航天测控：万里星辰一线牵

文/ 赵志远

今年7月的火星探测窗口期内，中国、美国、阿联酋“组团”分别向火星发射了探测器。其中，中国将一步实现环绕、着陆、巡视探测，美国将进行着陆巡视探测，阿联酋将进行环绕探测。可能有读者会问：火星距离地球最远有4亿公里之遥，人类是怎样对这些探测器进行追踪、控制的？这便涉及到一个重要概念：航天测控。

宏伟而复杂的航天活动，不是航天器孤立完成的，而是需要各种庞杂的保障系统来支持配合。测控系统是航天任务不可或缺的重要组成部分，是天地联系的唯一纽带，测控通信链路搭起了广阔太空中的桥梁，像风筝线一样把航天器与地球紧密联系在一起。没有测控，航天器就是太空中的一点尘埃，航天员也会失去支援，成为太空中的流浪儿。

在人类发射卫星、登陆月球、探索太空等一系列伟大征程中，航天测控系统一直坚实地发挥着基础支撑作用。随着人类航天活动拓展和深入，航天测控系统也在不断发展，从初期单一的陆基支持演变成现在基于陆、海、天一体化的对海量任务的融合服务。如今，人类正在向重返月球、登陆火星、深空探测、太空旅游与采矿等目标迈进，航天测控的规模和能力也将持续提升，迎接新的挑战。

▲ 西安卫星测控中心 南勇摄

▲ 西安卫星测控中心厦门测控站

▲ 先锋1号卫星

能力不断拓展

航天测控是指对运载火箭和航天器飞行轨迹、姿态和各分系统工作状态进行跟踪测量和监视控制，从而保障目标按照预先设计好的状态飞行与工作，确保完成任务。

受地球曲率影响，单个地面测控站只能追踪到从视线范围内经过的航天器。为了对运载火箭和航天器进行全程观测，就需要在不同地点建设多个测控站，接力完成测控任务。多个测控站、管理所有资源的测控中心和连接各个站点的通信系统共同组成了航天测控网。

美国从发射首颗人造卫星的“先锋计划 ”起，就开始建造Minitrack测控网。随着卫星种类、运行轨道和测控要求不断增加，Minitrack网沿西经75度至80度，从戈达德航天中心到智利圣地亚哥建立了7～8个测控站，以捕获小倾角卫星；在南北纬35度范围内，从圣迪戈到澳大利亚建立了4～5个站，来捕获高倾角卫星。通过不断增加新的设备，Minitrack网逐渐建成能为各种倾角、不同高度卫星服务的卫星跟踪与数据获取网。

航天测控的内涵和能力需求随着人类太空探索的进程而不断拓展。早期的测控仅仅是简单地跟踪航天器和测量其轨道参数。之后，航天器上搭载的仪器逐渐复杂，需要采集各种参数传回测控站，所以接收下行遥测信息成为测控网的重要任务。再到后来，人们对航天器的运行控制提出更高要求，改变航天器的轨道和舱内环境、操作航天器的有效载荷、控制航天器的部件和仪器等需求，使上传遥控信息成为测控网的重要组成部分。至此，便形成了由多种无线电设备完成跟踪测轨、遥测和遥控功能的典型航天测控网。

随着上行和下行数据量增大，测控网的任务开始转变为以数据采集为主。发展到今天，航天器上各种用途的计算机、处理器越来越多，而且这些计算机需要远程连接到地面测控站和测控中心中的计算机，于是测控网中传统的测控信息传递变得更接近于天、地计算机网之间的信息交换。

从陆基向天基的一体化发展

航天测控的技术体制也经历了从分散到整合、从陆基扩展到天基，正向更优化的综合集成，更高的轨道覆盖、轨道精度、数据传输速率，更远的测控距离和更低的测控成本等方面发展。

早期，航天测控系统是由地面测控站里相互分离的跟踪测轨设备、遥测设备、遥控设备组合而成。它们各自工作在独立的频段,使得航天器上的设备数量多、重量大、可靠性差，而且容易产生电磁干扰，地面设备也十分复杂。

1966年，为保障阿波罗登月计划，美国宇航局将跟踪测轨、遥控、遥测设备综合为一体，建成统一S波段（USB）测控系统，成为测控技术发展史上的一个里程碑。统一波段测控系统自问世后就在空间技术中迅速推广,应用领域涉及各种火箭、卫星、飞船、空间站的测控、深空跟踪、导弹试验的安全控制以及航空飞行器的测控。

▲ TDRSS卫星

航天测控的一个重要目标是增大通信覆盖率，尤其是载人航天，生命攸关，与航天员失联的每一分钟都让人提心吊胆。美国在60年代开始建设耗资近5亿美元的载人航天网，在世界各地设立20多个USB测控站组成“陆基”测控网，同时配备“海基”测量船队和“空基”测量飞机,以增大测控通信的覆盖率，但在最有利的条件下也只能覆盖不到30%的地球轨道时间。

单靠陆海空基测控网不能解决中、低轨航天器覆盖问题,航天测控的枝干最终要伸向太空。1983年，美国宇航局开始建设以地球同步卫星为中继站的“跟踪和数据中继卫星系统”（TDRSS），再次开创测控发展的新纪元。TDRSS把测控站搬到了天上，从上向下俯视低轨航天器来实现高覆盖率。

▲ 美国设在澳大利亚的深空测控天线群

以数据中继卫星系统为主建设的天地一体化测控网,能有效提高测控网的覆盖率、定轨精度、火箭全程测量和同时对多目标的测控能力,而且能够完成各类卫星的高速实时数据传输任务。我国嫦娥四号任务中，首先发射鹊桥中继星跨越40多万公里抵达绕地月L2点的Halo轨道，搭建通信链路，为实现人类首次探测器在月背着陆提供测控保障。

除了中继卫星，卫星导航系统也成为天基测控的重要手段。依靠导航卫星可以定位和测速,但不能提供遥控和遥测信号,而当把卫星导航系统与遥控、遥测设备组合在一起，就可以形成一个完整的测控系统。同时卫星导航系统还可以提供测姿、授时、相对导航等功能，为导弹试验、航天器自主定位等提供重要支持，在一些特殊领域中具有很大的发展潜力。

▲ 1969年7月20日，美国宇航局提供的这张照片显示了在阿波罗11号月球舱外活动期间，任务控制中心30号楼任务操作控制室里的情景

厚积薄发，体系支撑

航天测控使命重大，它是依靠什么来完成任务的呢？

按照功能区分，航天测控系统包括了跟踪测轨、遥测、遥控、天地通信与数据传输、数据处理、监控显示、地面通信和时间统一等8个主要分系统以及有关辅助支持系统。

跟踪测轨系统的功能是将测控天线指向航天器目标，获取目标相对测控天线的方向角、距离和速度等位置运动参数，用来确定航天器的运行轨道。遥测系统通过各种技术采集航天器内部参数，传给测控站。这些参数包括工程参数、航天员生理参数、天地回路控制验证数据和有效载荷应用数据等，帮助地面人员随时掌握航天器、航天员和各种仪器设备的工作状态，准确判断和处理各种情况。

遥控系统的功能是产生指令信息并发送给航天器，按任务需要对航天器进行实时控制或程序定时控制。航天器的设备开关机、变轨和轨道维持、交会对接和离轨返回、姿态机动与维持等都需要遥控系统来控制。天地通信与数据传输系统主要负责完成航天器和地面之间数据传送，尤其在载人航天中,需要提供与航天员进行视频和话音通信的通道，是天地联系的纽带。

▲ 美国深空测控站

这4个分系统集成在一起，就是统一波段测控系统。“统一”是用一副天线、同一载波信道来传输各分系统产生的或要接收的信号。根据工作频段的不同，又分为超短波和微波统一测控系统，微波统一测控系统具体分为C频段（UCB）和S频段统一系统（USB）。目前，UCB和USB都是我国主要使用的航天测控系统。

另外4个分系统属于通用支撑系统。其中，测控数据处理系统负责处理和分析测量数据，产生控制指令、注入数据，完成信息交换和管理测控系统设备。监控显示系统展示各类关键信息。地面通信系统通过无线和有线网络传递数据、话音和图像等信息，使地面测控中心与各测控站连接成一体。时间统一系统为测控系统提供统一的标准时间信号和标准频率信号，使航天测控网络中所有设备在统一的时间尺度下、在确定的精度下同步运行。

除了这8个主要系统，航天测控还需要气象保障、大地测量保障、海上测量船的船位(经度、纬度、航向、航速)、船姿(纵横仰角、船体形变)测量和船上跟踪天线波束指向稳定等各种保障。所有这些系统保障协调一致，通过广泛分布、体系集成的综合测控系统一线牵连，保障航天器顺利遨游于星海。

多样的航天器，不同的测控要求

不同航天系统可以有专用的测控系统，多种航天系统需求相似也可以合用一个兼容的测控系统。按目标类型的不同，航天测控系统又可分为导弹和火箭测控、卫星测控、载人航天测控和深空测控4类。它们各有显著特点，由此产生不同的测控需求和重点。

导弹和火箭测控主要是为导弹鉴定、定型和改进设计提供精密弹道，为运载火箭的性能评定、故障分析和改进设计提供依据。由于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，所以要求每次发射都测量成功，尤其是对弹载测量设备的可靠性要求非常高。

卫星测控的距离根据轨道高度不同，跨度从几百公里到数万公里。对于3000公里以下的近地轨道卫星来说，由于高度低、运行周期短，卫星飞经地面速度快，一般过站仅有十几分钟观测时间，需要较多地面站接力来完成测控任务，同时因为速度快导致卫星可控性差，因此一般要求近地卫星采用自主控制为主、地面遥控为辅的控制方式。而对于中高轨卫星，尤其是地球同步卫星，往往只需要一两个地面站就可完成全部测控任务。

载人航天测控系统的突出特点就是测控与通信的覆盖率要求高，除一般跟踪测轨与遥测、遥控设备外，还要求配备与航天员通话和视频的设备。同时，为了确保航天员的顺利入轨和安全返回，载人航天对可靠性的要求非常苛刻，这也对测控网的网络结构、操作模式、链路建立、设备组成、软件开发等方面提出更高要求。阿波罗任务中，测控网络包括了17个地面站、5艘测控船和8架测控飞机，全力保障载人飞船的运行。

深空探测系统要为月球、行星和行星际等空间探测航天器服务，人类深空探测的步伐越走越远，对空间探测器跟踪、遥测、遥控的难度也越来越大，这就迫使深空测控系统采取一切最新和最先进的技术来提升性能，也使深空测控的技术水平始终处于测控领域最前沿。

为了服务几十亿公里外的深空探测器，深空测控系统使用特大口径天线和高灵敏度接收系统。美国宇航局用于支撑月球、行星和行星际探测任务的深空网建有相隔120度经度的3个测控站（戈尔德顿、马德里、堪培拉站）。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。深空测控信号跨越几十亿公里距离，要克服长达数小时的时延，测控的实时性很差，这也必须由航天器自主处理，依靠预置程序来应对各种突发情况。

虽然有不同的测控要求，随着航天技术和测控技术的发展，多数航天器的基本测控功能和性能要求之间的差异越来越小，测控站经过适应性改造也可以满足多种航天任务的需求，所以导弹和火箭测控、卫星测控、载人航天测控、深空测控等相互融合、一体发展、综合调度，成为全流程、全方位、按需提供各种天地测控通信能力的“大测控”网络。★

▲ 阿波罗任务