航天器测控技术

　　为了保证航天器在轨道上正常工作，航天器必须不断将有关信息向地面报告，地面必须依靠所建立的测控系统对航天器进行遥测、遥控、跟踪和通信。为此，除了航天器上应载有测控设备之外，还必须在地面建立测控（包括通信）系统。地面测控系统由分布全球各地的测控台、站及测世船组成。这些台、站和船上通常配备有精密跟踪雷达、光学跟踪望远镜、多普勒测速仪、遥测解调器、遥控发射机、电子计算机、通信设备等。  <p>　　测控系统或测控网是发展航天事业的重要技术基础设施，其发展经历了从地面建网到建立天基测控网的过程。70年代以前，为了提高轨道覆盖率，美国和前苏联都追求全球布站， 70年代后，两国都重点转向发射跟踪和数据中继卫星，建立天基测控网，以便减少地面台、站的数量，减少地面支持费用，并完善测控手段。  </p><p>　　美国为了执行“水星”、“双子星座”和“阿波罗”飞船的载人空间飞行，除60年代中期原有的卫星跟踪和数据采集网（STADAN）外，建立了一个载人空间飞行网（MSFN）。该网包括一个任务控制中心、13个地球跟踪站、5 艘海上测量船和8架测量飞机，并将原来的分散体制改进为跟踪、测距、指令、遥测、话音合一的S波段统一体制。 1972年“阿波罗”计划完成后，航宇局鉴于STADAN、MSFN两网重复的台站多，维持费太高，因而将两网合并，改名为航天跟踪和数据网（STDN），将原23个陆地站减少到16个，保留一艘“先锋”号测量船和几架测量飞机，用于近地轨道卫星、载人飞行、高轨道、偏心轨道和地球M步轨道卫星的测控支持。  </p><p>　　美网虽有全球布站的测控网，但对载人飞行，轨道覆盖率仅15％。从1975年起便开始研制“跟踪和数据中继卫星”（TDRS）。这是一种转发地球站对处于低中轨道上的航天器的跟踪测控信号和中继从航天器发回地面的信息的通信卫星。 TDRS一1于1983年入轨，该卫星装有7副不同类型的天线，可同时使用S、C和Ku频段，传输数据速率高达300兆比特／秒。在TDRS一2随“挑战者”号航天飞机爆炸后，1988年、1989年又发射成功TDRS一3和TDRS一4。 TDRS～4将取代TDRS一1，这样只需要两颗卫星与新墨西哥州的白沙地球站即组成了天基测控网，近地轨道覆盖率可达85％。  </p><p>　　美国宇航局计划研制的下一代跟踪与数据中继星（ATDRS）将设有4个单通道天线，同时还将增加多通道天线的能力。增加8波段多通道联络就可减少8波段和Ku波段的单通道联络。一种方案就是在轨道上设置2颗跟踪与数据中继卫星，同时使用位于美国东海岸的第二个地面站，这样可大大减少卫星覆盖的遗漏面积。  </p><p>　　前苏联的近地轨道测控网共有11个跟踪站（主动段配5个站，轨道运行段6个站），11艘海上测量船和多架测量飞机，布设在大西洋、中美洲、印度洋、澳大利亚和南非海域之间。1985年前苏联发射了“射线”号中继卫星，为后来发射的“和平”号空间站服务。由此前苏联的测控网也开始从地面多站转向天基测控网。  </p><p>　　除美国和前苏联外，西欧和日本也计划在90年代发射跟踪和数据中继卫星，以便建立起自己的天基测控网。  </p><p>　　无论是地面测控网，还是天基、空基与地基相结合的测控网，其主要任务都是为了对航天器进行遥测、遥控、跟踪与通信，由于数据传输的重要性，现在又将数据传输系统作为测控网的一个重要组成部分。  </p><p>　　一、遥测  </p><p>　　航天器在轨道上飞行的时候，必须把各部件的工作情况，如姿态是否符合要求，电源供给是否适当，仪器工作是否正常，内部温度是否合适等，及时告诉地面。同时，那些负有特殊使命的卫星，还必须将获取的信息及时向地面报告。在无线电遥测中，多路信息综合后送入发射机进行载波调制，再经发射天线发射出去。在接收端，接收机接收传输的无线电波，并完成载波解调，再经分路设备把输出的各路信号送入计算机进行记录处理。其系统原理如图测控技术所示。  </p><p>　　遥测系统一般分为“实时遥测”和“延时遥测”两种。如果无线电遥测系统在测量参数的同时，就把测量的量值传输到地面站，称作“实时遥测”。如果航天器在地面的接收范闲以外，遥测资料不能实时传送回来，先由航天器上的磁记录器或存贮器件把所测数据存贮起来，待航天器进入地面站接收区时，快速地把已存贮的数据传送下来，这便是“延时遥测”。为解决航天器的实时遥测和实时通信，可按航天器的轨迹，在全世界范围内布置一系列地面站，如美国配合载人飞行计划设立了一批国外地面站和海洋观测船。我国的几颗卫星遥测系统都有延时遥测部分。在航天器的回收舱内可设置磁记录仪器，记录被测的各种参数，待回收后加以处理利用。  </p><p>　　二、遥控  </p><p>　　航天器在轨道上飞行的时候，地面往往要求它完成某些动作，如自旋稳定卫星的起旋，磁记录器的记录和放出，返回式卫星的返回动作等等。地面就是通过无线电遥控设备来发送这些命令的。  </p><p>　　三、跟踪  </p><p>　　由于运载火箭控制系统不可能绝对精确，航天器也就不可能一点没有偏离地进入预定的轨道。因而，航天器进入轨道以后，地面就要测出它的实际飞行轨道。另外，在干扰力的作用下，航天器轨道会逐渐发生变动，地面也需要随时知道它的变动情况。测定航天器轨道参数的任务由跟踪设备来完成。目前常用的跟踪方法有无线电跟踪和光学跟踪两种。用光学方法跟踪测轨要受到天气条件的限制。使用无线电电测轨法，只要频率、功率等选择适当，航天器飞经地面站上空，就可以对它测轨。由于使用无线电电测轨法所受的限制条件较少，故而该测轨法是目前航天器测轨的主要手段。现在，使用全球定位系统（GPS）能顺利地对航天器进行跟踪及测轨。  </p><p>　　四、通信  </p><p>　　通信系统用于保持航天器与地面的联系，特别是在载人航天飞行时，地面必须与在轨道上飞行的航天员进行通信联系、传输电话或电视。这一任务现已由中继卫星与地面通信站来完成。  </p><p>　　五、数据传输  </p><p>　　在对航天器的遥测、遥控、跟踪和实现航天器与地面之间的通信过程中，有大量数据需要传输，因此数据传输系统便成为航天器测控的重要子系统。跟踪和数据中继卫星的主要任务是数据传输，它们可作为航天器典型的数据传输系统。 </p><p>　　来源：国家数字文化网</p><br />