“国际空间站”飞行控制及测控通信支持分析

郭丽红（北京跟踪与通信技术研究所）

“国际空间站”飞行控制及测控通信支持分析

郭丽红（北京跟踪与通信技术研究所）

1998年11月，随着“国际空间站”（lSS）曙光号（Zarya）多功能舱的发射，休斯敦和莫斯科的“国际空间站”飞控人员和工程保障队开始联合行动，实施对“国际空间站”的飞行控制和测控通信支持。此后，“国际空间站”不断发展，参与的国家和组织逐渐增多，其飞行控制和测控通信基础设施也逐渐发展成为分属多个国家和组织、遍布世界各地的地基设施和天基设施组成的系统，支持多种接口协议和标准。本文介绍支持“国际空间站”飞行控制与测控通信的主要地基设施（7个控制中心和2个地面通信网）和天基设施（4个数据中继卫星系统），并在分析“国际空间站”飞行控制与测控通信支持能力现状的基础上，展望其未来的发展趋势。

1　主要地基设施

“国际空间站”的地基测控通信支持基础设施遍布美洲、欧洲等地，其中，在“国际空间站”飞行控制及测控通信支持中起主要作用的主要包括7个控制中心、连接控制中心的通信网和多个载荷控制中心以及若干地面站。

控制中心

1）美国休斯顿任务控制中心（MCC-H）。负责“国际空间站”的整体操作及安全，以及所有美国航空航天局（NASA）硬件的发射、对接和集成。

2）俄罗斯莫斯科任务控制中心（MCC-M）。负责俄罗斯舱段的发射对接、集成和控制，以及同NASA协调拜科努尔发射场的发射，并在休斯敦任务控制中心发生紧急情况失去控制能力时接管空间站的控制。

3）阿拉巴马州亨茨维尔载荷操作与集成中心（POIC）。设在马歇尔航天飞行中心（MSFC）的载荷操作与集成中心协调所有NASA载荷的操作、规划和安全，提供管理和集成载荷操作的能力，还依照个别载荷用户的要求，为其提供操作和控制他们的载荷和实验的能力。

4）德国奥伯法芬霍芬哥伦布控制中心（Col-CC）。它是哥伦布号（Columbus）实验舱的操作中心，主要职能包括∶星上和地面的任务规划；监视、控制哥伦布号实验舱的技术系统以及有效载荷；提供和操作配套的互联地面子网（IGS）；协调对“国际空间站”上的欧洲有效载荷的操作；在“自动转移飞行器”（ATV）控制中心控制和操作ATV期间协调欧洲实验载荷的操作；培训地面操作团队。

5）法国图卢兹自动转移飞行器控制中心（ATV-CC）。位于法国图卢兹，负责操作欧洲的“自动转移飞行器”，并与位于莫斯科和休斯顿的任务控制中心以及哥伦布控制中心合作，在任务和交会对接期间每周7天、每天24h工作。“自动转移飞行器”发射阶段，自动转移飞行器控制中心协同圭亚那航天中心工作。

6）日本筑波航天中心（TKSC）。负责控制日本的硬件和发射器，它为日本空间实验舱建立了研发与运行、空间实验支持和航天员训练的设施，统称为空间站综合中心，其中，直接负责日本空间实验舱的操作及控制的是日本空间实验室运行控制中心，或任务控制室（MCR），对在轨的日本实验舱进行运行控制，并为“H-2转移飞行器”（HTV）提供控制支持，同时对NASA的任务控制中心和航天员操作综合中心提供支援。“H-2转移飞行器”地面控制中心设在筑波航天中心“国际空间站”综合中心内，它协同“国际空间站”的地面控制中心共同控制“H-2转移飞行器”。

7）加拿大魁北克移动卫星系统（MSS）操作设施（MOC）。隶属于加拿大航天局（CSA），负责监测空间站17.4m的机械臂，并培训航天员取得站上遥控设备的操作资格。所有航天员都要到蒙特利尔附近的圣于贝尔进行2周的一般性培训（针对具体任务的培训在休斯顿进行）。该设施还对移动业务系统进行支持，其指令将送到休斯顿的控制设施处。

连接多个控制中心的地面通信网

连接控制中心和地面站的通信网主要是NASA综合业务网（NISN）和欧洲航天局（ESA）的互联地面子网。

20世纪90年代末期，NASA专用通信网设施的通信业务向商业化转型，为此将原有的多个地面网络组建为NASA综合业务网，同时开始采用IP协议提供服务，IP化完成后，NASA综合业务网于2005-2006年间进行了技术更新，替换掉陈旧、不可维护的系统，改进关键网络的可维护性和可靠性，优化网络连通性，优化网络带宽，以更好地为关键任务提供更可靠的服务。

ESA为“国际空间站”欧洲部分哥伦布号实验舱和“自动转移飞行器”提供支持的地面通信网是互联地面子网。该网建设之初就采用了IP协议，并提出未来要提供“全IP业务”。互联地面子网早期设计为异步传输模式（ATM）网络，由于成本原因，除主要的国际合作伙伴和4个载荷控制中心站点通过异步传输模式网络连接到哥伦布控制中心外，其他的站点都通过综合业务数字网（ISDN）连接到哥伦布控制中心；大约在2009年间，互联地面子网从ATM/ISDN链路向多协议标签交换（MPLS）/IP链路迁移。

2　天基设施

美国第一代“跟踪与数据中继卫星”

在“国际空间站”的飞行控制与测控通信中，目前在用的主要是美国的“跟踪与数据中继卫星系统”（TDRSS）、俄罗斯跟踪与数据中继卫星，其他还有ESA的“阿特米斯”（ARTEMIS）试验中继卫星和日本的“数据中继试验卫星”（DRTS），以及建设中的“欧洲数据中继卫星”（EDRS）系统。

美国“跟踪与数据中继卫星系统”

NASA“跟踪与数据中继卫星系统”提供的测控通信能力包括∶S、Ku、Ka频段单址业务，S频段多址业务，单向和双向测距及测速功能。

目前，NASA空间段的“跟踪与数据中继卫星”（TDRS）已发射到第三代。至2016年5月，“跟踪与数据中继卫星系统”空间段处于工作轨道的有9颗中继卫星（4颗一代星，3颗二代星和2颗三代星），即跟踪与数据中继卫星-3、5～12。退役后位于超同步轨道的是跟踪与数据中继卫星-1和4。

目前，NASA“跟踪与数据中继卫星系统”地面段主要由位于新墨西哥州的白沙综合设施、位于关岛的远程地面终端和位于马里兰州哥达德航天飞行中心（GSFC）的网络控制中心（NCC）组成，通过NASA综合业务网连接。为了配合第三代“跟踪与数据中继卫星”的部署，NASA开展了“天基网地面段维持”（SGSS）项目，项目于2011年启动，采用先进的技术和体系结构，对现有地面终端系统进行升级改造；并在马里兰州的布洛索姆角新增一个地面终端站。“跟踪与数据中继卫星系统”的地面系统升级预计在2016年年底完成。届时，“跟踪与数据中继卫星系统”的系统能力将会得到很大提高。

美国第二代“跟踪与数据中继卫星”

美国第三代“跟踪与数据中继卫星”

俄罗斯跟踪与数据中继卫星

苏联于20世纪70年代末和80年代初开始研制“射线”（Luch，又名“波束”）系列中继卫星。该系列最后1颗老一代中继卫星于1998年退役。因此，自“国际空间站”开始发射至2011年12月间，俄罗斯无在轨运营的民用中继卫星。期间，“国际空间站”上的俄罗斯舱只能借助于美国的“跟踪与数据中继卫星系统”来扩大测控和通信的覆盖范围。

目前，俄罗斯第二代“射线”中继卫星系统已完成部署，目前在轨有4颗卫星，分别于2011年12月、2012年11月、2014年4月、2014年9月发射入轨。射线-5卫星工作在S频段和Ku频段，卫星在Ku频段和S频段的最高数据传输速率分别为150Mbit/s和5Mbit/s，和第一代“射线”卫星相比，已有明显提高。

欧洲数据中继卫星

ESA的“阿特米斯”试验中继卫星于2001年7月发射，除了进行新技术试验外，还在ESA的“自动转移飞行器”任务中发挥了作用。“阿特米斯”数据中继卫星[21.5°（E）]的任务控制中心和地面站（13.5m天线系统，Ka频段）位于比利时的雷杜。

2009年2月，ESA启动“欧洲数据中继卫星”（EDRS）系统项目，该系统包括2个位于地球同步轨道的数据中继载荷和1个地面部分。地面部分由任务和操作地面部分（1个卫星控制中心、任务和操作中心，1个馈线链路站和用户地面部分）组成。“欧洲数据中继卫星”系统将提供激光链路和Ka频段射频链路。首个“欧洲数据中继卫星”载荷已在2016年1月发射，携带第二个“欧洲数据中继卫星”载荷的卫星将在2017年发射。ESA正在为开发“欧洲数据中继卫星”的第三个载荷做准备，从而在未来提供覆盖全球的完整数据中继服务。

日本“数据中继试验卫星”

所有的系统都受筑波轨道间通信站的远程监视和控制。此外，“数据中继试验卫星”验证试验地面系统还包括日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）基带处理设备位于ESA的雷杜站，该设备也由筑波远程监控，以实现JAXA低轨卫星和ESA的“阿特米斯”卫星之间的自主在轨实验操作。

3　飞行控制与测控通信支持能力现状

“国际空间站”的飞行控制和测控通信支持

“国际空间站”的在轨操作由美国NASA统一协调，休斯顿任务控制中心对“国际空间站”运行控制负主要责任，每一个成员国负责管理各自的舱段、有效载荷设备的操作。休斯顿任务控制中心负责协调空间站的所有活动，并且每隔2周编制一个所有合伙者都必须遵循的操作计划。全球其他中心发出的指令都需由它协调和最后批准。

有效载荷操作和集成中心负责对“国际空间站”上所有实验室的科学研究活动进行协调。该中心把协调好的科学研究计划传送到休斯顿的空间站控制中心，在那里把研究计划归并入整个空间站的操作计划。

“国际空间站”与各成员国航天中心间的通信使用美国的“跟踪与数据中继卫星系统”实现，各成员国如想直接接收来自空间站的数据，也可以不通过美国的“跟踪与数据中继卫星系统”，直接建立自己的卫星通信系统。其中，日本可选择使用本国“数据中继试验卫星”与其希望号实验舱（JEM）进行通信；俄罗斯则将NASA“跟踪与数据中继卫星”作为其备份通信手段，主要使用自己的测控设备实现“国际空间站”对应舱段的监控，新一代“射线”系统建成后，成为其与空间站通信的重要手段。ESA也同时使用“阿特米斯”试验卫星保障与“国际空间站”的通信。

利用美国“跟踪与数据中继卫星系统”进行通信时，由于存在信号盲区，因而并不能每天24h都能与空间站保持联系。这种信号中断区在空间站每圈轨道运行中大约有5min，空间站每天约运行16圈。

所有7个控制中心都需通过白沙地面站接收来自NASA“跟踪与数据中继卫星系统”的数据（白沙地面站接收的数据利用NASA综合业务网和ESA的互联地面子网把信息分送到日本、德国、法国、加拿大和俄罗斯的每个中心）。

“国际空间站”的指令和科学数据的上行和下行传输均采用标准协议，因而数据对所有国际合伙国都是相容的。

北区酒店布局较分散，地下2层酒店配套用房主要为酒店布草间、洗衣房及员工更衣室等，7层为酒店厨房及餐饮区，8～9层为酒店健身及室内游泳池等，11～24层为酒店客房。

（1）美俄舱段飞行控制的指挥路径

美国在轨舱段（USOS）及载荷的指令经休斯顿任务控制中心、白沙地面设施和“跟踪与数据中继卫星”上行。S频段用于空间站的指挥、控制，以及与乘员进行话音通信。Ku频段用于大容量信号传输，如在空间站和控制中心之间举行电视会议。

俄罗斯在轨舱段及载荷的指令由莫斯科任务控制中心经地面站直接发射给其舱段，或经由“射线”卫星地面终端、“射线”卫星发给其舱段。

休斯顿任务控制中心和莫斯科任务控制中心互为备份。

（2）其他舱段的指挥路径

欧洲哥伦布号实验舱和载荷的遥控指令通过休斯顿任务控制中心上行；哥伦布号实验舱的下行遥测以S频段、Ku频段通过休斯顿任务控制中心和亨茨维尔操作支持中心接收和处理。哥伦布控制中心也接收所有“国际空间站”状态的处理数据，接收来自休斯顿任务控制中心、亨茨维尔操作支持中心、俄罗斯莫斯科任务控制中心的天/地链路数据。

位于筑波航天中心的日本希望号实验舱（JEM）任务控制室通过2条通信线路访问在轨的日本希望号实验舱，①通过位于休斯顿的任务控制中心和NASA的“跟踪与数据中继卫星系统”；②通过日本JAXA航天测控网站和JAXA的“数据中继试验卫星”。

“国际空间站”远程载荷操作能力分析

“国际空间站”的有效载荷依照其归属由各个国家分别操作管理，具体由分布于世界各地的载荷控制中心负责，且处于NASA马歇尔航天飞行中心的载荷操作与集成中心的指导和协调之下。

随着空间实验室向空间站的变迁，“国际空间站”上载荷的操作模式发生了本质性的变化∶在航天飞机任务期间，为期2周的密集操作已经被面向“国际空间站”的连续操作所取代。大多数载荷操作人员分布在世界各地的载荷操作中心，通过远程操作的方式操作和监视他们的实验。这就导致对更多远程通信带宽、更长通信时间的需求。

载荷操作与集成中心为ESA、日本、俄罗斯等提供管理和集成载荷操作所需的远程载荷操作能力，包括为合作伙伴提供遥测、遥控处理，话音通信和视频分配。

通过使用专用网络和公共网络，空间站乘员、NASA中心的操作人员以及遍布全球的大学和公司的研究人员密切合作，基于IP协议的高速可靠网络，完成“国际空间站”上的科学实验。载荷操作与集成中心提供的远程载荷操作能力通过高效费比地使用这些网络，延展远程任务支持系统的所及范围，这样不仅减少了对专门租用线路和旅行的需求，同时还提高了分布式工作组的协作能力。

运输工具的飞行控制与测控通信支持

承担“国际空间站”运输任务的主要有美国的航天飞机和商业运输飞船、俄罗斯“联盟”（Soyuz）和“进步”（Progress）飞船、ESA的“自动转移飞行器”、日本的“H-2转移飞行器”，这里，以2008年“自动转移飞行器”任务为例，介绍运输工具的飞行控制与测控通信支持。

“自动转移飞行器”是目前为止最先进的不载人货运飞船，主要承担为“国际空间站”运送货物的任务，并可充当空间站的拖船。

参与2008年“自动转移飞行器”飞行任务的控制中心包括∶自动转移飞行器控制中心、休斯顿任务控制中心和莫斯科任务控制中心。

在此次任务中，自动转移飞行器控制中心主要负责“自动转移飞行器”的控制，具体包括∶发射窗口、轨道参数、通信覆盖率、轨道机动参数计算和姿态确定等任务分析工作，负责与2个任务中心、“跟踪与数据中继卫星”、“阿特米斯”网络、法国圭亚那空间中心地面系统的协调，以及调相、变轨、离轨、再入、对接期间“自动转移飞行器”管理、抬高“国际空间站”轨道机动飞行等飞行控制管理工作。所有的对接及操作都在NASA的监督下进行。

莫斯科任务控制中心和休斯顿任务控制中心负责提供“国际空间站”绝对轨道，休斯顿任务控制中心还负责碎片碰撞预警。“自动转移飞行器”遥测数据可传输至空客防务与航天公司（ADS）的航天运输任务研制团队，该研制团队利用专门研制的设备和硬件、软件工具为自动转移飞行器控制中心提供飞控技术支持。

由于“自动转移飞行器”通过俄罗斯舱段与“国际空间站”对接，对接任务需要莫斯科任务控制的配合。莫斯科任务控制中心在此次任务中主要负责∶“自动转移飞行器”与“国际空间站”所有对接操作的任务控制；与“国际空间站”乘员的接口；通过俄罗斯星辰号（Zvezda）服务舱与“自动转移飞行器”建立联系；把“自动转移飞行器”的操作整合进总的“国际空间站”操作日程等。

休斯顿任务控制中心在此次任务中的职责是∶“国际空间站”任务的总指挥；为“自动转移飞行器”任务提供“跟踪与数据中继卫星”链路；建立“国际空间站”的战术规划；领导和协调所有“国际空间站”的管理（包括规划、操作、安全、连接程序等）团队；“国际空间站”的碰撞规避预警；领导对所有异常事件的调查、研究。

“自动转移飞行器”飞行任务包括几个关键阶段∶发射，轨道调整，交会对接，再入毁灭。

“自动转移飞行器”发射后，在上升段，库鲁的测距站、大西洋中部的遥测站、位于亚迷尔群岛的机动站接力跟踪；其后，法国海军跟踪船Monge、德国应用科学研究机构的雷达设备接力跟踪；这些雷达站还为澳大利亚和新西兰的遥测站提供目标轨道根数；星箭分离过程由新西兰地面站完成监控。

星箭分离前4min，“自动转移飞行器”上的2套互为冗余的S频段系统开始工作，几乎覆盖全部飞行过程。期间，通过NASA的“跟踪与数据中继卫星系统”和ESA的“阿特米斯”卫星及其配套地面传输网络与任务控制中心建立通信链路，具备前向发射5000条遥控指令、返向传送35000个遥测参数的能力。

多个控制中心、“国际空间站”和“自动转移飞行器”之间通过数据中继卫星和位于哥伦布控制中心的互联地面子网网络中心保持联系和信息交换。

自动转移飞行器控制中心

对“自动转移飞行器”的遥控和遥测路由随不同的操作阶段（自由飞行、交会对接、对接上以后）而变，主要有3种途径∶①自由飞行阶段，通过休斯顿任务控制中心使用NASA的“跟踪与数据中继卫星”，或通过雷杜任务控制中心使用“阿特米斯”卫星与“自动转移飞行器”联系；②在接近和交会阶段，通过莫斯科任务控制中心、俄罗斯的星辰号服务舱，使用“接近通信系统”与“自动转移飞行器”联系；③对接上以后，通过莫斯科任务控制中心，使用“国际空间站”的星辰号服务舱与“自动转移飞行器”建立总线连接。

“国际空间站”和“自动转移飞行器”在轨数据以及来自休斯顿任务控制中心、莫斯科任务控制中心和自动转移飞行器控制中心的地面部分数据通过互联地面子网收集，处理过的数据在3个控制中心间以“数据业务系统”（DaSS）协议交换。

自动转移飞行器控制中心通过“数据业务系统”协议以空间数据系统咨询委员会（CCSDS）标准包的形式与莫斯科任务控制中心交换遥控指令和遥测数据。“数据业务系统”协议确保必要的安全级别和数据交换的标准化。在通过休斯顿任务控制中心的“跟踪与数据中继卫星”链路，自动转移飞行器控制中心以嵌入CCSDS指令链路传输单元（CLTU）的加密包的形式发送遥控指令，以CCSDS信道存取数据单元（CADU）的形式接收“自动转移飞行器”的遥测数据。这些CCSDS数据帧通过标准协议在自动转移飞行器控制中心和休斯顿任务控制中心之间交换。法国国家空间研究中心（CNES）设备将各个方向的CCSDS数据转换成钟控连续比特流。由此，通过“跟踪与数据中继卫星”建立到“自动转移飞行器”的天/地通信链路。

4　未来发展趋势分析

在经历了地面支持网络的IP化之后，“国际空间站”与地面之间的业务也在逐渐向IP化的方向发展。未来，随着“跟踪与数据中继卫星系统”第三代卫星的部署，“国际空间站”的飞行控制和测控通信支持将获得更高的带宽和速率。而由于“国际空间站”的飞行控制和测控通信支持涉及多个国家和组织，未来引领技术发展方向的理念主要是通用性、互操作性、灵活性和可扩展性。在这些理念之上，则是系统结构一体化的发展趋势。

lP技术的应用不断深入

NASA综合业务网和ESA的互联地面子网都已实现网络的IP化，并逐步开展了IP话音和IP视频业务。在“国际空间站”和地面之间，具有使用标准互联网协议的初步联网能力。

未来，NASA将联网技术作为有待进一步开发的技术之一，可以想见，网络技术未来仍将在空间通信导航中发挥重要作用。在这样的大趋势下，IP话音、IP视频等IP业务也将在航天测控领域继续扮演重要角色。

分析认为，随着空间通信导航体系中网络技术的深入应用与不断发展和成熟，可以预计，未来“国际空间站”的飞行控制和测控通信活动中必定会更多地应用IP技术。

工作频段向Ka频段发展

美国跟踪与数据中继卫星-8、9、10卫星（即第二代卫星）支持Ka频段通信，正在研制的第三代跟踪与数据中继卫星-K和L也支持Ka频段。俄罗斯“射线”卫星上将安装工作在Ka频段的卫星间转发信道。ESA“欧洲数据中继卫星”系统提供激光链路和Ka频段射频链路。因此，“国际空间站”未来的测控通信支持频段将逐渐向Ka频段发展。

数据中继卫星系统发展促进系统间的互操作

天基网互操作计划的基本目的是国际合作和节省开支。1985年，美国、日本和欧洲的航天机构成立了天基网互操作委员会（SNIP）。通过广泛的技术协调，已经解决了S频段互操作问题，在自动转移飞行器-1、H-2转移飞行器-1的交会对接任务中，就使用了“跟踪与数据卫星”的S频段业务。Ka频段空间网互操作问题协调较为复杂，最后三方都同意前向链路使用23GHz，返向链路使用25～27GHz。

未来空间计划引领系统结构一体化

“国际空间站”在未来的科学探测中具有重要作用。美国“星座”探月计划就不可避免地涉及到“国际空间站”。新的空间计划的牵引与技术发展的推动，使得“国际空间站”在未来面临着发展。在美国“星座”探月计划C3I系统中，就提出了一些新的理念与技术，这些理念与技术必将促进“国际空间站”的飞行控制和测控通信的发展。虽然由于空间计划的改变，“星座”探月计划已经由其他计划取代，但分析认为这些理念与技术仍将影响新的计划以及空间站未来的飞行控制和测控通信，其中，比较值得关注的是系统结构一体化∶建立一个松散藕合、互操作的系统结构，通过互操作性使飞行试验任务的所有元素结合为一体，如主要操作数据（指令、遥测、声音）采用通用格式、明确数据结构与处理逻辑的定义、通过数据重组使通用的数据驱动操作支持多功能的运载器、采用抽象化的高级别通信协议，以此降低组合成本，增加更替系统的作用时间，从而提高整个试验项目的灵活性、性能和安全性。此外，功能性层次分区的设置阻隔了系统各部件之间由于更换而产生的影响。同时允许应用程序在传送数据时不应考虑接收数据，以降低接口成本。

5　结束语

综上所述，“国际空间站”通过遍布世界各地、分属不同国家和组织的7个控制中心、若干地面站以及覆盖全球的4个数据中继卫星系统，借助美国“全球定位系统”（GPS）进行飞行控制和测控通信，其分布式控制中心是国际合作的结果，而非技术上的需要。

在长期的飞行控制和测控通信实践中，多个国家和组织间的飞行控制和测控通信设施间逐渐完善，建立了通过多种接口协议或标准交互的规程，通过合作，很多国家和组织的飞控、测控通信设施也得到了发展，系统的互操作性和通用性不断增强。

未来，在IP技术应用不断深入、工作频段向Ka频段发展、未来空间计划引领系统结构一体化的趋势下，在天基网互操作的努力下，“国际空间站”的飞行控制与测控通信将得到更好的保障与支持。

Analysis on Flight Control and TT&C Support of ISS