载人航天测控与医学监测

在载人航天中,为了确保航天员生命安全和飞行任务的实现,飞行中的航天器 环境和工作状态、航天员的身体健康状态和工作情况都应进行监测和控制。载人航天测控网 就是为此而设置的。它对航天器的发射、轨道运行、再入和返回以及航天员的医学监督与保 证,实施支持和监控。 <p>　　</p><h2>一、载人航天测控网的任务</h2><p>　　载人航天测控网是实现载人航天的重要技术保障系统,承担着对载人航天器进行测量、跟 踪 和控制,对航天员进行医学监督等多种任务。它是由诸多地面测控台站联成本体的网络系统 。 由于载人飞行的特殊性,因此载人航天测控网要比卫星测控网的要求更高。这主要表现在要 求轨道覆盖率高、下行数据传输率高、安全控制的可靠性高、测控与跟踪目标多而功能全、 与航天员之间要保持长时间通信等。因此,载人航天测控网应该具备以下几方面的功能: </p><p>　　(1)对载人航天器提供全轨道、全天候的跟踪、测轨、测姿和控制; </p><p>　　(2)提供实时的通信联络,包括电话、电报、电视和图像,并具有应急通信和呼救的能力; </p><p>　　(3)对航天器内的工作环境和状态、对航天员身体与工作状态提供实时或延时监测，并具有 指令干预的能力; </p><p>　　(4)提供多个飞行目标的监控,如交会、对接、变轨、分离以及人出舱活动的测量、跟踪 、通信和干预; </p><p>　　(5)提供载人飞行时的地、空观测、科学实验和空间生产等各种数据、指令传送和技术支援 。 </p><p>　　</p><h2>二、载人航天医学监测与测控系统</h2>为保障航天员的安全和飞行任务的完成,载人航天测控系统应该在飞行的任何地区、任何时 间,都能实时/延时、连续/间断地向地面指挥者提供航天器和飞行动力的各种关键性参数和 航天员 身体与工作状况的监测信息。在确定与建立载人航天测控系统时,应该从需求、技术先进性 和 现实性以及对航天员的医学监测特性着眼。因此,在设计与确立医学监测系统时，要考虑下 述三方面问题: <p>　　(1)从生理学角度出发,航天环境因素导致航天员在飞行中产生不同程度和种类的应激性反 应,这些反应程度和时间各异,但大都在飞行的初期,而后逐渐稳定在新的稳态水平。这样,在 飞行初期,设计与确立载人测控医学监测应该尽可能有较长时间和连续监测的手段。而在飞 行中期,则可定期监测以达到对航天员的监测目的; </p><p>　　(2)要注意临床疾病的发生和发展,航天中疾病的发生,一般在飞行的中后期,这是因为疾病发 生与病程发展有渐进特征。此外,航天中出现疾病，一部分来自地面检疫不严格,另一部分是 由 航天应激进而诱发的,而这种疾患通常表现为器官或系统的功能性障碍特点。对航天中发生 疾病的医学监测也应该做到实时和连续,如果病情较轻也可以采取延时和间断的监测; </p><p>　　(3)要从心理学角度考虑航天监测的需求,航天环境应激、过重的工作负荷可以导致精神和心 理紧张或失调,以致诱发疾病。因此,航天医学监测应该有心理上的监督内容与手段,这种监 测手段可以通过测控系统中定期的或间断的通信和生理数据,满足对航天员监督的目的。 </p><p>　　测控系统在建立医学监测的时候,应该充分满足医学信息的监测特性。用于载人航天医学监 测 的人体生理指标信息的信号十分微弱、阻源高、低频率低、且易受航天器内部电磁场和恶劣 的 外部环境以及人体自身活动等因素的干扰,因此要求测控系统在传送信息时的失真度越小越 好,应具有极高的可靠性与抗干扰能力。对航天员实施监督中,需要对医学监测指标进行实时 和连续监测。在医学监测指标多和信息量大的前提下,要求测控系统中的遥测通道具有足够 的容量和信息传输的速度。作为载人航天医学监测另一大特点,测控系统应具有与航天员直 接 通话和通报的能力,以及直接监视航天员行为和活动的手段。特别是一旦生理指标信息失真 或 遥测通道故障时,通话、通报和电视就成为重要的监测手段。因此,在测控系统中建立航天员 与地面联系的电话、电报和电视系统,保持飞行中的联络是必不可少的。 </p><p>　　</p><h2>三、载人航天测控通信网的发展</h2><p>　　在载人航天初期,美、苏等国是在人造地球卫星测控网的基础上来发展载人航天测控网系统 的。 </p><p>　　以美国为例,在其<em>水星号</em>载人飞船飞行时规定,飞船在轨道运行初期,载人航天测控 网与飞船联络的中断周期不得超过10分钟,飞船在每个地面站接收信息范围内,至少有4分钟 的遥测数据和通话时间。在以后的运行期中,地面测控网至少每小时与飞船联络一次。为达 此 要求,美国在沿飞船运行轨道的相应地球面,建立了由16个陆地测量跟踪站和3个海上测量跟 踪 船组成的载人航天测控网系统。该系统能满足来自每条运行轨道上的飞船所发信息的接收与 监控能力,分布的台站至少能接收来自2～３条运行轨道上的飞船信息,每个台站遥测和通信 时间平均大约5～１０分钟。根据计算,其测控的轨道覆盖率为10%～１５％,基本上做到每飞 行一圈都能在地面站上接收到来自飞船上的遥测和通信的信息。 </p><p>　　在<em>双子星座号</em>和<em>阿波罗号</em>飞行时,由于在轨道运行期间,航天员要执行出 舱活动、飞行器的交会、对接以及在月球上着陆等高难度的活动,故要求测控通信网能做到 实时而准确地提供数量较大的各种飞行参数、医学信息、通信和指令。为此,将原<em>水星 </em>计划使用的地面测控通信跟踪台站增加到25个,测控的轨道覆盖率可以达到25%。 </p><p>　　此后进行的<em>天空实验室</em>和航天飞机的飞行,由于任务的需求增加,飞行中要进行大 量的、多项目的空间试验,需要实时监测的参数增加,数据量较大。因此,原来的地基测控网 不能充分满足监测的需求,从而发展了<em>跟踪与数据中继卫星系统</em>(TDRSS)这一天基 测控网,它可使测控通信网的覆盖率提高到50%～８５％。对飞行中的航天员进行监测的内容 和项目以及实时性和连续性提高了很多,达到了实时而有效的监测目标。 </p><p>　　前苏联的载人航天测控通信网的建设也类似于美国。在初期,它由国内的13个陆基跟踪台站 、 海上的11艘测量船只及多架测量飞机组成,其近地轨道飞行的测控通信覆盖率在15%～２０％ 。在后来的<em>联盟号</em>飞行中,基本上做到在每圈15小时飞行期间,飞船与地面测控 站的遥测和通信就有5～１０分钟的时间监测航天员的身体和工作活动状态。 </p><p>　　欧空局虽然尚未执行载人航天计划,但是已计划建立一个载人飞行的控制中心和8个分布在全 球范围内的台站,预计在近地轨道飞行时,飞行器进行交会、对接任务,其轨道测控通信覆盖 率可达到20%以上。 </p><p>　　</p><h2>四、载人航天医学监测</h2><p>　　航天中的医学监测包括监测的内容与指标、手段与方式以及为监测所用的设备等。 </p><p>　　监测的内容与指标的选择,应该根据不同的监测目的和飞行任务来确定。飞行中的医学监测 就是监测航天员的生理功能状态和工作状况,通过所选定的指标来确定航天员所发生的变化 是正常的还是不正常的。航天中的医学监测指标分二类,一类为实时医监指标，它用于判断 航天员身体状况的生理功能指标；另一类为延时的医学监督指标,用于观察和研究失重环境 下对机体的影响。前者要求信息能迅速地通过测控网系统传到地面,供医监人员作实时判断 或预测;后者的一部分信息延时传至地面,供医监人员判断,剩余部分则待航天器返回地面后 供研究用。为配合和辅助航天飞行的医学监测,还采用了与航天员通话、电报以及电视图像 的非生理功能指标。美苏历次载人航天医学监测的实践表明,通话和电视这种医监指标,对了 解航天员身体状态和工作活动判断与评价起着重要的辅助作用。现将美苏各型号载人航天飞 行中的医学监测指标列于表中。 </p><p>　　由表中看出,随着航天技术 </p><p>　　航天中医学监测指标 </p>国别 载人航天器名称 监测生理指标 观察(研究)指标 其它 美国 水星号 心电图(心率)、呼吸、体温、血压 通话、电报、电视 双子星座号 心电图(心率)、阻抗、呼吸、体温、血压 心音图、脑电图 通话、电报、电视 阿波罗号 心电图(心率)、阻抗、呼吸、体温、血压 通话、电报、电视 天空实验室 心电图(心率)、阻抗、呼吸 心音图、眼球震颤、肢体容积 通话、电报、电视 航天飞机 心电图(心率) 超声心动图 通话、电报、电视 前 苏 联 东方号 心电图(脉率)、呼吸 心动图、眼动图、皮肤电 通话 上升号 心电图(脉率)、呼吸、心震图 脑电图、肌电、眼动、运动协调 通话 联盟号 心电图(脉率)、呼吸、心震图 眼动、肌电、静脉图 礼炮号 心电图(脉率)、呼吸、心震图 动脉压、超声心动图、股动 脉图 <p>　　的发展、飞行任务型号的差别,以及多次载人航天实践经验,航天中的 医学监测指标选择有所变化,由原来的多指标、多目的，简化到力求精简、有效和实用,如 航天 实时医监用的,已减少到以心电图为主,适当地辅以脉博、心率、呼吸、体温和血压以及心 图 等指标。而作为航天飞行的医学研究指标,则相应地有所增加,除继续深入提供必需的生理指 标外,还增加了了解机体内环境状态的生物化学指标。 </p><p>　　监测的手段通常采用生理数据的遥测和无线电通话、通报,监测的方式则要取决于具体飞行 任 务和不同的飞行阶段。飞行中的指标信息监测采取连续和定期两种方式。一般来说,对监测 身 体健康状况和生命安全的重要指标采取连续监测,例如心电图及其衍变出的心率指标。其他 类 型指标,如呼吸、体温和血压等,则视飞行任务的需要,可以采取连续或间断监测。在监测生 理 指标的同时,航天器舱内的重要环境参数和飞行参数,如舱压、舱温、氧分压、运行轨道、高 度 、位置、时间等,也随之监测,以利对航天员身体和工作状况的评价和判断。飞行中的航天员 通话 和其工作图像,采取了定期和间断的方式进行信息的交换和传送。在飞行中怎样对各种指标 进 行监测,这要考虑飞行不同的阶段、条件、任务要求,以及航天员监督的特点来设置。在飞行 的 主动段和返回段,由于恶劣而危险的飞行环境条件,加之航天员身体与心理上的强烈应激,为 确保航天员安全,应该采取连续监测的方式。在轨道运行段,可视任务的需求和指标监测特性 ,可采取连续或间断方式。例如,心电图可以每10分钟采集一次数据,每10分钟记录一分钟,呼 吸率以3分钟为一采集周期,血压和体温可以定期间断采集数据。当航天员从事高负荷工作和 运动以及出舱活动时,应进行连续而实时的心电图、心率以及呼吸或体温监测。在多人座的 航天中,监测采取了定期和轮换的方式,主要航天员实行连续和定期监测,其他成员为间断和 定期监测。如每一小时监测3～５分钟,将此信息压缩传送至地面。在长期的多人座的航天中 (飞行10天以上),航天员可自行戴上或取下装有传感器和放大装置的肩带,每个航天员定期和 轮换地监测不同的生理指标,早、中、晚各一次。如果是为了动态监测生理指标变化全过程, 则必须实施连续 监测,其信息可先贮存在飞船上的磁记录器内待以后传送至地面,也可以选择重点关键性指 标, 直接实时传送至地面。飞行中通话应该是不间断的,但也可在某个时期采取间断定期方式,然 而最基本的要求是飞行中的每圈应与航天员通话一次,每次约3～４分钟。至于航天中的电视 图像监测,一般采取实时领空方式,当航天器飞经测控网台站的领空时,即向下传送航天员生 活与工作活动的图像。 </p><p>　　</p><h2>五、医学监测中的几个问题</h2><p>　　30余年的载人航天测控的医学监测实践,为人们提供了宝贵的经验与启示,但有一些问题还需 要进一步探讨,以利载人航天的发展。 </p><p>　　首先,应该看到载人航天测控通信网是载人航天系统中的重要组成部分,为了确保航天员安全 ,要求测控通信网尽可能提供高的轨道测控覆盖率。而轨道测控覆盖率的确定,既与具体飞行 任务密切相关,同时又受多种因素的制约。对于医学监测需求来说,当然测控覆盖率越高越好 。 但是这应该根据飞行任务要求及载人航天的不同阶段和时期,合理地提出测控覆盖率。美苏 载人 航天经验告诉我们,航天时的事故率有90%以上发生在主动段和返回段,为此在这期间应及时 了解和处置航天器意外事故、准确测定轨道及预报着陆地点,要求测控通信网能满足连续监 测、 跟踪与通信,有高的覆盖率。而在轨运行段所发生的事故率极低,所以测控覆盖率可低于前者 。 但是在轨道飞行期间要求预报飞行轨道及姿态，监测飞行器各主要系统的工况,监测航天员 的 生理和心理状况,当有危及航天员安全的故障时,则应在较短时间内与地面取得联系和支援, 因此保证在轨道运行段的测控通信覆盖率在15%～２０％也是应该的。 </p><p>　　其次是医学监测在载人航天测控系统中的地位问题。毋庸置疑,载人航天中医学监测是测控 通信 网中的重要组成部分。合理选择医学监测内容、指标与手段,科学地安排监测方式是保障航 天 员安全,提高系统效率的重要措施。采用生理指标和通话通报是监测的重要手段。其中生理 指 标信息数据,在判断与预测航天员身体健康状态方面是极为有效的。而飞行中的通话作用除 了航天员 正常与紧急情况的活动、帮助其缓解和克服心理上不良状态,及提供有效的应急措施的指令 外 ,还作为对生理指标变化的判断和(一旦生理指标信息缺乏时)人体状态判断辅助之用。特别 是 作为航天器系统故障预报和判断时,提供给地面指挥员制定决策将起不可忽视的作用。因此, 测控通信网中的通信手段是载人航天医学监测的重要措施。 </p><p>　　第三,合理确定飞行中的监测方式和时间,这是涉及到航天员安全和任务能否完成的问题。不 求实际地过高要求监测方式和时间,不仅增加技术实现难度,也增加投资,如果轻视监方式和 时间,则会带来不安全性,二者均不可取。根据美苏载人航天实践经验,在确保航天员安全 和预定飞行任务完成前提下,可以根据不同任务、不同飞行阶段和不同时期,提出合乎实际需 要的监测方式和时间。一般认为,航天器在发射和入轨后最初数小时,以及返回再入前、后应 该 实施连续监测,其中保持与航天员通话尤其重要。当航天器在轨正常运行时，可以采取间断 或定期监测。这种监测模式是在每圈近90分钟运行中,至少应向地面测控台传送生理指标遥 测信息一次,地面指挥人员与航天员通话一次,时间3～５分钟。一旦航天器发生紧急故障或 者航天员出现危象,测控通信网应该有能力立即进行通话联系,并且以电报作为通话失灵时的 冗余手段。</p><br />