現代衛星測控及運載和發射

衛星測控的主要任務是對衛星從發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，包括對衛星進行跟蹤、測軌、星歷計算、軌道預報和保持及對衛星平臺和有效載荷的參數、工作狀態進行監視和控制。衛星測控通常采用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。空間段又稱星載測控分系統或跟蹤遙測指令分系統(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，使衛星工作在最佳狀態。主要任務有以下幾個。

　　(6 )衛星向地面測控站發送星載GPS接收機信息，作為衛星定軌的輔助手段。

　　地面段接收衛星的遙測信息，監視衛星的工作情況，并向空間段發送遙控指令。

　　地面段按不同的職能又分為工程測控和業務測控兩部分。工程測控是對衛星軌道、姿態的長期保持和控制以及對衛星平臺工作狀態的長期監視、管理等；業務測控是對衛星有效載荷的長期運行管理。

　　P r o t e u s 平臺的測控系統遵從空間數據系統咨詢委員會(CCSDS)關于頻率分配的規定，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。測控系統在平臺中央計算機發生故障的情況下，也能自行解碼并直接執行遙控命令。平臺用GPS接收機定軌并接收GPS 的時統信號。

　　“資源一號衛星”首次在衛星上采用星載數據管理系統和S波段統一測控系統。系統的出現，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的發展對測控精度、測控覆蓋能力、高數據率提出的新要求。

　　目前國外提高衛星測控能力的措施主要有以下幾個。

　　提高衛星的自主測控能力：衛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星系統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，實現對衛星通信和遙測信息的加密，提高衛星的安全性和抗干擾能力。

　　測控網絡互連：將已經建立的專業測控網，如美國NASA 局的衛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。

　　開發已有系統的功能：全球星定位系統GPS 及俄羅斯GLONASS 提供了新型“星基”衛星測控資源。利用空間運行的導航衛星測距、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、高動態信號快捕、窄相關以及動態解模糊等)之后，即可實現對中、低軌道衛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。

　　測控系統是地面測控網、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。

　　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%。

　　由于地面測控站在中低軌衛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星系統(TDRSS)。TDRS中繼衛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 衛星和地面上單個測控終端站所組成的TDRSS系統，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。天基測控的優點是可對3 6 0 0 0 k m 高度以下的衛星實行全天候、全天時的測控，并通過TDRS 可以實現衛星與地面網的雙向通信。其不足之處是，對于衛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。

　　　深空探測和星際航行的衛星，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星自身完成。一些微小衛星亦采用自主測控的體制。這種測控體制由衛星自身的設備進行其軌道測量、姿態測量和相應的制。如英國薩瑞大學U o S A T微衛星平臺系統就采用GPS 進行軌道和姿態的自主測量和控制。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星故障，衛星遙測遙控數據的傳輸仍需地面網支持。

　　為了保證對衛星測控的實時性和可靠性，在目前的衛星測控中，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勢互補。

　　現代衛星多采用一箭多星發射方式，且相互協作組網工作，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星的測控問題。

　　　運載火箭是由多級火箭組成的，能夠把人造地球衛星、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。

　　根據地理環境不同，現代衛星的運載發射可以分為從地面固定發射場發射、在空中發射、從海上平臺發射等3 種方式。

　　(1)地面發射：此方式受地理環境因素制約很大。美國的肯尼迪航天發射中心、歐洲的庫魯航天發射中心(設在南美洲東北海岸)、前蘇聯(烏克蘭)的拜科努爾發射中心、中國的西昌、酒泉、太原發射中心都是比較著名的發射站。

　　(2)空中發射：1986年美國軌道科學公司首先提出了從空中發射火箭的設想。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 年進行首次空中衛星發射。

　　(3)海上發射：通過建立海上移動運載型火箭發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射臺實現。1999 年10 月19日，烏克蘭在海上平臺首次發射天頂3 號運載火箭，成功的將美國一顆直播電視衛星送入預定軌道。海上發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。方案有懸浮發射、平臺發射和船載發射。

　　(4 )地下發射：過去的“發射井”， 原理與地面發射相同。

　　現代概念的地下發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，立即點火發射升空。其優越性在于，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，大大節省能源，比如發射H-II運載火箭，若采用地下發射方式就比用地面發射方式搭載量多35%。估計本世紀末下世紀初可以實現。

　　現代衛星發展的一個趨勢是衛星小型化。目前小衛星發射技術，有一箭多星、航天飛機發射，以及從具有衛星分配器功能的主衛星上入軌等方式。

　　(1 )目前國際上一箭多星的發射常用兩種方式。第一種是把幾顆衛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星，使每一顆衛星分別進入不同的軌道。一箭多星發射具有發射成本較低的特點，但發射窗口取決于主星；

　　(4)小火箭發射靈活機動，是比較合理的小衛星運載工具。到現在為止，世界上已經發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。發展經濟、靈活的專門用于小衛星發射的小型運載火箭和研究廉價的小衛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。

　　現代衛星發展的另一個趨勢是體積更大、質量更重的大衛星。20 世紀70 年代初，平均發射衛星質量為750kg，在1994～1997年安排發射的商業衛星中，有一半以上的發射質量為2500～3750kg,，近年來發射的大衛星重達幾十噸。即使對于小衛星，也主要是采取一箭多星的方式發射。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，??運載火箭將于2012 年左右投入使用。

　　20 世紀90 年代以來，衛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。現代運載發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動機數量以及簡化箭體結構與系統設計等)，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展，使用無毒推進劑。隨著對衛星業務需求的不斷提升，衛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 日發射升空。

　　(5)為適度開發深空探測技術提供空間運載工具。

　　衛星事業的日益發展，對衛星的測控效率、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，提高地面測控系統智能化和衛星的自主測控能力，在短期內可以提高測控能力。然而逐步發展和建設中繼衛星系統和天基測控網，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。

　　隨著航天事業的發展，火箭的結構日益龐大，系統越來越復雜，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。

　　(4)均衡發展提高運載能力的各個層面。航天載荷的多樣化，要求我們發展多樣化、系列化的運載火箭，均衡優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；發展各種軌道的運載能力；機動靈活的發射方式。