[科普中国]-中国卫星测控网

发展历程

中国卫星测控网由西安卫星测控中心和若干测控站以及远洋测量船组成。西安卫星测控中心是中国卫星测控网的通信枢纽、指挥控制中枢和数据处理中心。由于西安卫星测控中心是中国卫星测控网的管理机构，通常也以西安卫星测控中心泛指中国卫星测控网。2

20世纪60年代末开始建设，初期位于陕西省渭南地区，建设初期完成了中国的第一颗人造地球卫星（1970）和第二颗人造地球卫星(1971)的跟踪、测量任务以及初期中国试验通信卫星的变轨、定点的跟踪、遥测、遥控任务。

80年代中迁至西安，经过扩建到80年代末，西安卫星测控中心已具有能对多个卫星同时进行实时跟踪测量和控制的能力，并且具有任务后分析和软件开发的能力。测控中心由中心计算机系统、监控显示系统、综合通信网、时间统一勤务系统及相应的研究室组成。中心计算机系统是由多台高性能计算机经由星形耦合器与以太网连接而成。具有较高的可靠性，较强的处理能力，并配有多星测控系统软件。监控显示系统是面向指挥人员和工作人员给出航天器的各种参数的各种设备组合，由大屏幕的图像显示和表格显示、X-Y记录器显示、各种台式屏幕显示器以及监控台等组成。2

艰难起步当发达国家投入极大物力财力争相发展之时，我国却只能以有限投入艰难起步。参与中心组建的科技人员回忆，“组建之初，许多人甚至连计算机是什么模样都没见过，一切都要从头学起。几乎每个夜晚，大家埋头苦学到深夜，煤油灯熏得所有人都是红眼睛、黑鼻孔。”就在大山脚下几间借来的屋子里，他们编制成了“东方红一号”卫星轨道计算、轨道预报、数据处理等一整套测控方案，当 1970年4月“东方红一号”卫星成功发射后，他们准确预报卫星飞临世界244个城市上空的时间和方位，在太空树起第一座“牧星”里程碑。

不懈奋斗从“牵引”卫星返回地面到将卫星定点于36000公里高空，从控制回收载人飞船到同时管理数十颗卫星，西安卫星测控中心数十载自力更生、奋力拼搏，实现了一个个历史性跨越。

卫星在太空中出现一个微小故障，就有可能导致寿命的终结。而事实是，由于航天事业的高风险，卫星故障时常发生。2001年，及时排除太阳能帆板故障，使危在旦夕的某通信卫星重新恢复功能；2002年，奋战六昼夜抢救超期服役的某资源卫星；2003年，某海洋卫星告急，采用紧急测控方案，准确注入指令，使卫星恢复安全状态；2007年，历经60天连续奋战，使某导航试验卫星起死回生。2

“很多卫星的抢救难度之大技术之复杂都是世界之最。” 中心主任董德义说，“太空应急处置能力正是我们测控能力的最突出体现之一。”

伴随着一次次妙手回春化险为夷，伴随着一次次创新突破精测妙控，西安卫星测控中心圆满完成6次“神舟”飞船、100余颗卫星的发射测控、回收和在轨管理任务，为我国航天事业建立起一座座不朽的丰碑。

美国、俄罗斯等国都是在全球布网，对航天器进行全时段测控，而我国航天测控网覆盖率还不到这些国家的五分之一。以远逊于发达国家的资源和设备，达到同等测控能力，这正是航天测控事业的中国特色。

“从体系到技术、从宏观到微观，无一不需要创新。”中心技术部副总工程师余培军说，“没有任何一本教科书能学到航天测控怎么发展，每一次进步都可以说是一次重大突破。”

他们创造出独特的航天测控体系，固定站与移动站相结合，卫星测控网、飞船测控网和深空测控网于一体的航天测控网，实现了测控网“以航天器控制语言为基础的中心遥控透明控制模式”。这种新模式，使得只敲动几下键盘，就能在短时间内向卫星发送所需要的指令。

硬件不足靠软件、靠策略，一直是中心发展进步的法宝。正是因为自主创新，使他们的很多测控解决方法在世界上独一无二。2

他们提出了测控资源最优分配策略与算法，新研制了6大类数百万行测控软件，具备同时支持三个发射场发射的卫星早期测控任务的能力；他们独立研发的精密定轨系统，将定轨精度提高到米级；超同步转移轨道卫星四次变轨技术、同步卫星双星共位技术和高精度位置保持技术，有效节省了卫星燃料、延长了卫星寿命，使轨道控制精度由数百米提高到几十米；改进卫星姿态算法，将同步轨道段定姿精度提高到0.03度以内，使定姿精度达到国际先进水平……

中心的综合测控能力持续攀升，中国的航天测控事业也在持续不断的创新中实现着历史性的跨越。

不断进取1984年，当我国准备发射第一颗地球同步轨道通信卫星时，西安卫星测控中心只有4台晶体管计算机，总内存量不如一台286微机。而发达国家测控这种卫星时，使用的是当时最先进的、运算速度每秒百万次以上的高性能计算机。

严格说来，当时中国不具备测控这种卫星的能力。然而，科技人员用科学的测控计划、灵巧的总联程序、精细的软件设计，来弥补计算机处理速度不够和内存不足的缺陷。经过反复试验，他们通过4台计算机并联，应用新的测控方案和测控软件，满足了通信卫星的测控需求，确保了任务圆满完成。

不久，国外航天专家到中心参观时，认为中国人一定把设备藏起来了——他们怎么也不相信，复杂测控是由眼前的4台“老古董”完成的。

这4台被称为“功勋计算机”的故事，一直流传到今天，成为中国航天测控人知难而上创造奇迹的一个缩影。

如果都等到条件具备才发展，中国的航天测控就无从发展。只要祖国的航天事业提出新需求，测控人就能利用现有条件想方设法实现。

近年来，中心设备面临的任务成倍增长。他们采用平台化、组件化设计方法，构建了具有高度重组能力，适应多星并行测控的功能分布式测控软件平台，具备了同时执行两颗卫星实时任务和一颗卫星任务准备的能力，具备了40颗以上卫星的长期管理能力，使测控能力再次实现了历史性的跃升。

回首40年风雨征程，中心党委书记张胜勤深有感触：“今天的成就来之不易，其中重要的一条就是自主创新，以有限资源创造无限可能，不仅是一种经验，更是一种追求，一种精神。”

组成中国卫星测控网是一个可以兼容近地卫星测控和地球同步卫星测控的卫星测控系统。它包括以下7 个专业系统。

(1) 跟踪测量系统

利用无线电跟踪测量设备对卫星实施跟踪测量, 获取卫星距离( R )、方位角( A )、俯仰角( E )、距离变化率(T) 等运动参数, 用以确定卫星的轨道要素(也称轨道根数)。3

(2 ) 遥测系统

利用无线电遥测设备接收和解调卫星的遥测信号, 从而获取卫星的工程参数和探测参数。

(3) 遥控系统

利用无线电遥控设备向卫星发送遥控指令, 从而控制卫星的运动和工作状态。

(4 ) 数据处理系统

由计算机硬件和软件组成。计算机分为测控中心计算机、测控站计算机和测控设备的微型计算机三级。测控中心计算机为大型计算机构成的计算机群, 担负复杂的实时和事后数据处理任务, 测控站计算机为小型或微型计算机, 主要用于数据汇集和交换, 也有一定数据处理能力; 测控设备的微型计算机系测控设备的终端, 主要用于数据录取和自动化监测。3

( 5) 通信系统

由线路终端、数据传输终端、交换设备和通信链路组成。通信链路有有线链路、无线链路和卫星通信链路。通信方式有话音、电传电报、传真、数据传输和电视图像传输。

( 6) 时间频率系统

由定时设备、信号产生器和频标源组成。中心与各站的时间频率系统均与陕西天文台发播的标准时间信号进行比对, 从而保证了全测控网的时间同步。

( 7) 指挥监控系统

由语音调度设备、监视显示设备、键盘、指令机等组成。用于汇集、显示测控网、测控设备和航天器的工作状态, 为指挥人员和分析人员提供信息, 并传送指挥命令和控制指令。3

主要测控站按照性质、任务之不同, 中国卫星测控网中的测控站可分为以下三类：

(1) 固定式近地卫星测控站

长春、南宁、喀什三站为固定式近地卫星测控站。主要测控 设备有VHF/ UHF统一测控设备、双频多普勒测速仪、遥测 解调设备、遥控设备、单脉冲雷 达等。VHF/UHF统一测控设备采用信道综合技术，兼有测量 R、A、E、T、遥测、遥控功 能，测距变化率误差不大于0.1 米/秒。单脉冲雷达测距误差不 大于10米、测角误差不大于0.2密位、测距离变化率误差不 大于0.2米/秒。3

南宁测控站即将配置S波 段统一测控设备，上行频率 2025〜2120兆赫，下行频率 2200〜2300兆赫，体制与技术指标与国外同类设备相同。

渭南、闽西、厦门三站为固 定式近地卫星/地球同步卫星测 控站。渭南、闽西站主要测控设 备有双频多普勒测速仪、遥测解 调设备、遥控设备、C波段统一 测控设备、C波段引导仪等。C波段统一测控设备兼有测量 R、A、E、T、遥测（编码遥测 与模拟遥测）、遥控（指令控制 与同步控制）功能。该设备天线 口径10米，载波调制方式上行 为PM/FM，下行为PM，测 距采用伪码、侧音混合体制。测 距随机误差不大于10米，测角 随机误差不大于0.15密位，测 距变化率误差不大于0.03米/ 秒（上行调相）。3

渭南、厦门站年内将配置国 际标准C波段统一测控设备。 该设备上行频率为5925〜6425 兆赫，下行频率为3700〜4200 兆赫，天线口径15米，测距采用数字式侧音体制，技术指标与 C波段统一测控设备基本相同。

(3)机动式测控站

第一活动站、第二活动站和 回收测量站是3个机动测控站。 第一、第二活动站可根据需要在 适当地方展开，以弥补卫星测控 网和运载火箭航区测量之空缺。 这种活动站的主要测控设备有机 动式VHF/ UHF统一测控设 备和机动式单脉冲雷达。其中第 一活动站的单脉冲雷达系高机动 数字式跟踪测量雷达，其性能与 美国AN/ MPQ-39雷达相 当。回收测量站负责卫星再入舱 再入大气层后的测量和再入舱的 搜索、回收。该站配置有回收测 量雷达、直升机载无线电定向设备等。3

远洋测量船在执行卫星测控 任务时也纳入卫星测控网内，作 为卫星测控网的一个重要组成部分。

卫星测控要点从1970 年4 月24 日中国发射第一颗人造卫星东方红一号到1990 年底, 中国卫星测控网圆满完成了30颗卫星的测控任务。以返回式遥感卫星和同步通信卫星的测控为例说明西安卫星测控中心及其所属测控站的测控要点。

1、 返回式遥感卫星的测控

入轨段：测控中心向测控站发送引导信息。测控站对卫星进行跟踪测量和接收解调遥测数据, 并实时向测控中心发送。测控中心实时判断卫星的入轨状态，确定卫星的初轨根数。根据需要, 测控中心指挥测控站对卫星实施控制。

运行段：卫星每次升轨，降轨过程均由测控中心组织有关测控站进行跟踪测量和接收解调遥测数据，测控中心进行实时处理。3

测控中心组织有关测控站对卫星实施控制，包括向星载计算机进行数据注入。卫星每次出境，测控中心均进行轨道改进计算、轨道预报计算和回收落点计算，上述各种计算均采用先进而成熟的方法，从而达到较高精度。

回收段：卫星回收前一圈,测控中心指挥有关测控站对卫星进行控制，使卫星启动回收程序。

卫星回收控制由测控网与星上控制系统共同完成。卫星进入回收圈，测控中心指挥第一活动站和第二活动站分别向卫星发出调姿指令和两舱(卫星仪器舱和再入舱) 分离指令。两舱分离后，仪器舱在轨道上继续运行，再入舱则在测控系统的控制下重返大气层。3

再入舱进入大气层后降落伞系统启动，再入舱乘降落伞下降。位于四川中部的回收测量站利用直升机载无线电定向设备和地面测量雷达对再入舱进行跟踪测量，并实时预报再入舱落点座标。再入舱着陆后，回收测量站会同研制单位回收再入舱。

我国发射的12 颗返回式遥感卫星的回收均取得圆满成功，它表明我国卫星测控系统在回收测量、计算、控制方面具有较高的精度和可靠性。

2、同步通信卫星的测控

主动段：测控中心汇集测控站(船) 的跟踪测量数据和遥测数据，实时监视运载火箭的飞行情况。

转移轨道：卫星入轨后，测控中心及时计算卫星轨道要素和姿态参数。在卫星运行中，测控中心利用测控站(船) 获取的跟踪测量数据和遥测(模拟遥测和编码遥测) 数据，对卫星的轨道要素、姿态参数和转速反复计算。当需要控制时，测控中心计算出控制量，实时发往测控站，由测控站利用遥控和同步控制设备对卫星实施控制。控制包括轨道控制、姿态控制和转速控制。控制目的是使卫星逐渐具备远地点发动机点火条件。

在“ 点火圈”的远地点, 测控中心指挥测控站发出远地点发动机点火指令, 远地点发动机点火，卫星获得速度增量，脱离大椭圆转移轨道，进入准同步轨道。3

准同步轨道：对卫星实施轨道控制，使卫星建立适应的漂移速度，向定点位置漂移。当到达定点位置后，实施“ 定点捕获” 控制，使卫星实现同步定点。

同步轨道：利用遥控指令打开卫星通信转发器。测控系统配合卫星通信系统对卫星进行“在轨测试” 。

在卫星寿命期内对卫星进行长期测控管理，包括卫星定点保持、姿态保持、工作状态控制、星蚀期间能源管理等。

中国卫星测控网在对同步通信卫星的测控中充分体现了精度高、可靠性高、自动化程度高、测量信息利用率高等特点。

西安卫星测控中心功能西安卫星测控中心（以 下简称测控中心）的主要功能：实时制定测控计划（也称测 控策略），实施多星（6颗卫 星）测控自动调度；汇集测控站、测量船所获取 的卫星、运载火箭的跟踪测量数 据、遥测数据，并进行实时处理和事后处理；确定卫星的轨道要素和姿态参数，进行星下点轨迹计算和发 布观测预报；对卫星的运行和工作状态进行监视，生成控制指令，对测控网的工作状态进行监视和控制；完成返回式卫星的回收和长 寿命卫星的长期测控管理。3

组成测控中心以数据处理系统为主体，此外还有指挥监控设备、 通信设备、时间频率设备和保障备、设施等。图1与图2分别 为该中心外景与指挥大厅，在此只介绍数据处理系统等主要部分。

(1)数据处理系统 数据处理系统主要包括计算机硬件和测控应用软件。

计算机硬件包括3台NCI 2780 计算机、2 台 VAX 8700 计算机、若干VAX-Ⅱ计算机 及大量外部设备。3台NCI2780 计算机和两台VAX 8700计算 机经以太网（Ethernet)构成局 域网。物理上，5台计算机用 CI经星形耦合器构成VAX群 集；逻辑上，其中2台NCI 2780计算机在群集之外按双工 方式运行，起前端机的作用。各计算机间的通信采用以太网和 CI链路两种手段，二者互为备 份，从而提高了系统的可靠性与 处理能力。2台前端机通过通信 控制处理器（CCP)、通信链 路，与测控站计算机组成远程计算机网。3

测控应用软件根据测控对象 可分为近地卫星测控软件和地球 同步卫星测控软件。根据软件性 质又可分为以下4类：①实时软件：包括信息交换、轨道计算与 预报、姿态计算、控制量计算、 监视显示等软件。②事后处理软 件：包括跟踪测量数据事后处理 和遥测数据事后处理等软件。③ 多星测控软件：包括多星计划生成、多星自动调度、人机接口、 系统配置管理等软件。④仿真软 件：包括测控网工作状态模拟、 卫星动力学模拟等软件。

(2)指挥监控设备

测控中心的指挥监控设备有 语音调度汇接机、可编程指令机和专用监视显示设备。专用监视 显示设备包括主处理机、显示处 理机、视频分配器、显示终端 (显示屏、大屏幕投影仪)、键盘 和硬考贝设备，可显示图形、图 像、字符、曲线等。该监视显示 设备具有画面放大、缩小、迭 加、漫游功能和人机对话功能。

指挥大厅除布置了供指挥人 员和分析人员使用的大量显示屏外，还有5个大屏幕投影仪。屏 幕尺寸为3x2.2 (平方米），为 玻璃微珠屏幕。3

(3)通信设备

测控中心具有有线通信设 备、无线单边带通信设备和卫星 通信地球站。卫星通信地球站有 13米站和12米站，可利用国内通信卫星和国际通信卫星进行通 信。为与外国测控网联网工作创 造了有利条件。

信息交换测控中心与发射场、测控站 (船）的信息交换关系如图3所示。通信规程采用高级数据链路 规程（HDLC)。