現(xiàn)代衛(wèi)星測(cè)控及運(yùn)載和發(fā)射

　　1 現(xiàn)代衛(wèi)星測(cè)控功能及組成

衛(wèi)星測(cè)控的主要任務(wù)是對(duì)衛(wèi)星從發(fā)射入軌到長(zhǎng)期在軌運(yùn)行，對(duì)其進(jìn)行全面有效的跟蹤測(cè)量與控制，包括對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤、測(cè)軌、星歷計(jì)算、軌道預(yù)報(bào)和保持及對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)和有效載荷的參數(shù)、工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和控制。衛(wèi)星測(cè)控通常采用S、C頻段，由跟蹤測(cè)軌、遙測(cè)、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(cè)控分系統(tǒng)或跟蹤遙測(cè)指令分系統(tǒng)(TT&C)，包括遙控終端、遙測(cè)終端、測(cè)控?cái)?shù)據(jù)應(yīng)答機(jī)、天線及星載GPS 等部分。地面段包括測(cè)控站和測(cè)控中心，如圖1、2 所示。

空間段向地面段實(shí)時(shí)發(fā)送遙測(cè)信號(hào)，同時(shí)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(gè)。

(1 )協(xié)同地面段或者自主地對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤、測(cè)軌、姿態(tài)測(cè)定、以及軌道的短期和長(zhǎng)期預(yù)報(bào)；

(2 )實(shí)時(shí)的或延時(shí)的將衛(wèi)星平臺(tái)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(kāi)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(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)控制或數(shù)據(jù)更新；

(4 )自主地或在地面段上行時(shí)統(tǒng)信號(hào)的校正下，生成星上時(shí)統(tǒng)信號(hào)，以協(xié)調(diào)星上設(shè)備的工作；

(5 )向地基測(cè)控站提供引導(dǎo)信標(biāo)信號(hào)；

(6 )衛(wèi)星向地面測(cè)控站發(fā)送星載GPS接收機(jī)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(cè)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(cè)控和業(yè)務(wù)測(cè)控兩部分。工程測(cè)控是對(duì)衛(wèi)星軌道、姿態(tài)的長(zhǎng)期保持和控制以及對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)工作狀態(tài)的長(zhǎng)期監(jiān)視、管理等；業(yè)務(wù)測(cè)控是對(duì)衛(wèi)星有效載荷的長(zhǎng)期運(yùn)行管理。

P r o t e u s 平臺(tái)的測(cè)控系統(tǒng)遵從空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(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(cè)用QPSK，遙控用PM/BPSK。測(cè)控系統(tǒng)在平臺(tái)中央計(jì)算機(jī)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(tái)用GPS接收機(jī)定軌并接收GPS 的時(shí)統(tǒng)信號(hào)。

“資源一號(hào)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(cè)控系統(tǒng)。

2 現(xiàn)代衛(wèi)星測(cè)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(guó)現(xiàn)有的C頻段和S 頻段兩大地面骨干測(cè)控網(wǎng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能解決航天事業(yè)的發(fā)展對(duì)測(cè)控精度、測(cè)控覆蓋能力、高數(shù)據(jù)率提出的新要求。

目前國(guó)外提高衛(wèi)星測(cè)控能力的措施主要有以下幾個(gè)。

提高衛(wèi)星的自主測(cè)控能力：衛(wèi)星采用采用的技術(shù)有自主導(dǎo)航、軟件無(wú)線電、光電儀器等技術(shù)，從而減輕地面測(cè)控網(wǎng)的負(fù)擔(dān)。

采用較高的測(cè)控頻率：繼S、C頻段成為統(tǒng)一載波測(cè)控頻段后，Ka 等高頻段也將加入測(cè)控行列，具有提高測(cè)控速率、減小天線尺寸、更強(qiáng)的抗干擾能力等特點(diǎn)。

采用C D M A 擴(kuò)頻測(cè)控技術(shù)：Globalstar、Aries 和Odyssey 以及美國(guó)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(kuò)頻技術(shù)和加密技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星通信和遙測(cè)信息的加密，提高衛(wèi)星的安全性和抗干擾能力。

測(cè)控網(wǎng)絡(luò)互連：將已經(jīng)建立的專業(yè)測(cè)控網(wǎng)，如美國(guó)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(gè)開(kāi)放式的大測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)測(cè)控資源的共享。

開(kāi)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(cè)控資源。利用空間運(yùn)行的導(dǎo)航衛(wèi)星測(cè)距、測(cè)速信息，并采用若干相關(guān)技術(shù)(例如GPS 差分、載波相位測(cè)量、GLONASS兼容接收、高動(dòng)態(tài)信號(hào)快捕、窄相關(guān)以及動(dòng)態(tài)解模糊等)之后，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)中、低軌道衛(wèi)星航天器的高精度定軌，這種測(cè)量同樣不受地面測(cè)控站地理布局的限制。

3 現(xiàn)代衛(wèi)星測(cè)控體制

測(cè)控系統(tǒng)是地面測(cè)控網(wǎng)、星載測(cè)控設(shè)備的集合。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)航天進(jìn)行的測(cè)控基本體制有地基測(cè)控、天基測(cè)控、自主測(cè)控以及組合測(cè)控體制。

3.1 地基測(cè)控

最早采用的測(cè)控體制。測(cè)控設(shè)備以及數(shù)據(jù)處理集中于地面，測(cè)控精度高。但其布站受限，測(cè)控覆蓋率低，一般不超過(guò)15%。

3.2 天基測(cè)控

由于地面測(cè)控站在中低軌衛(wèi)星的測(cè)控中存在觀測(cè)弧段短、維護(hù)費(fèi)用高、利用率低等缺點(diǎn)，國(guó)際上測(cè)控體制開(kāi)始從地基向天基過(guò)渡，以提高測(cè)控覆蓋率。1983 年4 月，美國(guó)國(guó)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(cè)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(gè)測(cè)控終端站所組成的TDRSS系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道高度約2 0 0 k m 的飛行器8 5 % 覆蓋， 對(duì)所有軌道高度約1200~12000km 近地軌道飛行器可實(shí)現(xiàn)1 0 0 %的連續(xù)跟蹤覆蓋。目前美國(guó)、俄羅斯、歐洲航天局均建立了各自的天基測(cè)控網(wǎng)，我國(guó)的TDRS 也在建設(shè)中。天基測(cè)控的優(yōu)點(diǎn)是可對(duì)3 6 0 0 0 k m 高度以下的衛(wèi)星實(shí)行全天候、全天時(shí)的測(cè)控，并通過(guò)TDRS 可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與地面網(wǎng)的雙向通信。其不足之處是，對(duì)于衛(wèi)星的上升段和返回段不能進(jìn)行測(cè)控和通信；TDRS本身也離不開(kāi)地面跟蹤站的測(cè)控和支持。這種測(cè)控體制已在美國(guó)航天飛機(jī)的測(cè)控中被多次應(yīng)用。

3.3 自主測(cè)控

深空探測(cè)和星際航行的衛(wèi)星，其測(cè)控需要實(shí)現(xiàn)高度的自主，軌道的測(cè)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(cè)控的體制。這種測(cè)控體制由衛(wèi)星自身的設(shè)備進(jìn)行其軌道測(cè)量、姿態(tài)測(cè)量和相應(yīng)的制。如英國(guó)薩瑞大學(xué)U o S A T微衛(wèi)星平臺(tái)系統(tǒng)就采用GPS 進(jìn)行軌道和姿態(tài)的自主測(cè)量和控制。自主測(cè)控的特點(diǎn)是不依靠地面支持； 測(cè)控覆蓋率高；實(shí)時(shí)性高。其缺點(diǎn)是無(wú)法應(yīng)對(duì)衛(wèi)星故障，衛(wèi)星遙測(cè)遙控?cái)?shù)據(jù)的傳輸仍需地面網(wǎng)支持。

3.4 組合測(cè)控

為了保證對(duì)衛(wèi)星測(cè)控的實(shí)時(shí)性和可靠性，在目前的衛(wèi)星測(cè)控中，大多采用兩種測(cè)控體制的組合：如地基測(cè)控和天基測(cè)控的組合；地基測(cè)控和自主測(cè)控的組合；無(wú)線測(cè)控和激光測(cè)控以及慣導(dǎo)控制的組合等。組合測(cè)控體制彌補(bǔ)了單一測(cè)控體制的不足，提升了測(cè)控的性能。組合測(cè)控的優(yōu)勢(shì)是可以達(dá)到全程測(cè)控覆蓋，以及兩種或多種單一測(cè)控體制的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

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(cè)控具有過(guò)境時(shí)間短、多顆星同時(shí)過(guò)境的特點(diǎn)，因此現(xiàn)代衛(wèi)星的測(cè)控模式要求采用一種高效、低費(fèi)的測(cè)控模式。新的測(cè)控體制必須具有多星同時(shí)測(cè)控和衛(wèi)星長(zhǎng)期管理、測(cè)控費(fèi)用低廉、覆蓋率高的特點(diǎn)。從這一點(diǎn)上看，建立天基測(cè)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(cè)控問(wèn)題。

4 現(xiàn)代衛(wèi)星的運(yùn)載和發(fā)射技術(shù)

運(yùn)載火箭是由多級(jí)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(cè)器等有效載荷送入預(yù)定軌道的一種航天運(yùn)輸工具。

根據(jù)地理環(huán)境不同，現(xiàn)代衛(wèi)星的運(yùn)載發(fā)射可以分為從地面固定發(fā)射場(chǎng)發(fā)射、在空中發(fā)射、從海上平臺(tái)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(guó)的肯尼迪航天發(fā)射中心、歐洲的庫(kù)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(guó)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(guó)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(guó)首次用改裝的B-52 轟炸機(jī)進(jìn)行了“飛馬座”火箭發(fā)射試驗(yàn)，取得了成功。俄羅斯在這個(gè)領(lǐng)域的研究處于領(lǐng)先地位，計(jì)劃于2006 年進(jìn)行首次空中衛(wèi)星發(fā)射。

(3)海上發(fā)射：通過(guò)建立海上移動(dòng)運(yùn)載型火箭發(fā)射場(chǎng)或利用浮動(dòng)式石油鉆井平臺(tái)，在移動(dòng)平臺(tái)的甲板上安裝發(fā)射臺(tái)實(shí)現(xiàn)。1999 年10 月19日，烏克蘭在海上平臺(tái)首次發(fā)射天頂3 號(hào)運(yùn)載火箭，成功的將美國(guó)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(yùn)載能力。方案有懸浮發(fā)射、平臺(tái)發(fā)射和船載發(fā)射。

(4 )地下發(fā)射：過(guò)去的“發(fā)射井”， 原理與地面發(fā)射相同�，F(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(lái)，其原理是利用壓縮空氣從地下深處將運(yùn)載火箭彈射出去。當(dāng)運(yùn)載火箭推出地表后，立即點(diǎn)火發(fā)射升空。其優(yōu)越性在于，不用燃燒推進(jìn)劑就可使運(yùn)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(yùn)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(jì)本世紀(jì)末下世紀(jì)初可以實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)代衛(wèi)星發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)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(jī)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(guó)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(gè)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(jìn)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(diǎn)，但發(fā)射窗口取決于主星；

(2 )航天飛機(jī)運(yùn)送低軌道航天器比較合理，可重復(fù)使用，但費(fèi)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(jī)動(dòng)，是比較合理的小衛(wèi)星運(yùn)載工具。到現(xiàn)在為止，世界上已經(jīng)發(fā)射了多個(gè)系列的小型運(yùn)載火箭。列前5 位的是前蘇聯(lián)宇宙2 號(hào)、美國(guó)雷神系列、前蘇聯(lián)宇宙1 號(hào)、美國(guó)德?tīng)査�系�?如圖3所示)和偵察兵系列。除此之外，還有中國(guó)的長(zhǎng)征系列、法國(guó)的鉆石系列、印度的星運(yùn)載火箭系列。新型的小衛(wèi)星運(yùn)載火箭也在研制中，如美國(guó)的“飛馬座”和“金牛星”、日本的J-2 系列和我國(guó)的“開(kāi)拓”系列。發(fā)展經(jīng)濟(jì)、靈活的專門(mén)用于小衛(wèi)星發(fā)射的小型運(yùn)載火箭和研究廉價(jià)的小衛(wèi)星運(yùn)載火箭方案和研制低成本可多次重復(fù)使用的運(yùn)輸工具成為當(dāng)務(wù)之急。

現(xiàn)代衛(wèi)星發(fā)展的另一個(gè)趨勢(shì)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(lái)發(fā)射的大衛(wèi)星重達(dá)幾十噸。即使對(duì)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(yùn)載火箭有中國(guó)的“長(zhǎng)征”系列，美國(guó)的雷神、宇宙神、大力神以及德?tīng)査�、土�?V 等。針對(duì)這種需求，各國(guó)運(yùn)載火箭的發(fā)展仍以提高運(yùn)載能力為重點(diǎn)。美、俄、歐、日、印等都在研制運(yùn)載能力更大的火箭。中國(guó)正在研制的新一代大型運(yùn)載火箭其最大推力可達(dá)120 噸，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭，比較而言，運(yùn)載能力提高3倍左右，地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力將達(dá)到14 噸，近地軌道的運(yùn)載能力從現(xiàn)在的9.2 噸提高到25 噸，將為中國(guó)載人航天二期工程，月球探測(cè)二、三期工程，深空探測(cè)工作奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。預(yù)計(jì)中國(guó)新一代大型運(yùn)載火箭將于2012 年左右投入使用。

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

20 世紀(jì)90 年代以來(lái)，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(duì)運(yùn)載火箭提出了新的要求。現(xiàn)代運(yùn)載發(fā)射技術(shù)表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面的趨勢(shì)。

(1 )盡力降低成本，提高可靠性，提高發(fā)射成功率。國(guó)外主要采取的措施是簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)(包括減少火箭級(jí)數(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量以及簡(jiǎn)化箭體結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)等)，采用先進(jìn)的技術(shù)和電子設(shè)備，實(shí)現(xiàn)通用化、組合化和系列化。

(2)向大直徑、少級(jí)數(shù)和大運(yùn)載能力發(fā)展，使用無(wú)毒推進(jìn)劑。隨著對(duì)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(yùn)載火箭通過(guò)采用新技術(shù)( 如大直徑的芯級(jí)、大推力無(wú)毒推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)等)，運(yùn)載能力可成倍地提高。

(3)一次性使用運(yùn)載火箭與可重復(fù)使用運(yùn)載器同時(shí)發(fā)展，并在一定時(shí)期內(nèi)并存。世界第一枚部分可重復(fù)使用運(yùn)載火箭“獵鷹1 號(hào)”于2005 年11月30 日發(fā)射升空。

(4)均衡發(fā)展提高運(yùn)載能力的各個(gè)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(yùn)載火箭，均衡優(yōu)化設(shè)計(jì)運(yùn)載火箭的各方面技術(shù)。主要體現(xiàn)在大、中、小運(yùn)載能力均衡投入，全方位突破；研究新的推進(jìn)劑和推進(jìn)裝備；發(fā)展各種軌道的運(yùn)載能力；機(jī)動(dòng)靈活的發(fā)射方式。

(5)為適度開(kāi)發(fā)深空探測(cè)技術(shù)提供空間運(yùn)載工具。

6 總結(jié)

衛(wèi)星事業(yè)的日益發(fā)展，對(duì)衛(wèi)星的測(cè)控效率、測(cè)控精度、測(cè)控可靠性提出了更高的要求。嘗試使用新的測(cè)控技術(shù)，提高地面測(cè)控系統(tǒng)智能化和衛(wèi)星的自主測(cè)控能力，在短期內(nèi)可以提高測(cè)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(cè)控網(wǎng)，是實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)控事件和測(cè)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(lái)越復(fù)雜，精度不斷提高�；鸺龑⑦M(jìn)一步向可靠性高、經(jīng)濟(jì)性好和多次使用的方向發(fā)展。化學(xué)火箭仍將占有重要的地位，電火箭將進(jìn)入實(shí)用，太陽(yáng)能火箭和光子火箭也有可能取得新的進(jìn)展。

　　作者

解放軍理工大學(xué) 文⊙張艷娥 李 勇

總參第61096 部隊(duì) 文⊙季連濤

　　參考文獻(xiàn)

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