一体化测控技术，商业航天测控的未来

+魏兴

1957年10月4日，随着世界上第一颗人造地球卫星从苏联的拜科努尔发射场发射升空，进入近地轨道，一个崭新的行业——航天测控，开始步入人们的视线。经过六十多年的发展，航天测控体系已经逐渐成熟，成为各大航天强国必备的部门；而航天测控在技术上的成熟和测控设备价格的逐步降低，使商业化运营的测控公司逐渐出现并迅速发展起来。

为什么需要航天测控：风筝没有线飞不高

航天测控英文为Telemetry,Tracing and Control,缩写为TT&C，是为保证航天器在轨道上正常运行，地面与航天器进行遥测（Telemetry）、遥控（Telecommand）、跟踪（Tracing）和通信的技术。

那么，为什么火箭及航天器必须进行测控呢？有以下这些原因：

●火箭发射的飞行面临极大的风险，必须对火箭的速度、方向、飞行姿态、轨道，各种系统的工作状态等进行实时监测，并由火箭的飞行控制系统进行调整。

●航天器进入轨道的精度如果不高，甚至偏离轨道，需要进行实时监测，启动航天器上的发动机进行调整。

●航天器工作的宇宙空间环境极为恶劣：在真空中飞行，受太阳照射的一面温度可以高达100摄氏度以上，而背阴面，温度则可能低至零下100摄氏度到零下200摄氏度；太空环境中充斥着各种致命的宇宙射线、电磁波辐射和空间碎片。航天器长年累月在这种环境下工作，出故障的概率很大，必须有测控系统对它们的状态进行跟踪，并控制航天器进行姿态等各种调整。

●航天器受外部环境的影响，其飞行轨道可能会发生改变。比如与陨石和太空垃圾相撞。更常见的是，在低地球轨道（LEO）上飞行的航天器，仍然会受到极其稀薄的大气层影响，受到空气分子的阻碍后，飞行速度会逐渐减慢。如果速度低于第一宇宙速度，那么航天器就会被地球引力吸引回地面，在大气层中烧毁。因此，LEO轨道上的航天器必须经常启动发动机进行加速，测控系统是绝对必要的。

●有时航天器还需要主动地调整飞行轨道，比如飞船变轨与空间站对接、卫星从试验轨道转移至工作轨道、为了避开其他航天器或者太空垃圾而变轨等。调整轨道的全过程都需要有测控系统来跟踪和控制。

因此，如果我们把航天器比喻成风筝，那么测控系统就是控制风筝的线。如果没有这根线，风筝要么飞掉，要么堕地。航天器在其工作寿命的全过程里，都需要航天测控系统的帮助，来维持正常的飞行状态和工作状态。

事实上，航天器在轨道上出现故障的概率比普通人想象的大得多。据不完全统计，卫星在轨的故障率高达85%左右，卫星寿命未达标率高达45%左右，卫星突变故障率高达53.1%，卫星渐变故障率也高达46.9%。这些触目惊心的数字表明，能让卫星在太空中持续正常工作是一件多么不容易的事情。所以我国航天测控领域的专家沈荣骏院士有一句很接地气的话，形象地阐明了测控的重要性：卫星上天以后，玩儿的就是测控。

图1 国产航天测控光电经纬仪

卫星出故障并不可怕，在测控系统的帮助下，大部分的故障都是可及时发现并处理的。如果卫星的姿态、轨道、速度等飞行参数不正常，可以在测控系统的控制下启动发动机进行调整；如果卫星上某些设备工作不正常，可以在测控系统的控制下切换到备份设备、进行系统重构或容错运行等，甚至可以上传更新卫星的软件，使用各种方法检测，维修故障。

航天测控系统的商业化基础：USB/UXB不简单

既然航天测控系统如此重要，那么就让我们来仔细看看，航天测控系统究竟是什么样的，如何工作的。

如果你曾经在电视上看过火箭发射的现场直播，那么一定会留意到指挥大厅里工作人员发出的报告声：“光学跟踪正常”，“USB/UXB 工作正常”，“雷达工作正常”，“遥测信号正常”等等。没错，这些都是地面测控系统的组成部分。

●进行光学跟踪的设备通常指的是光电经纬仪（图1）。它的外形就像一个巨大的天文望远镜。光电经纬仪由跟踪机架、成像系统、测角系统、激光跟踪测量系统、微机控制和处理系统组成。能对火箭和卫星等航天器进行精确地跟踪测量。但是它的工作距离通常只有几百公里，并且非常容易受到云层、雨雪等天气的影响。

用于航天测控的光电经纬仪十分昂贵，通常只有在火箭发射时，在有限的几个测控站部署。无法做到全球大规模部署，对卫星提供日常的测控服务。

●雷达的原理是由雷达天线向目标发射出无线电波，无线电波达到目标后，少数电波被目标反射回来，又被雷达天线接收。雷达根据反射信号与发射信号的时间差进行测距，根据反射信号的方位进行测角。用于航天测控的雷达也是十分昂贵的，无法大规模部署。

以USB设备为例，此USB并非你电脑上的USB插口，它的全称是“Unified S Band”，意思是“统一S波段”设备。S波段指的是频率在2Ghz到4Ghz之间的电磁波。既然不是雷达，它又怎么能测量航天器的距离和方位呢？

它的原理非常简单。我们要测量的航天器是所谓的“合作目标”，而不是像敌人的导弹那样的“非合作目标”。合作目标是会主动和你配合工作的。所有需要测控的航天器上都会装备至少一个工作于S波段的转发器。当需要测量距离和方位的时候，地面的USB测控站向航天器发射一组伪随机的编码，航天器上的转发器收到这组编码后立即向地面发射回去。USB测控站接收到航天器发回的编码，根据往返时间就能计算出与航天器之间的距离，根据地面USB测控站的天线方位角和仰角就能确定航天器的角位置。

以上功能只是USB系统的三大功能之一：跟踪测轨。而USB设备上还集成了另外两大功能：一个是遥控，它能够向航天器发送控制命令、时钟同步信息、各种参数，甚至进行远程的软件升级等等；另一个是遥测，它还能够从航天器接收各种数据汇报、图像、视频等等。

所以，航天测控设备系统从本质上来讲就是一种天线方位能够自动调节的通信系统。它的复杂度要比雷达系统降低很多，造价也相应的便宜很多。这就使得在全球建造大量的测控站，无缝测控所有卫星轨道，在经济性上成为可能，为航天测控行业商业化打下了基础。

USB测控系统是美国宇航局在上世纪60年代为“阿波罗”登月计划研制的，它是航天测控技术发展史上的一个里程碑。这一技术解决了当时载人航天测控网的两大缺陷：一是该网采用了多种频段的设备，从而导致飞船上的设备复杂，负荷过重，电磁兼容性差；二是当时的测控网的作用距离达不到月球。为了解决这些问题，USB系统包含了四个主要的技术要素：

●统一了载波：即把跟踪测轨、遥测、遥控信号通过多个副载波调制到一个载波上，大大简化了航天器上的设备，减轻了载荷重量，还避免了由多个分离设备带来的电磁兼容问题。

●采用了S波段：有利于提高作用距离和提高测量精度，也有利于电磁兼容和宽频带要求。

●采用了50年代发明的锁相环技术。

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●采用伪随机码测距，解决了远达38万公里外月球轨道的测距问题。

在随后的几十年中，统一波段测控体制逐渐被全球主要航天国家接受，成为事实上的国际标准，并且除了S波段以外，也逐渐向其他波段扩展，L波段（1～2GHz）、C波段（4～8GHz）、X波段（8～12GHz），等等，都加入了统一波段体制。最早扩展到的是C波段，称为UCB系统。这些不同的波段能适应不同国家的无线电管理规则，提供不同的带宽，其无线电信号的传播特性也有所不同。这些不同的波段的系统能够共享同一套天线。这样的多波段航天测控站就能够为绝大部分卫星提供测控服务了。

一个典型的统一波段测控站的外形如图2所示。

这是我国民营航天测控公司中的佼佼者，北京天链测控技术有限公司（简称“天链测控”）宁波地面站的自动测控系统。我们可以看到，这个测控站的天线是直径高达7.3米的抛物面天线，也就是普通人说的“大锅盖”。根据天链测控的介绍，这套天线兼容L波段、S波段和X波段。抛物面天线的直径越大，天线增益就越高，更能接收到更微弱的信号；使用相同功率的发射机，天线直径越大信号传输的距离就越远。实际上，直径2.4米左右的抛物面天线就能满足低地球轨道（LEO）卫星的测控需求了。更大直径的天线能够支持更高轨道的航天器测控。

除了这样的“大锅盖”以外，部分航天器还支持VHF/UHF频段的测控系统。VHF是指频率在30Mhz到300Mhz之间的无线电波，对应的波长为1米到10米之间，也称为甚高频；UHF是指频率在300Mhz到3000Mhz之间的无线电波，对应的波长为1分米到1米之间。这两个频段的测控站天线通常采用八木天线（如图3），也就是我们日常所见的鱼骨状天线。

图2 北京天链测控技术有限公司宁波站的自动测控系统

正因为测控站技术的成熟化和标准化，测控站设备的成本也得到了有效控制。通常一个兼容多个波段，拥有直径7米左右天线的航天测控站，主要设备成本能够控制在1000万元人民币以内（不包括土地和建筑成本）。

全球测控网：是接力赛也是击鼓传花

众所周知，由于地球曲率的影响和地面山脉，树木和建筑物等的阻挡，地面测控站的视野是有限的，每个测控站的工作范围只能覆盖航天器轨道一小部分。要想让航天器在环绕地球飞行时尽可能不间断地保持测控，就必须在全球各地建设测控站，多个测控站对航天器接力测控。测控站的全球组网是这个行业的本质要求。

实际上，各国建立的航天测控站都有相当大的余力，特别是那些为了可靠而设有双套设备的测控站，所以各国测控站相互合作，充分发挥测控资源，降低航天测控任务的费用，已经成为趋势。国际空间数据咨询委员会已经提出了一系列CCSDS标准，作为航天测控站互相联通组网的标准接口。这为在全球商业化地运营测控网打下了坚实的技术基础。

我国已经有商业航天测控公司开始向国际进军，例如天链测控，该公司已经在欧洲、南美洲和大洋洲以及东南亚地区通过合作和自建，全球可用地面站达到了32座，已经能够提供全球性的卫星测控网服务。

一体化测控技术：云养卫星的便捷方法

近些年来，随着计算机技术，通信技术以及云技术的发展，一体化测控技术逐渐浮出水面。传统的航天测控网的架构通常基于S/C模式，即服务器/客户端模式，分布于各地的测控站将作为客户端，与控制中心（服务器）交换数据。这一架构能够比较好地完成航天测控任务，但是在新时代面前，尤其是在商业化测控大发展的时代，也逐渐显示出一些不足。比如，在这种架构下，只有控制中心才有联系所有测控站的权力，客户如果想要看到自己卫星的情况，必须要到控制中心去才行。

图3 天链测控三亚站部署的八木天线

图4 天链测控南美洲合作站，天线口径大于7.5米

图5 天链测控的软件升级与开发规划中，未来将发展沉浸式服务体验

而一体化测控技术则把整体架构构建在云服务之上。测控站通过通用的TCP/IP网络，通过电信网络运营商的交换机和服务器，连接到测控云上面，所有数据都通过云数据库来集中处理和分发。而测控大厅里显示的测控软件也是运行在云服务之上，是一种典型的SaaS（软件即服务）系统。

与封闭的服务器架构相比，开放的SaaS架构好处多多：

●首先，客户除了能够在测控大厅里接受测控服务以外，还能够使用笔记本电脑和各种移动设备，通过公用网络连接到云服务器上，在任何时间和地点都能够进行测控。

●其次，云服务架构方便扩展和移植，增加测控站不会给测控系统的软件带来多少工作量。

●再次，使用商用云服务系统使得测控公司不必关注底层硬件和软件，而是把精力集中在做好测控服务软件本身上。商用云服务系统的软硬件均经过市场的考验，拥有非常高的可靠性。

●最后，使用云服务系统还有利于部署未来的新业务，比如利用VR技术将航天器测控虚拟化，让客户或操作人员沉浸在立体化的虚拟场景中，宛如科幻电影，极大地提升客户的体验并提高操作人员的效率（如图5）。

我们看到，天链测控正是充分利用SaaS架构带来的好处，一步一步地实现航天测控系统的快速发展的。我们相信，基于云架构的一体化测控技术就是商业航天测控的未来。

天链测控成立于2017年6月，到今天仅仅三年，就已经在全球建成了拥有32个测控站的测控网，执行了70余次大型测试和火箭、卫星保障任务，这个发展速度不可谓不惊人。据介绍，天链测控的技术团队大部分来自我国航天测控总体单位，测控系统的实施单位和测控软件设计及卫星运维单位等业内权威单位，平均从业经验在15年以上。公司先后服务了20多个用户单位，专业的服务得到用户的广泛认可。他们高效工作的背后，就是一套以SaaS云服务为基础的、承载着诸多关键测控技术的一体化测控系统。

天链测控的成功经验再次说明，一体化测控技术就是商业航天测控的未来。