測控通信系統

測控通信系統(communication system for tracking, telemetry and command)是指為飛彈、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。

基本介紹

• 中文名：測控通信系統
• 外文名：communication system for tracking, telemetry and command
• 學科：航空工程
• 領域：航空航天
• 套用：飛彈、太空飛行器飛行試驗
• 屬性：專用通信系統

組成

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實施自動化監控管理。

通信傳輸信道(如衛星通信、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實驗任務的要求有機地聯繫在一起，組成飛彈、太空飛行器測控通信系統。

載人航天工程中，測控通信系統由對載人太空飛行器及運載火箭進行跟蹤、測軌、遙測、遙控和天-地通信的設施組成的系統。

國外載人航天測控通信系統概況

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。

我國載人航天測控通信系統

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。

（1）S頻段統一測控系統

S頻段航天測控網的設計與建設工作歷時約7年,由測控和通信共用信道造成的電磁兼容設計和天地接口設計及信息的透明傳輸方式是設計的重點和難點,測控通信系統在系統方案設計初期就著手S波段測控網的頻率設計,規劃了載人航天工程整個S頻段工作頻率和副載波頻率,專門設計了一套電磁兼容試驗設備,編寫並會簽了天地接口控制檔案以控制天地設備的質量,保證了天地大迴路的正常操作。

（2）任務指揮控制中心

任務指揮控制中心是地面指揮控制的中樞,負責飛船發射段和整個運行段以及返回段的指揮控制任務,由計算機系統、指揮監控系統和通信系統組成。為了滿足工程的大數據量、高可靠、強實時性要求,中心設計時採用了基於GIGASwitch /FDDI網路的功能分散式計算機系統,這種體系結構是對以往採用的集中式結構的重大突破; 系統中通過中心級備份、雙網備份、雙工備份、多CPU備份和信道備份等實現了多層次的備份冗餘體制,確保了系統的高可靠性; 實現了高速率、高並行的通信控制處理技術,外線通道近百路; 採用幀中繼協定和CISCO公司的HDLC協定,為我國測控網與國外相關網路的互聯、互通開闢了新的技術途徑。

（3）通信分系統

通信分系統論證階段開展了衛星通信網的技術體制、天地超短波通信和數位電視通信技術體制、高速數據傳輸的復接與同步技術以及天地短波超視距傳輸等問題的攻關。載人航天的通信系統是我國航天史上迄今規模最大、覆蓋面最廣、技術最先進、通信容量最高、業務量最大,實時性最強、可靠性最高、效益最佳、時間同步精度最高和套用前景最廣闊的通信系統。它成功組織了覆蓋整個國土和三大洋的通信網路,在網路中採用了衛星通信(含海事衛星通信)、光纖傳輸電路等多種手段。提供了質量優良、通信方向最多、速率高達2M的通信電路,使試驗通信的組網規模、技術先進性和運行效益等方面達到最佳;首次在試驗任務中採用全網數據同步傳輸技術,使我國航天通信系統在技術上跨上了一個新台階,在系統的綜合性能上實現了質的飛躍; 首次採用了DDN、幀中繼、SDH等先進傳輸系統,在航天通信網中提供了數據迂迴和電路自愈功能,有效地提高了通信系統的可靠性。

（4）脈衝雷達網測控通信系統還通過新研製多套脈衝測量雷達、對老的雷達進行技術改造等方式充分利用脈衝雷達網,提高入軌段、在軌運行段和返回段的外彈道測量的可靠性。這些新研製或進行較大技術改造的脈衝雷達,都成功參試完成了試驗任務,特別是在返回段,我國第一次研製的相控陣測量雷達,在目標特性和返回軌道特性不清楚的困難條件下成功地捕獲目標,並圓滿完成了跟蹤測量任務,為我國返回目標測量提供了非常寶貴的經驗,填補了該領域的空白。

（5）測控軟體

與硬體系統建設相應,測控通信系統自始自終堅持按照軟體工程化的要求進行測控軟體系統的建設。軟體系統分析與設計在總體技術方案中就明確規定測控軟體開發方法要採用結構化方法,包括結構化分析、結構化設計、結構化編程和結構化測試;在測控軟體開發中積極推進、並貫徹執行軟體研製的有關國家標準,明確測控軟體的開發規範,並將載人航天測控軟體開發過程劃分為軟體總體技術設計(軟體系統分析與設計)、需求分析、概要設計、詳細設計、編碼及單元測試、部件測試、配置測試、系統測試和軟體維護等階段; 選擇適合任務的實時測控系統使用的軟體開發工具和資料庫管理系統,開發了windows NT環境下性能與覆蓋分析工具——NPCA。載人航天測控軟體的開發在實時測控軟體開發史上實現了多項創新。

載人空間站工程測控通信系統發展思路

為圓滿完成空間站工程測控通信任務，測控通信系統需要在充分繼承交會對接任務測控通信系統成果的基礎上創新測控模式，在確保完成空間站測控通信任務的同時，構建適合未來發展的新測控體系。

（1）建立天地基相融合的測控模式

在前期載人航天飛行任務中，主要依靠陸海基測控設備完成測控通信任務。交會對接任務中，中繼衛星系統開始正式參加任務，並發揮了重要作用。“天鏈一號”3顆中繼衛星業已部署完畢，初步形成了覆蓋全球的天基測控網。

天基測控具有覆蓋率高、數據傳輸率高以及測定軌精度高等優勢。雖然天基測控已經在交會對接任務中得到初步套用，並取得顯著成效，但我們在利用天基測控為載人航天任務提供測控支持方面還不夠成熟和完善，還需要深入研究天基測控的優點，使其更好地為空間站任務提供測控支持。天基測控手段主要依靠我國逐步建立完善的中繼衛星系統和衛星導航系統。

（2）測控數傳一體化發展思路

在交會對接任務中，利用S頻段測控設備能夠實現速率為2Mbit/s的數據接收；空間站任務提出了幾百兆量級的數據傳輸需求。在信息化和網路化的社會，測控與數傳越來越不可分，需要深入研究和探討測控通信與數據傳輸一體化的發展模式。

（3）基於網路的天地一體化設計

空間站與地面之間有大量的信息進行交換，空間站有各類數據和用戶節點，地面除測控通信中心、測控站外，也有許多用戶需要與空間站進行互動，因此需要研究和設計基於網路的天地一體化信息傳輸體系。空間站任務的測控通信鏈路可分為低速信道和高速信道。低速信道主要傳輸遙測、遙控、話音等可靠性要求高、實時性強的數據，可採用經過多次任務驗證的成熟協定；而高速信道主要傳輸音視頻、檔案、試驗數據等，為更好地支持端到端信息傳輸，其協定體系應具有很好的靈活性和擴展性，以適應未來網路體系結構擴展和業務種類擴展。