[科普中国]-航天测控网

航天测控网是“航天测量控制与数据采集网”的简称，由航天测控中心和分布在全国或全球的若干个航天测控站组成，其任务是对航天器进行跟踪测量，控制航天器的运行并保证它功能正常。

中国航天测控网从1967年开始建设，已建成包括北京、西安、酒泉测控中心、多个地面测量站及海上测量船队在内的、功能完善的测控系统，先后完成了我国多种卫星和10次“神舟”无人飞船的测控任务，还为多颗商用卫星提供了测控支持。

我国航天测控网立足本国国情，通过优化测控站、船的布局，确保航天器在上升段、变轨段、返回制动段、分离段等关键飞行段落的测控支持，规模适当、布局合理。1

航天测控网：aerospace tracking,telemetry and command network对运载火箭和航天器进行跟踪、测量和控制的专用网络系统。一般由航天指挥控制中心和若干测控站（含测量船、测量飞机、跟踪与数据中继卫星）及测控通信系统组成。航天测控网具有对运载火箭和航天器进行跟踪测量、遥测、遥控、数传等功能。工作内容主要包括：跟踪测量航天器，确定其运行轨道;接收、处理航天器的遥测数据（含平台和有效载荷遥测、图像信息等），监视其工作状况;依据航天器的工作状态和任务，控制航天器的姿态、运行轨道;接收和分发有效载荷数据;实时提供航天器的遥测信息、运行轨道和姿态等数据，接收故障仿真数据，并形成故障处理对策;与载人航天器上的航天员进行通信联络。航天测控网的主要技术指标包括测量精度、测控覆盖率、天地数据传输速率、多任务支持能力等。

航天测控网是指对运行中的航天器（运载火箭、人造地球卫星、宇宙飞船和其他空间飞行器）进行跟踪、测量和控制的大型电子系统。

航天测控网包括以下几个方面：跟踪测量系统：跟踪航天器，测定其弹道或轨道；遥测系统：测量和传送航天器内部的工程参数和用敏感器测得的空间物理参数；

遥控系统：通过无线电对航天器的姿态、轨道和其他状态进行控制；计算系统：用于弹道、轨道和姿态的确定和实时控制中的计算；

时间统一系统：为整个测控系统提供标准时刻和时标；

显示记录系统：显示航天器遥测、弹道、轨道和其他参数及其变化情况，必要时予以打印记录；

通信、数据传输系统：作为各种电子设备和通信网络的中间设备，沟通各个系统之间的信息，以实现指挥调度……各种地面系统分别安装在适当地理位置的若干测控站（包括必要的测量船和测控飞机）和一个测控中心内，通过通信网络相互联接而构成整体的航天测控系统。

规模适当，布局合理，以较少的投入获得了较大的效益。这是航天测控网的鲜明特色。

为满足载人航天的基本要求，航天测控网建立了网络管理中心，对测控网进行集中监控，并负责测控资源的动态优化配置，实现了对陆上、海上所有13个测控站的联网和统一管理调度。

航天测控网可对火箭、各种轨道卫星和载人飞船等航天器提供高精度测控支持服务，实现了“飞向太空、返回地面、同步定点、一网多星、国际兼容、飞船回收”六大历史性跨越。

航天测控网不仅轨道测算精度高，而且具备天地话音、电视图像和高速数据传输等能力。测控中心的专家组可根据各测控站传来的信息，研究决策并直接向航天器发送指令，实现了对航天器的"透明"控制，大大强化了监控能力，特别是提高了在应急情况下的测控能力。能充分利用有限的国土跨度和其他资源，通过优化测控站、船布局，确保航天器在上升段、变轨段、返回制动段、分离段等关键飞行段落的测控支持。

统一S波段（USB）航天测控网是指使用S波段的微波统一测控系统。这里的微波统一测控系统是指利用公共射频信道，将航天器的跟踪测轨、遥测、遥控和天地通信等功能合成一体的无线电测控系统。

微波统一系统的基本工作原理是：将各种信息先分别调制在不同频率的副载波上﹐然后相加共同调制到一个载波上发出；在接收端先对载波解调﹐然后用不同频率的滤波器将各副载波分开：解调各副载信号使得到发送时的原始信息。微波统一测控系统一般由天线跟踪/角测量系统、发射系统、接收系统、遥测终端、遥控终端、测距/测速终端、时/频终端、监控系统、远程监控或数据传输设备以及其它附属设备组成。

统一S波段（USB）航天测控网最早是在20世纪60年代美国在执行阿波罗登月计划时首先使用的。60年代初，美国在执行水星号和双子星号载人航天任务时，由于使用了多种频段的设备分别进行不同的工作﹐结果飞船上天线多﹑重量大﹑可靠性差﹐而且地球上也相应设置了十分复杂的设备。为了改变这种情况，美国国家航空航天局提出采用统一S波段（2000～4000兆赫）系统作为阿波罗登月计划的地面保障系统，并在60年代中期建成了以统一S波段为主体的跟踪测控网，从而使航天测控从单一功能分散体制改进为综合多功能体制。

我国先后建成了超短波近地卫星测控网、 频段卫星测控网和 频段航天测控网， 可为中低轨、地球同步轨道等多种航天器提供测控支持，圆满完成了各次航天飞行的测控任务。

测控网的测量精度主要取决于目标的观察值精度和定轨方法。 为提高目标的观察值精度，除对当前测控设备采用高精度标较 （ 如卫星标较）等手段降低设备误差外，应考虑以下措施。

利用差分定位

在飞行器上安装接收机，在地面建设差分网（或利用已有的差分站）和数据处理设施。 目前，我国星上接收机技术已基本成熟。 载人飞船第一次飞行试验中采用了GPS定位。1996年10月在某卫星上初次进行了搭载试验，在事后进行了精度鉴定。 其非差分轨道确定精度为：定位约20m，速度约0.05m。

激光测距手段

利用中科院上海天文台、北京天文台、云南天文台等现有的激光测距系统，或新建激光测距系统，在飞行器上安装激光合作目标。 单次测距精度可达厘米量级。 该方法在欧洲ERS-1卫星中得到成功利用，定轨精度达2m。

相干信号干涉系统

在国内选取几个测控站，增加相干信号接收和处理系统， 进行多站相干信号处理， 利用基线干涉原理来提高定轨精度。

高精度定轨方法

在现有基础上，研究提高定轨精度的新方法。首先是完善现有测控坐标系。目前测控采用的坐标系是一个在区域内拟合精度高的坐标系。 在与GPS所适用的坐标系转换过程中，也是采用已知多点进行拟合的方法。 因此， 为提高整个系统定轨精度， 应建立健全测量坐标系。其次，研究测量数据预处理的新方法和大气、电离层等精确数学模型、定轨新方法。通过对测距、测速等各种信息源的综合利用来进一步提高定轨精度。 同时完善定轨精度的检验方法和手段。

在提高测控网覆盖率时，目前可采用的手段和措施有：①建设地面测控站；② 国际联网；③租用国外中继星或利用商业通信卫星；④建设中继卫星系统， 形成天基测控网。 下面对每种方法进行讨论。

建设地面测控站

建设测控站（船）是指在国内或国外建造 频段或 频段统一系统站，或建造航天测量船，进一步扩大地面测控网的规模。该办法的优点是技术成熟、生产周期短；缺点是投入大、对覆盖率的贡献小。 建设一个测控站对测控覆盖率贡献在。根据目前我国测控站布设情况，已不宜再在国内建设用于运行段任务的测控站和测量船，只有在国外建站。

国际联网

由于我国S频段航天测控网主要采用了CCSDS标准，C频段航天测控网也采用国际通用标准，因此，为国际航天合作奠定了基础。 国际联网是指通过租用或租借国外测控站为我国航天器测控提供支持，从而达到提高测控网覆盖能力的目的。 根据CCSDS组织提供的世界测控站目录，可供联网的国外测控站分布在四大洲， 数量近百个。 使用国际联网的优点是，可实施联网的国外测控站数目多、成本低、技术成熟、投入小； 缺点是安全保密性较差。

租用国外中继星或利用商业通信卫星

通过租用国外数据中继星或利用同步通信卫星可以较大程度地提高测控网的覆盖能力，使用一颗中继星覆盖率可达50%以上。租用中继卫星，免去了中继星系统建设费用，可以为我国建造自己的数据中继卫星系统提供经验。 当前， 可租用的数据中继卫星主要有美国的中继卫星和俄罗斯的中继卫星。 可用于数据中继的同步通信卫星需具备如下条件：具有全球波束、卫星高EIRP和G/T值、移动通信频段。经比较，目前可用的卫星系统是海事卫星系统。

建设我国自己的数据中继卫星系统

为满足载人航天和大容量、强实时性卫星的测控需要，建设我国自己的数据中继卫星系统才是提高测控覆盖率的根本出路。 从美、俄地基测控网由小到大，后逐渐演变到天基测控网的发展过程可以得到验证。 在数据中继卫星系统中， 应全面贯彻CCSDS标准， 构成天地间一体化的数据网络。 使测控、应用 “ 合二为一”，避免重复建设。 为加快数据中继卫星系统的建设，可以先建成一个简易的数据中继卫星系统， 数据中继速率适中， 中继卫星天线口径不宜大。 在此基础上，再发展功能更强大的新一代中继卫星系统。2

在以往卫星测控中，为完成一个新型号的测控任务，总是要建一些新的测控站，它的成因是多方面的，但与测控资源低效率的调用模式不无关系。为提高测控网对多星任务特别是对将来卫星星座、星群的支持，测控资源的优化配置、进一步深挖潜能是不可缺少的。首先应抛弃过去测控站“静态调度”， “大测站、小中心”的旧模式， 由网管中心根据任务需要统一调度分配测控资源，加强动态计划、自动调度等手段，降低人工指挥调度在联调、任务中的作用。 整个测控网的管理可以采用 “ 集中管理、统一分配”的运行模式。该模式的管理流程如图所示。

在当前卫星任务中，应用系统与测控系统是分开的。 除地面测控网外，应用部门还建有应用接收站和数据传输系统。 这种重复建设带来了资源的浪费、航天器设计的复杂和管理上的困难。 CCSDS自1982年成立后，推出了一系列技术建议书， 其中一部分已直接转化为测控标准。 这些标准的应用使得不同空间局之间共享资源、交互支持成为可能。 这将最终降低航天费用及成本，提高航天器的测控覆盖率及安全性， 将大家熟知的INTERNET网思想扩展到空间领域。 随着 标准在航天领域的广泛使用和数据中继卫星的发展，应用与测控合二为一，天地一体化网络传输方式将成为可能。 过去，飞行试验中的测控数据主要由卫星测控中心掌握，在其它单位如鉴定测控网精度等需使用时， 需通过介质拷贝， 进行人工传输，这给资源的利用带来了困难和不便。 建立天地一体化测控数据网络，可以为客观评价测控网的精度、性能提供有效手段，便于卫星制造部门对测控任务， 尤其是长期管理任务等提供有效应急支持。2

航天测控的基本组成是遍布全球的陆地测控站。为确保对航天器轨道的有效覆盖并获得足够的测量精度，通常利用在地理上合理分布的若干航天测控站组成航天测控网。因此根据测控区域的要求，陆地测控站分布范围很广，航天测控网可以建在本国境内，也可以建在全球任何适于测控的地方。

地面测控是一件非常重要、非常精细和非常复杂的工作。卫星的地面测控由测控中心和分布在各地的测控台、站（测量船和飞机）进行。在卫星与运载火箭分离的一刹那，测控中心要根据各台站实时测得的数据，算出卫星的位置、速度和姿态参数，判断卫星是否入轨。入轨后，测控中心要立即算出其初轨根（参）数，并根据各测控台站发来的遥测数据，判断卫星上各种仪器工作是否正常，以便采取对策。这些工作必须在几分钟内完成。卫星在整个工作过程中，测控中心和各测控台站还有许多繁重的工作要做。其一是不断地对其速度姿态参数进行跟踪测量，不断地精化其轨道根数；其二是对星上仪器的工作状态进行测量、分析和处理；其三是接收卫星发回的科学探测数据；其四是由于受大气阻力、地球形状和日月等天体的影响，卫星轨道会发生振动而离开设计的轨道，因此要不断地对卫星实施轨道修正和管理。对于返回式卫星，在返回的前一圈，测控中心必须计算出是否符合返回条件。如果符合，还必须精确地计算出落地的时间及落点的经纬度。这些计算难度很大，精度要求很高，因为失之毫厘，将差之千里。返回决定作出后，测控中心应立即作出返回控制方案，包括向卫星发送各种控制指令的时间、条件等。卫星进入返回圈后，测控中心命令有关测控台站发送调整姿态、反推火箭点火、抛掉仪器舱等一系列遥控指令。在返回的过程中，各测控台站仍需对其进行跟踪测量，并将数据送至测控中心。由此可见，为使卫星正常地工作，必须有一个庞大的地面测控系统日以继夜地紧张工作。卫星测控中心是这个系统的核心。计算大厅是测控中心的主要建筑之一，那里聚集着众多的大型计算机。除了看得见的硬件外，还有许多看不见的软件--对卫星进行管理的程序系统，包括管理程序、信息收发程序、数据处理程序、轨道计算程序、遥测遥控程序和模拟程序等。这些硬件和软件，既有计算功能，又有控制功能，它们是测控系统的大脑。测控中心还有它的神经网络，即通信系统，它通过大量的载波电路、专向无线电线路、各向都开通的高速率数据传输设备，把卫星发射场、回收场以及各测控台站等四面八方联系起来。3

航天测控站的任务是直接对航天器进行跟踪测量、遥测、遥控和通信等，它将接收到的测量、遥测信息传送给航天控制中心，根据航天控制中心的指示与航天器通信，并配合控制中心完成对航天器的控制。陆地测控站通常由跟踪测量设备、遥测设备、遥控设备、计算机、通信设备、监控显示设备和时间统一设备组成。随着无线电技术的发展，测控设备也在不断发展，独立的跟踪测量设备、遥测设备和遥控设备已逐步被共用一路载波信道的统一测控系统所代替。由于数据处理和控制指令生成主要由航天控制中心完成，故航天测控站的计算机以小型或微型计算机为主，履行数据录取、信息交换和测控设备的自动化监控等任务。选择陆地测控站站址的要求是：遮蔽角小，电磁环境良好，通信和交通方便。美国在全球各地有数十个固定和机动的测控站。俄罗斯的测控站也非常多，主要分布在原苏联境内，其中拜科努尔发射场就有4个测控站,其它地方的太空跟踪系统和测控站也不下20个。目前，陆地测控站正在向高功能、国际联网测控和综合利用方向发展。但由于受到地理、经济、政治等条件的限制，一个国家不可能通过在全球各地建立测控站的方式来满足所有的航天测控需求，即使目前最大的陆地测控网，也只能覆盖大约15%的测控范围。为此，各国发展了其它的测控方式，以弥补陆地测控站无力触及的测控盲区。

世界上第一艘航天远洋测量船是美国的"阿诺德将军号"，1962年下水。第二年，不甘落后的前苏联也造出了"德斯纳号"。海上测量船是对航天器及运载火箭进行跟踪测量和控制的专用船。它是航天测控网的海上机动测量站，可以根据航天器及运载火箭的飞行轨道和测控要求配置在适当海域位置。其任务是在航天控制中心的指挥下跟踪测量航天器的运行轨迹，接收遥测信息，发送遥控指令，与航天员通信以及营救返回溅落在海上的航天员；还可用来跟踪测量试验弹道导弹的飞行轨迹，接收弹头遥测信息，测量弹头海上落点坐标，打捞数据舱等。 航天测量船可按需要建成设备完善、功能较全的综合测量船和设备较少、功能单一的遥测船。它们除具有船舶结构，控制、导航、动力等系统外，还装有相应的测控系统。综合测量船测控系统一般由无线电跟踪测量系统、光学跟踪测量系统、遥测系统、遥控系统、再入物理现象观测系统、声呐系统、数据处理系统、指挥控制中心、船位船姿测量系统、通信系统、时间统一系统、电磁辐射报警系统和辅助设备等组成。

目前，美国现役的测量船有"红石"号、"靶场哨兵"号和"观察岛"号3艘；俄罗斯现役的测量船有"加加林"号、"柯玛洛夫"号、"克雷洛夫"号等21艘，其中，"加加林"号满载排水量5.35万吨，是世界上吨位最大的测量船。为适应航天技术发展的需要，美、俄等国正不断为测量船增添性能更可靠、精度和自动化程度更高的测控设备。中国是继美、俄、法之后第四个拥有航天远洋测量船的国家，远望一号和远望二号都是在1977年下水的。虽然时间上比其它3个国家晚了十几年，但在测量和控制的技术水平上却毫不逊色。1990年，中国首次为国外公司发射了"亚洲一号"卫星，当时，休斯公司要求中方必须在卫星发射后半小时内向美方专家提供卫星的初轨根数。结果，远望号只用了8分钟就完成了发现、锁定目标并发出初轨根数的一系列工作，而且，测出的初轨精度比休斯公司所要求的准确了好几倍。海上测控有许多困难，其中之一就是在船动、测控仪器动、目标也动的状况下，如何保证测量精度？中国的测控人员在这方面摸索出了一整套的解决方案。比如选择测量海况较为平静的海域；在天线上安装陀螺稳定装置，在船体上配装减摇鳍以有效地消除和减少船摇；在数学方法上，他们则考虑了各种动态因素，能够精确地计算出测量时的雷达中心位置。在测量精度上，远望号航天远洋测量船完全可以和国外的陆上航天测量站相媲美。4

测量飞机是航天测控网中的空中机动测控站，可部署在适宜的空域，配合和补充陆上测控站和海上测量船的工作，加强测控能力。测量机上装载天线，遥测接收、记录、时统、通信、数据处理等设备及控制台；有的在靠近机头的外侧有专用舱，以安装光学跟踪系统。测量飞机的作用灵活而多样，具体来说在弹道式导弹和运载火箭的主动段，可接收、记录和转发遥测数据，弥补地面遥测站因火焰衰减收不到某些关键数据的缺陷；装备光学跟踪和摄影系统的飞机可对多级火箭进行跟踪和拍摄各级间分离的照片；在航天器再入段，可有效地接收遥测数据并经通信卫星转发;装备紫外光、可见光和红外光谱测量仪的飞机可测量导弹再入体的光辐射特性；在载人航天器的入轨段和再入段，可保障天地间的双向话音通信，接收和记录遥测数据，并实时转发给地面接收站，必要时给航天器发送遥控指令。测量飞机的发展趋势是选用更高性能的运输飞机，并用相控阵天线取代抛物面天线，对多目标进行跟踪和数据采集，提高其测控能力。

天基测控卫星主要是利用通信卫星和跟踪与数据中继卫星系统，跟踪与数据中继卫星系统是一种可跟踪地球轨道飞行器并将数据传回地面站的空间中继站，该系统主要用于实时中继传输各类低轨航天器用户的信息。卫星在太空中"站的高、看的远"，具有其它测控方式无可比拟的优势，天基测控卫星的使用大大拓展了航天测控网的覆盖范围。工作在地球静止轨道上的通信卫星和跟踪与数据中继卫星组成星座，便可覆盖地球上除南、北极点附近盲区以外的全球所有区域；如果与极地轨道的卫星相配合，即可实现全球覆盖。美国的第一代天基测控网由7颗跟踪与数据中继卫星组成，可同时覆盖25颗中、低轨道卫星，数据传输速率可达300Mb/s，可为12种航天器提供服务。目前正在部署的第二代天基测控网功能更加先进，一颗跟踪与数据中继卫星可同时接收5个航天器传来的信号，并同时向一个对象发送信号，可以实时传输各类航天器的数据信息，传输速率将增至1.2Gb/s～2Gb/s，实现对中、低轨道的全部覆盖。

目前，美国、欧盟和日本都在发展新一代跟踪与数据中继卫星系统，数据传输码速率越来越高，通信频段正向着Ka频段和光学频段发展。随着新一代测控卫星陆续投入使用和性能的提高，天基测控将成为未来航天测控的重要发展方向。5

航天测控网依照测控对象，大体上可以分为三类。卫星测控网：为各种应用卫星和科学试验卫星服务；

载人航天测控网：为载人航天器服务。配有与航天员通话和传递电视图像的设备。

深空网：为探测月球和其他天体的探测器服务。要对深空目标进行跟踪测量，要在全球按经度均匀分布3个测控站。

统一测控系统：利用公共射频信道，将航天器的跟踪测轨、遥测、遥控和天地通信等功能合成一体的无线电测控系统。

甚长基线干涉天文测量网：由多个相距遥远的射电望远镜组成的一个观测网，每两个射电望远镜之间距离长达几千千米，乃至上万千米。

中国甚长基线干涉天文测量网：由位于上海天文台佘山站的25米口径射电望远镜，国家天文台乌鲁木齐天文站的25米口径射电望远镜，国家天文台密云站的50米口径射电望远镜，国家天文台云南天文台的40米口径射电望远镜和位于上海天文台相关处理中心组成。6

2005年7月4日，美国宇航局的“深度撞击”号彗星探测器，与“坦普尔1号”彗星进行了一次史无前例的碰撞，在距地球1.3亿公里、相对飞行速度达到每小时36000公里的条件下，"深度撞击"号准确地命中了“坦普尔1号”彗星。

在成功实施这次撞击前，科研人员已经精确计算出探测器和“坦普尔1号”彗星的运行轨道，控制探测器按既定轨道飞行；及时检测飞行参数以确定是否需要修正其轨道；发出指令修正并改变探测器轨道；准确地在预定轨道位置释放撞击器。这一切说明，对彗星探测器的精确测控是完成这次撞击实验的重头戏。

至今，人类已先后将5000多颗卫星、飞船、航天飞机和空间站等航天器送入太空。然而，太空并未因此变得杂乱无序，一个神奇的力量引导着这些航天器始终按照自己的轨道飞行，偶尔偏离轨道，也能很快"迷途知返"；一旦发生了故障，就能得到及时抢救和精心照料；即使意外失控陨落，人们也能及早预知，防患于未然。这个神奇的力量，来自于庞大的航天测控网。