美國航天測控網

美國跟蹤測量和控制太空飛行器的系統。美國的航天計畫投資巨大，種類繁多，因此航天測控網也多種多樣，發展也很迅速。美國的航天測控網分屬不同的部門管理。

基本介紹

• 中文名：美國航天測控網
• 外文名：United States Space Tracking Networks
• 系統：美國跟蹤測量和控制太空飛行器的系統
• 套用：如子午儀號導航衛星跟蹤網

簡介

航天測控網是用來保障太空飛行器難常運行和操作的，因而航天測控網必須要符合航天計畫的要求和變化。美國的航天計畫投資巨大，種類繁多，因此航天測控網也多種多樣，發展也很迅速。美國的航天測控網分屬不同的部門管理。美國國家航空航天局(NASA)負責民用航天計畫，目前管理著航天跟蹤與數據網(STDN)、深嶷網(DSN)以及跟蹤與數據中繼衛星系統(TI)RSS)。美國的主要軍事航天測控網包括：空軍衛星控制網(AFSCN)、海軍衛星控制網(NSCN)、海軍研究實驗室衛星控制網、陸軍衛星控制網、NOAA衛星控制網和幾個軍用衛星專用控制網。

NASA的航天測控網

NASA的測控網目前形成了天基網和地基網兩大體系。天基網由位於地球同步軌道上的一組TDRS星及其地球站組成，用於支持地球軌道航天任務(軌道高度在3000公里以下)。地基網則主要是深空網，用以支持高地球道、同步軌道太空飛行器以及月球、星際和深室探測任務。此外，地基網還包括STDN網目前剩下的幾個站。

STDN網

NASA於1972年將載人航天飛行網(MSFN)與衛星跟蹤與數據獲取網(STADAN)合併成一個網，稱為航天跟蹤與數據網(STDN)，用來保障NASA所有地球軌道任務，包括載入與不載人飛行任務。

STDN的網路控制中心(NCC)

STDN的網路控制中心設在哥達德航天中心的11號大樓內，負責規劃、控制以及確保STDN的可靠運行。網路控制中心主要由計算機系統、數位電視系統和數據通信設備組成。

計算機系統是網路控制中心的主要數據處理設施，由計算機及相關外設組成。該系統維持網路控制中心的資料庫並運行網路控制中心的所有操作軟體。

數據通信設備由通信處理器和通信前端處理器組成。它給網路控制中心提高了大部分外部接口。通信前端處理器完成線路控制功能，通信處理器完成較高級的透信協定功能。

數位電視系統提供與NCC操作人員的接口。向操作人員顯示文字和圖形信息，接收操作人員從控制台發出的各種指令。數位電視系統允許控制台操作人員完成以下功能：與NCC互動；觀看、編輯、建立顯示；與其它控制台通信。

為了執行管理STDN的職責，網路控制中心要完成以下一些主要功能：網路規劃；監視網路性能；監視網路資源的狀態；核實網路保障結構；給用戶提供SIDN的性能數據；確保網路設施獲得用戶太空飛行器的信息；服務統計；設計故障隔離程式；管理改變網路配置的地面配置指令；管理TDRS地址用戶發射功率，確保從各個用戶來的數據質量；控制無線電頻率干擾。為了完成這些主要功能，網路控制中心與哥達德航天中心的部分設施還設有外部套用層接口：NASA通信網控制與狀態接口，信息轉換系統以及多路調製器/解調器；多衛星操作控制中心；NASA地面終端；白沙地面終端；操作保障地面設施；感測器數據處理設施。

地面站

NASA現有4個地面站。分別是梅里特島/龐斯德利昂站、百慕達站、達卡爾站(塞內加爾)以及沃洛普斯島站。

達卡爾站只是一個通信站，提供與太空梭之間的UHF話音通信，並沒有測控功能。

百慕達站主要是用來保障從甘迺迪角向東北方向發射的太空飛行器的上升段。梅里特島站用來保障從甘迺迪角向東南方向發射的太空飛行器的上升段，還用於保障在甘迺迪角降落的太空飛行器的再入段。由於大部分太空飛行器都是向東南發射的，所以梅里特島站的使用較頻繁。沃洛普斯島站用來保障國際紫外線探測計畫。

從甘迺迪角發射的太空飛行器升空後尾焰對著梅里特島站，因此S波段信號的衰減較大。為了提供與太空飛行器的S波段通信，又在該站以北65公里處的龐斯德利昂設了一個附屬站，與梅里特島之間通過一個三條微波系統通信。

梅里特島站現有資源如下：

①2副9米拋物面天線，用來跟蹤太空飛行器；

②2副3米拋物面天線，在甘迺迪航天中心與中繼衛星之間中繼數據。其中一幅天線裝在42米高的TDRS中繼塔上，指向TDRS的用戶，與另一幅指向TDRS的天線連線；

③1副3米拋物面天線，當梅里特島站的其它天線用於其它測試時，該天線用來與正在甘迺迪航天中心測試的軌道器通信；

④1副UHF Teltrac天線，用來與太空梭軌道器上的太空人進行話音通信。該天線伺服於S波段跟蹤天線中的某一個，在上升段、軌道段和著陸段指向太空梭軌道器；

⑤2副盤錐形天線，用作動態備份和監視可移動UHF Teltrae天線；

⑥2副1．2米拋物面天線，與在甘迺迪航天中心處理的深空網載荷通信。2副天線分別工作於S和X波段，都安裝在42米高的中繼塔上接近頂端的地方；

⑦1副短波無線，用來監視美國政府的標準對時站；

⑧1副1．8米微波天線，安裝在42米高的中繼塔上，用來與龐斯德利昂站通信；

⑨中繼塔也作標校塔，有1．2米S波段和Ku波段天線，用來校正和測試可轉向天線；

⑩1副18米、2副12米屬於地球站的天線，通過國內通信衛星與其它地球站通信。

深空網(DSN)

由噴氣推進實驗室(JPL)管理的深空網是一個很先進的測控網，其主要作用是為NASA的行星探測飛行器提供跟蹤、數據獲取和通信服務。該網目前由相隔約120°的3個站組成，分別位於加利福尼亞州的戈爾德斯頓、澳大利亞的坎培拉和南非的約翰內斯堡。這三個站形成了一個完整的26m網站，可以完全覆蓋2000公里高的軌道。每個站有4副大型拋物面天線，1副70米，2副34米，1副26米。70米和34米天線配置有S波段和x波殷接收機，26米天線僅能工作在S波段。

深空網站不僅包括口徑非常大的天線，還包括以下電子設備：

①高功率發射機及其輔助設備；

②低噪聲放大器，相位相干接收機，以及將天線電信號轉換成數字(符號)流的同步檢測器；

③前向鏈路的編碼器和返向鏈路的解碼器；

④都卜勒提取器和測距設備。

為使作用距離儘可能遠，儘可能多地接收探測器發回的數據，深空阿一直在儘量採用最先進的技術，以推動通信鏈路的性能不斷提高。提高頻率，提高太空飛行器發射機的功率以及採用更大口徑的天線是最直接的方法，其他還有採用低噪聲接收機，提高天線效率，改進編碼技術，改進調製和檢測系統。

DSN的測控(TT&C)系統包括低噪聲接收機、數位訊號和側音處理、符號解碼、跟蹤和遙測數據處理、指令調製和傳送系統。目前，這些功能由五個不同的子系統完成，每個子系統都有獨立的控制器和操作界面，其設計並沒有考慮各子系統之間的相互作用。不過JPL制定了一個從1995年開始並一直持續到2004年的TT&C系統改造計畫，即深空網簡化計畫(NSP)，目的是為該系統引進新技術、新功能，並提高系統的效率和穩健性。網路簡化計畫完成後TT&C系統的設備的數量明顯減少。通過結構改造和整合，形成兩個新的子系統：上行鏈路遙控和跟蹤子系統，下行鏈路跟蹤和遙測子系統。

美國軍事航天測控系統

軍事航天任務對測控網提出了保密性好、生存能力強的特殊要求。為此，美國國防部從20世紀50年代末開始，建立了多個獨立的全球性測控網，其中任務最忙、技術水平最為先進的是空軍衛星控制網(AFSCN)。該網原由7個地面站和位於桑尼威爾的1個測控中心組成。多年來為國防部的大量偵察衛星、預警衛星、通信衛星和太空梭等提供測控服務。20世紀80年代該網作了全面改造，為各站裝備機動型自動化s波段綜合系統，開通寬頻衛星連線線路，並在美國中部斯普林斯建立既能控制人造衛星又能控制太空梭的綜合航天操作中心。此外，美國的軍事航天測控網還包括海軍衛星控制網(NavySatellite Control Network，NSCN)、陸軍衛星控制網(Army Satellite Control Network)和NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)衛星控制網等衛星專用測控網。

空軍衛星控制網(AFSCN)

空軍衛星控制網是美國空軍系統司令部的一個下屬單位，由12個部門組成，其中5個部門負責操作活動，4個部門提供各種保障，3個部門從事開發活動。AFSCN至今已支持了80多個15種類型的太空飛行器，包括低高度的氣象衛星、中高度的導航衛星和高軌通信衛星。AFSCN在美國軍用測控網中規模最大，同時也是最重要的多用戶軍事航天測控網，非常具有代表性。目前，AFSCN同的組成及站上設備包括：衛星指揮控制中心、遠方跟蹤站、天地鏈路分系統和通信系統4個部分。

衛星指揮控制中心

空軍衛星控制網共有2個指揮控制中心，一個靠近科羅拉多州斯普林斯，位於{擊爾肯空軍基地，稱作綜合航天操作中心(CSOC)；另一個在加州桑尼威爾，位於昂尼祖卡空軍基地，稱作綜合衛星試驗中心(CSTC)。每箇中心用自己的通信設備與其它測控設備聯接，它們獨立運行，又互為備份。每個控制中心又可細分為數個“航天指揮控制設施”(MCC)，每個MCC負責一個衛星系列，若星座不大也可負責幾個衛星系列。目前，昂尼祖卡空軍基地有11個MCC，法爾肯空軍基地有4個MCC。不管支持哪一項任務，所有MCC都要支持衛星操作的3個階段：規劃、過境測控和評價。所有MCC的硬體都相似，配置方法一樣。通常一個MCC只有一個過境測控處理器、一個規劃和評價處理器、一個數據處理單元、2個或2個以上遙控和遙測前端設備。MCC的結構框圖如圖所示。

指揮控制系統是一大型軟體，由8個主要模組構成，程式超過250萬行。這8個模組分別是操作規劃(OPPLN)模組、航天任務軌道規劃(MOPLN)模組、跟蹤和軌道確定(TRORD)模組、遙測處理和評價(TLMPE)模組、遙控模組、MCC管理模組、公共業務模組和顯示模組。其中後面3個模組是前面5個模組的服務程式。

遠方跟蹤站

為了對美國各種軍用衛星形成全球覆蓋，空軍衛星控制網在全球8個地方設立了遠方跟蹤站，安裝了16副天線，在衛星與MCC之間形成天地迴路。衛星控制中心的每個MCC都與每個遠方跟蹤站相連。在空軍衛星控制網中，除法爾肯空軍基地和印度洋迭戈加西亞的跟蹤站為單套站，格林蘭圖勒為3套站外，其餘均為雙套站。美國空軍投入巨資對遠方跟蹤站進行了名為“自動化遠方跟蹤站”(ARTS)的改造，引人新的計算機，更換或改造了天線伺服系統並安裝了新的發射和接收設備。經過改造，天線的可用性從老天線的每天17小時增加到改造後的每天23小時，而且MCC可以通過傳送控制指令遠程配置和控制天線，明顯減少了值班人員。每個遠方跟蹤站都包括一套相同的具有標準接口的ARTS核心設備，以及使各站具有特殊功能的專用增強設備和天線分系統。

天線分系統包括反射器、副反射器、饋源、帶驅動裝置的底座、控制器及天線保護罩；核心專用設備則由測控子系統、控制和狀態子系統及通信接口子系統組成；增強設備包括了GPS增強設備、國防氣象衛星增強設備及跟蹤站開發和維護設施增強設備。

天地鏈路分系統(SGLS)

SGLS用於在測控站和衛星間提供全雙工通信，完成遙控、跟蹤、遙測和測距功能。只有當太空飛行器裝配了與SGLS波形兼容的應答機才能進行全雙向通信。SGLS共有20條上、下行信道，上行採用L頻段；下行採用S頻段，每條信道所使用的上、下行頻率是相干的。

通信系統

通信系統將指揮控制中心與各遠方測控站聯繫起來，傳遞來自MCC的遙控信息、太空飛行器的遙測信息、遠方跟蹤站的狀態信息、IRIG時間信息和遠方跟蹤站操作員之間的保密話音信息。通信鏈路可以分為2大類，即寬頻和窄帶鏈路。

寬頻鏈路主要由國防衛星通信系統/衛星試驗中心接口分系統(DSIS)提供。每個控制結點及每個遠方跟蹤站都有一個通信衛星地面終端。這樣，每個控制結點都可以通過國防衛星通信系統(DSCS)與任何遠方跟蹤站相聯。沒有DSCS寬頻鏈路的站，租用商業通信鏈路；寬頻通信發生故障時，到遠方跟蹤站的窄帶通信鏈路將提供應急路由。這些鏈路與上述寬頻電路相互獨立，由商業公司租用陸線、微波和光纖鏈路組成。窄帶的能力低於寬頻。MCC有時使用到遠方跟蹤站的窄帶鏈路補充其寬頻鏈路，而不僅僅是備用。這種做法在操作上風險大一些，但這樣MCC可以比只用寬頻鏈路收到更多的遙測數據。

美國的其它軍用航天測控網

海軍衛星控制網負責支持15顆通信和導航衛星的運行和放在其它衛星上的一些通信包，海軍研究實驗室衛星控制網支持著28顆保密衛星和科學衛星任務，陸軍衛星控制網控制著11顆在軌國防衛星通信系統衛星(DSCS)的有效載荷和通信網路(空軍衛星控制網負責控制衛星平台)，NOAA衛星控制網支持著4顆環境衛星和4顆備用衛星的運行，以上這些測控網的規模都較小。

NOAA 的測控資源

目前美國國家海洋和大氣局（NOAA）在軌運行的為 16 顆衛星組成的 3 個衛星星座， 包括地球同步衛星、 極軌衛星等， 由其所屬地面測控資源實施運行管理。 NOAA的地面測控資源具體可分成極軌衛星地面系統和同步衛星地面系統兩部分。

NOAA 的極軌地面系統（PGS）負責接收 NOAA 極軌運行環境衛星（POES）和國防部防禦氣象衛星計畫（DMSP）等近地衛星的遙測和科學數據，並通過各種遙控體制實施衛星控制，此外還接收一些非 NOAA 衛星的數據。 PGS 由位於馬里蘭州的 Suitland 的衛星運行控制中心和中心環境衛星計算中心、位於維吉尼亞州沃洛普斯（WCDAS）和阿拉斯加州 Fairbanks（FCDAS）的兩個指令和數據接收站組成。在運行控制中心，基於實時系統的指令、控制和通信系統的極軌捕獲和控制子系統（PACS）支持極軌衛星系統，還負責處理衛星數據。兩套地面站的功能相同，由天線、射頻、指令傳送、數據處理和 PACS 幾部分組成。隨著衛星擁有更大的指令存儲能力，要求修改地面軟體以仿真衛星，驗證操作正確性。同時要在求地面人員不變情況下，可以完成更多的跟蹤圈次。

同步衛星地面系統的主要功能是接收衛星圖像，再將修正過的數據以 GVAR 格式發給同步衛星供廣播給主要用戶，處理數據流獲得軌道和姿態確定數據，監視廣播數據質量。系統的主要部分是敏感器處理系統（SPS、產品監視（PM）和軌道姿態跟蹤系統（OATS。 NOAA 目前具備 S 和 X 頻段測控能力。

綜合利用

無論是負責民用航天計畫的 NASA，還是負責軍用航天計畫的美國國防部，都正面臨來自測控性能和測控成本兩方面的挑戰，在地基測控資源上表現尤為突出。NASA 的 GN 和 ASFCN 都面臨未來衛星測控需求的持續增長，設備和系統老齡化更增加了航天測控服務性能上的風險，然而財政投入的限制卻約束了新系統的大規模建設和原有系統的全面升級。保留的一些早期任務專用設備，利用率低，仍需不斷進行維護。實現不同測控網之間的互操作的呼聲越來越強烈。

航天測控資源的綜合利用可以有效覆蓋，減少測控間隔；提高測控資源利用率，減少閒置時間；增強多任務測控能力；使測控系統更加靈活；有效降低航天測控成本等。但是由於以往任務需求驅動的模式，使得不同測控資源之間採用不同的標準和接口，系統間的互操作技術上仍需進行驗證測試。已經在 NASA 的 SN、 GN 和AFSCN 之間利用 CCSDS SLE 開展了一些互操作的實驗。但同時面臨不同部分所屬資源的管理實施困難，由於測控網之間的差異導致空間操作更加複雜，並帶來測控安全性問題，資源使用優先權的高效安排和經費使用等一系列問題，這些問題導致美國航天測控資源綜合利用並未取得明顯進展。