航天測控網是完成運載火箭、太空飛行器跟蹤測軌、遙測信號接收與處理、遙控信號傳送任務的綜合電子系統。由於地球曲率的影響，以無線電微波傳播為基礎的測控系統，用一個地點的地面站不可能實現對運載火箭，太空飛行器進行全航程觀測，需要用分布在不同地點的多個地面站“接力”連線才能完成測控任務。航天測控網由多個測控站、測控中心和通信系統構成。
基本介紹
- 中文名：航天測控網
- 外文名：space instrumentation and command network
- 作用：監測監控
基本介紹,組成,系統特點,工作原理,發展途徑,主要內容,陸地測控,海洋測控,飛機測控,衛星測控,相關類別,重要性,
基本介紹
航天測控網是“航天測量控制與數據採集網”的簡稱，由航天測控中心和分布在全國或全球的若干個航天測控站組成，其任務是對太空飛行器進行跟蹤測量，控制太空飛行器的運行並保證它功能正常。
中國航天測控網從1967年開始建設，已建成包括北京、西安、酒泉測控中心、多個地面測量站及海上測量船隊在內的、功能完善的測控系統，先後完成了我國多種衛星和10次“神舟”無人飛船的測控任務，還為多顆商用衛星提供了測控支持。
我國航天測控網立足本國國情，通過最佳化測控站、船的布局，確保太空飛行器在上升段、變軌段、返回制動段、分離段等關鍵飛行段落的測控支持，規模適當、布局合理。
航天測控網：aerospace tracking,telemetry and command network對運載火箭和太空飛行器進行跟蹤、測量和控制的專用網路系統。一般由航天指揮控制中心和若干測控站（含測量船、測量飛機、跟蹤與數據中繼衛星）及測控通信系統組成。航天測控網具有對運載火箭和太空飛行器進行跟蹤測量、遙測、遙控、數傳等功能。工作內容主要包括：跟蹤測量太空飛行器，確定其運行軌道;接收、處理太空飛行器的遙測數據（含平台和有效載荷遙測、圖像信息等），監視其工作狀況;依據太空飛行器的工作狀態和任務，控制太空飛行器的姿態、運行軌道;接收和分發有效載荷數據;實時提供太空飛行器的遙測信息、運行軌道和姿態等數據，接收故障仿真數據，並形成故障處理對策;與載人太空飛行器上的航天員進行通信聯絡。航天測控網的主要技術指標包括測量精度、測控覆蓋率、天地數據傳輸速率、多任務支持能力等。
組成
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；
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……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。
系統特點
規模適當，布局合理，以較少的投入獲得了較大的效益。這是航天測控網的鮮明特色。
航天測控網
航天測控網為滿足載人航天的基本要求，航天測控網建立了網路管理中心，對測控網進行集中監控，並負責測控資源的動態最佳化配置，實現了對陸上、海上所有13個測控站的聯網和統一管理調度。
航天測控網不僅軌道測算精度高，而且具備天地話音、電視圖像和高速數據傳輸等能力。測控中心的專家組可根據各測控站傳來的信息，研究決策並直接向太空飛行器傳送指令，實現了對太空飛行器的"透明"控制，大大強化了監控能力，特別是提高了在應急情況下的測控能力。能充分利用有限的國土跨度和其他資源，通過最佳化測控站、船布局，確保太空飛行器在上升段、變軌段、返回制動段、分離段等關鍵飛行段落的測控支持。
工作原理
航天測控網微波統一系統的基本工作原理是：將各種信息先分別調製在不同頻率的副載波上﹐然後相加共同調製到一個載波上發出；在接收端先對載波解調﹐然後用不同頻率的濾波器將各副載波分開：解調各副載信號使得到傳送時的原始信息。微波統一測控系統一般由天線跟蹤/角測量系統、發射系統、接收系統、遙測終端、遙控終端、測距/測速終端、時/頻終端、監控系統、遠程監控或數據傳輸設備以及其它附屬設備組成。
統一S波段（USB）航天測控網最早是在20世紀60年代美國在執行阿波羅登月計畫時首先使用的。60年代初，美國在執行水星號和雙子星號載人航天任務時，由於使用了多種頻段的設備分別進行不同的工作﹐結果飛船上天線多﹑重量大﹑可靠性差﹐而且地球上也相應設定了十分複雜的設備。為了改變這種情況，美國國家航空航天局提出採用統一S波段（2000～4000兆赫）系統作為阿波羅登月計畫的地面保障系統，並在60年代中期建成了以統一S波段為主體的跟蹤測控網，從而使航天測控從單一功能分散體制改進為綜合多功能體制。
發展途徑
我國先後建成了超短波近地衛星測控網、 頻段衛星測控網和 頻段航天測控網， 可為中低軌、地球同步軌道等多種太空飛行器提供測控支持，圓滿完成了各次航天飛行的測控任務。
通過軟硬多種措施，提高測控網的測量精度
測控網的測量精度主要取決於目標的觀察值精度和定軌方法。 為提高目標的觀察值精度，除對當前測控設備採用高精度標較 （ 如衛星標較）等手段降低設備誤差外，應考慮以下措施。
利用差分定位
在飛行器上安裝接收機，在地面建設差分網（或利用已有的差分站）和數據處理設施。 目前，我國星上接收機技術已基本成熟。 載人飛船第一次飛行試驗中採用了GPS定位。1996年10月在某衛星上初次進行了搭載試驗，在事後進行了精度鑑定。 其非差分軌道確定精度為：定位約20m，速度約0.05m。
雷射測距手段
利用中科院上海天文台、北京天文台、雲南天文台等現有的雷射測距系統，或新建雷射測距系統，在飛行器上安裝雷射合作目標。 單次測距精度可達厘米量級。 該方法在歐洲ERS-1衛星中得到成功利用，定軌精度達2m。
相干信號干涉系統
在國內選取幾個測控站，增加相干信號接收和處理系統， 進行多站相干信號處理， 利用基線干涉原理來提高定軌精度。
高精度定軌方法
在現有基礎上，研究提高定軌精度的新方法。首先是完善現有測控坐標系。目前測控採用的坐標系是一個在區域內擬合精度高的坐標系。 在與GPS所適用的坐標系轉換過程中，也是採用已知多點進行擬合的方法。 因此， 為提高整個系統定軌精度， 應建立健全測量坐標系。其次，研究測量數據預處理的新方法和大氣、電離層等精確數學模型、定軌新方法。通過對測距、測速等各種信息源的綜合利用來進一步提高定軌精度。 同時完善定軌精度的檢驗方法和手段。
提高測控網覆蓋率
在提高測控網覆蓋率時，目前可採用的手段和措施有：①建設地面測控站；② 國際聯網；③租用國外中繼星或利用商業通信衛星；④建設中繼衛星系統， 形成天基測控網。 下面對每種方法進行討論。
建設地面測控站
建設測控站（船）是指在國內或國外建造 頻段或 頻段統一系統站，或建造航天測量船，進一步擴大地面測控網的規模。該辦法的優點是技術成熟、生產周期短；缺點是投入大、對覆蓋率的貢獻小。 建設一個測控站對測控覆蓋率貢獻在。根據目前我國測控站布設情況，已不宜再在國內建設用於運行段任務的測控站和測量船，只有在國外建站。
國際聯網
由於我國S頻段航天測控網主要採用了CCSDS標準，C頻段航天測控網也採用國際通用標準，因此，為國際航天合作奠定了基礎。 國際聯網是指通過租用或租借國外測控站為我國太空飛行器測控提供支持，從而達到提高測控網覆蓋能力的目的。 根據CCSDS組織提供的世界測控站目錄，可供聯網的國外測控站分布在四大洲， 數量近百個。 使用國際聯網的優點是，可實施聯網的國外測控站數目多、成本低、技術成熟、投入小； 缺點是安全保密性較差。
租用國外中繼星或利用商業通信衛星
通過租用國外數據中繼星或利用同步通信衛星可以較大程度地提高測控網的覆蓋能力，使用一顆中繼星覆蓋率可達50%以上。租用中繼衛星，免去了中繼星系統建設費用，可以為我國建造自己的數據中繼衛星系統提供經驗。 當前， 可租用的數據中繼衛星主要有美國的中繼衛星和俄羅斯的中繼衛星。 可用於數據中繼的同步通信衛星需具備如下條件：具有全球波束、衛星高EIRP和G/T值、移動通信頻段。經比較，目前可用的衛星系統是海事衛星系統。
建設我國自己的數據中繼衛星系統
為滿足載人航天和大容量、強實時性衛星的測控需要，建設我國自己的數據中繼衛星系統才是提高測控覆蓋率的根本出路。 從美、俄地基測控網由小到大，後逐漸演變到天基測控網的發展過程可以得到驗證。 在數據中繼衛星系統中， 應全面貫徹CCSDS標準， 構成天地間一體化的數據網路。 使測控、套用 “ 合二為一”，避免重複建設。 為加快數據中繼衛星系統的建設，可以先建成一個簡易的數據中繼衛星系統， 數據中繼速率適中， 中繼衛星天線口徑不宜大。 在此基礎上，再發展功能更強大的新一代中繼衛星系統。
提高測控網的運行效率和多任務能力
在以往衛星測控中，為完成一個新型號的測控任務，總是要建一些新的測控站，它的成因是多方面的，但與測控資源低效率的調用模式不無關係。為提高測控網對多星任務特別是對將來衛星星座、星群的支持，測控資源的最佳化配置、進一步深挖潛能是不可缺少的。首先應拋棄過去測控站“靜態調度”， “大測站、小中心”的舊模式， 由網管中心根據任務需要統一調度分配測控資源，加強動態計畫、自動調度等手段，降低人工指揮調度在聯調、任務中的作用。 整個測控網的管理可以採用 “ 集中管理、統一分配”的運行模式。該模式的管理流程如圖所示。
推廣使用CCSDS標準
在當前衛星任務中，套用系統與測控系統是分開的。 除地面測控網外，套用部門還建有套用接收站和數據傳輸系統。 這種重複建設帶來了資源的浪費、太空飛行器設計的複雜和管理上的困難。 CCSDS自1982年成立後，推出了一系列技術建議書， 其中一部分已直接轉化為測控標準。 這些標準的套用使得不同空間局之間共享資源、互動支持成為可能。 這將最終降低航天費用及成本，提高太空飛行器的測控覆蓋率及安全性， 將大家熟知的INTERNET網思想擴展到空間領域。 隨著 標準在航天領域的廣泛使用和數據中繼衛星的發展，套用與測控合二為一，天地一體化網路傳輸方式將成為可能。 過去，飛行試驗中的測控數據主要由衛星測控中心掌握，在其它單位如鑑定測控網精度等需使用時， 需通過介質拷貝， 進行人工傳輸，這給資源的利用帶來了困難和不便。 建立天地一體化測控數據網路，可以為客觀評價測控網的精度、性能提供有效手段，便於衛星製造部門對測控任務， 尤其是長期管理任務等提供有效應急支持。
主要內容
陸地測控
航天測控的基本組成是遍布全球的陸地測控站。為確保對太空飛行器軌道的有效覆蓋並獲得足夠的測量精度，通常利用在地理上合理分布的若干航天測控站組成航天測控網。因此根據測控區域的要求，陸地測控站分布範圍很廣，航天測控網可以建在本國境內，也可以建在全球任何適於測控的地方。
航天測控網
航天測控網地面測控是一件非常重要、非常精細和非常複雜的工作。衛星的地面測控由測控中心和分布在各地的測控台、站（測量船和飛機）進行。在衛星與運載火箭分離的一剎那，測控中心要根據各台站實時測得的數據，算出衛星的位置、速度和姿態參數，判斷衛星是否入軌。入軌後，測控中心要立即算出其初軌根（參）數，並根據各測控台站發來的遙測數據，判斷衛星上各種儀器工作是否正常，以便採取對策。這些工作必須在幾分鐘內完成。衛星在整個工作過程中，測控中心和各測控台站還有許多繁重的工作要做。其一是不斷地對其速度姿態參數進行跟蹤測量，不斷地精化其軌道根數；其二是對星上儀器的工作狀態進行測量、分析和處理；其三是接收衛星發回的科學探測數據；其四是由於受大氣阻力、地球形狀和日月等天體的影響，衛星軌道會發生振動而離開設計的軌道，因此要不斷地對衛星實施軌道修正和管理。對於返回式衛星，在返回的前一圈，測控中心必須計算出是否符合返回條件。如果符合，還必須精確地計算出落地的時間及落點的經緯度。這些計算難度很大，精度要求很高，因為失之毫釐，將差之千里。返回決定作出後，測控中心應立即作出返回控制方案，包括向衛星傳送各種控制指令的時間、條件等。衛星進入返迴圈後，測控中心命令有關測控台站傳送調整姿態、反推火箭點火、拋掉儀器艙等一系列遙控指令。在返回的過程中，各測控台站仍需對其進行跟蹤測量，並將數據送至測控中心。由此可見，為使衛星正常地工作，必須有一個龐大的地面測控系統日以繼夜地緊張工作。衛星測控中心是這個系統的核心。計算大廳是測控中心的主要建築之一，那裡聚集著眾多的大型計算機。除了看得見的硬體外，還有許多看不見的軟體--對衛星進行管理的程式系統，包括管理程式、信息收發程式、數據處理程式、軌道計算程式、遙測遙控程式和模擬程式等。這些硬體和軟體，既有計算功能，又有控制功能，它們是測控系統的大腦。測控中心還有它的神經網路，即通信系統，它通過大量的載波電路、專向無線電線路、各向都開通的高速率數據傳輸設備，把衛星發射場、回收場以及各測控台站等四面八方聯繫起來。
航天測控站的任務是直接對太空飛行器進行跟蹤測量、遙測、遙控和通信等，它將接收到的測量、遙測信息傳送給航天控制中心，根據航天控制中心的指示與太空飛行器通信，並配合控制中心完成對太空飛行器的控制。陸地測控站通常由跟蹤測量設備、遙測設備、遙控設備、計算機、通信設備、監控顯示設備和時間統一設備組成。隨著無線電技術的發展，測控設備也在不斷發展，獨立的跟蹤測量設備、遙測設備和遙控設備已逐步被共用一路載波信道的統一測控系統所代替。由於數據處理和控制指令生成主要由航天控制中心完成，故航天測控站的計算機以小型或微型計算機為主，履行數據錄取、信息交換和測控設備的自動化監控等任務。選擇陸地測控站站址的要求是：遮蔽角小，電磁環境良好，通信和交通方便。美國在全球各地有數十個固定和機動的測控站。俄羅斯的測控站也非常多，主要分布在原蘇聯境內，其中拜科努爾發射場就有4個測控站,其它地方的太空跟蹤系統和測控站也不下20個。目前，陸地測控站正在向高功能、國際聯網測控和綜合利用方向發展。但由於受到地理、經濟、政治等條件的限制，一個國家不可能通過在全球各地建立測控站的方式來滿足所有的航天測控需求，即使目前最大的陸地測控網，也只能覆蓋大約15%的測控範圍。為此，各國發展了其它的測控方式，以彌補陸地測控站無力觸及的測控盲區。
海洋測控
世界上第一艘航天遠洋測量船是美國的"阿諾德將軍號"，1962年下水。第二年，不甘落後的前蘇聯也造出了"德斯納號"。海上測量船是對太空飛行器及運載火箭進行跟蹤測量和控制的專用船。它是航天測控網的海上機動測量站，可以根據太空飛行器及運載火箭的飛行軌道和測控要求配置在適當海域位置。其任務是在航天控制中心的指揮下跟蹤測量太空飛行器的運行軌跡，接收遙測信息，傳送遙控指令，與航天員通信以及營救返回濺落在海上的航天員；還可用來跟蹤測量試驗彈道飛彈的飛行軌跡，接收彈頭遙測信息，測量彈頭海上落點坐標，打撈數據艙等。 航天測量船可按需要建成設備完善、功能較全的綜合測量船和設備較少、功能單一的遙測船。它們除具有船舶結構，控制、導航、動力等系統外，還裝有相應的測控系統。綜合測量船測控系統一般由無線電跟蹤測量系統、光學跟蹤測量系統、遙測系統、遙控系統、再入物理現象觀測系統、聲吶系統、數據處理系統、指揮控制中心、船位船姿測量系統、通信系統、時間統一系統、電磁輻射報警系統和輔助設備等組成。
航天測控網
航天測控網目前，美國現役的測量船有"紅石"號、"靶場哨兵"號和"觀察島"號3艘；俄羅斯現役的測量船有"加加林"號、"柯瑪洛夫"號、"克雷洛夫"號等21艘，其中，"加加林"號滿載排水量5.35萬噸，是世界上噸位最大的測量船。為適應航天技術發展的需要，美、俄等國正不斷為測量船增添性能更可靠、精度和自動化程度更高的測控設備。中國是繼美、俄、法之後第四個擁有航天遠洋測量船的國家，遠望一號和遠望二號都是在1977年下水的。雖然時間上比其它3個國家晚了十幾年，但在測量和控制的技術水平上卻毫不遜色。1990年，中國首次為國外公司發射了"亞洲一號"衛星，當時，休斯公司要求中方必須在衛星發射後半小時內向美方專家提供衛星的初軌根數。結果，遠望號只用了8分鐘就完成了發現、鎖定目標並發出初軌根數的一系列工作，而且，測出的初軌精度比休斯公司所要求的準確了好幾倍。海上測控有許多困難，其中之一就是在船動、測控儀器動、目標也動的狀況下，如何保證測量精度？中國的測控人員在這方面摸索出了一整套的解決方案。比如選擇測量海況較為平靜的海域；在天線上安裝陀螺穩定裝置，在船體上配裝減搖鰭以有效地消除和減少船搖；在數學方法上，他們則考慮了各種動態因素，能夠精確地計算出測量時的雷達中心位置。在測量精度上，遠望號航天遠洋測量船完全可以和國外的陸上航天測量站相媲美。
飛機測控
測量飛機是航天測控網中的空中機動測控站，可部署在適宜的空域，配合和補充陸上測控站和海上測量船的工作，加強測控能力。測量機上裝載天線，遙測接收、記錄、時統、通信、數據處理等設備及控制台；有的在靠近機頭的外側有專用艙，以安裝光學跟蹤系統。測量飛機的作用靈活而多樣，具體來說在彈道式飛彈和運載火箭的主動段，可接收、記錄和轉發遙測數據，彌補地面遙測站因火焰衰減收不到某些關鍵數據的缺陷；裝備光學跟蹤和攝影系統的飛機可對多級火箭進行跟蹤和拍攝各級間分離的照片；在太空飛行器再入段，可有效地接收遙測數據並經通信衛星轉發;裝備紫外光、可見光和紅外光譜測量儀的飛機可測量飛彈再入體的光輻射特性；在載人太空飛行器的入軌段和再入段，可保障天地間的雙向話音通信，接收和記錄遙測數據，並實時轉發給地面接收站，必要時給太空飛行器傳送遙控指令。測量飛機的發展趨勢是選用更高性能的運輸飛機，並用相控陣天線取代拋物面天線，對多目標進行跟蹤和數據採集，提高其測控能力。
衛星測控
天基測控衛星主要是利用通信衛星和跟蹤與數據中繼衛星系統，跟蹤與數據中繼衛星系統是一種可跟蹤地球軌道飛行器並將數據傳回地面站的空間中繼站，該系統主要用於實時中繼傳輸各類低軌太空飛行器用戶的信息。衛星在太空中"站的高、看的遠"，具有其它測控方式無可比擬的優勢，天基測控衛星的使用大大拓展了航天測控網的覆蓋範圍。工作在地球靜止軌道上的通信衛星和跟蹤與數據中繼衛星組成星座，便可覆蓋地球上除南、北極點附近盲區以外的全球所有區域；如果與極地軌道的衛星相配合，即可實現全球覆蓋。美國的第一代天基測控網由7顆跟蹤與數據中繼衛星組成，可同時覆蓋25顆中、低軌道衛星，數據傳輸速率可達300Mb/s，可為12種太空飛行器提供服務。目前正在部署的第二代天基測控網功能更加先進，一顆跟蹤與數據中繼衛星可同時接收5個太空飛行器傳來的信號，並同時向一個對象傳送信號，可以實時傳輸各類太空飛行器的數據信息，傳輸速率將增至1.2Gb/s～2Gb/s，實現對中、低軌道的全部覆蓋。
目前，美國、歐盟和日本都在發展新一代跟蹤與數據中繼衛星系統，數據傳輸碼速率越來越高，通信頻段正向著Ka頻段和光學頻段發展。隨著新一代測控衛星陸續投入使用和性能的提高，天基測控將成為未來航天測控的重要發展方向。
相關類別
航天測控網依照測控對象，大體上可以分為三類。衛星測控網：為各種套用衛星和科學試驗衛星服務；
航天測控網
航天測控網深空網：為探測月球和其他天體的探測器服務。要對深空目標進行跟蹤測量，要在全球按經度均勻分布3個測控站。
統一測控系統：利用公共射頻信道，將太空飛行器的跟蹤測軌、遙測、遙控和天地通信等功能合成一體的無線電測控系統。
甚長基線干涉天文測量網：由多個相距遙遠的射電望遠鏡組成的一個觀測網，每兩個射電望遠鏡之間距離長達幾千千米，乃至上萬千米。
中國甚長基線干涉天文測量網：由位於上海天文台佘山站的25米口徑射電望遠鏡，國家天文台烏魯木齊天文站的25米口徑射電望遠鏡，國家天文台密雲站的50米口徑射電望遠鏡，國家天文台雲南天文台的40米口徑射電望遠鏡和位於上海天文台相關處理中心組成。
重要性
在成功實施這次撞擊前，科研人員已經精確計算出探測器和“坦普爾1號”彗星的運行軌道，控制探測器按既定軌道飛行；及時檢測飛行參數以確定是否需要修正其軌道；發出指令修正並改變探測器軌道；準確地在預定軌道位置釋放撞擊器。這一切說明，對彗星探測器的精確測控是完成這次撞擊實驗的重頭戲。
