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1 現代衛(wèi)星測控功能及組成
衛(wèi)星測控的主要任務是對衛(wèi)星從發(fā)射入軌到長期在軌運行，對其進行全面有效的跟蹤測量與控制，包括對衛(wèi)星進行跟蹤、測軌、星歷計算、軌道預報和保持及對衛(wèi)星平臺和有效載荷的參數、工作狀態(tài)進行監(jiān)視和控制。衛(wèi)星測控通常采用S、C頻段，由跟蹤測軌、遙測、遙控與通信等功能單元組成，分為空間段和地面段�？臻g段又稱星載測控分系統(tǒng)或跟蹤遙測指令分系統(tǒng)(TT&C)，包括遙控終端、遙測終端、測控數據應答機、天線及星載GPS 等部分。地面段包括測控站和測控中心，如圖1、2 所示。
空間段向地面段實時發(fā)送遙測信號，同時接收地面段的遙控指令或自主調整工作參數，使衛(wèi)星工作在最佳狀態(tài)。主要任務有以下幾個。
(1 )協(xié)同地面段或者自主地對衛(wèi)星進行跟蹤、測軌、姿態(tài)測定、以及軌道的短期和長期預報；
(2 )實時的或延時的將衛(wèi)星平臺以及有效載荷的工作參數傳給地面段，使地面段了解衛(wèi)星的工作狀態(tài)；
(3 )接收地面段發(fā)送的上行遙控開關指令或注入數據，經處理后分發(fā)到星上相應設備以實現開關控制或數據更新；
(4 )自主地或在地面段上行時統(tǒng)信號的校正下，生成星上時統(tǒng)信號，以協(xié)調星上設備的工作；
(5 )向地基測控站提供引導信標信號；
(6 )衛(wèi)星向地面測控站發(fā)送星載GPS接收機信息，作為衛(wèi)星定軌的輔助手段。
地面段接收衛(wèi)星的遙測信息，監(jiān)視衛(wèi)星的工作情況，并向空間段發(fā)送遙控指令。
地面段按不同的職能又分為工程測控和業(yè)務測控兩部分。工程測控是對衛(wèi)星軌道、姿態(tài)的長期保持和控制以及對衛(wèi)星平臺工作狀態(tài)的長期監(jiān)視、管理等；業(yè)務測控是對衛(wèi)星有效載荷的長期運行管理。
P r o t e u s 平臺的測控系統(tǒng)遵從空間數據系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)關于頻率分配的規(guī)定，采用S 頻段；數據傳輸率：上行為4kbit/s，下行為10～613kbit/s；射頻采用兩種調制體制：遙測用QPSK，遙控用PM/BPSK。測控系統(tǒng)在平臺中央計算機發(fā)生故障的情況下，也能自行解碼并直接執(zhí)行遙控命令。平臺用GPS接收機定軌并接收GPS 的時統(tǒng)信號。
“資源一號衛(wèi)星”首次在衛(wèi)星上采用星載數據管理系統(tǒng)和S波段統(tǒng)一測控系統(tǒng)。
2 現代衛(wèi)星測控技術
隨著衛(wèi)星通信事業(yè)的不斷發(fā)展，大量的衛(wèi)星的升空，特別是衛(wèi)星星座系統(tǒng)的出現，利用我國現有的C頻段和S 頻段兩大地面骨干測控網，遠遠不能解決航天事業(yè)的發(fā)展對測控精度、測控覆蓋能力、高數據率提出的新要求。
目前國外提高衛(wèi)星測控能力的措施主要有以下幾個。
提高衛(wèi)星的自主測控能力：衛(wèi)星采用采用的技術有自主導航、軟件無線電、光電儀器等技術，從而減輕地面測控網的負擔。
采用較高的測控頻率：繼S、C頻段成為統(tǒng)一載波測控頻段后，Ka 等高頻段也將加入測控行列，具有提高測控速率、減小天線尺寸、更強的抗干擾能力等特點。
采用C D M A 擴頻測控技術：Globalstar、Aries 和Odyssey 以及美國的跟蹤與數據中繼衛(wèi)星系統(tǒng)T D R S S 中都應用了C D M A 技術。CDMA技術可以將擴頻技術和加密技術結合，實現對衛(wèi)星通信和遙測信息的加密，提高衛(wèi)星的安全性和抗干擾能力。
測控網絡互連：將已經建立的專業(yè)測控網，如美國NASA 局的衛(wèi)星跟蹤與數據采集網STADAN、深空網DSN等，互連為一個開放式的大測控網絡，實現測控資源的共享。
開發(fā)已有系統(tǒng)的功能：全球星定位系統(tǒng)GPS 及俄羅斯GLONASS 提供了新型“星基”衛(wèi)星測控資源。利用空間運行的導航衛(wèi)星測距、測速信息，并采用若干相關技術(例如GPS 差分、載波相位測量、GLONASS兼容接收、高動態(tài)信號快捕、窄相關以及動態(tài)解模糊等)之后，即可實現對中、低軌道衛(wèi)星航天器的高精度定軌，這種測量同樣不受地面測控站地理布局的限制。
3 現代衛(wèi)星測控體制
測控系統(tǒng)是地面測控網、星載測控設備的集合。目前國內外對航天進行的測控基本體制有地基測控、天基測控、自主測控以及組合測控體制。
3.1 地基測控
最早采用的測控體制。測控設備以及數據處理集中于地面，測控精度高。但其布站受限，測控覆蓋率低，一般不超過15%。
3.2 天基測控
由于地面測控站在中低軌衛(wèi)星的測控中存在觀測弧段短、維護費用高、利用率低等缺點，國際上測控體制開始從地基向天基過渡，以提高測控覆蓋率。1983 年4 月，美國國家航空航天局(NASA)建成跟蹤與數據中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(TDRSS)。TDRS中繼衛(wèi)星相當于把地面上的測控站移到了3 5 7 8 6 k m 高度的地球靜止軌道，兩顆TDRS 衛(wèi)星和地面上單個測控終端站所組成的TDRSS系統(tǒng)，可以實現對軌道高度約2 0 0 k m 的飛行器8 5 % 覆蓋， 對所有軌道高度約1200~12000km 近地軌道飛行器可實現1 0 0 %的連續(xù)跟蹤覆蓋。目前美國、俄羅斯、歐洲航天局均建立了各自的天基測控網，我國的TDRS 也在建設中。天基測控的優(yōu)點是可對3 6 0 0 0 k m 高度以下的衛(wèi)星實行全天候、全天時的測控，并通過TDRS 可以實現衛(wèi)星與地面網的雙向通信。其不足之處是，對于衛(wèi)星的上升段和返回段不能進行測控和通信；TDRS本身也離不開地面跟蹤站的測控和支持。這種測控體制已在美國航天飛機的測控中被多次應用。
3.3 自主測控
深空探測和星際航行的衛(wèi)星，其測控需要實現高度的自主，軌道的測量和航向的控制主要由衛(wèi)星自身完成。一些微小衛(wèi)星亦采用自主測控的體制。這種測控體制由衛(wèi)星自身的設備進行其軌道測量、姿態(tài)測量和相應的制。如英國薩瑞大學U o S A T微衛(wèi)星平臺系統(tǒng)就采用GPS 進行軌道和姿態(tài)的自主測量和控制。自主測控的特點是不依靠地面支持； 測控覆蓋率高；實時性高。其缺點是無法應對衛(wèi)星故障，衛(wèi)星遙測遙控數據的傳輸仍需地面網支持。
3.4 組合測控
為了保證對衛(wèi)星測控的實時性和可靠性，在目前的衛(wèi)星測控中，大多采用兩種測控體制的組合：如地基測控和天基測控的組合；地基測控和自主測控的組合；無線測控和激光測控以及慣導控制的組合等。組合測控體制彌補了單一測控體制的不足，提升了測控的性能。組合測控的優(yōu)勢是可以達到全程測控覆蓋，以及兩種或多種單一測控體制的優(yōu)勢互補。
現代衛(wèi)星多采用一箭多星發(fā)射方式，且相互協(xié)作組網工作，使測控具有過境時間短、多顆星同時過境的特點，因此現代衛(wèi)星的測控模式要求采用一種高效、低費的測控模式。新的測控體制必須具有多星同時測控和衛(wèi)星長期管理、測控費用低廉、覆蓋率高的特點。從這一點上看，建立天基測控網是一種有效的解決途徑，雖然技術難度較大，一次性投資高，但是能從根本上解決現代衛(wèi)星的測控問題。
4 現代衛(wèi)星的運載和發(fā)射技術
運載火箭是由多級火箭組成的，能夠把人造地球衛(wèi)星、載人飛船、航天站或空間探測器等有效載荷送入預定軌道的一種航天運輸工具。
根據地理環(huán)境不同，現代衛(wèi)星的運載發(fā)射可以分為從地面固定發(fā)射場發(fā)射、在空中發(fā)射、從海上平臺發(fā)射等3 種方式。
(1)地面發(fā)射：此方式受地理環(huán)境因素制約很大。美國的肯尼迪航天發(fā)射中心、歐洲的庫魯航天發(fā)射中心(設在南美洲東北海岸)、前蘇聯(烏克蘭)的拜科努爾發(fā)射中心、中國的西昌、酒泉、太原發(fā)射中心都是比較著名的發(fā)射站。
(2)空中發(fā)射：1986年美國軌道科學公司首先提出了從空中發(fā)射火箭的設想。1990 年4 月5 日，美國首次用改裝的B-52 轟炸機進行了“飛馬座”火箭發(fā)射試驗，取得了成功。俄羅斯在這個領域的研究處于領先地位，計劃于2006 年進行首次空中衛(wèi)星發(fā)射。
(3)海上發(fā)射：通過建立海上移動運載型火箭發(fā)射場或利用浮動式石油鉆井平臺，在移動平臺的甲板上安裝發(fā)射臺實現。1999 年10 月19日，烏克蘭在海上平臺首次發(fā)射天頂3 號運載火箭，成功的將美國一顆直播電視衛(wèi)星送入預定軌道。海上發(fā)射可選擇最佳的赤道水域，以獲得最大的地球自轉速度，從而提高火箭的運載能力。方案有懸浮發(fā)射、平臺發(fā)射和船載發(fā)射。
(4 )地下發(fā)射：過去的“發(fā)射井”， 原理與地面發(fā)射相同�，F代概念的地下發(fā)射是日本一家公司在2 0世紀90 年代提出來，其原理是利用壓縮空氣從地下深處將運載火箭彈射出去。當運載火箭推出地表后，立即點火發(fā)射升空。其優(yōu)越性在于，不用燃燒推進劑就可使運載火箭獲得很高的壓縮初速度，從而減少了火箭的自重，大大節(jié)省能源，比如發(fā)射H-II運載火箭，若采用地下發(fā)射方式就比用地面發(fā)射方式搭載量多35%。估計本世紀末下世紀初可以實現。
現代衛(wèi)星發(fā)展的一個趨勢是衛(wèi)星小型化。目前小衛(wèi)星發(fā)射技術，有一箭多星、航天飛機發(fā)射，以及從具有衛(wèi)星分配器功能的主衛(wèi)星上入軌等方式。
(1 )目前國際上一箭多星的發(fā)射常用兩種方式。第一種是把幾顆衛(wèi)星一次送入一個相同的軌道或幾乎相同的軌道上；第二種是分次分批釋放衛(wèi)星，使每一顆衛(wèi)星分別進入不同的軌道。一箭多星發(fā)射具有發(fā)射成本較低的特點，但發(fā)射窗口取決于主星；
(2 )航天飛機運送低軌道航天器比較合理，可重復使用，但費用昂貴；
(3 )利用多星分配器發(fā)射技術難度大；
(4)小火箭發(fā)射靈活機動，是比較合理的小衛(wèi)星運載工具。到現在為止，世界上已經發(fā)射了多個系列的小型運載火箭。列前5 位的是前蘇聯宇宙2 號、美國雷神系列、前蘇聯宇宙1 號、美國德爾塔系列(如圖3所示)和偵察兵系列。除此之外，還有中國的長征系列、法國的鉆石系列、印度的星運載火箭系列。新型的小衛(wèi)星運載火箭也在研制中，如美國的“飛馬座”和“金牛星”、日本的J-2 系列和我國的“開拓”系列。發(fā)展經濟、靈活的專門用于小衛(wèi)星發(fā)射的小型運載火箭和研究廉價的小衛(wèi)星運載火箭方案和研制低成本可多次重復使用的運輸工具成為當務之急。
現代衛(wèi)星發(fā)展的另一個趨勢是體積更大、質量更重的大衛(wèi)星。20 世紀70 年代初，平均發(fā)射衛(wèi)星質量為750kg，在1994～1997年安排發(fā)射的商業(yè)衛(wèi)星中，有一半以上的發(fā)射質量為2500～3750kg,，近年來發(fā)射的大衛(wèi)星重達幾十噸。即使對于小衛(wèi)星，也主要是采取一箭多星的方式發(fā)射。典型的運載火箭有中國的“長征”系列，美國的雷神、宇宙神、大力神以及德爾塔、土星-V 等。針對這種需求，各國運載火箭的發(fā)展仍以提高運載能力為重點。美、俄、歐、日、印等都在研制運載能力更大的火箭。中國正在研制的新一代大型運載火箭其最大推力可達120 噸，各項技術指標遠高于現有長征系列運載火箭，比較而言，運載能力提高3倍左右，地球同步轉移軌道運載能力將達到14 噸，近地軌道的運載能力從現在的9.2 噸提高到25 噸，將為中國載人航天二期工程，月球探測二、三期工程，深空探測工作奠定堅實基礎。預計中國新一代大型運載火箭將于2012 年左右投入使用。
5 現代衛(wèi)星運載發(fā)射技術的發(fā)展趨勢
20 世紀90 年代以來，衛(wèi)星應用的普及以及空間科學和空間探索任務的增加, 對運載火箭提出了新的要求�，F代運載發(fā)射技術表現為以下幾個方面的趨勢。
(1 )盡力降低成本，提高可靠性，提高發(fā)射成功率。國外主要采取的措施是簡化設計(包括減少火箭級數和發(fā)動機數量以及簡化箭體結構與系統(tǒng)設計等)，采用先進的技術和電子設備，實現通用化、組合化和系列化。
(2)向大直徑、少級數和大運載能力發(fā)展，使用無毒推進劑。隨著對衛(wèi)星業(yè)務需求的不斷提升，衛(wèi)星的質量也在迅猛增加，新型運載火箭通過采用新技術( 如大直徑的芯級、大推力無毒推進劑發(fā)動機等)，運載能力可成倍地提高。
(3)一次性使用運載火箭與可重復使用運載器同時發(fā)展，并在一定時期內并存。世界第一枚部分可重復使用運載火箭“獵鷹1 號”于2005 年11月30 日發(fā)射升空。
(4)均衡發(fā)展提高運載能力的各個層面。航天載荷的多樣化，要求我們發(fā)展多樣化、系列化的運載火箭，均衡優(yōu)化設計運載火箭的各方面技術。主要體現在大、中、小運載能力均衡投入，全方位突破；研究新的推進劑和推進裝備；發(fā)展各種軌道的運載能力；機動靈活的發(fā)射方式。
(5)為適度開發(fā)深空探測技術提供空間運載工具。
6 總結
衛(wèi)星事業(yè)的日益發(fā)展，對衛(wèi)星的測控效率、測控精度、測控可靠性提出了更高的要求。嘗試使用新的測控技術，提高地面測控系統(tǒng)智能化和衛(wèi)星的自主測控能力，在短期內可以提高測控能力。然而逐步發(fā)展和建設中繼衛(wèi)星系統(tǒng)和天基測控網，是實現對測控事件和測控資源的高效調度、合理分配的最根本解決方式。
隨著航天事業(yè)的發(fā)展，火箭的結構日益龐大，系統(tǒng)越來越復雜，精度不斷提高。火箭將進一步向可靠性高、經濟性好和多次使用的方向發(fā)展。化學火箭仍將占有重要的地位，電火箭將進入實用，太陽能火箭和光子火箭也有可能取得新的進展。
作者
解放軍理工大學 文⊙張艷娥 李 勇
總參第61096 部隊 文⊙季連濤
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