[科普中国]-美国航天测控网

简介

航天测控网是用来保障航天器难常运行和操作的，因而航天测控网必须要符合航天计划的要求和变化。美国的航天计划投资巨大，种类繁多，因此航天测控网也多种多样，发展也很迅速。美国的航天测控网分属不同的部门管理。美国国家航空航天局(NASA)负责民用航天计划，目前管理着航天跟踪与数据网(STDN)、深嶷网(DSN)以及跟踪与数据中继卫星系统(TI)RSS)。美国的主要军事航天测控网包括：空军卫星控制网(AFSCN)、海军卫星控制网(NSCN)、海军研究实验室卫星控制网、陆军卫星控制网、NOAA卫星控制网和几个军用卫星专用控制网。

NASA的航天测控网NASA的测控网目前形成了天基网和地基网两大体系。天基网由位于地球同步轨道上的一组TDRS星及其地球站组成，用于支持地球轨道航天任务(轨道高度在3000公里以下)。地基网则主要是深空网，用以支持高地球道、同步轨道航天器以及月球、星际和深室探测任务。此外，地基网还包括STDN网目前剩下的几个站。

STDN网NASA于1972年将载人航天飞行网(MSFN)与卫星跟踪与数据获取网(STADAN)合并成一个网，称为航天跟踪与数据网(STDN)，用来保障NASA所有地球轨道任务，包括载入与不载人飞行任务。

STDN的网络控制中心(NCC)

STDN的网络控制中心设在哥达德航天中心的11号大楼内，负责规划、控制以及确保STDN的可靠运行。网络控制中心主要由计算机系统、数字电视系统和数据通信设备组成。

计算机系统是网络控制中心的主要数据处理设施，由计算机及相关外设组成。该系统维持网络控制中心的数据库并运行网络控制中心的所有操作软件。

数据通信设备由通信处理器和通信前端处理器组成。它给网络控制中心提高了大部分外部接口。通信前端处理器完成线路控制功能，通信处理器完成较高级的透信协议功能。

数字电视系统提供与NCC操作人员的接口。向操作人员显示文字和图形信息，接收操作人员从控制台发出的各种指令。数字电视系统允许控制台操作人员完成以下功能：与NCC交互；观看、编辑、建立显示；与其它控制台通信。

为了执行管理STDN的职责，网络控制中心要完成以下一些主要功能：网络规划；监视网络性能；监视网络资源的状态；核实网络保障结构；给用户提供SIDN的性能数据；确保网络设施获得用户航天器的信息；服务统计；设计故障隔离程序；管理改变网络配置的地面配置指令；管理TDRS地址用户发射功率，确保从各个用户来的数据质量；控制无线电频率干扰。为了完成这些主要功能，网络控制中心与哥达德航天中心的部分设施还设有外部应用层接口：NASA通信网控制与状态接口，信息转换系统以及多路调制器/解调器；多卫星操作控制中心；NASA地面终端；白沙地面终端；操作保障地面设施；传感器数据处理设施。

地面站

NASA现有4个地面站。分别是梅里特岛/庞斯德利昂站、百慕大站、达卡尔站(塞内加尔)以及沃洛普斯岛站。

达卡尔站只是一个通信站，提供与航天飞机之间的UHF话音通信，并没有测控功能。

百慕大站主要是用来保障从肯尼迪角向东北方向发射的航天器的上升段。梅里特岛站用来保障从肯尼迪角向东南方向发射的航天器的上升段，还用于保障在肯尼迪角降落的航天器的再入段。由于大部分航天器都是向东南发射的，所以梅里特岛站的使用较频繁。沃洛普斯岛站用来保障国际紫外线探测计划。

从肯尼迪角发射的航天器升空后尾焰对着梅里特岛站，因此S波段信号的衰减较大。为了提供与航天器的S波段通信，又在该站以北65公里处的庞斯德利昂设了一个附属站，与梅里特岛之间通过一个三条微波系统通信。

梅里特岛站现有资源如下：

①2副9米抛物面天线，用来跟踪航天器；

②2副3米抛物面天线，在肯尼迪航天中心与中继卫星之间中继数据。其中一幅天线装在42米高的TDRS中继塔上，指向TDRS的用户，与另一幅指向TDRS的天线连接；

③1副3米抛物面天线，当梅里特岛站的其它天线用于其它测试时，该天线用来与正在肯尼迪航天中心测试的轨道器通信；

④1副UHF Teltrac天线，用来与航天飞机轨道器上的宇航员进行话音通信。该天线伺服于S波段跟踪天线中的某一个，在上升段、轨道段和着陆段指向航天飞机轨道器；

⑤2副盘锥形天线，用作动态备份和监视可移动UHF Teltrae天线；

⑥2副1．2米抛物面天线，与在肯尼迪航天中心处理的深空网载荷通信。2副天线分别工作于S和X波段，都安装在42米高的中继塔上接近顶端的地方；

⑦1副短波无线，用来监视美国政府的标准对时站；

⑧1副1．8米微波天线，安装在42米高的中继塔上，用来与庞斯德利昂站通信；

⑨中继塔也作标校塔，有1．2米S波段和Ku波段天线，用来校正和测试可转向天线；

⑩1副18米、2副12米属于地球站的天线，通过国内通信卫星与其它地球站通信。

深空网(DSN)由喷气推进实验室(JPL)管理的深空网是一个很先进的测控网，其主要作用是为NASA的行星探测飞行器提供跟踪、数据获取和通信服务。该网目前由相隔约120°的3个站组成，分别位于加利福尼亚州的戈尔德斯顿、澳大利亚的堪培拉和南非的约翰内斯堡。这三个站形成了一个完整的26m网站，可以完全覆盖2000公里高的轨道。每个站有4副大型抛物面天线，1副70米，2副34米，1副26米。70米和34米天线配置有S波段和x波殷接收机，26米天线仅能工作在S波段。

深空网站不仅包括口径非常大的天线，还包括以下电子设备：

①高功率发射机及其辅助设备；

②低噪声放大器，相位相干接收机，以及将天线电信号转换成数字(符号)流的同步检测器；

③前向链路的编码器和返向链路的解码器；

④多普勒提取器和测距设备。

为使作用距离尽可能远，尽可能多地接收探测器发回的数据，深空阿一直在尽量采用最先进的技术，以推动通信链路的性能不断提高。提高频率，提高航天器发射机的功率以及采用更大口径的天线是最直接的方法，其他还有采用低噪声接收机，提高天线效率，改进编码技术，改进调制和检测系统。

DSN的测控(TT&C)系统包括低噪声接收机、数字信号和侧音处理、符号解码、跟踪和遥测数据处理、指令调制和发送系统。目前，这些功能由五个不同的子系统完成，每个子系统都有独立的控制器和操作界面，其设计并没有考虑各子系统之间的相互作用。不过JPL制定了一个从1995年开始并一直持续到2004年的TT&C系统改造计划，即深空网简化计划(NSP)，目的是为该系统引进新技术、新功能，并提高系统的效率和稳健性。网络简化计划完成后TT&C系统的设备的数量明显减少。通过结构改造和整合，形成两个新的子系统：上行链路遥控和跟踪子系统，下行链路跟踪和遥测子系统。1

美国军事航天测控系统军事航天任务对测控网提出了保密性好、生存能力强的特殊要求。为此，美国国防部从20世纪50年代末开始，建立了多个独立的全球性测控网，其中任务最忙、技术水平最为先进的是空军卫星控制网(AFSCN)。该网原由7个地面站和位于桑尼威尔的1个测控中心组成。多年来为国防部的大量侦察卫星、预警卫星、通信卫星和航天飞机等提供测控服务。20世纪80年代该网作了全面改造，为各站装备机动型自动化s波段综合系统，开通宽带卫星连接线路，并在美国中部斯普林斯建立既能控制人造卫星又能控制航天飞机的综合航天操作中心。此外，美国的军事航天测控网还包括海军卫星控制网(NavySatellite Control Network，NSCN)、陆军卫星控制网(Army Satellite Control Network)和NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)卫星控制网等卫星专用测控网。

空军卫星控制网(AFSCN)空军卫星控制网是美国空军系统司令部的一个下属单位，由12个部门组成，其中5个部门负责操作活动，4个部门提供各种保障，3个部门从事开发活动。AFSCN至今已支持了80多个15种类型的航天器，包括低高度的气象卫星、中高度的导航卫星和高轨通信卫星。AFSCN在美国军用测控网中规模最大，同时也是最重要的多用户军事航天测控网，非常具有代表性。目前，AFSCN同的组成及站上设备包括：卫星指挥控制中心、远方跟踪站、天地链路分系统和通信系统4个部分。

卫星指挥控制中心

空军卫星控制网共有2个指挥控制中心，一个靠近科罗拉多州斯普林斯，位于{击尔肯空军基地，称作综合航天操作中心(CSOC)；另一个在加州桑尼威尔，位于昂尼祖卡空军基地，称作综合卫星试验中心(CSTC)。每个中心用自己的通信设备与其它测控设备联接，它们独立运行，又互为备份。每个控制中心又可细分为数个“航天指挥控制设施”(MCC)，每个MCC负责一个卫星系列，若星座不大也可负责几个卫星系列。目前，昂尼祖卡空军基地有11个MCC，法尔肯空军基地有4个MCC。不管支持哪一项任务，所有MCC都要支持卫星操作的3个阶段：规划、过境测控和评价。所有MCC的硬件都相似，配置方法一样。通常一个MCC只有一个过境测控处理器、一个规划和评价处理器、一个数据处理单元、2个或2个以上遥控和遥测前端设备。MCC的结构框图如图所示。

指挥控制系统是一大型软件，由8个主要模块构成，程序超过250万行。这8个模块分别是操作规划(OPPLN)模块、航天任务轨道规划(MOPLN)模块、跟踪和轨道确定(TRORD)模块、遥测处理和评价(TLMPE)模块、遥控模块、MCC管理模块、公共业务模块和显示模块。其中后面3个模块是前面5个模块的服务程序。2

远方跟踪站

为了对美国各种军用卫星形成全球覆盖，空军卫星控制网在全球8个地方设立了远方跟踪站，安装了16副天线，在卫星与MCC之间形成天地回路。卫星控制中心的每个MCC都与每个远方跟踪站相连。在空军卫星控制网中，除法尔肯空军基地和印度洋迭戈加西亚的跟踪站为单套站，格林兰图勒为3套站外，其余均为双套站。美国空军投入巨资对远方跟踪站进行了名为“自动化远方跟踪站”(ARTS)的改造，引人新的计算机，更换或改造了天线伺服系统并安装了新的发射和接收设备。经过改造，天线的可用性从老天线的每天17小时增加到改造后的每天23小时，而且MCC可以通过发送控制指令远程配置和控制天线，明显减少了值班人员。每个远方跟踪站都包括一套相同的具有标准接口的ARTS核心设备，以及使各站具有特殊功能的专用增强设备和天线分系统。

天线分系统包括反射器、副反射器、馈源、带驱动装置的底座、控制器及天线保护罩；核心专用设备则由测控子系统、控制和状态子系统及通信接口子系统组成；增强设备包括了GPS增强设备、国防气象卫星增强设备及跟踪站开发和维护设施增强设备。

天地链路分系统(SGLS)

SGLS用于在测控站和卫星间提供全双工通信，完成遥控、跟踪、遥测和测距功能。只有当航天器装配了与SGLS波形兼容的应答机才能进行全双向通信。SGLS共有20条上、下行信道，上行采用L频段；下行采用S频段，每条信道所使用的上、下行频率是相干的。

通信系统

通信系统将指挥控制中心与各远方测控站联系起来，传递来自MCC的遥控信息、航天器的遥测信息、远方跟踪站的状态信息、IRIG时间信息和远方跟踪站操作员之间的保密话音信息。通信链路可以分为2大类，即宽带和窄带链路。

宽带链路主要由国防卫星通信系统/卫星试验中心接口分系统(DSIS)提供。每个控制结点及每个远方跟踪站都有一个通信卫星地面终端。这样，每个控制结点都可以通过国防卫星通信系统(DSCS)与任何远方跟踪站相联。没有DSCS宽带链路的站，租用商业通信链路；宽带通信发生故障时，到远方跟踪站的窄带通信链路将提供应急路由。这些链路与上述宽带电路相互独立，由商业公司租用陆线、微波和光纤链路组成。窄带的能力低于宽带。MCC有时使用到远方跟踪站的窄带链路补充其宽带链路，而不仅仅是备用。这种做法在操作上风险大一些，但这样MCC可以比只用宽带链路收到更多的遥测数据。3

美国的其它军用航天测控网海军卫星控制网负责支持15颗通信和导航卫星的运行和放在其它卫星上的一些通信包，海军研究实验室卫星控制网支持着28颗保密卫星和科学卫星任务，陆军卫星控制网控制着11颗在轨国防卫星通信系统卫星(DSCS)的有效载荷和通信网络(空军卫星控制网负责控制卫星平台)，NOAA卫星控制网支持着4颗环境卫星和4颗备用卫星的运行，以上这些测控网的规模都较小。

NOAA 的测控资源目前美国国家海洋和大气局（NOAA）在轨运行的为 16 颗卫星组成的 3 个卫星星座， 包括地球同步卫星、 极轨卫星等， 由其所属地面测控资源实施运行管理。 NOAA的地面测控资源具体可分成极轨卫星地面系统和同步卫星地面系统两部分。

NOAA 的极轨地面系统（PGS）负责接收 NOAA 极轨运行环境卫星（POES）和国防部防御气象卫星计划（DMSP）等近地卫星的遥测和科学数据，并通过各种遥控体制实施卫星控制，此外还接收一些非 NOAA 卫星的数据。 PGS 由位于马里兰州的 Suitland 的卫星运行控制中心和中心环境卫星计算中心、位于维吉尼亚州沃洛普斯（WCDAS）和阿拉斯加州 Fairbanks（FCDAS）的两个指令和数据接收站组成。在运行控制中心，基于实时系统的指令、控制和通信系统的极轨捕获和控制子系统（PACS）支持极轨卫星系统，还负责处理卫星数据。两套地面站的功能相同，由天线、射频、指令发送、数据处理和 PACS 几部分组成。随着卫星拥有更大的指令存储能力，要求修改地面软件以仿真卫星，验证操作正确性。同时要在求地面人员不变情况下，可以完成更多的跟踪圈次。

同步卫星地面系统的主要功能是接收卫星图像，再将修正过的数据以 GVAR 格式发给同步卫星供广播给主要用户，处理数据流获得轨道和姿态确定数据，监视广播数据质量。系统的主要部分是敏感器处理系统（SPS、产品监视（PM）和轨道姿态跟踪系统（OATS。 NOAA 目前具备 S 和 X 频段测控能力。4

综合利用无论是负责民用航天计划的 NASA，还是负责军用航天计划的美国国防部，都正面临来自测控性能和测控成本两方面的挑战，在地基测控资源上表现尤为突出。NASA 的 GN 和 ASFCN 都面临未来卫星测控需求的持续增长，设备和系统老龄化更增加了航天测控服务性能上的风险，然而财政投入的限制却约束了新系统的大规模建设和原有系统的全面升级。保留的一些早期任务专用设备，利用率低，仍需不断进行维护。实现不同测控网之间的互操作的呼声越来越强烈。

航天测控资源的综合利用可以有效覆盖，减少测控间隔；提高测控资源利用率，减少闲置时间；增强多任务测控能力；使测控系统更加灵活；有效降低航天测控成本等。但是由于以往任务需求驱动的模式，使得不同测控资源之间采用不同的标准和接口，系统间的互操作技术上仍需进行验证测试。已经在 NASA 的 SN、 GN 和AFSCN 之间利用 CCSDS SLE 开展了一些互操作的实验。但同时面临不同部分所属资源的管理实施困难，由于测控网之间的差异导致空间操作更加复杂，并带来测控安全性问题，资源使用优先级的高效安排和经费使用等一系列问题，这些问题导致美国航天测控资源综合利用并未取得明显进展。4