航天測控系統

第二次世界大戰以後不久,在火箭試驗中就已採用某些光學和電子測量系統，例如光學跟蹤經緯儀和都卜勒測速儀。但是作為完整的航天測控系統，則是在人造地球衛星出現之後才逐步形成的。全系統靠全球性的通信網來相互連線，相當一部分線路是租用。除了對近地衛星和飛船的測控系統外，還建立了對行星際探測的深空測控網。 中國航天測控系統也是在航天事業的發展中逐步臻於完善的。為了擴展觀測範圍,還建造了海上測量船,以便駛往遠洋對太空飛行器進行跟蹤觀測。在整個測控系統中使用了多台計算機，並有貫通各個測控站、測量船和測控中心的通信網路。

基本介紹

• 中文名：航天測控系統
• 外文名：space tracking,telemetering and command system
• 釋義：對運行中的太空飛行器跟蹤的電子系統
• 系統組成：跟蹤測量系統、遙測系統

定義

對運行中的太空飛行器（運載火箭、人造地球衛星、宇宙飛船和其他空間飛行器）進行跟蹤、測量和控制的大型電子系統。

系統組成

航天測控系統包括以下各種系統。前3個系統，由地面的和裝在太空飛行器上的兩部分電子設備組成。

①　跟蹤測量系統：跟蹤太空飛行器，測定其彈道或軌道。

②　遙測系統：測量和傳送太空飛行器內部的工程參數和用敏感器測得的空間物理參數。

③　遙控系統：通過無線電對太空飛行器的姿態、軌道和其他狀態進行控制。

④　計算系統：用於彈道、軌道和姿態的確定和實時控制中的計算。

⑤　時間統一系統：為整個測控系統提供標準時刻和時標。

⑥　顯示記錄系統：顯示太空飛行器遙測、彈道、軌道和其他參數及其變化情況，必要時予以列印記錄。

⑦　通信、數據傳輸系統：作為各種電子設備和通信網路的中間設備，溝通各個系統之間的信息，以實現指揮調度。

航天測控網

各種地面系統分別安裝在適當地理位置的若干測控站（包括必要的測量船和測控飛機）和一個測控中心內，通過通信網路相互聯接而構成整體的航天測控系統（見圖），或稱航天測控網。

總體設計

航天測控系統總體設計屬於電子系統工程問題。對整個系統來說，首先考慮的是航天任務的要求，可以針對某一個任務，也可以兼顧多個任務，從較長遠的發展要求來設計。航天測控系統的中心問題是從地面和太空飛行器整體出發，實現信息獲取，即將太空飛行器的飛行和工作數據發回地面，並用計算機進行計算、決策和實時反饋來控制太空飛行器飛行的軌道和姿態。

存在問題

因此，在總體設計中必須解決的問題有：①全系統所要具備的功能和實現這些功能的手段;②測控站布局的合理性;③控制的適時性和靈活性；④各種設備的性能、速度和精度；⑤長期工作的可靠性；⑥最低的投資和最短的建成時間。

電子測控系統

跟蹤測量、遙測和遙控系統是整個測控系統的基本部分。電子測控系統的優點是可以對太空飛行器全天候跟蹤，而且有較好的靈活性和足夠的精度。從系統工程的角度來看，對太空飛行器跟蹤測量所得的數據，經過計算，可給出彈道、軌道或位置的信息；而遙測所提供的數據，經過處理、分析可給出太空飛行器的狀態信息；它們都是系統中反饋迴路的重要信息源。遙控則是控制系統中的執行機構。

電子測量和控制系統的地面部分，必須與裝在太空飛行器上的電子設備相配合才能完成測控任務。對於測量，太空飛行器上必須有相應的信標機或應答機，它們發回地面跟蹤和測速用的射頻信號，應答機還發回測距信息。對於遙測，太空飛行器上必須有檢測各種參數的感測器和傳送這些參數的射頻發射機。對於遙控，太空飛行器上必須有指令接收機。因此，太空飛行器上的和地面的兩部分電子設備在設計時應該結合起來統一考慮。

為了提高測量的精確性和擴大信息的傳輸量，測控設備所用的無線電頻率大部分已經提高到微波波段。為了減少太空飛行器上電子設備的重量、體積，特別是要減少天線的數目，將各種測控功能適當地綜合在一個統一的射頻載波上是一個重要的發展。這種系統稱為微波統一測控系統。中國研製的微波統一測控系統,靈活多用,可進行單站或多站測量。

計算系統

計算系統是整個測控系統的核心。各個測控站和各個設備都可用自己的計算機來處理本站和本機的數據，但大數據量的計算以及根據計算結果進行分析和做出控制決策等，一般都要集中到測控中心來做。因此，在測控中心應裝有容量大、速度高的計算機，並能雙工工作以保證可靠性。在主機前端則可採用較小的計算機來進行數據的編輯、選擇和預處理。主機的計算結果，一方面輸入顯示系統加以顯示，以便指揮控制人員能據此作出決策；另一方面也可以由計算機在人的監視下進行自動分析、決策，直接選擇控制參數，通過遙控信道發出指令。這些計算、分析、人-機對話和決策,都須依靠計算機軟體系統來實現。因此，編制適當的軟體，經過演練確認其正確性，定型後並在實際中使用，是測控系統在太空飛行器發射和管理中的一項十分重要的工作。

最佳化配置策略

航天測控系統現行測試資源建設模式還基本延續傳統的串列建設模式，即：先研製航天測控裝備，在實現裝備功能前提下再詳細考慮測試資源建設問題。這種模式在早期航天測控裝備數量和種類少的情況下基本能夠滿足要求，但是近年來伴隨航天測控系統規模壯大，複雜度提高，種類、數量不斷增加，傳統的串列測試資源建設模式越來越難以為繼，迫切需要尋求方法來緩解日益增長的測試資源需求和有限測試保障經費之間的矛盾。

從裝備質量特性的角度考慮，測試資源的配置屬於“測試性”學科研究範疇。“測試性”是指產品能及時並準確地確定其狀態(可工作、不可工作或性能下降)，並隔離其內部故障的一種設計特性。裝備測試性是構成裝備質量特性的重要組成部分，是裝備可靠性設計與裝備維修保障設計之間的重要紐帶，是確保裝備戰備完好性、任務成功性和安全性要求得到滿足的重要中間環節。在測試性工程框架內，航天測控系統測試資源配置應該面向裝備全系統、全壽命並行一體化實施；充分考慮測試性、可計量性、可靠性、維修性、安全性、保障性等特性要求；兼容區域計量與測試保障模式和裝備縱向分層維修體制；相似產品的軟硬體設計、測試性設計、可計量性設計等方法和信息復用；以最佳效費比為原則，科學權衡確定機內測試設備(built．in—test equipment，BITE)、自動測試設備(automatic test equipment，ATE)、外部測試設備(external test equipment，ETE)等的組合方案。

基於並行工程和系統工程思想，構建了測試資源配置體系結構，旨在為開展大規模測試資源配置提供系統化策略形成機制。首先，對測試資源配置體系結構4個組成部分的功能進行了描述，對可用的現有成熟技術進行了綜述，證明了測試資源配置體系結構的可行性。然後，給出了面向維修體制的測試資源配置問題層次化並行建模技術、標準化技術、信息集成與管理技術3項測試資源最佳化配置關鍵技術。最後，給出了航天測控系統測試資源最佳化配置平台設計案例，驗證了相關方法的正確性。

測試資源配置體系結構如圖所示，包括測試資源配置相關信息描述、測試資源配置問題建模、測試資源配置方案評價、測試資源配置方案最佳化4個部分，信息為問題建模、方案評價、方案最佳化提供輸入，模型是方案評價與最佳化的基礎，通過方案評價可以識別測試資源配置缺陷，方案最佳化則彌補缺陷或者選擇更優機內測試設備、機外測試設備、手動測試設備等的權衡配置方式。每次方案最佳化後均需要對問題進行重新建模，反覆疊代，直至獲得滿足要求的高效費比測試資源配置結果。

系統新發展

從地面上對太空飛行器跟蹤測量和控制，往往需要在很大範圍內布置相當數目的測控站，疆域較小的國家不具備這種條件。為了解決這一困難,國際間的協作十分必要,為此需要使各國測控系統的頻率和體制統一起來。70年代初期，美國發射“阿波羅”號登月載人飛船時，開始套用S波段(2吉赫頻段)統一系統並經實踐證明了這種系統的優越性。現在美國的地面測控網已逐步改建,採用S波段統一系統作為主要的測控手段。西歐和日本也採用了頻段相同而體制類似的系統，並且已套用到不同類型的衛星和太空飛行器上。各國的測控頻率和體制的統一，有利於互相利用。這是航天測控系統的發展趨勢。

對於較低軌道的衛星或其他太空飛行器來說，一個地面測控站的跟蹤範圍畢竟有限，而設定測控站的數目又受到種種限制，不能無限增加。為了擴大跟蹤範圍，將測控站搬到同步定點衛星上,從35800公里的高空來觀測低軌道衛星是解決這一困難的一個辦法。1983年 5月美國利用太空梭發射的一顆跟蹤與數據中繼衛星(TDRS)是實現這個構想的第一步。兩顆定點在赤道上空，經度相隔約 140°的跟蹤與數據中繼衛星和一個相應的地面控制接收站組成跟蹤與數據中繼衛星系統 (TDRSS)。這種系統將能對多顆低軌衛星進行全球性不間斷的跟蹤、測控和數據中繼。從測控的角度來看，系統的工作原理和微波統一測控系統類似。測控點站仍設在地面（但減少到一個），而兩顆跟蹤與數據中繼衛星實際上是起了將測控信號轉接和擴大到全球範圍的作用。

安全分析

系統安全與生存能力、空間信息保障能力的提升將成為維護國家安全的關鍵。我國測控系統雖然已經建成了功能較為完備、長期運行穩定、滿足測控任務要求的測控網，但還存在試驗組織模式亟待改進、設備標準化程度不高、自動化運行功能不完善等問題。而且計算機病毒、自然災害、戰爭威脅等正在成為主要的不安全因素，測控網所面臨的安全問題日漸突出。

系統內部安全隱患

1)試驗組織方面的隱患

當前，試驗部隊在實時測控任務中一直沿用傳統指揮模式，近年來隨著我國航天試驗高密度、多型號任務並行常態化，該模式逐漸暴露出與形勢發展不相適應的缺陷，給試驗安全帶來隱患。傳統指揮模式存在的主要問題是：

①指揮層級多，命令傳輸不夠及時；

②信息化技術未得到充分利用；

③測控資源運行管理功能不完善；

④占用人力資源多，不夠精簡高效；

⑤作戰信息支援模式缺少實踐檢驗。

2)設備安全隱患

我國現有的測控設備與系統和國外先進水平相比，無論在設計理念、元器件水平、工藝流程、軟體套用、維護管理等方面都還存在較大差距。存在的主要問題是：

①一體化、通用化程度不高；②自動化功能不完善；③設備維護社會化保障機制不健全；④備品備件管理不規範。

3)信息安全隱患

現代戰爭的特點決定了信息獲取方式的多樣性，因此航天測控系統必須不斷提高自身的安全等級。測控系統中的信息安全包括：數據處理分析(即有數據效性檢驗)、數據存儲、信息傳輸、保密管理等方面內容。測控系統在這些方面存在的主要問題是：

①數據處理分析過程中的安全隱患，目前影響測控精度和數據處理安全的主要因素有：測量數據的系統誤差，測量過程中產生的隨機誤差，設備故障、數據記錄判讀過程異常，周圍環境突發性變化、干擾及誤操作等產生的異常值等。

②數據存儲中的安全隱患，其存在的安全隱患主要有：基於現有存儲技術的數據集中、共享實現困難；測控數據備份技術發展滯後，自動化程度低；數據存儲安全措施不完善等。

③信息傳輸中的安全隱患心。它主要來自以下幾個方面：一是沒有採用身份識別或訪問控制等措施，致使用戶信息的安全得不到保障；二是作業系統本身存在漏洞，一旦接入網路，計算機很容易就會被感染病毒；三是網路上的病毒侵入計算機，導致計算機運行遲鈍、當機，更有甚者系統癱瘓，無法運行；四是網路黑客利用電腦本身存在的漏洞完成密碼探測，進而盜取機密檔案或是攻擊系統。

4)保密管理方面的安全隱患

此方面的安全隱患突出表現在電子文檔的管理方面：

①加密手段相對落後，傳輸過程不安全；

②檔案傳播範圍廣，存在較大隨意性。

系統外部安全隱患

1)國外建站的風險

由於地球的球形和自旋，建在地球表面利用直線傳播微波鏈路工作的測控站，對中、低軌道太空飛行器的跟蹤弧段短且圈次少。國土面積有限的國家能合理建站的數量很少，海上大量使用測量船代價太高。由2顆工作衛星和1個地面終端站構成的數據中繼衛星系統對1 200 km以下太空飛行器的測控仍有一定盲區。因此進行國外建站就顯得尤為重要。但是，國外建站同樣有不可迴避的負面影響。如：低空無線電鏈路易受到人為射頻干擾；高功率微波武器足以堵塞、損傷甚至燒毀微波前端；可能經此輸入偽造的指令和記錄後重放的指令，使地面測控網更容易遭到硬摧毀。

2)國際聯網的風險

國際聯網必須採用國際通用標準，特別是CCSDS。但是，貫徹CCSDS建議也會帶來某些負面作用，測控信道、數據格式、傳輸協定完全是公開的，給信息安全性(尤其是遙控指令)造成一定威脅。同時由於國際聯網的存在，給了國外一個物理接口，系統容易遭到網路的軟攻擊，特別是“黑客”和“病毒”攻擊。

3)自然災害的影響

航天任務測控通信和任務操作主要由任務中心、地面測控站、運行管理中心和通信網聯合完成，一旦由於地震、風暴、火災、雷電以及其他嚴重自然災害等不可抗拒的原因導致以上某些單元受損，將對在軌飛行的航天員安全以及對大量在軌太空飛行器的控制和正常工作造成重大影響。國外主要航天測控中心均是以固定式來設計，主要航天大國均採用建立多個備份航天測控中心的方式，來提高地面測控系統的生存能力和測控支持能力。

4)戰爭威脅

科學技術高度發達的今天，傳統的戰爭模式已成為記憶，現代的戰爭比的是科技實力，戰爭威脅的形式主要體現在以下幾個方面：

①物理摧毀威脅，物理摧毀分為“軟”殺傷和“硬”殺傷。前者傾向於攻擊、破壞甚至控制網路感測器、通信數據鏈和指揮決策工具。而硬殺傷的目的是摧毀網路中的關鍵節點，重點是感測器系統。目前，任務中心和測站多以固定式為主，不具備機動能力。若遭到攻擊將導致測控系統癱瘓或測控覆蓋率降低。

②電磁干擾威脅，電磁干擾對測控系統的威脅不亞於物理摧毀，目前雖然配備了一定數量的擴頻測控系統，但擴頻方式單一，沒有混合擴頻測控系統，再加上標準統一測控系統還不具備擴頻抗干擾能力。因此，在抗干擾方面的安全隱患將在一定時期內長期存在。

展望

隨著套用衛星的發展，特別是導航衛星、高解析度遙感衛星、載人飛船的會合和對接、太空梭以及行星際和更遠距離的航行，對航天測控系統提出了更高的要求：①提高衛星測軌、定位和姿態測定的精度；②提高衛星或飛船機動控制的實時性和精確性；③特遠距離時的跟蹤測量和高速數據傳輸。

更精密的光學和電子測控系統，更大容量和更高運算速率的計算機，更高精確度的時間標準和更高效率的通信體制等，都是為解決上述問題需要研究的課題。