航天测控技术李济生院士访谈录

何懿

孙家栋院士说，对整个航天器试验任务来说，航天器的发射入轨好像是一场好戏的序幕，而航天测控则是剧情的展开。作为中国人的骄傲之一——“北斗”导航系统，即将开启全球组网。如何测控“北斗”系统？航天测控技术在军事上的重要应用以及未来的发展方向？本刊记者带着相关问题专访了李济生院士。

李济生 1997年入选中国科学院院士。我国第一代航天测控科技工作者，主要从事人造卫星轨道动力学研究工作。1966年毕业于南京大学天文系，此后，在西安卫星测控中心工作，曾任西安卫星测控中心总工程师，总装备部科技委常任委员，现在军委科技委工作。获国家级和部委级科技进步奖多项，编著有《人造卫星精密轨道确定》和《航天器轨道确定》等著作与教材。1992年被国家人事部授予有突出贡献的中青年专家，1995年获首届中国航天基金奖，2000年获何梁何利科学技术奖。

TT&C

记者（以下简称“记”）：目前，主要国家都在大力发展太空力量和手段，抢占这一新的战略制高点，而无论是进入空间、利用空间及控制空间都离不开航天测控技术，请您介绍一下该项技术。

李济生院士（以下简称“李”）：航天器的测控主要是遥测、遥控、跟踪测定轨三大方面。英文缩写是TT&C，概括了它的主要工作内容。第一个T为Telemetry，遥测;第二个T是Tracking，跟踪航天器轨道;C是Control控制。

航天任务的组成

地面测控站获取卫星的工作状态主要是通过卫星上的敏感器。例如，太阳帆板上的敏感器将测量的电压、电流数据传回到地面测控站，从而了解太阳帆板是否工作正常。再如，卫星上的燃料箱中的敏感器将测得的压力、温度等数据反馈到地面测控站。而燃料箱的体积是预知的，通过这些数值就可以计算出卫星上还有多少燃料，从而掌握卫星的工作状态。这是遥测。

跟踪的主要任务是测轨。如地球卫星、月球探测器虽然已设计好了轨道，但是发射时总会有误差，运行过程中的控制也会有误差，而且轨道会受到周围环境的影响而发生变化，如大气阻力，因此必须用跟踪数据计算它的轨道。

控制是卫星发射入轨后，地面测控站对卫星进行监控。像静止轨道的卫星，发射后卫星先进入一个大椭圆轨道（例如：近地点高度500千米，远地点高度36 000千米，轨道倾角27度），要在地面测控系统的操控之下，经多次测轨和变轨后卫星才能进入静止轨道（赤道上空35 787千米，圆轨道，轨道倾角0度），并定点在预定位置。在静止轨道上运行的卫星绕地球公转一圈的时间与地球自转周期一致，在地球上看卫星好像是在地球上空固定的位置上。由于卫星会受到太阳、月球等天体的引力以及地球非球形部分的引力，卫星在静止轨道上的定点位置是会漂移的，该漂移有偏差范围，现在规定是0.05度，超过这个范围就可能会与其它卫星发生碰撞或受到干扰。这时就要通过卫星上的发动机把它控制回来。

“神舟”飞船返回舱返回主着陆场控制过程示意

又如侦察卫星发射后，并不是时刻处于工作状态，当地面发生特定情况时，地面测控站会向它发出工作指令。如朝鲜核试验，美国通过卫星进行侦察，需要控制卫星在朝鲜上空进行工作。再如通信卫星由地面站控制波束指向，通过很窄的波束进行定点通信，其它人则收不到信号。

此外，航天器返回地球需要地面站进行精确控制。原理就像我们拿一根绳栓着小石头，提高到一定速度后，小石头会围绕手转起来，速度低了则会落下来。返回舱在天上是头朝前运行的，围绕地球运转。现在把它掉过头来，让发动机朝前，点火后推力变成阻力了，速度降低，返回舱就慢慢落下来了，而且必须控制它降落到指定地点。

随着航天技术的发展，天基探测和空间操作已成为重要的发展方向。例如，利用卫星对其它空间目标进行成像观测、对卫星部件的更换和组装、燃料加注等，这些都需要地面测控系统对卫星进行控制。

控制还包括航天器的故障处理。在轨卫星的很多故障都需要地面测控系统进行监控和处理。例如：卫星姿态异常、由于卫星电源故障需关闭星上某些载荷、卫星变轨过程异常等等。

有位记者对航天测控系统形象地描述：“如果没有航天测控系统，天上的卫星就像个断了线的风筝。”

记：最近，长3乙运载火箭发射卫星时出现故障，航天测控如何处理的？

李：它的故障是没有将卫星推到预定轨道上去。怎么补救呢？卫星上也有燃料和发动机，原本是用于变轨、定点轨道保持。由于长3乙没有到达预定轨道，只能通过卫星上自带的发动机和燃料将它推到预定轨道。

美国KNOS卫星拍摄的我国酒泉卫星发射场图像，并计算出发射场的位置，误差约25米

记：航天测控主要是哪些设备？工作原理是什么？

李：卫星上遥测系统主要的设备是敏感器，敏感器测出数据后，通过传输系统，以无线通信的方式传输到地面上。对于地面测控设备现在已把测轨、接收遥测数据、发送遥控指令这几个功能合并到一个设备上了。

跟踪的主要设备是雷达。地面雷达用来测量卫星的距离、方位角、仰角以及视向速度等。另外，多普勒测速仪利用多普勒效应也可以测量卫星视向运动速度。还有光学设备也能测量卫星的方位角和仰角。此外还有其它一些设备，如激光測距仪，发射激光到卫星的反射镜上，激光再返回地面接收，以此测算卫星到测距仪的距离。这些数据都可用于计算航天器的轨道。

记：深空探测的数据能接收到吗？

李：可以。围绕地球运行的卫星，一开始距地球只有几百千米，之后扩展到36 000千米的地球静止轨道上，月球探测提高到了38万多千米，火星更远，传回地球的信号越来越弱，如何清晰接收信号需要解决。

记：我国曾多次一箭双星发射，“北斗”也即将开始全球组网，在测控方面有难点吗？

李：我们给美国发射“铱”星时，就是一箭双星发射、测定轨。以前还进行过一箭三星发射，从测控设备、处理方法等方面来看没什么问题。

“北斗”系统的全球监控困难应该也不大，因为二三十颗星分布在全球，围绕地球旋转，相当于排队通过我们的领空，可以逐颗测控。要是同时测控由几十颗卫星组成的编队就有难度。而且我们已在国外建立有地面站，如南美、欧洲、非洲、巴基斯坦，也可以对“北斗”卫星系统进行跟踪。

军事应用

记：美军70%以上的通信，80%以上的情报侦察与监视，90%以上的精确武器制导，都依赖于空间系统，以人造卫星构成的天基作战系统已成为美国进行现代化战争的神经中枢。航天测控技术在军事上有哪些主要应用。

李：可以归纳为以下几种，

轨道机动、规避碰撞。卫星入轨后就在预定的轨道运行，但是，由于某些特定情况的出现，需要卫星改变现有运行轨道才能实现应用目标。例如，地面发生了突发事件，需要卫星对该地区进行侦察监视，可是，卫星当前的轨道在短期内不经过该地区，这时就需要对卫星运行轨道进行机动控制，改变卫星的运行轨道，使其尽早通过特定地区。再例如，地球静止轨道卫星，在围绕地球运行过程中，会受到月球、太阳、其它天体引力和地球非球形部分引力的影响，卫星位置在不停的漂移，当超出限定位置时需要对其进行定点保持控制。

从1957年世界首颗卫星发射升空，全世界发射的卫星到目前已有10 000多颗，其中很多卫星已经失效。另外，在发射卫星时还会产生很多废弃物，这些都統称为“空间碎片”，直径在10厘米以上的碎片如果与卫星相撞的话，可能会损坏甚至使卫星报废。因此，当预测到这种情况要发生时就要对卫星的运行轨道进行机动控制，以免卫星与空间碎片相撞。2013年，我国的两颗卫星为规避碎片碰撞，各进行了一次轨道机动。

空间控制。未来战争中，航天装备是重要的组成部分，交战双方都会试图破坏对方的航天装备，空间对抗将会成为一个新的作战领域。一旦发生空间对抗，对航天器的精准控制至关重要。主要包括空间态势感知、防御性空间攻防和进攻性空间攻防三方面。美国不仅积极开发利用空间，而且极其重视控制空间技术的发展，正在研制更先进的空间监视系统。例如，新一代“空间篱笆”、天基太空监视系统、空间监视望远镜等。目前，美国和俄罗斯都发射了预警卫星，可对陆基和潜射弹道导弹发射进行预警。美国正在研发“天基红外系统”（SBIRS），可在小型导弹发射后10～20秒发出预报。2012年，美军启动了“凤凰” 计划，对外宣称是利用在轨退役卫星的部件重新组装新卫星。但实际上这个技术也可以用于攻击别国的卫星，如拆毁对方的卫星。同时，美军以“空间维修”为名，发展各种空间操作技术，以清理空间碎片为名，发展多种碎片清理技术，而这些技术同样也可用于空间对抗。当然，这些空间操作都离不开地面对航天器的测控。

记：航天测控技术未来会朝哪些方向发展？

李：地基和天基相结合，实现天地一体化的测控，减少地面测控的工作量，扩大航天测控范围是世界航天测控技术发展的重要方向。目前全世界主要靠地面站测控航天器。但天上卫星越来越多，为提高测控效率，会用天基的一些装备对卫星进行测控，提高卫星测控的效费比。比如说利用导航卫星可以使航天器实现自主定位。我们有“北斗”，美国有GPS，俄罗斯有“格洛纳斯”，欧洲正在发展“伽利略”卫星导航系统，给卫星装上接收导航卫星信号的装置，就可以确定卫星的位置，计算出卫星轨道，不再依靠地面跟踪设备。利用天基设备进行航天器测控还可以大大扩展测控范围，使用地基设备测控只能限于在设备的周边地区飞过的卫星，而天基测控则可实现全球测控。而且，天基测控不受地球大气层的影响，看得更加清晰。

将来还会发展用于小卫星群的测控技术。一个小卫星群有几十颗甚至上百颗小卫星，跟踪测控都很麻烦。目前，美国正在发展对静止轨道目标进行识别的天基探测计划，缩写为GSPA。因为地球静止轨道距地面的斜线距离4万千米左右，如果看地球静止轨道的卫星，只能看得见很大的卫星，而且看到的只是一个点。GSPA是地球静止轨道态势感知小卫星，可以近距离获取目标卫星的相关信息，将有力提升美国对静止轨道目标的识别能力。

卫星测控和通信设备

未来航天器还将朝自主测控、智能化方向发展。卫星装上自主测控设备后，就能够自己测量轨道、定位并调整控制偏离的轨道，自主处理卫星出现的某些故障。

发展中继卫星也是一个重要方向。近地卫星每天大约围绕地球转16圈，在我国境内一般只能看到6圈，其中3圈升轨（卫星从南向北运行），3圈降轨（从北向南运行），每圈只能跟踪7至10分钟的时间，此时可以接收到它的数据。当卫星转离中国的监控范围后，我们看不到更控制不了它，需要等待好几个小时才能获得它的信息。有了中继卫星后，卫星获得的信息马上传到中继卫星上，再传回国内，就可以实时获得相关信息了，而且，地面测控系统也可以通过中继卫星将遥控信息传送到卫星上。

中继卫星不仅对地球卫星有用，月球探测、深空探测也有用。比如月球探测，由于月球自转周期与月球绕地球公转周期一样，所以在地球上看不到月球的背面，需要在月球的背面放一颗中继卫星，通过它传输数据到地球，扩大探测范围。

中国航天测控技术的发展

记：您从第一颗人造卫星“东方红”发射就开始参与到我国的卫星测控事业中，请您回顾一下我国在航天测控技术发展中遇到过哪些困难？

李：1967年我国开始组建卫星测控系统;1970年，发射了第一颗“东方红”卫星，到目前为止天上工作的卫星约有150多颗。

总体而言，我国卫星测控技术发展顺利，已达到国际先进水平。曾经遇到的困难是轨道计算。1970年代轨道计算误差在几千米，到1984年时，虽然定轨精度提高到了200米，但还不能满足当时对定轨精度的指标要求。经过多年努力之后，1993年定轨精度达到国际先进水平，满足了我国航天技术发展的需求。

现在，我国测控技术有了很大的提高。像雷达测距，以前的误差在20几米，现在误差小于5米;1970年时，卫星测速误差60厘米/秒，到80年代就提高到2.5厘米/秒，經多年努力，现在测量精度有了进一步提高。

我国早已实现激光测距，精度可以达到1～2个厘米。

在覆盖率方面，不但实现了部分全球布站，而且，也已利用中继卫星实施测控。天基测控探测方面做了一些试验和技术探索，在不久的将来也会用上。

在航天器测轨方面，目前已利用天文观测网对航天器进行测轨。例如：原来属于天文探测网的VLBI（very long baseline interferometry，甚长基线干涉仪），其测量精度达到0.05角秒（注：雷达精度一般是20～40角秒）。

记：我国与国外相比，测控技术处于什么水平？

李：我国航天测控技术达到了国际先进水平，但是与美国相比还有差距。美国在全球布设了20多个地面监控站，并早已实现了深空测控，1977年发射的“旅行者1号”探测器，已经飞出太阳系，距地球几十亿千米，还能接收到它的信号。

在空间态势感知方面，美国可以对2万多个空间目标进行编目，到2018年可实现对20万个目标编目，我国还有较大差距。

记：未来我国航天测控技术朝哪些方向发展？

李：总的发展方向是优化地基，发展天基，构建深空，综合利用。

除了刚才提到的天地基一体化外，还会利用自然界存在的一些信息进行测定轨。例如，X射线脉冲星测轨。这种脉冲星直径大小只有十几千米，快速自转并发射X射线，当X射线的波束扫到地球方向时，卫星可以收到它的信号。X射线脉冲星的脉冲周期特别稳定，利用脉冲到达时间可以测定航天器的轨道。

第二代“北斗”卫星导航定位系统覆盖图

全球布站和海上测控。现在测控站主要在国内，西到喀什，东到佳木斯，南到海南。对近地卫星，我国国内测控站每天只能看到卫星6圈，仅依靠国内测控站对卫星测控，其测控时间还不到卫星运行时间的5%。因此要通过全球布站和海上测控来扩大测控覆盖范围。

航天器以后还要智能化。自己监控状态、控制轨道、处理故障。

记：我国已跻身于航天大国之列，具备了一定的进入空间、利用空间和控制空间的能力，在未来发展过程中，航天测控技术还会面临哪些“拦路虎”？

李：难点主要是小卫星的测控问题。小卫星成本低，安全性高，但是数量太多，对它们的测控比较难。如果像现在一样，一个设备跟踪一颗星，几十颗甚至上百颗卫星没法跟踪。

二是航天器的测控覆盖率不够。空间对抗和侦察卫星等，如果在国外遇到干扰和攻击，国内却看不到和测控不了。

三是测定轨的精度待提高。提高测轨精度才能提高定轨的精度。激光测距的精度比较高，但受天气的影响非常大，如下雨就测不到了。

第四个难点就是航天器的自主故障处理还待加强。

深空测控也是急待解决的一大难点。例如火星的最近距离是5 500万千米，远距时高达4亿千米，信号的时延非常大，一个无线信号传输过去，按光速30万千米/秒计算，需要十几分钟才能传到，更快地接收、发射信号还待研究。深空探测器要登陆其它的天体，它的精确定位和导航也是个问题。比如到火星上去，误差达到几千米量级。

再有就是监控碎片。美国空间目标探测识别能力比我们强，识别直径10厘米的空间碎片已达到2万多个，目前正在研制S波段“空间篱笆”，预计2018年可以探测到20万个2.5厘米的空间碎片。

航天器测控系统的安全性也是一大问题。测控系统有测控站，测控中心，测控设备的天线很大。现在我国深空测控用的喀什的天线直径35米，佳木斯的天线为66米（测轨用）。这么大的设备无法隐藏，而且为了发送接收无线电信号，天线也不能藏到山洞中去，只能放在地球表面上，战时很容易遭到攻击。

记：浩瀚的宇宙奥妙无穷，太空牧星的世界高山仰止。衷心感谢您接受本刊采访及对院士专访栏目的鼎力支持和帮助。