测控应用：运筹帷幄 决胜千里

文/ 杨诗瑞

▲ 飞控大厅任务场景

航天器一般包括导弹、运载火箭、人造地球卫星、载人飞船、深空探测器等类型。测控系统对各类航天器进行跟踪、测量和控制，是导弹试验、火箭发射、卫星运行和载人航天等不可缺少的组成部分。

不同航天器根据飞行距离和运行轨道的不同，对航天测控要求也不同。航天测控系统总体可分为两类，一是专为导弹试验和运载火箭发射提供服务，又称“靶场测控系统”；二是为卫星、载人飞船、深空探测器等提供服务，又称“航天测控系统”。

由于火箭和卫星在轨道跟踪上存在原理性的不同，两种测控系统从功能、体制、要求等方面有较大差别，同时又相互协作，共同服务于航天任务。

铸剑大国重器——导弹火箭测控

靶场测控系统专为导弹试飞、运载火箭发射服务，其任务重点包括为导弹鉴定、定型和改进设计提供精密弹道；进行运载火箭的遥测参数测量、传输、处理以及运载火箭飞行外弹道的测量和安全控制任务，从而获取飞行试验数据，为运载火箭的性能评定、故障分析和改进设计提供依据。

导弹试验任务要精确测量一瞬即逝的弹道。导弹和火箭造价昂贵，飞过即毁，不允许随意反复试飞和测量，故要求每次发射都测量成功，弹载测量设备追求一次工作的高可靠性。同时导弹和火箭弹道在主动段的飞行带有很大加速度，测量弹道需要确定每一时刻的位置和速度，且测控设备距目标较近，角速度及速度较大，精度要求高，所以导弹和火箭测控设备更加复杂和昂贵。

▲ 我国首次海射的测控现场

不同类型的导弹又有不同的需求。

远程弹道导弹的靶场需要规模大、航区长，并配备大量高精度的测量设备。为了提高命中精度，对远程导弹的再入段也需要精密测量。

巡航导弹由于飞行高度低，地杂波和多径效应影响严重，测轨精度要求高，全程有动力飞行，需要考虑低空全程测控。

这些都给导弹测控提出新的挑战。在经历陆基多站雷达网、机载测控系统的发展阶段后，目前基于卫星导航系统的测量方法成为主要方向，并且逐渐成熟。

运载火箭点火起飞过程中，测控系统要对火箭进行轨道测量，这项工作由外弹道测量设备，包括地面的连续波雷达、脉冲雷达、光学电影经纬仪、地面遥测站等测控设备及与它们协同工作的箭上设备共同来完成。同时，根据火箭的遥测和测轨数据，通过遥控实现安全控制。

近几年来，世界各国主力火箭的更新换代逐渐展开，其运载能力、发射方式、入轨形式都发生了较大变化，火箭测控需求也面临着许多变化。

如大型和重型运载火箭飞行时间长、飞行距离远，对测控覆盖能力提出更高要求。快速发射火箭陆续投入应用，空射、海射等发射方式逐渐增多，这类火箭任务准备周期短，发射点位、射向变化大，对测控系统的快速发射适应能力和大范围、全航程测控覆盖提出更高要求。

此外，还有为减少空间碎片而实施的末级火箭钝化、离轨操作等任务也对测控能力提出新的需求。这些都要求进一步优化测控系统组成结构，推进新技术应用，构建手段多样、配置优化、安全可靠的火箭测控系统。

巡天遥看星河——卫星测控

接力运载火箭主动段，从星、箭分离卫星入轨至工作寿命期间，卫星测控一直担当重任。为使卫星正常地工作，有一个庞大的地面测控系统在日以继夜地紧张工作。

卫星测控的主要任务是完成对卫星的飞行轨道测量、接收星上遥测数据、监视显示卫星工作状态、进行卫星的姿态控制与轨道控制等，并且在卫星发生故障时需要立即转入排除故障的测控，甚至还要利用测控进行离轨退役的寿终处理。

卫星在与运载火箭分离的一刹那，测控中心要根据各测控站实时测得的数据，算出卫星的位置、速度和姿态参数，判断卫星是否入轨。入轨后，测控中心需要在几分钟内算出卫星初轨根数，同时根据各测控站传递来的遥测数据，判断卫星上各种仪器工作状态，以便采取对策。

在卫星的生命周期中，测控中心和各测控站同样有许多繁重的工作要做。一方面要持续跟踪测量卫星的速度和姿态参数，不断精化卫星轨道根数；另一方面要测量、分析和处理星上仪器的工作状态，接收卫星发回的科学探测数据。卫星在空间飞行，受到大气阻力、地球扁率、日月摄动、辐射压力等多种摄动因素的影响，逐渐地改变轨道形状，需要定期开展轨道测量，实施轨道修正和管理。

▲ 欧空局部署在欧洲之外的深空测控站

卫星“身娇体贵”，在太空中出现一个微小故障，就有可能寿命终结。而太空环境非常恶劣，卫星故障时常发生。因此，太空应急处置能力是测控能力的最突出体现之一。我国西安卫星测控中心就曾多次临危受命，及时排除卫星故障，使卫星起死回生，恢复安全。

未来几年，小卫星发射市场增长迅速，在轨卫星数量激增，小卫星星座组网将成为新的发展方向，对小卫星的测控也将改变传统测控模式。小卫星测控面对的是同时多星测控管理、短弧段稀圈次测控、用户直接管理控制和机动测控等需求，测控系统要求具有简单、专用、成本低，测控保障费用低、体积小、重量轻等特点。

叩问天上宫阙——载人航天测控

载人航天测控需要满足实时跟踪、高轨道覆盖率、大信息量传输（话音、航天员生理参数、飞船遥测、电视信号等）和高可靠性等特殊要求，卫星测控网不能完全满足需求。

在载人飞行中，航天员一般在发射前2小时就进入返回舱，此后一直要对其身体状态进行监视，保持双向通信联系，危险时还要进行逃逸救生。测控系统在这一期间要提供视频图像接收、与航天员的话音通信、逃逸指令的无线传输等支持。

为保证航天员安全，测控系统需要保证不间断地跟踪测量、数据接收和通信传输，以及对突发事件具有快速反应能力，对运载火箭和飞船有两种以上的不同测控手段，并能做到相互补充，确保高度可靠。

载人航天在上升段、在轨运行段、返回段对测控系统的要求有很多不同。

在火箭上升段，由于箭上环境条件恶劣、动作事件较多，在此过程中火箭与飞船的故障诊断、飞船的逃逸控制和落点预报是测控的重要内容。

▲ 航天测控地面设施

▲ 佳木斯深空测控站

进入在轨运行阶段后，载人飞船和航天员开始迎来繁重的任务，同时也需要测控系统提供可靠稳定支持，包括监视飞船和航天员的状态以及飞船各个结构部件的展开情况，主要仪器仪表的检查测试情况；及时评估运行轨道是否正常，保持与航天员的话音通信和电视监视；根据监视和评估结果进行分析、判断，做出是否继续飞行、等待返回或立即返回等决策。入轨后要求测控系统能够提供较长的连续测控、通信覆盖时间。

载人飞船的返回段是任务成败的关键，飞船要进行两次大的调姿、轨道舱与其他两舱分离、飞船制动和离轨等一系列复杂操作。测控系统要完成对飞船调姿、舱段分离、制动过程的连续跟踪监视，对再入点前后进行测量并预报返回舱着陆点。由于返回过程中航天员遇到的过载不能太大，所以飞船返回的时间和航程都更长，地面站难以覆盖返回全程，需要在合适的位置布置测量船来完成返回测控覆盖。

放舟星辰大海——深空测控

国际上通常将月球探测作为深空探测的起点。从1959年1月苏联发射第一个月球探测器以来，人类深空探索的脚步已遍布太阳系。深空测控是深空探测的核心系统，其主要任务是对各类深空探测器进行跟踪测量导航、健康状态监视、任务飞行控制、探测任务操作和数据传输通信。

深空探测最大的挑战是距离。月球探测跨越38万公里，火星探测最远测控距离达到4亿公里，人类最远探测器“旅行者1号”已飞跃超过200亿公里。深空探测器飞离地球越远，对其进行跟踪遥测和遥控越难，因此深空测控是发展最快、技术最先进的航天测控领域。

深空测控系统一般由深空探测器上的星载测控分系统、分布于地面的深空测控站、深空任务飞行控制中心以及将地面各组成部分连接在一起的通信网组成。

为了节省推力，探测器上用于测控的设备应尽量少，尽量小型化，所以深空探测器最早采用统一载波测控体制。这一体制成为后来USB系统的技术基础。

▲ 中国深空测控网相关深空站

▲ 全球主要深空测控设施分布

作用距离的增加，使用于深空探测的测控数传天线不断增大，发射功率不断增加，工作频段不断提高(HF—S—X—Ka)。

为了克服地球自转影响, 实现对深空航天器的连续测控覆盖,深空测控网通常在全球范围内经度上间隔约120度建设地面站，配备大口径抛物面天线、大功率发射机、极高灵敏度接收系统、信号处理系统以及高精度高稳定度时间频率系统，确保对距离地球表面在3万公里以上的航天器进行连续测控。

目前,美国、欧空局和我国已全面建成深空测控网。俄罗斯、日本、印度、意大利、德国等国家研制建设了自己的深空测控设备，但未形成完整的深空测控网。

为了执行月球、行星和行星际探测任务，美国宇航局于1958年年初开始建设深空网。最初在全球设有5个站，后调整为大致相隔120经度的3个站。每个站有1个70米、2个34米、1个26米口径的大天线，以满足深空探测的超远程测控。

欧空局深空网由3个全球分布的具有35米口径天线的深空站组成,分别是澳大利亚新诺舍站、西班牙塞夫雷罗斯站和阿根廷马拉圭站。

我国深空测控网与探月工程同步发展，随着天问一号火星探测任务的展开，进一步建设完善，目前综合水平处于世界前列。★