[科普中国]-测控通信网

发展历程

除航天器外，运载火箭和导弹的飞行试验也要采用测控技术，但是两者在规模上有很大区别。对于早期的近、中程火箭，作用距离很短，用一个或两个测量站，即可覆盖整个射程，不存在地面测控站组网问题。进入航天技术时代后则有很大不同，即使是发射运载火箭，把卫星送入轨道，射程都在2000～3000千米之遥。卫星进入轨道后，其轨道变为以地球为圆心或焦点之一的闭合曲线，因而只有在全球大量布设跟踪站，才能增加交换信息的时间，称为接触时间，也称覆盖率。这些数量众多的跟踪站需要有统一的时间基准，接收的观测数据，才能编辑在一个时间尺度之内。另外要求有统一的地理坐标，测得的轨道数据才能相互衔接。再者各台站需要统一指挥协调工作才能发挥作用。因而才出现组成测控通信网的问题。测控通信网除拥有众多的各个跟踪站之外，还有一个飞行操作控制中心（FOCC）来管理、协调各台站之间的衔接关系。2

测控通信网组成结构从世界航天测控技术发展的水平来讲，航天测控通信网一般由航天控制中心、分布在世界各地的航天测控站（包括海上测量船）以及空中空间测控平台（如测量飞机、跟踪与数据中继卫星等）组成。3

工作内容测控通信网的工作内容包括：指挥调度、数据传输、时间信号和控制信号传输、电视图像传输以及电传和电报等。

数据传输的主要内容数据传输是测控通信网的主要业务,主要内容是:①将测控站获得的测量信息、接收到的遥测和其他信息送到航天控制中心；②将航天控制中心计算的弹道（或轨道）数据和航天器设备工作性能的数据送到各级指挥控制中心的显示设备和记录设备；③向测控设备传送经计算机处理的引导数据；④将航天控制中心发出的控制航天器轨道、姿态和航天器上设备的指令传送到测控站，经遥控设备发到航天器。数据传输网络的主要技术指标是数据传输速率和差错率（误码率）。常用带宽为3千赫的模拟话路传送数字化数据，传输速度为600、1200、2400、4800和7200比特/秒。宽带数据传输速率为数万至数十万比特每秒。当某一信源的数据输出速率大于一套数据传输设备的容量时，可用多套设备并行传输。当现有通信线路误码率不能满足要求时，须在线路中增加均衡器，在数据传输设备中采取纠错措施（见航天测控系统、航天测控和数据采集网）。

测控通信网的分类运载器测控通信网导弹飞行试验和发射航天器时运载器的测控网有类似之处，两者都是把有效载荷发射入轨，不过导弹的有效载荷是带有战斗部的弹头；运载器的有效载荷为卫星或载人航天器。由发射场起飞至把有效载荷送入轨道，只有0.5h左右时间，射程2000〜3000km,为了减轻地面测控、通信设备布站的工作量和投资，最好射向固定，不希望有大的变化。因而运载器的测控网，实际上是由发射开始至末级关机点为止的一条测量带，整个测量带分成三段：发射场附近称为首区，或上升段，有时又称为上靶场；中间部分称为航区，有时又称为自由滑行段；火箭末级关机点附近称为下靶场或末区。运载器在测量带内整个飞行过程中基本上都处于动力飞行阶段，发动机在工作，力学坏境相当恶劣。主动段会出现两方面的故障：一是运载器在严酷环境下某些分系统被损坏或轨道偏离预先规定的轨道范围，必须立即发出遥控指令选择无人地区炸毁，以免落入城市造成巨大破坏；其二是对于载人航天器、当航天员在恶劣环境下出现危及生命安全情况时，载人航天器必须弹离运载器，进行逃逸救生、因而在整个测量带内都要求具备连续测控能力，即确保全程覆盖。2

运载器测量带的结构组成一般包括：首先要有一个指挥控制中心，一般设在发射场附近或航区中，在射向面两侧，分布有若干固定跟踪站，跟踪站的作用范围有一定重叠度，以保证能连续跟踪。站址选择以保证天线正常工作仰角在10°～60°之间为宜。固定站之间有间隙的地方用可迁移的车载站补充。如果入轨点在海面上，还需建造测量船作为补充。各陆基站和海上测量船的站址需要精确测定出经纬度和高程，加上发射场中发射工位的精确地理坐标都送给指挥控制中心作为拟合各站外测数据，用于计算出运载器的实际轨道和轨道的及时预报。

另外运载器还要配备有统一的时间勤务系统，时统精度直接影响到运载器轨道的测定精度和遥测的数据处理精度。与指挥控制中心相距过远的跟踪站和测量船，都必须配备有超长波、中波或短波校频、对时设备，将时间统一起来，对时精度需达到微秒数量级或更高。2

另外各台站，测量船，发射场和指挥控制中心之间尚需建设有线，无线或卫星的通信链路，用于下达命令，回报情况及交换外测、遥测和遥控数据。

运载器测控网的任务：

总的任务是：运载器需要把航天器安全、准确发射入轨，细分起来有3条：

（1）实时监视、测量出运载器的实际飞行轨道。当出现出异常情况或轨道偏离出许可管道范围之外时，能及时选择合适地点和时间发出命令使运载器炸毁。2

（2） 监视入轨点运载器的位置和速度。速度达到要求时，即控制关机，如速度达不到入轨要求即提前关机，应及进预报出航天器的陆上着陆点及海上溅落点，如航天器已入轨需及时预报航天器初始轨道。2

（3）接收和实时监视、分析运载器和航天器的遥测参数。对于载人航天器实时监测十分重要，当出现危及航天员安全的故障时，应及时作出判断，选择合适时间和地点发出命令，令航天员逃逸救生。对于无人航天器遥测中的关键参数也需要实时监测。2

航天器陆基测控网世界各国在发展空间技术的初期，由20世纪60年代初至80年代末，近30年时间之内，为了增加星、地之间交换信息的弧段，也称为接触时间，除在本国领土、周边部位建设测控站外，都力争在国外领土上，利用各自的国力优势及外交关系，建设大量的跟踪站组成陆基测控网，航天测控网规模最庞大者是美国，其次是前苏联，再次为欧空局（ESA)。前苏联和美国情况不同，前苏联国外没有条件布设大量跟踪站，因而采用大量建造测量船的措施来补充。现举美国跟踪，数据中继卫星上天之前的空间跟踪数据网(STDN)为例，来说明陆基测控网的一般特点。2

STDN网由布遍全球的17个陆地跟踪站，一条“先锋号”测量船和数架测量飞机组成。STDN网的控制中心设在马里兰州，称为哥达空间飞行中心（GSFC)，用于指挥所有跟踪站的运行。2

陆上、海上各跟踪站、船除了和航天器建立起上、下行链路交换信息外，所有接收到的下行遥测、通信信息和轨道数据都要集中到GSFC。GSFC计算出的轨道预报数据，指挥、协调各站工作的管理信息，送给航天器的遥控命令和注入数据也需及时传送给各跟踪站。因而GSFC与各个跟踪站之间建设有庞大而复杂的地面全球通信网，美国称之为NASCOM，除动用了陆上有线通信电缆网，微波中继站和海底电缆外，有时还动用国际通信卫星提供支持。2

陆基测控网虽然在航天器发展的初期，完成了实验卫星阶段的测控任务，但当航天技术转入应用卫星及载人航天后，越来越暴露出严重的弱点，表现在：一是对近地轨道卫星覆盖率很低；二是航天器轨道测量定位精度差；三是跟踪运行过程复杂；四是飞行控制中心联系各跟踪站的通信网很复杂。五是跟踪站运行维持费用很高。

航天器天基测控网美国从20世纪50年代末到60年代，经过整整10年，利用陆、海基测控网跟踪各种卫星及三代载人航天器(水星号、双子星座和阿波罗），根据实践经验进行总结，充分认识到陆基测控网的固有弱点，因而在70年代初，重新进行测控网的概念研究，得出布设天基测控网的设计思想，即研制跟踪数据中继卫星系统(TDRSS)，用来取代STDN陆基测控网。2

TDRSS的基本构思是：在地球同步轨道上，布设3颗三轴稳定的跟踪数据中继卫星，其中TDRS-Ⅲ为在轨备份星，布设在赤道面上的79°W,TDRS-Ⅰ和TDRS-Ⅱ为工作星，TSRS-Ⅰ坐标位置为41°W，TDRS-Ⅱ坐标位置171°W，任一颗工作星损坏，都可移动备份星顶替。TDRS星上有多副S波段。Ku波段天线能用开环指向或闭环自动跟踪的方式来同时跟踪LEO上的用户星，最多可达28颗目标星。测控网发展至跟踪数据中继星时，通信链路的区分再用上行、下行概念已不够用，易引起混淆，因而另定义了两个新术语：前向链路指地球站经过TDRS星将信息转传给用户星的信道，返回链路指用户星经过TDRS中继再将信息传给至地球站所建立的信道。其中中继卫星至地球站部分又称馈电链路。多个用户星的返回数据可传给两颗TDRS星中的任一颗，再转传到地球站。地球表面上需要的地球站可以压缩到只剩下一个地球站，美国建在内华达州沙漠中的白沙靶场，称为白沙地球站WSGT。两颗TDRS星的数据都传给WSGT后再分发给各地用户使用。这样一种布局构思，一举解决了当代急需盼望解决的、全轨道跟踪，高速数据传输，多目标同时跟踪，将大量全球跟踪站压缩为一个站，大最简化遍布全球蜘蛛网似的通信网，将星地通信网和地面通信网合二为一个网等长期得不到解决的技术难题，同时也提高了对用户星的定位精度。2