太空飛行器通信與測控系統

太空飛行器通信與測控系統是太空飛行器飛行試驗傳輸測控數據、話音、圖像及提供標準時間、頻率信號等信息的專用通信系統。太空飛行器通信與測控系統是由對太空飛行器跟蹤、測軌、遙測、遙控和通信設施組成的系統，簡稱測控通信系統。

太空飛行器測控與通信系統目前正向著高功能、綜合利用和部分測控功能從地面向空中轉移的方向發展，如微波統一系統，跟蹤與數據中繼衛星系統，“導航星”全球定位系統等。

基本介紹

• 中文名：太空飛行器通信與測控系統
• 外文名：TT＆C或C＆T
• 又稱：太空飛行器測控通信系統

發展歷程

測控與通信分系統（TT&C或C&T)在載人航天中非常重要，它實現對載人太空飛行器的跟蹤、測軌、定位、遙測、遙控和通信等功能。載人太空飛行器與衛星天地鏈路的主要區別就是增加了航天員與地面的通信，包括電視和話音，使天地信息交流的內容和信息量大大擴展了，同時可靠性大大提高。

測控與通信系統發展大體經歷了四個時期：

（1）測控與通信功能和設備獨立發展時期。

20世紀60年代前基本上處於這種狀態。跟蹤設備、遙測設備、遙控設備、電視、語音設備獨立發展，使用獨立的信道（含載頻、天線和收發設備）。載波體制上以模擬體制為主，缺點是設備龐大、量多，操作複雜；

（2）統一載波時期

20世紀60年代起逐步出現跟蹤、遙測、遙控傳輸共用一個信道，形成諸如S波段統一載波測控系統(TT&C)的測控體制，通信系統採用數位化處理和傳輸技術，達到了簡化天-地設備的效果；

（3）1980年前後，TT&C和寬頻、高速數據通信系統合併成C&T(通信與跟蹤）系統，反映了載人航天由試驗轉入套用階段的特點。

（4）由陸（海）基的測控與通信網轉向建立天基測控與通信網。

陸（海）基的測控與通信網需要在全球範圍內建立才能滿足載人航天任務的覆蓋要求；而天基測控與通信系統主要通過跟蹤與數據中繼衛星系統（TDRSS),在地球上設定少量的測控站就能完全覆蓋全軌道飛行任務。

發展概況

國外

美國載人航天測控網 ( MSFN)於 1958～ 1971年間投資近 5億美元建成 ,具有跟蹤、遙測、遙控功能 ,後增加了通信和電視 ,支持了水星、雙子星和阿波羅計畫。 水星計畫時包括 16個站 , 9個設在國外(含兩艘測量船 ) ,跟蹤使用 C和 S頻段雷達 ,上下行話音設備採用主備兩套超高頻。 雙子星座網計畫時測站增加至 21個 ,並將飛行計算中心和控制中心合一建立休斯頓載人航天指控中心。 阿波羅網的變化主要是採用 USB站 ,全球建立了近 20個站 (測量船、測量飛機和三個深空站 )。 在跟蹤與數據中繼衛星系統投入使用後 ,美國關閉了其大部分地面站。

前蘇聯的載人航天測控網包括加里寧格勒飛行控制中心和加里茨恩飛行控制中心 ,通信方面採用衛星通信和中繼衛星系統。 包括上升段發射場和航區的多個測控站 ,運行段使用了沿國土均勻分布的7個測控站。 站內設備有多功能測控設備、遙測設備、雷達、通信設備、衛通、中繼衛星終端、計算機和標校設備等 ,具有測軌、遙測、遙控、通信和電視傳輸等功能。 在 70～ 80年代有 11艘測量船。

除美國和前蘇聯建設了規模龐大的載人航天測控通信系統 ,其它一些國家和航天組織也分別建立了自己的航天測控通信網 ,包括測控中心和全球分布的若干測控站。

國內

在載人航天測控通信系統的論證設計中 ,始終堅持了“立足我國國情 ,低投入高效益”的設計思路。系統以陸海基測控網作為基本測控通信手段 ,充分利用現有的首區、航區光學設備和無線電設備 ;新建陸地固定測控站和活動站 ,建設、完善測量船隊;新建飛行任務指揮和控制統一的任務指揮控制中心 ,改造利用西安衛星測控中心;新建天地通信系統、數字數據通信網等通信分系統。這些分系統有機結合 ,最佳化設計布局 ,組成了我國新一代具有中國特色的、達到國際先進水平的 S頻段航天測控網。

功能

測控通信系統的功能包含跟蹤測軌、遙測、遙控和通信四個方面。

1、跟蹤測軌

測控通信系統的第一個功能是跟蹤測定軌，這也是它的主要功能。跟蹤測軌是指利用測量站的角度跟蹤環路、距離跟蹤環路、速度跟蹤環路對飛行器的飛行軌跡進行跟蹤測量，Tr&c中的第一個T(Tracking)即是指跟蹤測軌。“軌跡”是一個統稱，在航天飛行器中，衛星等太空飛行器的無動力飛行軌跡稱為軌道，它遵循軌道動力學。飛彈、火箭等有動力飛行軌跡稱為彈道，航空器的飛行軌跡則一般稱為航跡，它遵循空氣動力學。因此本書所述的測軌，主要是太空飛行器的軌道測量，飛彈的彈道測量和航空器的航跡測量。測軌又分為“外測”和“內測”兩類：“外測”是指利用飛行器外的設備，對飛行器的飛行軌道參數(如坐標、速度、加速度等)進行精密測量，與“外測”相對應的另一種測軌方法稱為“內測”，它是指在飛行器內部，對某些參數進行測量，可以計算推知飛行器的彈道變化規律，內測數據要發回地面進行處理、計算，內測通常通過遙測實現。“外測”和“內測”是互為補充的，可以起到相互備份作用。

2、遙測

測控通信系統的第二個功能是遙測。“遙測”的內涵是“近測遠傳”，即在太空飛行器和飛彈體內，採用各種技術手段就近測得它內部的工作狀態、工作參數、航天員的生物醫學參數、科學研究參數、偵察參數、環境參數等，然後將這些參數轉換為無線電信號，遠距離傳輸到地面測控站上來，再進行解調，處理還原出原參數數據，並進行記錄和顯示。遙測是測控系統的重要組成部分，對飛彈、衛星的發射和運行有著舉足輕重的作用。在飛彈飛行試驗過程中，根據遙測數據，發射場指揮人員和飛彈設計人員可及時了解彈上各系統的工作情況與實際飛行條件下的性能。對於地面試驗無法模擬或無法完全模擬的一些性能數據，可依靠飛行試驗的遙測數據得到補充和修正。一旦飛彈飛行失敗和出現局部故障時，採用遙測數據對故障進行分析，能快速準確地實現故障隔離和故障診斷，從而採取相應的措施。在衛星發射和人軌後的運行中，利用遙測分系統監視星上設備的工作狀況，利用遙測參數計算出衛星的姿態參數，為遙控調姿提供參考數據。載人航天時，還可以監測航天員的生理參數、生活環境參數等，以保障航天員的生命安全。此外，太空飛行器上的GPS測量數據，以及套用衛星上某些有效載荷所測到的信息也往往通過遙測傳送到地面。

3、遙控

測控通信系統的第三個功能是遙控，“遙控”的含義是對飛行器和飛彈實現遠距離控制。在測控系統中，將地面的控制指令變換為無線電信號，遠距離的傳輸到飛行器或飛彈上，實現對它們的控制。按用途的不同，分為安全遙控和衛星遙控。安全遙控用於飛彈及運載火箭發射過程中的安全控制，作為彈上自毀系統的備份手段，簡稱“安控”。這種安控指令具有保密性高、實時性強、執行任務時間短、指令內容少等特點。衛星遙控用於衛星的變軌、交會、回收等的軌道控制，用於姿態控制以及備份件切換和開關的控制，用以保障衛星的正常工作和運行，還用於衛星的數據注入、啟動衛星的自主程式等，衛星遙控指令具有內容多、執行任務時間長和要求複雜等特點。

上述三個功能是統一綜合在測控系統中，相輔相成地共同構成一個具有信息反饋的控制系統去完成測控任務。其中，跟蹤測軌和遙測完成數據的採集和反饋，遙控完成控制。在執行指令前和執行後都要利用遙測將飛行器上收到的指令送回地面進行比對、校驗，以保證遙控的絕對正確。

4、通信

通信一般只在飛行器進入軌道後才工作，它負責將飛行器上測量、觀察儀器(習慣上統稱為有效載荷P/L)所獲得的信息傳回地面測控通信站。某些情況下通信在上、下行都存在。通信和測控合起來稱為C&T。只有先用TF&C技術建立起通信鏈路後，才能開始通信。由於航天技術所處的特殊地位，通信中的許多新技術和新電子元器件經常首先在航天C&T中採用，使得航天C&T成為各種高新技術的實驗場，實驗成功之後才逐漸擴大，推廣到其他部門使用，這就使得它具有很多前沿技術。

組成

太空飛行器測控通信系統由數據通信、指揮通信、時間頻率統一系統、圖像通信、保密通信、電話通信、通信網路管理系統及通信傳輸信道組成。

數據通信系統用於傳輸測控網中的各種數據和指令。指揮通信系統用於試驗任務時各級指揮控制中心之間、指揮控制中心與所屬測控站之間、測控站與所屬參試設備諸崗位之間的指揮通信（包括指揮調度系統和專用指揮電話系統等）。時間頻率系統為測控系統提供標準時間信號和標準頻率基準信號，使測控系統在要求的時間同步精度條件下協調工作。圖像通信系統用於發射場及太空飛行器內實況圖像信息的採集、處理、傳輸和顯示。保密通信系統按要求對測控通信信息進行加密處理，確保信息安全。電話通信系統用於試驗單位內及相互間的通信聯絡。通信網路管理系統用於各級通信管理人員對所屬通信網路實施自動化監控管理。通信傳輸信道（如衛星、光纖、微波、超短波、短波及電纜信道等）與通信終端設備按一定的通信規約組成綜合信息傳輸平台，將各級指揮控制中心、發射場、測控站及參試設備按試驗任務的要求有機地聯繫在一起，組成太空飛行器測控通信系統。