倍的深遠距離，本次火星探測任務要經(jīng)歷地火轉(zhuǎn)移、繞、落、巡等多個階段，測控距離遙遠，測控弧段長，接收的信號極其微弱，同時伴隨很高的頻率動態(tài)變化，給深空測控帶來更新、更高、更嚴的挑戰(zhàn)。

作為此次深空探測任務實施的核心系統(tǒng)，深空測控網(wǎng)要完成對探測器各飛行階段的測控定軌、狀態(tài)監(jiān)視、飛行控制，對著陸巡視器在火星表面探測階段的操作控制等任務，迫切需要能力再升級，為火星探測器在茫?！靶浅酱蠛！敝袦y控通信保駕護航。

如何精準接收4億公里之外的信號？由于發(fā)射信號的衰減與距離的平方成正比，相同發(fā)射功率的信號到達地球?qū)⒎浅Ｎ⑷?，而增大地面接收天線的口徑，即接收面積，是提高信號信噪比的基本途徑。除了已建成的三大深空測控站，正在天津武清建設的70米天線（GRAS-4）高性能接收系統(tǒng)和深空探測天線陣成為新一代殺手锏。

▲ 阿根廷深空站

此次新建的GRAS-4天線，采用了多種新型技術，在提高天線效率的同時減少了系統(tǒng)噪聲，提高了抗干擾能力，具備穩(wěn)定接收微弱人造數(shù)據(jù)信號和感知極微弱宇宙自然天體輻射電磁波等功能。GRAS-4天線總重約2700噸，主反射面直徑70米，由16圈共1328塊高精度的實面板組成，面積相當于9個籃球場大小，建成后將成為亞洲最大的單口徑全可動天線，大幅度提高深空探測下行數(shù)據(jù)的接收能力，為完成我國首次火星探測工程任務奠定堅實基礎。

在這次火星探測任務中，我國的數(shù)據(jù)接收模式將由單天線接收，改為多天線組陣模式——即GRAS-4天線將與北京密云站GRAS-1（50米口徑）、GRAS-3（40米口徑）和云南昆明站GRAS-2（40米口徑）等天線聯(lián)合觀測，以達到最大的接收性能指標，從而提高星地鏈路傳輸碼速率，為我國獲得更多的科學數(shù)據(jù)和更有顯示度的科學成果提供堅實基礎。

▲ 建設中的武清70米口徑數(shù)據(jù)接收天線

除了新建70米天線，我國已建成的喀什站的測控設備也進行了適應性改造，為任務提供強大的測控保障?？κ苍谠?5米天線基礎上，新建3個35米口徑新天線，通過天線組陣接收技術，將多個天線接收到的微弱信號匯合起來，極大增強地面系統(tǒng)的接收能力，為地面與星際探測器之間建立高質(zhì)量、高可靠的射頻信道，使喀什深空站在X頻段深空任務測控通信數(shù)據(jù)接收能力達到與佳木斯深空站66米深空測控設備相當?shù)乃?，以較小的成本代價和最優(yōu)的性價比，滿足了深空任務的數(shù)據(jù)接收需求。這是我國首座35米深空探測天線陣，也為未來我國走向更深遠的太空提供了雄厚的測控技術儲備。

從“東方紅一號”到載人航天，從探月工程到火星探測，我國航天測控網(wǎng)迅速發(fā)展壯大，系統(tǒng)規(guī)模和測控通信能力大幅提升。隨著探月工程四期和深空探測工程全面拉開序幕，載人航天和空間系統(tǒng)建設進程不斷推進，我國航天事業(yè)正在迎來新的發(fā)展高潮，也給測控系統(tǒng)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。未來的航天測控系統(tǒng)將面臨更復雜的測控通信任務、更遙遠的測控通信距離、更高的深空導航精度等諸多新的挑戰(zhàn)，也將伴隨重大航天工程不斷前進，持續(xù)提升規(guī)模和性能，發(fā)展成為天地空一體化協(xié)調(diào)發(fā)展、系統(tǒng)高效可靠運行、可按需提供各種天地測控通信能力的大測控系統(tǒng)，充分發(fā)揮作為國家航天重要基礎設施的積極作用和效益?！?/p>

▲ 我國首座35米深空探測天線陣