了解下航天測控系統(tǒng)

中央廣播電視總臺對火箭發(fā)射過程進(jìn)行了全方位的跟蹤報道，直播火箭發(fā)射畫面中航天員們在艙內(nèi)比“ok”手勢反饋狀態(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！”“遙測信號正?！薄?br />
興奮之余你是否會生出一連串的疑問：發(fā)射過程中，速度和距離不斷變化的前提下，如何精準(zhǔn)追蹤目標(biāo)？遙測信號是什么？USB雷達(dá)又是什么？

帶著這些疑問，我們首先一起來了解下“航天測控系統(tǒng)”。

航天測控系統(tǒng)組成

航天測控系統(tǒng)按照功能分為以下子系統(tǒng)： 跟蹤測量系統(tǒng)：跟蹤航天器，測定其彈道或軌道。能精準(zhǔn)跟蹤航天器是實現(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)控站需要時時刻刻地監(jiān)測航天器的一舉一動。

遙測系統(tǒng)：遠(yuǎn)程測量、傳送航天器內(nèi)部的工程參數(shù)和用敏感器測得的空間物理參數(shù)。

遙控系統(tǒng)：通過無線電對航天器的姿態(tài)、軌道和其他狀態(tài)進(jìn)行控制。

計算系統(tǒng)：用于彈道、軌道和姿態(tài)的確定和實時控制中的計算。 計算系統(tǒng)是整個測控系統(tǒng)的核心，要求大容量，速度高的計算機(jī)，經(jīng)過計算、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。各個測控站將本站數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，集中到測控中心來進(jìn)行分析和做出控制決策。

時間統(tǒng)一系統(tǒng)：保證整個測控網(wǎng)的時間同步。 在航天活動中，各測控站所獲取、記錄的測量數(shù)據(jù)和時間必須有嚴(yán)格統(tǒng)一的同一時間標(biāo)準(zhǔn)才能對他們進(jìn)行分析和處理。10秒點(diǎn)火倒計時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)。實際上倒計時程序還有最后2小時、1小時、30分鐘，各個系統(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作按時間程序化，做到“萬無一失”。

顯示記錄系統(tǒng)：顯示航天器遙測、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，溝通各個系統(tǒng)之間的信息，實現(xiàn)指揮調(diào)度。

各系統(tǒng)之間通過通信網(wǎng)絡(luò)相互聯(lián)接、相互協(xié)作、相輔相成構(gòu)成了一個完整的航天測控系統(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？

“遙測信號正?！北砻骰鸺\(yùn)行的參數(shù)在理想的范圍內(nèi)。 遙測是一種自動通信過程，航天測控系統(tǒng)通過遙測方式可以將無法直接訪問的測量數(shù)據(jù)傳送到測控站，從而實現(xiàn)對被測目標(biāo)的測量和監(jiān)測。 火箭發(fā)射升空后，火箭內(nèi)部的數(shù)據(jù)只能通過遙測系統(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)問題，遙測數(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?！钡囊馑季褪菧y控系統(tǒng)在一段時間內(nèi)連續(xù)鎖定了目標(biāo)。 這里的“USB”是指“S波段統(tǒng)一測控系統(tǒng)”（Unified S Band System)的簡稱，該系統(tǒng)主要實現(xiàn)對航天器的跟蹤、遙測和通信等功能。

“雷達(dá)”可以獲取目標(biāo)的位置和運(yùn)動參數(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，分別完成對被測目標(biāo)的距離，方位和仰角的自動跟蹤。實現(xiàn)這個跟蹤過程，需要在雷達(dá)和被測目標(biāo)之間建立閉環(huán)反饋控制。

例如：雷達(dá)要獲得監(jiān)測目標(biāo)的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，需要經(jīng)過雷達(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且彼此部分重疊，真正對目標(biāo)有用的，正是信號疊加的中間部分。當(dāng)雷達(dá)自動跟蹤一個目標(biāo)時，如果監(jiān)測目標(biāo)處在兩波束交疊軸OA方向，收到的信號強(qiáng)度相等。換言之當(dāng)兩個波束收到的回波信號相等時，等信號軸所指方向即為目標(biāo)方向。

某一瞬時因目標(biāo)運(yùn)動到一個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產(chǎn)生一個夾角，稱為角誤差。

角誤差使天線系統(tǒng)有誤差信號輸出（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，角誤差即θ′，波束2的回波較波束1的回波弱，因此比較兩個波束回波的強(qiáng)弱就可以判斷目標(biāo)偏離等信號軸的方向），接收機(jī)對誤差信號進(jìn)行放大和變換后送到天線的方位、仰角驅(qū)動放大器的輸入端，經(jīng)功率放大后控制方位、仰角驅(qū)動電機(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)對目標(biāo)的角坐標(biāo)自動跟蹤過程。

但實際上要實現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤，被測目標(biāo)需在一定范圍內(nèi)，生成的誤差才可以生成反饋信號推動天線轉(zhuǎn)動。一旦目標(biāo)超過這個范圍，就無法做到誤差收斂，導(dǎo)致丟失。

這就需要一臺低精度的雷達(dá)”小秘“作為輔助，它的波束會更窄。

被測目標(biāo)在觀察范圍內(nèi)時，能獲得有效的反饋電壓實現(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)，就可以通過跟蹤誤差獲得的反饋電壓，推動雷達(dá)天線隨著目標(biāo)的運(yùn)動而運(yùn)動，要想找到目標(biāo)，有了這個輔助裝置，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)一測控系統(tǒng)中主要完成目標(biāo)航天器的跟蹤功能。 我國有自己建立的USB測控體系，包括地面測控站和部署在大洋上的遠(yuǎn)望號測控船，以便實時測量火箭和飛船的飛行狀態(tài)。目前我國的測控站點(diǎn)分別分布在酒泉、天津、青島、廈門、渭南、智利等地。

但是任何一個地面站都不可能隨時與被跟蹤航天器構(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，在某個飛行圈次，與一個地面站的通信時間一般在3～8分鐘之間。為了提升測控系統(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)目的測控站。

但是受地域和安全等客觀條件的限制，不可能無限增加地面測控站的數(shù)量，大量使用海上測量船代價又太高。為了擴(kuò)大跟蹤范圍，將測控站搬到同步定點(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，通過遙測，對航天器的信號中繼后轉(zhuǎn)發(fā)回地面測控站。

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。

我國航天測控網(wǎng)發(fā)展

我國網(wǎng)絡(luò)通信研究院自主研制的天鏈一號地面終端站，新建的多套固定站、車載站、便攜站和升級改造后采用高階調(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期在軌運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆Ｏ牒秃教靻T們電話視頻聊個天？還想聽個“太空網(wǎng)課”？那都不叫事，你就說說咱的測控系統(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，都是無數(shù)航天科研人員日復(fù)一日地堅持。那些聽起來很平常的穩(wěn)定跟蹤正常的口令，實現(xiàn)是十分不易的，每一次的發(fā)射任務(wù)不到最后一刻誰也無法真正的放心，每一個任務(wù)關(guān)鍵點(diǎn)的成功與否，都可以決定著航天器未來的“前途”是否一片光明。

我國航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展意義重大，它彰顯著中國科技更進(jìn)一步的飛越，是人類科技發(fā)展的未來。未來航天事業(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“航天筑夢人”不放棄，就一定可以完成我們“中華民族的飛天夢”。

審核編輯：劉清