淺談航天測(cè)控系統(tǒng)

漫漫飛天之路

2022年6月4日10時(shí)44分，神州十四號(hào)載人飛船再次起航，引發(fā)國(guó)際社會(huì)高度關(guān)注。

中央廣播電視總臺(tái)對(duì)火箭發(fā)射過(guò)程進(jìn)行了全方位的跟蹤報(bào)道，直播火箭發(fā)射畫面中航天員們?cè)谂搩?nèi)比“ok”手勢(shì)反饋狀態(tài)良好。發(fā)射指揮大廳內(nèi)有條不紊的回響起一些熟悉的口令：“USB，雷達(dá)，跟蹤正常！”“遙測(cè)信號(hào)正常”。興奮之余你是否會(huì)生出一連串的疑問(wèn)：發(fā)射過(guò)程中，速度和距離不斷變化的前提下，如何精準(zhǔn)追蹤目標(biāo)？遙測(cè)信號(hào)是什么？USB雷達(dá)又是什么？

帶著這些疑問(wèn)，我們首先一起來(lái)了解下“航天測(cè)控系統(tǒng)”。

航天測(cè)控系統(tǒng)組成

航天測(cè)控系統(tǒng)按照功能分為以下子系統(tǒng)：跟蹤測(cè)量系統(tǒng)：跟蹤航天器，測(cè)定其彈道或軌道。能精準(zhǔn)跟蹤航天器是實(shí)現(xiàn)通訊的基礎(chǔ)，當(dāng)航天器進(jìn)入太空軌道之后，地面的監(jiān)控站需要時(shí)時(shí)刻刻地監(jiān)測(cè)航天器的一舉一動(dòng)。

• 遙測(cè)系統(tǒng)：遠(yuǎn)程測(cè)量、傳送航天器內(nèi)部的工程參數(shù)和用敏感器測(cè)得的空間物理參數(shù)。遙控系統(tǒng)：通過(guò)無(wú)線電對(duì)航天器的姿態(tài)、軌道和其他狀態(tài)進(jìn)行控制。

• 計(jì)算系統(tǒng)：用于彈道、軌道和姿態(tài)的確定和實(shí)時(shí)控制中的計(jì)算。計(jì)算系統(tǒng)是整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的核心，要求大容量，速度高的計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)計(jì)算、分析、演練確認(rèn)其正確性，確保雙工工作的可靠性，定型后才能使用。各個(gè)測(cè)控站將本站數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后，集中到測(cè)控中心來(lái)進(jìn)行分析和做出控制決策。

• 時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)：保證整個(gè)測(cè)控網(wǎng)的時(shí)間同步。在航天活動(dòng)中，各測(cè)控站所獲取、記錄的測(cè)量數(shù)據(jù)和時(shí)間必須有嚴(yán)格統(tǒng)一的同一時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)才能對(duì)他們進(jìn)行分析和處理。10秒點(diǎn)火倒計(jì)時(shí)可不是為了裝酷耍帥！可以讓參與人員迅速get當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)，做出正確反應(yīng)。實(shí)際上倒計(jì)時(shí)程序還有最后2小時(shí)、1小時(shí)、30分鐘，各個(gè)系統(tǒng)要保持同步統(tǒng)一，嚴(yán)格而科學(xué)的把火箭起飛前的各種動(dòng)作按時(shí)間程序化，做到“萬(wàn)無(wú)一失”。

• 顯示記錄系統(tǒng)：顯示航天器遙測(cè)、彈道、軌道和其他參數(shù)及其變化情況。通信、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)：各種電子設(shè)備和通信網(wǎng)絡(luò)的中間設(shè)備，溝通各個(gè)系統(tǒng)之間的信息，實(shí)現(xiàn)指揮調(diào)度。

 

•  

各系統(tǒng)之間通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)相互聯(lián)接、相互協(xié)作、相輔相成構(gòu)成了一個(gè)完整的航天測(cè)控系統(tǒng)。 我們之所以能看到清晰穩(wěn)定的直播畫面，前提就是測(cè)控系統(tǒng)可以持續(xù)穩(wěn)定追蹤火箭的運(yùn)行軌跡

什么是遙測(cè)？

“遙測(cè)信號(hào)正常”表明火箭運(yùn)行的參數(shù)在理想的范圍內(nèi)。遙測(cè)是一種自動(dòng)通信過(guò)程，航天測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)遙測(cè)方式可以將無(wú)法直接訪問(wèn)的測(cè)量數(shù)據(jù)傳送到測(cè)控站，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)目標(biāo)的測(cè)量和監(jiān)測(cè)?；鸺l(fā)射升空后，火箭內(nèi)部的數(shù)據(jù)只能通過(guò)遙測(cè)系統(tǒng)將各種數(shù)據(jù)傳回地面，從而監(jiān)控和分析火箭狀態(tài)。如果火箭在飛行中出現(xiàn)問(wèn)題，遙測(cè)數(shù)據(jù)幾乎是唯一的線索。

USB雷達(dá)

我們聽到的“USB雷達(dá)蹤正常”的意思就是測(cè)控系統(tǒng)在一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)鎖定了目標(biāo)。這里的“USB”是指“S波段統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)”（Unified S Band System)的簡(jiǎn)稱，該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器的跟蹤、遙測(cè)和通信等功能。

“雷達(dá)”可以獲取目標(biāo)的位置和運(yùn)動(dòng)參數(shù)數(shù)據(jù)，工作頻率主要在S波段（頻率范圍：2-4 GHz）。它可提供目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，一般由距離跟蹤支路、方位角跟蹤支路和仰角跟蹤支路組成，分別完成對(duì)被測(cè)目標(biāo)的距離，方位和仰角的自動(dòng)跟蹤。實(shí)現(xiàn)這個(gè)跟蹤過(guò)程，需要在雷達(dá)和被測(cè)目標(biāo)之間建立閉環(huán)反饋控制。

例如：雷達(dá)要獲得監(jiān)測(cè)目標(biāo)的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，需要經(jīng)過(guò)雷達(dá)主反射面（就是我們熟悉的大鍋）聚焦以后，在空中形成兩片橢圓形葉子狀的信號(hào)且彼此部分重疊，真正對(duì)目標(biāo)有用的，正是信號(hào)疊加的中間部分。當(dāng)雷達(dá)自動(dòng)跟蹤一個(gè)目標(biāo)時(shí)，如果監(jiān)測(cè)目標(biāo)處在兩波束交疊軸OA方向，收到的信號(hào)強(qiáng)度相等。換言之當(dāng)兩個(gè)波束收到的回波信號(hào)相等時(shí)，等信號(hào)軸所指方向即為目標(biāo)方向。某一瞬時(shí)因目標(biāo)運(yùn)動(dòng)到一個(gè)新的位置而偏離了天線電軸指向（即OA方向），目標(biāo)與天線電軸指向之間就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)夾角，稱為角誤差。角誤差使天線系統(tǒng)有誤差信號(hào)輸出（如果目標(biāo)處在OB方向，角誤差為θ，波束2的回波比波束1的回波強(qiáng)；處在OC方向時(shí)，角誤差即θ′，波束2的回波較波束1的回波弱，因此比較兩個(gè)波束回波的強(qiáng)弱就可以判斷目標(biāo)偏離等信號(hào)軸的方向），接收機(jī)對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行放大和變換后送到天線的方位、仰角驅(qū)動(dòng)放大器的輸入端，經(jīng)功率放大后控制方位、仰角驅(qū)動(dòng)電機(jī)，改變天線電軸指向，使天線電軸重新瞄準(zhǔn)目標(biāo)，這就是雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的角坐標(biāo)自動(dòng)跟蹤過(guò)程。

但實(shí)際上要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤，被測(cè)目標(biāo)需在一定范圍內(nèi)，生成的誤差才可以生成反饋信號(hào)推動(dòng)天線轉(zhuǎn)動(dòng)。一旦目標(biāo)超過(guò)這個(gè)范圍，就無(wú)法做到誤差收斂，導(dǎo)致丟失。

這就需要一臺(tái)低精度的雷達(dá)”小秘“作為輔助，它的波束會(huì)更窄。被測(cè)目標(biāo)在觀察范圍內(nèi)時(shí)，能獲得有效的反饋電壓實(shí)現(xiàn)自跟蹤，將目標(biāo)角度信息縮小到1度以內(nèi)。一旦捕獲目標(biāo)，就可以通過(guò)跟蹤誤差獲得的反饋電壓，推動(dòng)雷達(dá)天線隨著目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，要想找到目標(biāo)，有了這個(gè)輔助裝置，再想要逃出“雷達(dá)的手掌心”可就沒有那么容易了。

“USB雷達(dá)”在S波段統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)中主要完成目標(biāo)航天器的跟蹤功能。我國(guó)有自己建立的USB測(cè)控體系，包括地面測(cè)控站和部署在大洋上的遠(yuǎn)望號(hào)測(cè)控船，以便實(shí)時(shí)測(cè)量火箭和飛船的飛行狀態(tài)。目前我國(guó)的測(cè)控站點(diǎn)分別分布在酒泉、天津、青島、廈門、渭南、智利等地。

但是任何一個(gè)地面站都不可能隨時(shí)與被跟蹤航天器構(gòu)成通信鏈路，根據(jù)被跟蹤航天器的飛行軌道和地面站的布站位置不同，在某個(gè)飛行圈次，與一個(gè)地面站的通信時(shí)間一般在3～8分鐘之間。為了提升測(cè)控系統(tǒng)的覆蓋能力，需要在地球表面適當(dāng)?shù)奈恢么蠓秶牟贾孟喈?dāng)數(shù)目的測(cè)控站。但是受地域和安全等客觀條件的限制，不可能無(wú)限增加地面測(cè)控站的數(shù)量，大量使用海上測(cè)量船代價(jià)又太高。為了擴(kuò)大跟蹤范圍，將測(cè)控站搬到同步定點(diǎn)衛(wèi)星上，中繼衛(wèi)星一般位于地球同步軌道，覆蓋范圍廣，通過(guò)遙測(cè)，對(duì)航天器的信號(hào)中繼后轉(zhuǎn)發(fā)回地面測(cè)控站。

中繼衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸容量大、傳輸速度高，將天地傳輸從“羊腸小道”變成“高速公路”。測(cè)得準(zhǔn)，才能控得準(zhǔn)，才能維持地面站和航天器之間可靠的通信鏈路，因此中繼衛(wèi)星重要性不言而喻。

我國(guó)航天測(cè)控網(wǎng)發(fā)展

我國(guó)網(wǎng)絡(luò)通信研究院自主研制的天鏈一號(hào)地面終端站，新建的多套固定站、車載站、便攜站和升級(jí)改造后采用高階調(diào)制、高效編碼等技術(shù)的衛(wèi)星通信設(shè)備的硬件及軟件，共同組成的航天測(cè)控系統(tǒng)，足夠的衛(wèi)星通信傳輸能力，可以滿足載人空間站長(zhǎng)期在軌運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

想和航天員們電話視頻聊個(gè)天？還想聽個(gè)“太空網(wǎng)課”？那都不叫事，你就說(shuō)說(shuō)咱的測(cè)控系統(tǒng)的業(yè)務(wù)能力是不是杠杠的。現(xiàn)如今能去太空上班是最令人羨慕的“出差”，然而讓人羨慕的背后卻有太多的艱辛，每一次發(fā)射任務(wù)成功的背后，都是無(wú)數(shù)航天科研人員日復(fù)一日地堅(jiān)持。那些聽起來(lái)很平常的穩(wěn)定跟蹤正常的口令，實(shí)現(xiàn)是十分不易的，每一次的發(fā)射任務(wù)不到最后一刻誰(shuí)也無(wú)法真正的放心，每一個(gè)任務(wù)關(guān)鍵點(diǎn)的成功與否，都可以決定著航天器未來(lái)的“前途”是否一片光明。

我國(guó)航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展意義重大，它彰顯著中國(guó)科技更進(jìn)一步的飛越，是人類科技發(fā)展的未來(lái)。未來(lái)航天事業(yè)的發(fā)展，是星辰大海的浪漫征途，更是荊棘叢生的漫漫飛天路。但只要一代代平凡而又偉大的“航天筑夢(mèng)人”不放棄，就一定可以完成我們“中華民族的飛天夢(mèng)”。