[科普中国]-航天器通信与测控系统

发展历程

测控与通信分系统（TT&C或C&T)在载人航天中非常重要，它实现对载人航天器的跟踪、测轨、定位、遥测、遥控和通信等功能。载人航天器与卫星天地链路的主要区别就是增加了航天员与地面的通信，包括电视和话音，使天地信息交流的内容和信息量大大扩展了，同时可靠性大大提高。3

测控与通信系统发展大体经历了四个时期：

（1）测控与通信功能和设备独立发展时期。

20世纪60年代前基本上处于这种状态。跟踪设备、遥测设备、遥控设备、电视、语音设备独立发展，使用独立的信道（含载频、天线和收发设备）。载波体制上以模拟体制为主，缺点是设备庞大、量多，操作复杂；3

（2）统一载波时期

20世纪60年代起逐步出现跟踪、遥测、遥控传输共用一个信道，形成诸如S波段统一载波测控系统(TT&C)的测控体制，通信系统采用数字化处理和传输技术，达到了简化天-地设备的效果；

（3）1980年前后，TT&C和宽带、高速数据通信系统合并成C&T(通信与跟踪）系统，反映了载人航天由试验转入应用阶段的特点。3

（4）由陆（海）基的测控与通信网转向建立天基测控与通信网。

陆（海）基的测控与通信网需要在全球范围内建立才能满足载人航天任务的覆盖要求；而天基测控与通信系统主要通过跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS),在地球上设置少量的测控站就能完全覆盖全轨道飞行任务。3

发展概况国外美国载人航天测控网 ( MSFN)于 1958～ 1971年间投资近 5亿美元建成 ,具有跟踪、遥测、遥控功能 ,后增加了通信和电视 ,支持了水星、双子星和阿波罗计划。 水星计划时包括 16个站 , 9个设在国外(含两艘测量船 ) ,跟踪使用 C和 S频段雷达 ,上下行话音设备采用主备两套超高频。 双子星座网计划时测站增加至 21个 ,并将飞行计算中心和控制中心合一建立休斯顿载人航天指控中心。 阿波罗网的变化主要是采用 USB站 ,全球建立了近 20个站 (测量船、测量飞机和三个深空站 )。 在跟踪与数据中继卫星系统投入使用后 ,美国关闭了其大部分地面站。4

前苏联的载人航天测控网包括加里宁格勒飞行控制中心和加里茨恩飞行控制中心 ,通信方面采用卫星通信和中继卫星系统。 包括上升段发射场和航区的多个测控站 ,运行段使用了沿国土均匀分布的7个测控站。 站内设备有多功能测控设备、遥测设备、雷达、通信设备、卫通、中继卫星终端、计算机和标校设备等 ,具有测轨、遥测、遥控、通信和电视传输等功能。 在 70～ 80年代有 11艘测量船。4

除美国和前苏联建设了规模庞大的载人航天测控通信系统 ,其它一些国家和航天组织也分别建立了自己的航天测控通信网 ,包括测控中心和全球分布的若干测控站。

国内在载人航天测控通信系统的论证设计中 ,始终坚持了“立足我国国情 ,低投入高效益”的设计思路。系统以陆海基测控网作为基本测控通信手段 ,充分利用现有的首区、航区光学设备和无线电设备 ;新建陆地固定测控站和活动站 ,建设、完善测量船队;新建飞行任务指挥和控制统一的任务指挥控制中心 ,改造利用西安卫星测控中心;新建天地通信系统、数字数据通信网等通信分系统。这些分系统有机结合 ,优化设计布局 ,组成了我国新一代具有中国特色的、达到国际先进水平的 S频段航天测控网。4

功能测控通信系统的功能包含跟踪测轨、遥测、遥控和通信四个方面。

1、跟踪测轨

测控通信系统的第一个功能是跟踪测定轨，这也是它的主要功能。跟踪测轨是指利用测量站的角度跟踪环路、距离跟踪环路、速度跟踪环路对飞行器的飞行轨迹进行跟踪测量，Tr&c中的第一个T(Tracking)即是指跟踪测轨。“轨迹”是一个统称，在航天飞行器中，卫星等航天器的无动力飞行轨迹称为轨道，它遵循轨道动力学。导弹、火箭等有动力飞行轨迹称为弹道，航空器的飞行轨迹则一般称为航迹，它遵循空气动力学。因此本书所述的测轨，主要是航天器的轨道测量，导弹的弹道测量和航空器的航迹测量。测轨又分为“外测”和“内测”两类：“外测”是指利用飞行器外的设备，对飞行器的飞行轨道参数(如坐标、速度、加速度等)进行精密测量，与“外测”相对应的另一种测轨方法称为“内测”，它是指在飞行器内部，对某些参数进行测量，可以计算推知飞行器的弹道变化规律，内测数据要发回地面进行处理、计算，内测通常通过遥测实现。“外测”和“内测”是互为补充的，可以起到相互备份作用。5

2、遥测

测控通信系统的第二个功能是遥测。“遥测”的内涵是“近测远传”，即在航天器和导弹体内，采用各种技术手段就近测得它内部的工作状态、工作参数、航天员的生物医学参数、科学研究参数、侦察参数、环境参数等，然后将这些参数转换为无线电信号，远距离传输到地面测控站上来，再进行解调，处理还原出原参数数据，并进行记录和显示。遥测是测控系统的重要组成部分，对导弹、卫星的发射和运行有着举足轻重的作用。在导弹飞行试验过程中，根据遥测数据，发射场指挥人员和导弹设计人员可及时了解弹上各系统的工作情况与实际飞行条件下的性能。对于地面试验无法模拟或无法完全模拟的一些性能数据，可依靠飞行试验的遥测数据得到补充和修正。一旦导弹飞行失败和出现局部故障时，采用遥测数据对故障进行分析，能快速准确地实现故障隔离和故障诊断，从而采取相应的措施。在卫星发射和人轨后的运行中，利用遥测分系统监视星上设备的工作状况，利用遥测参数计算出卫星的姿态参数，为遥控调姿提供参考数据。载人航天时，还可以监测航天员的生理参数、生活环境参数等，以保障航天员的生命安全。此外，航天器上的GPS测量数据，以及应用卫星上某些有效载荷所测到的信息也往往通过遥测传送到地面。5

3、遥控

测控通信系统的第三个功能是遥控，“遥控”的含义是对飞行器和导弹实现远距离控制。在测控系统中，将地面的控制指令变换为无线电信号，远距离的传输到飞行器或导弹上，实现对它们的控制。按用途的不同，分为安全遥控和卫星遥控。安全遥控用于导弹及运载火箭发射过程中的安全控制，作为弹上自毁系统的备份手段，简称“安控”。这种安控指令具有保密性高、实时性强、执行任务时间短、指令内容少等特点。卫星遥控用于卫星的变轨、交会、回收等的轨道控制，用于姿态控制以及备份件切换和开关的控制，用以保障卫星的正常工作和运行，还用于卫星的数据注入、启动卫星的自主程序等，卫星遥控指令具有内容多、执行任务时间长和要求复杂等特点。5

上述三个功能是统一综合在测控系统中，相辅相成地共同构成一个具有信息反馈的控制系统去完成测控任务。其中，跟踪测轨和遥测完成数据的采集和反馈，遥控完成控制。在执行指令前和执行后都要利用遥测将飞行器上收到的指令送回地面进行比对、校验，以保证遥控的绝对正确。5

4、通信

通信一般只在飞行器进入轨道后才工作，它负责将飞行器上测量、观察仪器(习惯上统称为有效载荷P/L)所获得的信息传回地面测控通信站。某些情况下通信在上、下行都存在。通信和测控合起来称为C&T。只有先用TF&C技术建立起通信链路后，才能开始通信。由于航天技术所处的特殊地位，通信中的许多新技术和新电子元器件经常首先在航天C&T中采用，使得航天C&T成为各种高新技术的实验场，实验成功之后才逐渐扩大，推广到其他部门使用，这就使得它具有很多前沿技术。5

组成航天器测控通信系统由数据通信、指挥通信、时间频率统一系统、图像通信、保密通信、电话通信、通信网络管理系统及通信传输信道组成。1

数据通信系统用于传输测控网中的各种数据和指令。指挥通信系统用于试验任务时各级指挥控制中心之间、指挥控制中心与所属测控站之间、测控站与所属参试设备诸岗位之间的指挥通信（包括指挥调度系统和专用指挥电话系统等）。时间频率系统为测控系统提供标准时间信号和标准频率基准信号，使测控系统在要求的时间同步精度条件下协调工作。图像通信系统用于发射场及航天器内实况图像信息的采集、处理、传输和显示。保密通信系统按要求对测控通信信息进行加密处理，确保信息安全。电话通信系统用于试验单位内及相互间的通信联络。通信网络管理系统用于各级通信管理人员对所属通信网络实施自动化监控管理。通信传输信道（如卫星、光纤、微波、超短波、短波及电缆信道等）与通信终端设备按一定的通信规约组成综合信息传输平台，将各级指挥控制中心、发射场、测控站及参试设备按试验任务的要求有机地联系在一起，组成航天器测控通信系统。1