航天測量船

航天測量船是對太空飛行器及運載火箭進行跟蹤、測量、控制和數據傳輸的專用船舶，也是航天測控網的海上機動測控站。航天測量船的主要任務是在海上進行跟蹤、遙測戰略飛彈的飛行軌跡及彈著點；測量人造衛星、太空梭、宇宙飛船等在宇宙空間的飛行數據，並進行遙控和傳輸指令等。

基本介紹

• 中文名：航天測量船
• 外文名：Space Tracking Ship
• 又稱：飛彈衛星跟蹤測量船

組成

通常由通用船舶平台和試驗特裝兩大部分組成。船舶平台包括船體、動力系統、航海系統和輔助系統；試驗特裝就是測控系統，包括外測設備、遙測遙控設備、微波統一設備、船姿船位測量設備、計算機系統以及通信系統和氣象系統等。其中船姿船位測量設備又包括慣性導航設備、衛星導航定位設備、光電經緯儀、變形測量系統；通信系統主要包括衛星通信、天地超短波通信、短波和超短波通信、數據傳輸、調度指揮通信、時間統一、電視通信網路管理和集中監控通信保密等；氣象系統包括GPS導航測風設備、船用多功能衛星雲圖接收機、自動填圖分析設備等。

發展歷程

背景

在太空飛行器的發射、飛行試驗中，必然需要對飛行中的運載火箭和太空飛行器進行跟蹤測量和控制。載人航天工程中，還需要進行天地之間的話音通信和圖像的傳輸。事實上，正是隨著飛彈、太空飛行器的試驗需要和發展，地面測控通信系統應運而生並且不斷發展。

20世紀60年代，在早期的飛彈靶場試驗中，隨著飛彈射程的延伸，陸上靶場測量設備因受地理條件和作用距離的限制，不能滿足彈道飛彈全程飛行試驗的測量要求，20世紀60年代，美國把地面站的主要測量設備經過改裝安裝到船上，在預定海域完成跟蹤測量和遙控等任務，這樣就出現了海上靶場測量船。載人飛船的飛行對測控通信高覆蓋率的要求大大地促進了航天測量船的發展。美國、蘇聯在各類飛行器的全程飛行試驗中都充分利用了約占地球總面積70%的海洋。美國和蘇聯幾乎同時開闢了海上靶場，把測控通信網從陸地拓展到海上，擴大了戰略武器和航天發射試驗的地域範圍。

中國“遠望號”航天測量船

隨著我國運載火箭和衛星技術的成熟與發展，在1965年，周恩來總理主持中央專委會議研究了建立遠洋航天測量船的問題。後來經過國防科工委組織有關科技人員的反覆論證，制定了我國研製“遠望”號航天測量船的計畫。從1967年到1979年，歷經13個春秋，終於成功研製了我國第一代“遠望”號航天測量船。

作用

為滿足發射衛星、載人飛船等需要，測控網需要向海上延伸，航天飛行要求有足夠的測控通信覆蓋率，一些特徵段必須由地面提供測控支持，即便是考慮在全球陸地上布站，也不一定能選到合理的站點位置，人們自然就想到占地球面積70%的海洋。很顯然，測量船作為海上活動測量站，可以在海上靈活、合理地布置，甚至可以在一次航天飛行中，先後在兩個點或多個點位完成任務。因此，美國、蘇聯兩個航天大國曾大量使用過測量船。美國前後使用過22艘測量船，都是用舊船改造的。在著名的“阿波羅”登月計畫中，使用了5艘測量船；蘇聯先後使用過19艘測量船，前3艘船用舊船改造，以後都是建造的新船．每次載人航天飛行，都有6艘船參加；所以，測量船在航天測控網發展過程中起到了不可替代的作用。

根據國內外航天測量船的使用情況，其作用可以簡要歸納如下：

(1)陸基遠程飛彈和潛地飛彈試驗時，對中段特別是再入彈道進行跟蹤測量，獲取彈道、遙測及目標輻射特性數據，測量彈頭的落點。

(2)發射衛星時，跟蹤測量三級運載火箭，確定衛星的軌道，監視和控制衛星內部設備工作和衛星變軌。

(3)發射載人太空飛行器時，除跟蹤測量末級運載火箭外，對太空飛行器入軌、變軌及軌道維持、軌道機動、交會對接及返回再入等一些關鍵段落提供測控支持，增加測控通信覆蓋率，從而對海上降落的太空飛行器及海上應急救生提供測控支持。

當前只有中、美、俄、法等國建造了航天測量船，其中美國最多(先後有23艘)。但俄羅斯“尤里·加加林”號航天測量船規模最大、最負盛名。該船為常規船型，滿載排水量53500噸，主尺度231．6×31×8．5米，經濟航速18節，續航力20000海里，自給力210天。共有船員136人(另有212名科學家)，實驗室86間，裝備有探空雷達、衛星通信、穩定控制、導航定位和數據處理等八大系統。

航行特點

航天測量船集造船、機械、微電子、現代通信、計算機、光學等領域的先進技術於一體，被稱為“海上科學城”。其中，航海系統主要由船舶定位系統、組合導航系統、氣象觀測與預報系統、救生和甲板機械設備等組成。航天測量船航海系統的任務是保障船舶的航行安全，在測量任務的實施過程中，保證測量船按照任務要求的工況航行。航天測量船航行特點主要有以下四點：

美國“觀察者”號航天測量船

(1)不同於遠洋運輸船。遠洋運輸船追求的是經濟效益，時間計畫性強。只要船舶安全，就不考慮海況對船舶搖擺、升沉和振動的影響。而航天測量船的使命是完成海上測控任務，因此測控設備在出航前經過了塢內標校、動態校飛、精度校飛和多次聯調，以確保都處於最佳技術狀態，而大風浪中船舶搖擺、振動、變形都會引起測控設備誤差的變大或引起接口外掛程式的故障。因此除考慮船舶的安全外，還要考慮到測控設備的安全，即船舶縱搖、橫搖、升沉、振動要小。

(2)不同於出訪的艦艇。艦艇出訪到達的都是重要港口，有國際推薦航線可供使用。航天測量船的測量海域遠離國際推薦航線，有許多海域的航線需要自行設計。

(3)不同於極地海洋考察船。極地考察船雖然航行海區惡劣，但可以通過出航時機、航線的選擇避開或一次性穿越惡劣海區。航天測量船測量海區是由飛船測控任務決定的，且都處於中緯度地區，在海區作業時間短則7天，長則半月以上，因此遭遇惡劣海況是必然的。

(4)不同於一般的海上作業平台。海上作業平台位於沿海淺水區、航線近。航天測量船航程遠，途經複雜、敏感海區多，航行難度大。

測量精度分析

誤差來源及性質

和任何其它測量一樣，航天測量船對太空飛行器的測量不可避免地會引入誤差。

大體上說，航天測量船的主要誤差源包括：

(1)船位誤差：它基本上是固定偏倚誤差，由它引起的目標位置誤差也是一種平移偏倚誤差，且因地球曲率而被放大，放大係數可定義為（1-1）

其中

h：目標高度；

R_e：地球半徑。

(2)船搖誤差：由於風、浪、涌等的綜合影響，航天測量船處於搖擺狀態之中。由於慣導設備存在測量誤差，所以目標測量必然存在誤差。這種誤差既有系統分量，又有隨機分量。

(3)變形誤差：由於船載測量設備的基座與慣導基座之間有一段距離，船體又不是剛體，故因扭轉撓曲產生變形誤差。這種誤差既包括系統分量，也包括隨機分量。

(4)船載測量設備測量誤差：它包括系統分量和隨機分量，船搖殘差是系統分量的重要組成部分。

(5)大氣折射修正剩餘誤差：這屬於信號傳播誤差，雖然在數據處理時已利用實測氣象數據進行了大氣折射修正，但當目標在低仰角時，其剩餘誤差也可達到百分之幾到百分之十。該誤差主要是偏倚分量，但也包括一部分隨機分量。

(6)動態滯後誤差：該項誤差是由於目標的運動而產生的，它與船載伺服系統的性能有關，是一種特殊的系統誤差。雖然也有部分隨機分量，但量級很小，可以不考慮。

跟蹤測量精度估算

由於太空飛行器的測量是一種動態測量，隨著目標位置的不斷改變，大部分隨機誤差和系統誤差分量會隨著目標坐標和運動參數改變而變化，也就是說是它們的函式。不妨將各種誤差因素分成高(H)、中(M)、低(L)三個精度等級。

對於船載外測設備來說，目標的位置誤差可表示為（1-2）

σ_r²=[（船載測量設備隨機誤差）²+（船搖隨機誤差）²+（變形隨機誤差）²+（折射修正剩餘隨機誤差）²]+[（船載測控設備系統誤差）²+（船搖系統誤差）²+（變形系統誤差）²+（動態滯後誤差）²+（船位誤差）²]

每種誤差都以點位誤差的形式表示，這種誤差表達式不需要考慮在某個具體方向上的投影，因而與具體的坐標系的選擇無關，因而避免了複雜的坐標轉換。

為了減小目標的位置誤差，可對隨機誤差部分進行多項式平滑，於是式(1-2)可表示為（1-3）

σ_r=[∑（隨機誤差）²]×C₀²+[∑（系統誤差）²]

式中C₀²：平滑後的方差壓縮比。

當採用二階多項式（2n+1）點中心平滑時，

精度驗證

根據理論估算和實測數據的驗證，可以得出幾點基本結論：

(1)船載外測數據的誤差源除設備的測量誤差外，還包括船搖誤差、變形誤差和船位誤差，後面這幾項是海上測量設備所特有的。此外，在低仰角跟蹤時，還有大氣折射修正剩餘誤差，在近距離、高仰角跟蹤時，還有動態滯後誤差。船位誤差和動態滯後誤差是一種系統性偏差，其餘誤差既包括系統分量，也包括隨機分量。系統誤差分量主要影響目標的位置誤差，而隨機誤差分量既影響目標的位置誤差，也影響目標的速度誤差。隨機誤差可以通過數據平滑的方法來抑制，但數據平滑對固定偏倚的系統誤差則不產生任何作用。

(2)對於落點測量，因測量設備距離落點一般只有幾十千米，故影響落點精度的主要誤差源是船位誤差，其誤差平方占總誤差平方的比例高達70%～90%，其它誤差源的影響則相對較小。在有衛星導航定位的情況下，落點精度要求一般是可以滿足的。

(3)對於一般的彈道測量和軌道測量，影響測量結果精度的主要誤差源是船載測控設備誤差、船搖誤差和變形誤差，它們的誤差平方在總誤差平方中的比例分別達到50%～60%、20%～30%和5%～10%左右。動態滯後誤差和船位誤差對測量結果的影響都比較小，對於低仰角跟蹤，大氣折射修正剩餘誤差的影響則可能超過變形誤差的影響，有時甚至與船搖誤差相當。

我國的航天測量船

隨著我國運載火箭和衛星技術的發展，早在1965年，就研究論證建設我國遠洋靶場測量船的問題。根據我國國情和適應運載火箭、套用衛星的試驗需要，我國航天測量船直接定位於採用單船精確定位體制的大型綜合航天測量船。

“遠望”號航天測量船是我國自行設計研製的大型綜合性遠洋航天測控跟蹤船。“遠望”一號、二號測量船於1979年建成投入使用，標誌著我國航天海上測控事業的開端，成為繼美國、蘇聯和法國之後航天測控向廣闊的海洋延伸的國家。“遠望”一號、二號測量船於1987年進行了第一次中修技術改造，1998年進行了第二次中修技術改造。“遠望”三號測量船1994年建成投入使用，於2005年進行了第一次中修技術改造。“遠望”四號測量船1999年由原國家海洋局“向陽紅”十號科學考察船經技術改造後成為遙測船，2002年經進一步改造後成為綜合測控船。“遠望”號測量船系統複雜，設備眾多，集測量控制系統、通信系統、船姿船位測量系統、航海氣象系統、船舶動力系統於一體，代表了我國電子、計算機、通信、光學、氣象、自動控制、精密機械等學科和造船工業的先進水平。

中國遠望號航天遠洋測量船

21世紀初，為了適應我國航天事業發展的需要和接替接近使用壽命的“遠望”一號、二號測量船，我國建造兩艘新一代測量船。兩艘新型綜合測量船“遠望”五號、六號廣泛採用21世紀初成熟的新技術、新材料、新工藝，功能有進一步的擴展，整體性能有進一步的提高。

國外航天測量船

美國是發展航天測量船最早的國家，早在1957年就開始使用測量船，早期用第二次世界大戰時期的自由輪改裝了許多執行單一任務的遙測船，主要用於彈道飛彈試驗，後來用舊船改裝大型的綜合測量船，用於載人飛船和衛星發射試驗。美國先後使用過23艘測量船，建立了大西洋靶場(東靶場)測量船隊和太平洋靶場(西靶場)測量船隊。其發展大致可分4個階段，1957年-1963年間服役的測量船，排水量一般在萬噸左右，船上設備比較簡單，主要任務是跟蹤飛彈和衛星。1964年-1966年間主要服役的是2艘跟蹤要求較高的綜合性測量船“范登堡將軍”號和“阿諾德將軍”號，排水量16600t，主要任務是收集彈道飛彈數據和進行再入段測量。1967年後服役的主要是5艘專門跟蹤“阿波羅”號載人飛船的測量船，其中“紅石”號等3艘船是在飛船發射段、入軌段和奔月段時使用，“瓦特鎮”號等2艘船是在飛船再入段時使用。1971年以後，美國先後改裝和服役了2艘測量船，分別取名“靶場哨兵”號和“觀察島”號，主要用於彈道飛彈試驗，其中“觀察者”號測量船裝備了船用相控陣雷達，它具有較強的跟蹤和測量能力。在美國已有的測量船中，以滿載排水量為24710t的“紅石”號設備最齊全；以1981年服役、滿載排水量為17015t的“觀察者”號最新。

美國觀察者號航天測量船

蘇聯在1958年開始使用由中、小型舊船改裝成的遙測船，先後使用了約30艘航天測量船，建立了屬於符拉迪沃斯托克(海參崴)的太平洋測量船隊。其發展大體經過改裝和新建兩個階段。早期服役的測量船均屬改裝，但數量較少。在太空人加加林首次完成了載人駕駛飛船的飛行後，蘇聯政府對宇宙空間研究的速度加快，又用多艘貨船改裝成了測量船，後來開始研製全新的綜合測量船，如“克雷洛夫”號、“科馬洛夫”號等，其中17850t的“科馬洛夫”級比較先進。1970年以後，蘇聯建造了世界上最大的測量船“太空人尤里·加加林”號，滿載排水量53500t，表明了蘇聯的航天活動已進入一個新的發展時期。20世紀80年代以來，蘇聯又新建了“涅德林元帥”號和“卡普斯塔”號兩艘航天測量船。目前在役的航天測量船為俄羅斯所有。

俄羅斯“克雷洛夫元帥”號航天測量船

法國在1968年開始使用由商用油船改裝的測量船，1990年後，法國建造了第二代大型綜合測量船“蒙日”號，裝備了最先進的跟蹤測量系統，用於飛彈、衛星的跟蹤測控。

20世紀80年代以後，美國、蘇聯開始建設天基測控網，即數據中繼衛星系統，原來的陸、海、空基相結合的測控網逐步被天基、陸基測控相結合的測控網所取代。