航天快速發(fā)射測控支持模式研究

高 山，楊玖文，李彥峰

（中國人民解放軍63729部隊，太原，030027）

0 引言

由于中國地理環(huán)境復雜，在局部出現(xiàn)重大自然災害時，地面觀測、通信等設施設備極易受損導致無法工作。這種情況下急需航天器及時提供對地觀測、區(qū)域通信、導航定位等方面的支援保障，為指揮決策、開展抗震救災工作等提供支撐［1-5］。

目前，在提供天基信息支援時，一般可采用3種方式［6］：a）在軌航天器快速提供天基信息支援；b）在軌航天器應急機動變軌后提供天基信息支援；c）航天快速發(fā)射入軌補網(wǎng)后提供天基信息支援。其中，現(xiàn)有航天測控網(wǎng)對前兩種方式的測控支持模式基本成熟，但無法滿足航天快速發(fā)射體系的要求。

1 航天快速發(fā)射測控支持需求分析

1.1 航天快速發(fā)射流程

航天快速發(fā)射模式如圖1所示。

圖1 航天快速發(fā)射模式示意Fig.1 Schematic of space rapid launch mode

基于航天快速發(fā)射模式，將航天快速發(fā)射流程分為規(guī)劃階段、準備階段、實施階段，如圖2所示。

a）規(guī)劃階段。

規(guī)劃階段主要依據(jù)衛(wèi)星型號、軌道參數(shù)、入軌窗口、快速發(fā)射時限等具體要求，確定快速發(fā)射波次、發(fā)射點位置等基本信息，并對測發(fā)、測控、通信等資源進行快速編組，確定發(fā)射方案初稿。通過發(fā)射方案推演，迭代優(yōu)化方案，最終確定切實可行的發(fā)射方案。

b）準備階段。

準備階段主要指各系統(tǒng)依據(jù)發(fā)射方案組織開展相關準備工作。其中，測發(fā)力量準備工作主要包括星箭測試、總檢查、星箭匹配、星箭裝車、設備就位、射前檢查、諸元裝訂等；測控力量準備工作主要包括測控裝備狀態(tài)切換、設備就位等；通信力量準備工作主要包括狀態(tài)準備、通信線路測試等。全系統(tǒng)準備完畢后，利用合練檢查確認各系統(tǒng)狀態(tài)的正確性和匹配性。

c）實施階段。

實施階段主要指運載火箭點火起飛后，完成上升段測量、安控任務，利用遙外測數(shù)據(jù)實現(xiàn)衛(wèi)星入軌點計算，并對快速發(fā)射效果進行評估，為后續(xù)決策提供支撐。

1.2 測控支持需求分析

航天快速發(fā)射具備快速性、精簡性、系統(tǒng)性等特點，故航天快速發(fā)射體系中測控力量建設要重點考慮以下測控支持需求。

a）測控支持速度要快。

航天快速發(fā)射主要是應對突發(fā)重大自然災害等情況，事前無法準確預測具體時間、具體地點，故從確定快速發(fā)射要求至完成快速發(fā)射的周期短、快速發(fā)射區(qū)域無法固定等，這就要求測控力量準備速度要盡可能快、約束條件要盡可能少。

b）測控支持能力要全。

快速發(fā)射作為航天發(fā)射的一種新模式，相對常規(guī)測控網(wǎng)，快速發(fā)射測控力量應當簡化，但為了確?？焖侔l(fā)射安全可控，快速發(fā)射仍需具備測量、安控、數(shù)據(jù)處理、快速評估等能力。

c）測控支持性能可靠。

相對常規(guī)測控網(wǎng)，快速發(fā)射測控力量冗余備份手段少，但其可靠性要求卻未降低，這就要求快速發(fā)射測控力量在關鍵環(huán)節(jié)需要建設備份手段，同時骨干力量要具備高可靠性。

2 航天快速發(fā)射測控支持模式構建

2.1 測控力量構建

2.1.1 總體思路

航天快速發(fā)射體系測控力量建設的基本思路是基于常規(guī)航天發(fā)射測控經(jīng)驗和航天快速發(fā)射流程，采用一體化設計理念，以“快速”為核心，實現(xiàn)系統(tǒng)間業(yè)務融合、能力融合，構建快速高效的測控支持模式，達到提升航天快速發(fā)射能力的目的。

2.1.2 測控力量組成

為滿足航天快速發(fā)射測控支持需求，需要合理開展測控力量建設，在體系結(jié)構上緊貼航天快速發(fā)射需求，在功能上又可作為常規(guī)航天發(fā)射測控網(wǎng)的備份。

a）一體化機動測控裝備。

一體化機動測控裝備是航天快速發(fā)射體系中測控的骨干力量。一體化機動測控裝備采用測量處理一體化、測控通信一體化、無依托測控等技術，實現(xiàn)“一車一站”式設計，采用統(tǒng)一S頻段測控體制，具備遙測、外測、遙控等功能；集成了數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，具備數(shù)據(jù)綜合處理、態(tài)勢顯示、安全控制等功能；集成了衛(wèi)星通信系統(tǒng)，具備衛(wèi)星通信功能；集成了車載油機具備自主供電保障能力；集成了測姿測位系統(tǒng)，具備“動中通、動中測”能力，可實現(xiàn)全空域、多目標、無依托測控，為航天快速發(fā)射提供有效測控支持。

b）便攜式遙測設備。

便攜式遙測設備采用集成化設計，具備快速展開、快速撤收能力，可在發(fā)射點周圍獲取起飛初始段遙測數(shù)據(jù)，同時在準備階段還可參加總檢查等，為準備階段狀態(tài)評估提供數(shù)據(jù)支撐。

c）天基測控系統(tǒng)。

考慮到一體化機動測控裝備和便攜式遙測設備無法覆蓋全程，在上升段后期需要采用中繼衛(wèi)星、北斗衛(wèi)星等完成天基測控，直至衛(wèi)星入軌成功。同時在上升段前期，天基測控可與一體化機動測控裝備、便攜式遙測設備等形成冗余備份，提高快速發(fā)射測控支持可靠性。

d）遠程數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

快速發(fā)射效果評估是快速發(fā)射體系中關鍵一環(huán)，除一體化機動測控裝備完成數(shù)據(jù)處理、評估外，還需在遠程數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)同步完成快速發(fā)射效果評估，作為航天快速發(fā)射體系的關鍵備份，為航天快速發(fā)射提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2 測控支持模式

2.2.1 規(guī)劃階段

航天快速發(fā)射規(guī)劃階段，測控總體人員依據(jù)快速發(fā)射要求，快速完成測控資源編組，核算測控弧段覆蓋性和測控鏈路可靠性，確定測控方案，明確測控要求。

2.2.2 準備階段

航天快速發(fā)射準備階段，測控支持模式如下：

a）在陣地檢查期間，便攜式遙測設備、一體化機動測控裝備參加，驗證遙測系統(tǒng)天地鏈路的匹配性；

b）在陣地檢查期間，一體化機動測控裝備參加，完成安控裝碼對接工作，驗證安控系統(tǒng)天地鏈路的匹配性；

c）完成測控力量技術狀態(tài)調(diào)整，參加合練，驗證全系統(tǒng)狀態(tài)正確性。

2.2.3 實施階段

航天快速發(fā)射實施階段測控支持模式如圖3所示。

圖3 航天快速發(fā)射實施階段測控支持示意Fig.3 Schematic of TT&C support in the implementation phase of space rapid launch

航天快速發(fā)射實施階段測控，各測控力量具體工作內(nèi)容如下：

a）一體化機動測控裝備在上升段主要完成火箭飛行軌跡測量、遙測數(shù)據(jù)接收解調(diào)解密處理、異常情況下實施地面安控；接收便攜式遙測設備、天基測控系統(tǒng)發(fā)送的測量信息，與遠程數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理結(jié)果的信息交互；車載數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過處理外測、遙測、天基測量信息等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)目標飛行態(tài)勢顯示、衛(wèi)星入軌參數(shù)計算、快速發(fā)射效果評估等功能。

b）便攜式遙測設備接收解調(diào)得到遙測數(shù)據(jù)，通過衛(wèi)通設備向一體化機動測控裝備和遠程數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)發(fā)送。

c）天基測量信息由天基測控系統(tǒng)分別向一體化機動測控裝備和遠程數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)發(fā)送，天基測控系統(tǒng)接收一體化機動測控裝備發(fā)送的安控信息并向火箭轉(zhuǎn)發(fā)。

d）遠程數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)作為一體化機動測控裝備數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的備份，同步接收各類測量信息和處理結(jié)果，實現(xiàn)目標飛行態(tài)勢顯示、衛(wèi)星入軌參數(shù)計算、快速發(fā)射效果評估等功能。

e）衛(wèi)星入軌后，一體化機動測控裝備還可作為衛(wèi)星管理地面站接收在軌段衛(wèi)星管理及應用數(shù)據(jù)，具備衛(wèi)星飛行軌跡測量、遙測數(shù)據(jù)接收解調(diào)、遙控指令發(fā)送、衛(wèi)星應用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能，實現(xiàn)指定衛(wèi)星運行狀態(tài)監(jiān)視，同時可依據(jù)上級要求調(diào)整衛(wèi)星飛行姿態(tài)，有效提升測控支持能力。

2.3 測控支持體系能力評估

2.3.1 實時測控支持能力評估

實時測控支持能力包括測量、安控、數(shù)據(jù)處理、快速評估等，基于運載火箭飛行軌跡、航天快速發(fā)射測控支持體系能力，評估航天快速發(fā)射測控支持效果。

a）經(jīng)典坐標系轉(zhuǎn)換方程。

利用運載火箭飛行軌跡和航天快速發(fā)射測控支持裝備的位置信息，可以計算得到運載火箭在測站坐標系下的斜距、俯仰等值。

式中X，Y，Z分別為運載火箭軌跡在地心坐標系下x，y，z位置分量，單位m；X0，Y0，Z0分別為測站三軸中心在地心坐標系下X，Y，Z 位置分量，單位m；R為運載火箭與測站三軸中心的斜距，單位m；A為運載火箭在測站坐標系下方位角，范圍0°～360°；E為運載火箭在測站坐標系下俯仰角，范圍-90°～90°。

b）經(jīng)典天地鏈路方程。

經(jīng)典天地鏈路方程如下：

式中P收為收端接收到的信號幅度，單位dBW；P發(fā)為發(fā)端的發(fā)射功率，單位dBW；G發(fā)為發(fā)端的天線增益，單位dB；L空間為空間衰減值，單位dB；L極化為空間極化衰減，單位dB，一般取1～2 dB；L大氣為大氣衰減，單位dB，一般取1～2 dB；G收為收端的天線增益，單位dB。

其中，空間衰減公式如下：

式中F為無線電頻率，單位GHz；R為測控設備和目標的空間徑向距離，單位km。

c）實時測控支持效果仿真。

利用式（1）、式（4）、式（5）以及箭地裝備接收靈敏度，可以估算出各測控設備獲取遙外測數(shù)據(jù)、完成安控任務的弧段，考慮到地球曲率、設備遮擋等情況，依據(jù)以往經(jīng)驗，一般取俯仰角大于3°進行有效評估。

依據(jù)航天快速發(fā)射測控支持體系能力，仿真測控支持效果如圖4所示。

圖4 航天快速發(fā)射測控支持效果仿真示意Fig.4 Schematic of space rapid launch TT&C support effect

從圖4可以看出，航天快速發(fā)射測控支持體系可以滿足運載火箭遙測數(shù)據(jù)獲取、飛行軌跡測量、異常情況地面安全控制、數(shù)據(jù)處理、快速評估等要求，并有一定冗余備份能力。

2.3.2 快速準備能力評估

當需要在臨時點位完成快速發(fā)射時，常規(guī)測控支持模式需要提前完成測控裝備的點位選取、現(xiàn)場勘查、大地測量、通信保障線路架設等工作。

常規(guī)測控支持模式與航天快速發(fā)射測控支持模式準備效果對比如下。

a）約束條件。

常規(guī)測控支持模式下，測控設備點位選取需考慮測控弧段、周邊遮擋、標校環(huán)境、電磁環(huán)境等需求，約束條件多。

航天快速發(fā)射測控支持模式下，便攜式遙測設備布設于發(fā)射點周邊500 m以內(nèi)，僅需考慮與發(fā)射點的通視情況，一體化機動測控裝備具備“動中通、動中測”能力，點位選取僅需考慮測控弧段覆蓋，事前選定大致區(qū)域即可，約束條件少。

b）準備周期。

常規(guī)測控支持模式下，從點位選取到測控設備就位，準備周期至少10天，準備周期長。

航天快速發(fā)射測控支持模式下，僅需對一體化機動測控裝備在選定區(qū)域內(nèi)行進路線進行勘查，準備周期為1天，準備周期短。

c）保障壓力。

常規(guī)測控支持模式下，臨時點位利用率低，保障經(jīng)費和建設需求矛盾突出，保障壓力大。航天快速發(fā)射測控支持模式下，無需開展點位建設，保障壓力小。

綜上所述，相對于常規(guī)測控支持模式，航天快速發(fā)射測控支持模式準備效率更高。

3 關鍵技術

在航天快速發(fā)射測控方預案庫建設、天地測控體制規(guī)劃、智能化運行體系建設等方面持續(xù)開展深入研究，能進一步提升航天快速發(fā)射測控支持能力。

3.1 航天快速發(fā)射測控方預案庫建設

為適應多種天基信息支援需求，航天快速發(fā)射可采用一箭一星、一箭多星、小區(qū)域內(nèi)多箭多星、廣域范圍內(nèi)多箭多星、多箭并行發(fā)射、多箭串行發(fā)射等模式，而航天快速發(fā)射體系中測控力量建設需要統(tǒng)籌兼顧上述發(fā)射模式。

航天快速發(fā)射體系中測控力量需要加強日常模擬應用場景訓練，針對上述不同發(fā)射模式，利用測控實裝、訓練系統(tǒng)等手段，從測控資源編組、指揮操作協(xié)同、應急處置演練、典型故障排除等方面大膽嘗試、精細復盤，反復驗證測控方預案的合理性、完備性，迭代形成成熟且可用的測控方預案納入發(fā)射方案庫，做到未雨綢繆，有備無患，不斷提升航天快速發(fā)射測控支持能力。

3.2 天地測控體制規(guī)劃

航天快速發(fā)射體系中火箭、衛(wèi)星、航天器等采用的測控體制、合作目標性能直接影響測控力量建設，在航天快速發(fā)射體系建設時，需要統(tǒng)籌考慮。

遵從航天快速發(fā)射任務快速、精簡的原則，建議天地測控體制優(yōu)選統(tǒng)一S 頻段綜合測控體制，火箭、衛(wèi)星、航天器等安裝USB應答機，一體化機動測控裝備收發(fā)采用S 頻段設計，利用S 頻段調(diào)頻遙測、擴頻遙測、BPSK 遙測等實現(xiàn)目標下行遙測接收，利用S頻段遙控實現(xiàn)目標上行安控指令、上行遙控指令發(fā)送。針對多目標測控需求，可以通過改變USB應答機上下行工作點頻、擴頻碼組等方式予以區(qū)分。

3.3 智能化運行體系建設

隨著智能化技術的發(fā)展，在裝備自主運行、數(shù)據(jù)分析、指揮決策等方面利用智能化技術提升系統(tǒng)綜合效能是大勢所趨。

在航天快速發(fā)射體系建設時，提早布局智能化運行體系研究，通過智能化技術應用，使測控運行流程更加快速化、合理化以及最優(yōu)化；降低對人員的操作要求，最大程度降低人為因素引入的安全隱患；借鑒數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)挖掘等技術實現(xiàn)對關鍵崗位人員的智能提醒、輔助決策，保障人員更加安全高效順利的完成任務。

4 結(jié)束語

航天快速發(fā)射體系建設是一個系統(tǒng)工程，測控力量建設和職能發(fā)揮必須站在全局的角度統(tǒng)籌考慮，本文提出了一種航天快速發(fā)射測控力量建設思路和支持模式，基本可以滿足航天快速發(fā)射的需求，后續(xù)還需要在體系規(guī)劃、裝備建設、方案設計、運行模式、保障條件等方面持續(xù)開展攻關研究，為提升航天發(fā)射測控支持能力提供技術支撐。