07.08 我國航天測控系統體制技術現狀及發展

概 述

航天測控網是指對航天器進行測量控制的專用網絡，其主要任務是對上升段運載器進行測量，對故障火箭實施安全控制；對航天器軌道和姿態進行測量和控制，對航天器遙測進行接收處理，對航天器進行遙控，接收載人航天器圖像，進行上下話音通信等；為有效載荷提供相關參數。航天測控網的中樞是航天指揮控制中心，不管是地基，還是天基，所有的測控資源都由中心來計劃、控制和使用。

我國先後建成了超短波近地衛星測控網、C頻段衛星測控網和S頻段航天測控網，可為中低軌、地球同步軌道等多種航天器提供測控支持，圓滿完成了各次航天飛行的測控任務。

根據我國航天發展中長期發展規劃，我國現有C、S兩大骨幹測控網面臨著以下四個方面的新挑戰。首先是測控網精度。根據現有測控設備精度和定軌方法，航天器空間定位位置精度可達十米至百米量級。未來的對地觀測等新型衛星要求定軌精度在米級以內，甚至釐米量級。其次是測控網的覆蓋能力。當前測控網對中低軌道航天器的覆蓋率在10％～20％，隨著載人航天工程的發展，要求軌道覆蓋率在80%以上，尤其在空間交會對接過程中，要求不間斷的監視。只有高覆蓋率才能保證載人航天任務的安全、可靠。第三，多星管理能力隨著我國小衛星、衛星星座的發展，測控網將面臨著需測控支持的衛星數目多、多顆星同時過境、衛星相繼過境間隔時間縮短等新形勢。這就要求測控網具有較強的多星測控、管理能力。第四，高數據率。以往的航天測控任務，前向鏈路(上行遙控、數據注人等少和返向鏈路(下行遙測、數傳等)的數據傳輸速率均在幾十至幾兆以內。以後的觀測衛星、空間站的碼速率將達百兆量級以上。

我國航天測控技術現狀和麵臨的任務

我國航天測控技術現狀

40多年來,為了配合我國的航天試驗任務,測控和溝通測控系統的通信技術有了長足的發展。在測控系統總體設計、測控網和測控中心的建設、測量數據的實時和事後分析,以及跟蹤測量和指令控制設備技術等方面都跨入了當今世界先進行列。

我國航天測控網由發射和測控中心、若干陸地固定和機動測控站及航天測量船組成。已由UHF、S、C三個頻段TTC設備組成的航天測控系統,具備完成第二代衛星、載人航天工程的測控支持能力。在執行歷次衛星發射試驗任務中,證明其有很高的總體效能。免費論文網。我國航天測控網的主要特點是統一規劃,設站較少,效益高;網中各固定站可以根據需要合理組合,綜合利用;各車載、船載站可以根據需要靈活配置,機動使用;多數測控設備可以箭、星通用;數據格式及接口實現了標準化、規範化。目前,已形成了以高精度測量帶和中精度測控網交叉兼容,以測控中心和多種通信手段相聯接的,具有中國特色的陸海基航天測控網,能為各種射向、各種軌道的航天器發射試驗和在軌運行提供測控支持,具備國際聯網共享測控資源的能力。

未來我國航天事業發展對飛行器測控技術的需求

根據我國航天活動中長期發展規劃,在衛星應用與科學探測領域,將繼續發展環境與災害監測、地球資源探測、氣象探測、海洋探測、衛星通信等系列衛星,輔以各類科學實驗和空間科學探測衛星;在載人航天領域,將進行航天員出艙活動、無人交會對接和載人交會對接試驗,陸續建設我國的空間實驗室和空間站等;在月球與深空探測領域將逐步實施繞月探測、月面軟著陸與月面巡視勘察、自動採樣返回以及火星、小行星等深空探測計劃。航天活動的持續發展給航天測控系統帶來了新的挑戰和發展機遇。新的測控需求突出表現在:

1) 高的軌道覆蓋率

在載人飛船工程第二步任務中,航天員出艙活動和空間交會對接要求高軌道覆蓋率;為提高傳輸型衛星的利用率和探測信息的時效性,要求高軌道覆蓋率;亞軌道飛行器,其軌道機動具有變軌時間突發性和變軌位置的隨意性,要求高軌道覆蓋率;在月球探測的轉移軌道段,要求全程幾乎連續的軌道覆蓋。免費論文網。

2) 更高的軌道精度

在對地觀測衛星和海洋衛星等近地軌道衛星、導航衛星、繞月探測衛星等提出高精度的航天器軌道測量和定位精度的同時空間交會對接、衛星星座、月球著陸探測還提出了航天器間相對位置精度的更高要求。

3)更高的數據傳輸速率

隨著對地觀察類衛星的大量應用,測控網需要高速率的數據傳輸能力,測控通信業務傳輸速率將突破300 Mb/s。

4)更多的測控目標和更復雜的測控任務

隨著航天技術的發展,衛星應用領域不斷擴展,未來一段時間內將有大量軍事衛星和民用衛星發射入軌,由多顆衛星組成的衛星星座的應用使得衛星在軌數量激增。同時,在傳統單顆衛星的測控任務外,對多星的同時測控支持、多星及星座在軌運行管理等增加了航天測控網的負擔和操作複雜性。

5)遠的測控距離

我國確定開展以月球探測為主的深空探測任務,使得航天測控的距離拓展至40×104km的月球。遙遠的距離帶來了巨大的時延,使信號微弱,並限制了深空數據傳輸速率,這些困難使得測控系統必須儘可能地採用最先進的技術,不斷提高通信鏈路和測控精度。

6)更低的測控成本

隨著航天測控網規模的日益龐大,長期使用後維護費用佔的比例很大,航天器在軌壽命的延長使得運行控制費用不斷累積,這些都使降低航天測控任務的總費用成為國際航天界的重要課題。

我國航天測控系統的發展趨勢

由陸海基測控網向天地一體化綜合測控網過渡

目前的天基測控系統主要有兩類:一類是跟蹤與數據中繼衛星系統(TDRSS),是以數據中繼為主要技術手段的綜合航天測控系統;另一類是導航定位系統,可為航天器和地面目標提供高精度定位測速和定時能力。我國航天測控網的主要發展途徑是建立數據中繼衛星系統,充分利用GPS/GLONASS和我國發展中的北斗全球衛星導航定位系統,優化地面測控站佈局,逐步由陸海基測控網向天基為主、天地結合的一體化綜合測控網發展。衛星發射段、高軌衛星和小衛星的長期管理由地基設備為主完成;中低軌航天器的長期管理則由天基系統為主、地基設備為輔。

利用以數據中繼衛星系統為主建設的天地一體化測控網,不僅能有效地提高網的測控覆蓋率、定軌精度、火箭全程測量和同時對多目標的測控能力,而且能夠完成各類對地觀測衛星的高速實時數據傳輸的任務。考慮到急需和現實可能性,我國TDRSS應分步發展。第一部以現有衛星平臺為基礎,以S、Ka固面拋物面天線作星間通信天線,儘快研製和發射一個試驗和試用型數據中繼衛星。在此基礎上再以大衛星平臺、可展開式大口徑天線為基礎研製和發射第二代數據中繼衛星,由二顆在軌工作星和一個地面終端站構成高性能實用型系統。同時開拓系統新的應用領域。建立以衛星導航定位系統為基礎的外彈道測量(遙測)系統。改造裝載GPS/GLONASS/北斗終端的S頻段車載遙測站,組成一體化的遙外測綜合測量設備;同時加強在測姿、測軌方面的應用,提高飛行器自主測量能力,簡化地面測控網。關於火箭飛行安全及衛星、飛船的實時控制問題,天地之間也要有一個合理的分工,充分發揮衛星自主能力不斷提高的技術潛力,以便對地面控制能力和測控系統規模有一個明確的建設思路。

補充完善適於小衛星、星座及組網的測控手段

小衛星是當今世界航天領域發展的熱點,也是我國重點發展應用的一類航天器。可以設想,未來十年我國在軌運行小衛星的數量將佔衛星總數的一半以上,有單星、星座和編隊飛行衛星群等。小衛星測控的關鍵是攻克多星測控管理和小型化的地面高效綜合設備技術,希望能通過更合理地使用測控資源和在儘量降低運作費用的前提下,實現對多星發射時入軌段和早期軌道段的測控支持,具備在軌運行段對較多衛星的綜合管理能力。

由於我國在軌運行的小衛星較少,而且從重量、體積、自主功能和結構設計等方面還不完全具有現代小衛星的特徵,近期仍可應用常規的TTC方案。因此發展小衛星測控的總體思路應是:充分發揮現有測控網的作用,避免重複投入,以首先實現對信息獲取(對地觀測)小衛星及星座的測控支持為突破口,研究未來大型小衛星網的測控和管理技術;對目前網內部分主站進行適應性配套改造,同時研製必要的機動型小衛星地面高效綜合測控設備,共用互補,天基和地基協調配套發展,中心透明工作方式和單站直接操作方式相結合,提高測控網的綜合性能。在軌運行仍採用現有S頻段測控網或以該網為後盾,提高測控站的自動化程度,對測控站和衛星控制中心各類軟件的調度性能作進一步開發、優化,強化網管中心的調度功能,使其具有支持50顆左右在軌衛星測控的能力。改造部分現有設備,使其符合CCSDS建議的標準,適應多用戶、多數據類型的任務;提高數據通信系統的適應能力,溝通並完善與用戶數據通信的接口,真正賦予用戶直接瞭解、應用和操作所屬星上有效載荷的能力,為戰時快速反應提供可能性。

建立空間信息資源應用管理網絡系統

航天系統是高投入、高風險、高回報的系統,如果能有效地克服目前各類衛星系統以單用戶為背景的條塊分割現象,形成衛星系統信息的綜合利用和共享,將大大提高航天系統的整體效益,對國民經濟建設和國防事業都將具有重要意義。因此產生了天基綜合信息網的概念。建設中國的天基綜合信息網,應從國情出發,採用由簡單到複雜、由初級到高級的發展思路,主要把所有已發射和即將發射的衛星及地面系統綜合利用起來,儘快構成可實現資源共享的網絡。受客觀因素制約,初期的數據處理和聯網還只能在地面完成。

在我國跟蹤與數據中繼衛星發射以後,各衛星系統獲取的信息可實時彙集到同一中心並使衛星工作效率、工作範圍及信息的時效性大大提高。我國的空間資源地面站子系統和信息綜合處理管理中心,將獲取的信息集中管理,按權限打包分發,並逐步實現複雜的多種信息融合處理,提高空間信息系統所獲信息的時間分辨率、目標分辨率和識別能力。這樣既可以避免重複投資,又能充分發揮航天系統和測控網的利用率和效益,實現包括測控信息在內的空間信息資源的共享,建成面向用戶進行全方位信息服務的空間資源綜合處理管理網絡系統。

建設和完善空間目標監視系統

空間目標監視系統的作用是監測空間目標,並進行某些狀態如軌道參數、輻射特徵和形態特徵評估,提供目標的空間態勢,為相關係統提供滿足要求的目標信息。免費論文網。在我國航天測控網的基礎上,與國內的空間目標偵察監視系統和人衛觀測系統相配合,進行統籌規劃和有針對性的設備研製,逐步建成包括星載空間監視網、陸基空間雷達監視網和光電監測網組成的完整的空間目標監視系統,是緊迫、必要和可行的。需要解決的技術重點在於對目標的精密定軌與預報,難點在於大氣模型的動態監測。

我國航天測控技術的發展

航天測控技術是對航天器進行跟蹤、測量、控制的綜合專用技術,涉及跟蹤、遙測、遙控、軌道動力學、計算機、數據處理、監控顯示和通信等諸多專業技術領域。我國在這些專業技術的創新成果為未來航天測控系統的發展奠定了技術基礎。近年來我國在天基測控技術、深空測控技術、小衛星測控技術和衛星星座測控技術等方面都開展了大量研究工作,突破了多項關鍵技術,並逐步解決了這些新技術在工程實踐上的應用問題。

載人航天測控通信技術

我國載人航天工程測控通信系統在測控通信體制、測控網工作模式、高速數據傳輸技術、數字仿真技術等多個方面實現了重大技術突破。

載人航天測控通信系統布站設計利用我國有限的國土跨度和航天測控資源實現優化,確保了航天器各關鍵飛行段的測控通信支持,既滿足了載人航天基本的測控通信要求,又兼顧了今後測控通信系統的發展,規模適當、佈局合理、技術先進,以較少的投入獲得了較大的效益,從而實現了測控通信系統整體效能的優化。

以S頻段測控系統為骨幹的載人航天測控通信系統,充分利用我國現有的測控通信資源,挖潛改造,形成了規模適中、功能齊全的陸海基測控通信系統,既可支持我國載人飛船、所有的中低軌衛星測控,也可支持S頻段同步衛星和火箭的測控任務,功能強、體系結構合理,是我國今後航天測控主要使用的具有國際同類先進水平的骨幹系統。系統設計符合CCSDS建議書等國際標準和規範,通過突破USB寬頻帶測距轉發等技術首次實現了我國航天測控網與國外航天測控網的聯網。通過聯網與國外建站相結合,提高了測控通信覆蓋率,減少了航天測量船的數量,節省經費數億元。利用對設備的遠程監控技術、網絡技術及雙路由熱備份技術等,載人航天測控通信系統在國內首次設計並實現了測控網的透明工作方式,對航天器的數據處理、狀態監視、控制決策和實施由航天器的任務中心統一完成,改變了我國航天測控沿用了20多年的測控中心、測控站共同負責航天器測量數據處理、航天器控制決策的模式。

深空跟蹤測量技術

在深空跟蹤測量技術方面,除了傳統的測距、測速和測角技術外,還跟蹤研究了激光測距技術、甚長基線干涉測量技術、實連站干涉儀技術、單向測距測速技術、同波束干涉技術、探測器對探測器的跟蹤技術等新的深空跟蹤測量技術;針對各種測量資料類型,研究了深空探測器不同軌道段的導航技術;深空通信技術則包括Ka頻段的大口徑天線技術、天線組陣技術、新的編碼技術(如Turbo碼)等。深空測控設備相關的地面X和Ka頻段大口徑高效率天線技術,地面高效大功率發射技術,高增益信道編解碼技術,低噪聲放大器件及高靈敏度接收系統優化設計技術,高精度、高穩定度時間和頻率標準技術的研究工作也正在開展中。不少新技術將在我國未來深空測控網中得到應用。

地球衛星跟蹤測量技術

在近地軌道航天器的跟蹤測量技術方面,為適應新的任務需求,除了傳統的測距、測速和測角技術外,目前正跟蹤研究並致力於星地與星間寬帶毫米波及光通信技術,多目標測控管理技術,星地與星間鏈路技術,航天器自主測控技術,測控管理自動化技術,多信源高精度精密測定軌技術,星地與星間一體化測控通信技術,測控資源綜合利用與優化配置技術,多星共位技術和天基測控信息路由交換技術等多方面的新技術研究工作。不少新技術都是不斷適應新時期航天器的測控需求提出的,隨著研究進程的加深,獲得的研究成果將逐漸滲透並進入工程實踐一線。

結 語

隨著多功能小衛星、衛星星座組網及新型航天器的不斷髮展，應積極研究我國測控網的發展對策。對如何提高測控精度、測控覆蓋率和多任務持能力等進行深人研究。總的來講，我國現有地面測控網可以滿足大多數任務的需要。現有地面測控網規模不宜再擴大，應積極發展天基測控網，充分利用天基數據中繼衛星的強大優勢，早日建成我國自己的中繼星系統。在測控網中積極推進CCSDS標準的貫徹使用，建立天地一體化測控網絡，避免資源浪費，以降低航天費用。充分發揮我國北斗衛星導航定位系統在航天測控系統中的作用，早日實現航天自主定軌以及衛星軌道自主測量，逐漸擺脫對地基測控網絡的依賴。我國航天測控系統正面臨新的挑戰和機遇,在現有測控網的基礎上,以中長期規劃測控需求為牽引,在國內外測控技術的推動下,不斷適應國際航天測控系統發展趨勢,未來的航天測控系統必將發展成為天地空一體化協調發展、系統高效可靠運行、可按需提供各種天地測控通信能力的“大測控”系統。