[科普中国]-航天遥控、遥测计算机

简介

遥测是将航天器上各系统及设备的工作状况（如设备状态参数、环境、姿态等参数）进行采集编码，然后通过无线方式下行传输到地面。航天器可以在经过测控站上空时实时采集这些参数并传至地面，这种遥测叫实时遥测；航天器也可以在境外进行采集、存储，在经过测控站时再传输下来，这种遥测叫延时遥测。地面专家可以据此了解航天器的工作实际情况，当航天器出现故障时，可据此分析诊断故障原因，快速找到症结，采取有效措施，尽量挽救航天器。

遥控是地面控制人员通过无线方式对运行在太空中的航天器进行控制。航天器入轨后干什么工作、何时干、如何干，都需要通过遥控将地面科学家的意图发送上去，例如对仪器设备进行开/ 关机、主机/备机切换、电源母线接通、设备加温、控制航天器进行变轨、进行有效载荷相关试验、星钟校正等。当通过轨道测量或遥测信息得知航天器出现了故障时，也是通过遥控进行远程诊治。遥控可以是遥控指令，也可以是注入数据。遥控指令是立即指令，即航天器一旦收到便立即执行。注入数据包括航天器平台和有效载荷工作所需要的程控指令和各种数据，程控指令是按时间规定执行的指令，即程序控制执行；数据可以是各种参数，如变轨控制参数，也可以是软件代码，用以代替航天器计算机中原来的程序。

通信是指用电信号传输信息的系统。通信系统由信源、发端设备、传输介质、收端设备、信宿等组成。传输的信息有数据、文档、图像、话音等。在发端将信息进行编码、调制到副载波、再将副载波调制到载波，最后放大，通过传输介质发送出去。在收端将副载波解调出来，恢复出原来的信息。从本质上讲，上述讲到的跟踪测量、遥测、遥控、图像、话音等都属通信范畴，但在测控通信领域中，通信的含义一般是指测控站与测控中心之间的测控信息、指挥调度信息、日常通话、时间统一信号等的传输，故通信系统是专门为航天测控网服务的专用支持系统1。

背景与意义近年来，我国的航天事业蒸蒸日上，各种航天飞行试验任务日益增多。作为我国三大航天发射靶场之一，西昌卫星发射中心承担着大量同步卫星的发射任务。特别是近来进入高密度发射任务后，中心所承担的航天发射任务日益繁重，经常出现几发任务并行的情况。发射场发射卫星数目越来越多、发射周期越来越短、发射频率越来越快，如何高效地实施发射场电磁兼容试验，提高测控系统的抗干扰能力，需要探索出一种科学、准确的试验方法和模式。

国内靶场一般远离电磁环境繁杂的城市地区，地域开阔，电磁环境较为纯净，干扰较少，但随着近年来通信技术的日益发展，通信设备越来越多，电磁环境污染也日益严重，不具备任何抗干扰能力的简单测控设备已逐渐胜任不了靶场实验的要求。因此抗干扰能力已成为靶场测控系统的必备指标。

发射场地面的无线电设备很多，有对运载火箭进行跟踪、外测、遥测及安控的测控设备，此外为保障测控任务顺利进行，还有短波电台、微波、卫通等通信设备以及测风、测雨雷达等气象设备。这些设备工作频段涵盖了HF频段至Ku频段，发射场电磁环境复杂。发射场在执行发射任务时，各种无线电信号相互干扰的问题显得非常严重。例如火箭卫星的遥测遥控信号在塔架内传播时，由于边界条件比较复杂，遥测遥控信号极易发生多径效应干扰，致使信号的幅度发生较大的起伏，甚至导致信号失锁。

航天测控通信系统的发展世界范围内，航天器测控与通信网是在武器和卫星测控通信网的基础上发展起来的。作为测控目标，从20世纪50年代开始，走过了一个从战术导弹、战略(洲际)导弹、卫星和载人航天器的发展过程。其中载人航天器的发展大致经历了无人飞船、短期空间站、长期空间站等5个阶段。

进入二十世纪60年代中叶后，统一载波系统被应用于测控网中，美国阿波罗工程便使用统一S波段测控系统；90年代末，中国开始采用S波段统一测控系统，用于载人航天测控任务。

统一载波测控体制的出现是航天测控的一个里程碑。20世纪50至60年代，跟踪、遥测和遥控是相互分离的，各自使用不同的频率，这种测控系统称为分散体制测控系统。分散体制载频多，很容易产生相互干扰；每一测控功能都需要一套收发信机和天伺馈跟踪系统，飞行器和测控站的设备均十分庞大。现在分散测控体制只在某些特殊情况下才采用。

60年代中期开始提出了跟踪、遥测、遥控共用载波的思想，即只用一个上行载波和一个下行载波解决测速、测距、测角、角跟踪、遥控和遥测的全部问题，其特点是副载波频分复用技术，将不同测控功能的多个副载波调制信号复用后调制到一个统一的载波，共用一套收发设备和跟踪系统，因而称为统一载波测控系统。射频载波主要选用S 频段，故称为统一S频段测控（Unified S Band-Tracking Telemetry&Command，USB-TTC）系统，后来逐渐扩大到C及其以上频段。美国在阿波罗登月计划中首次使用了USB 测控系统，此后一直到现在USB,UCB 都是导弹、卫星的主要测控体制。

中国最初的航天测控系统是在60年代中期卫星观测网的基础上发展起来的，当时的卫星观测网包括测控中心和南宁等7个测量站，1965年4月，该网完成了“东方红一号”的跟踪测轨任务。到70年代初，在航天测控领域首次提出了测控网的概念，提出了测控设备布局适应多场区、多射向、多弹道飞行试验特点和不同发射倾角、不同运行轨道卫星测控要求的发展思路，确定在已有的测控、通信能力的基础上，远近结合、全面规划、箭星兼顾、综合利用，逐步建成一个布局合理、工作协调、适应性强的航天测控网。于70年代末80年代初，初步形成了我国的近地轨道卫星测控网和地球同步通信卫星测控系统。1988年近地轨道卫星测控网“风云一号”的测控任务，1984年1月地球同步卫星测控系统完成了地球同步试验通信卫星“东方红二号甲”的发射测控任务。90年代初，为适应载人航天任务的需求，开始建设新一代航天测控网，逐步建立了陆、海基统一S频段(USB)测控网及S频段测控网网管中心；新建了东风发射指控中心和北京航天指挥控制中心，改造了西安卫星测控中心；进行了测量船、各测控站测控通信设施的适应性改造；建立了以数字程控交换为核心，以卫星通信、光纤通信为主干信道的集话音、数据、图像传输于一体的大型科研试验通信专用网。1999年11月S频段测控网成功完成“神舟一号”的测控通信任务，目前我国在用的航天测控网主要包括统一C频段航天测控网、统一S频段航天测控网；正在积极建设天基测控通信网和深空测控通信网。测控网络管理的网管中心设在西安卫星测控中心，具备对测控设备的远程监视能力和一定的控制功能，负责整个测控网的日常管理。测控资源的自动化调度水平逐渐提高，能够实现中心对航天器的透明操作2。

我国航天测控技术现状我国航天测控网由发射和测控中心、若干陆地固定和机动测控站及航天测量船组成。已由超短波(UHF)、S、C三个频段TTC设备组成的航天测控系统，并以S频段测控系统为骨干测控设备建立了载人航天测控通信系统具备完成第二代卫星、载人航天工程的测控支持能力。我国航天测控网的主要特点是统一规划，设站较少，效益高；网中各固定站可以根据需要合理组合，综合利用；各车载、船载站可以根据需要灵活配置，机动使用；多数测控设备可以箭、星通用，数据格式及接口实现了标准化、规范化。目前，已形成了以高精度测量带和中精度测控网交叉兼容，以测控中心和多种通信手段相联接的，具有中国特色的陆海基航天测控网，能为各种射向、各种轨道的航天器发射试验和在轨运行提供测控支持，具备国际联网共享测控资源的能力。

我国S波段统一测控系统简称USB系统，是卫星、飞船发射和运行的主要测控设备。自1995年开始，多次成功地完成了卫星、飞船的测控任务，具有一定的与国际同频段测控网络联网的能力。USB系统的测控任务由星、地系统共同完成。陆上固定站USB系统主要由天馈分系统，发射、接收、遥测、遥控、数传、监控分系统，测距、测速、语音、时/频终端以及测试模拟标校分系统等组成。USB系统是目前世界上占主导地位的PCM测控系统，它具有下列特点：

①USB系统是一种数字化系统，易于与数字通信、计算机技术紧密结合，可大大提高测控系统的性能：

②USB 系统可以通过信道编码以及加密等措施，提高系统的可靠性；

③USB 系统便于使用扩谱技术进一步提高系统的抗干扰性和可靠性；

④随着VLSI技术的发展，特别是数字通信技术、计算机技术的发展，以及高频器件的飞速发展，USB系统更容易实现模块化、小型化、数字化、智能化，大大提高数据实时处理、记录和显示能力。所以从发展的观看，USB系统是一种很有发展前景的测控系统2。

未来发展航天器测控系统是一个复杂的电子系统，一般由跟踪定轨分系统、遥测分系统和遥控分系统组成，称之为TT&C(Tracking Telemetering & Command)系统。其第一个“T”的含义是跟踪测轨，第二个“T”的含义是遥测，“C”的含义为指令控制，又称遥控。这也是航天测控系统所应当实现的基本的三大功能。最早的时候，这些分系统是相互独立的，使用各自独立的射频频率、信道设备，不仅体积庞大，而且相互干扰严重，不利于电磁兼容，因而这种分散体制的测控系统已经淘汰。

我国航天测控网的主要发展趋势是优化地基测控通信网，建设和发展天基测控通信网，构建深空探测测控通信网，构建天地空一体化测控通信系统，逐步形成各种航天测控资源综合利用、优化配置、整体性能最优的高可靠性的航天测控系统。

中低轨道卫星在轨数量将大量增加，小卫星、星座及组网的一箭多星发射，要求航天测控网具备对多星同时测控支持和在轨运行管理能力。

第二代导航卫星星座、高精度对地观测卫星和飞船交汇对接过程的远距离导引追踪，要求提高飞行器轨道测量和定位的精度。

载人飞船、交汇对接和空间实验室任务要求测控系统提供较高(50－80%)的轨道测控和通信的覆盖率。

为提高传输型卫星的利用率和探测信息的时效性，要求测控网具备高码速率的数据传输能力、高轨道覆盖率，并要求加强系统的抗干扰能力和保密性2。