現(xiàn)代衛(wèi)星測控及運載和發(fā)射

　　1 現(xiàn)代衛(wèi)星測控功能及組成

衛(wèi)星測控的主要任務(wù)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(yù)報和保持及對衛(wèi)星平臺和有效載荷的參數(shù)、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(shù)據(jù)應(yīng)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(diào)整工作參數(shù)，使衛(wèi)星工作在最佳狀態(tài)。主要任務(wù)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(yù)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(shù)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(guān)指令或注入數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后分發(fā)到星上相應(yīng)設(shè)備以實現(xiàn)開關(guān)控制或數(shù)據(jù)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(diào)星上設(shè)備的工作；

(5 )向地基測控站提供引導(dǎo)信標(biāo)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(wù)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(wù)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(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)關(guān)于頻率分配的規(guī)定，采用S 頻段；數(shù)據(jù)傳輸率：上行為4kbit/s，下行為10～613kbit/s；射頻采用兩種調(diào)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(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和S波段統(tǒng)一測控系統(tǒng)。

2 現(xiàn)代衛(wèi)星測控技術(shù)

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(xiàn)，利用我國現(xiàn)有的C頻段和S 頻段兩大地面骨干測控網(wǎng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shù)據(jù)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(shù)有自主導(dǎo)航、軟件無線電、光電儀器等技術(shù)，從而減輕地面測控網(wǎng)的負(fù)擔(dān)。

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(shù)：Globalstar、Aries 和Odyssey 以及美國的跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)T D R S S 中都應(yīng)用了C D M A 技術(shù)。CDMA技術(shù)可以將擴頻技術(shù)和加密技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)互連：將已經(jīng)建立的專業(yè)測控網(wǎng)，如美國NASA 局的衛(wèi)星跟蹤與數(shù)據(jù)采集網(wǎng)STADAN、深空網(wǎng)DSN等，互連為一個開放式的大測控網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)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(dǎo)航衛(wèi)星測距、測速信息，并采用若干相關(guān)技術(shù)(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(guān)以及動態(tài)解模糊等)之后，即可實現(xiàn)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(xiàn)代衛(wèi)星測控體制

測控系統(tǒng)是地面測控網(wǎng)、星載測控設(shè)備的集合。目前國內(nèi)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(shè)備以及數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(TDRSS)。TDRS中繼衛(wèi)星相當(dāng)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(xiàn)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(xiàn)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(wǎng)，我國的TDRS 也在建設(shè)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(xiàn)衛(wèi)星與地面網(wǎng)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(yīng)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(xiàn)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(shè)備進行其軌道測量、姿態(tài)測量和相應(yīng)的制。如英國薩瑞大學(xué)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(yīng)對衛(wèi)星故障，衛(wèi)星遙測遙控數(shù)據(jù)的傳輸仍需地面網(wǎng)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(dǎo)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(dá)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(xiàn)代衛(wèi)星多采用一箭多星發(fā)射方式，且相互協(xié)作組網(wǎng)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(xiàn)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(wǎng)是一種有效的解決途徑，雖然技術(shù)難度較大，一次性投資高，但是能從根本上解決現(xiàn)代衛(wèi)星的測控問題。

4 現(xiàn)代衛(wèi)星的運載和發(fā)射技術(shù)

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(yù)定軌道的一種航天運輸工具。

根據(jù)地理環(huán)境不同，現(xiàn)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(shè)在南美洲東北海岸)、前蘇聯(lián)(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(xué)公司首先提出了從空中發(fā)射火箭的設(shè)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(lǐng)域的研究處于領(lǐng)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(xiàn)。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(yù)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(zhuǎn)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。現(xiàn)代概念的地下發(fā)射是日本一家公司在2 0世紀(jì)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(dāng)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(jì)末下世紀(jì)初可以實現(xiàn)。

現(xiàn)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(shù)，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(fù)使用，但費用昂貴；

(3 )利用多星分配器發(fā)射技術(shù)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(xiàn)在為止，世界上已經(jīng)發(fā)射了多個系列的小型運載火箭。列前5 位的是前蘇聯(lián)宇宙2 號、美國雷神系列、前蘇聯(lián)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(jīng)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(fù)使用的運輸工具成為當(dāng)務(wù)之急。

現(xiàn)代衛(wèi)星發(fā)展的另一個趨勢是體積更大、質(zhì)量更重的大衛(wèi)星。20 世紀(jì)70 年代初，平均發(fā)射衛(wèi)星質(zhì)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(zhì)量為2500～3750kg,，近年來發(fā)射的大衛(wèi)星重達(dá)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(dá)120 噸，各項技術(shù)指標(biāo)遠(yuǎn)高于現(xiàn)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(zhuǎn)移軌道運載能力將達(dá)到14 噸，近地軌道的運載能力從現(xiàn)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(chǔ)。預(yù)計中國新一代大型運載火箭將于2012 年左右投入使用。

5 現(xiàn)代衛(wèi)星運載發(fā)射技術(shù)的發(fā)展趨勢

20 世紀(jì)90 年代以來，衛(wèi)星應(yīng)用的普及以及空間科學(xué)和空間探索任務(wù)的增加, 對運載火箭提出了新的要求�，F(xiàn)代運載發(fā)射技術(shù)表現(xiàn)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(shè)計(包括減少火箭級數(shù)和發(fā)動機數(shù)量以及簡化箭體結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)設(shè)計等)，采用先進的技術(shù)和電子設(shè)備，實現(xiàn)通用化、組合化和系列化。

(2)向大直徑、少級數(shù)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(wù)需求的不斷提升，衛(wèi)星的質(zhì)量也在迅猛增加，新型運載火箭通過采用新技術(shù)( 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(fù)使用運載器同時發(fā)展，并在一定時期內(nèi)并存。世界第一枚部分可重復(fù)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(shè)計運載火箭的各方面技術(shù)。主要體現(xiàn)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(shù)提供空間運載工具。

6 總結(jié)

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(shù)，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(nèi)可以提高測控能力。然而逐步發(fā)展和建設(shè)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)和天基測控網(wǎng)，是實現(xiàn)對測控事件和測控資源的高效調(diào)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(jié)構(gòu)日益龐大，系統(tǒng)越來越復(fù)雜，精度不斷提高�；鸺龑⑦M一步向可靠性高、經(jīng)濟性好和多次使用的方向發(fā)展�；瘜W(xué)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(xué) 文⊙張艷娥 李 勇

總參第61096 部隊 文⊙季連濤

　　參考文獻

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