航空航天測控技術論文(2)
航空航天測控技術論文
航空航天測控技術論文篇二
我國航天測控系統(tǒng)體制與技術現狀以及發(fā)展
摘要：航天測控網是指對航天器進行測量控制的專用網絡。目前的天基測控系統(tǒng)主要有兩類:一類是跟蹤與數據中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(TDRSS),是以數據中繼為主要技術手段的綜合航天測控系統(tǒng);另一類是導航定位系統(tǒng),可為航天器和地面目標提供高精度定位測速和定時能力。我國航天測控網的主要發(fā)展途徑是建立數據中繼衛(wèi)星系統(tǒng),充分利用GPS/GLONASS和我國發(fā)展中的北斗全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng),優(yōu)化地面測控站布局,逐步由陸?；鶞y控網向天基為主、天地結合的一體化綜合測控網發(fā)展。
關鍵詞：航天測控，TDRSS，綜合測控網
1 概述
航天測控網是指對航天器進行測量控制的專用網絡，其主要任務是對上升段運載器進行測量，對故障火箭實施安全控制;對航天器軌道和姿態(tài)進行測量和控制，對航天器遙測進行接收處理，對航天器進行遙控，接收載人航天器圖像，進行上下話音通信等;為有效載荷提供相關參數。航天測控網的中樞是航天指揮控制中心，不管是地基，還是天基，所有的測控資源都由中心來計劃、控制和使用。
我國先后建成了超短波近地衛(wèi)星測控網、C頻段衛(wèi)星測控網和S頻段航天測控網，可為中低軌、地球同步軌道等多種航天器提供測控支持，圓滿完成了各次航天飛行的測控任務。
根據我國航天發(fā)展中長期發(fā)展規(guī)劃，我國現有C、S兩大骨干測控網面臨著以下四個方面的新挑戰(zhàn)。首先是測控網精度。根據現有測控設備精度和定軌方法，航天器空間定位位置精度可達十米至百米量級。未來的對地觀測等新型衛(wèi)星要求定軌精度在米級以內，甚至厘米量級。其次是測控網的覆蓋能力。當前測控網對中低軌道航天器的覆蓋率在10%～20%，隨著載人航天工程的發(fā)展，要求軌道覆蓋率在80%以上，尤其在空間交會對接過程中，要求不間斷的監(jiān)視。只有高覆蓋率才能保證載人航天任務的安全、可靠。第三，多星管理能力隨著我國小衛(wèi)星、衛(wèi)星星座的發(fā)展，測控網將面臨著需測控支持的衛(wèi)星數目多、多顆星同時過境、衛(wèi)星相繼過境間隔時間縮短等新形勢。這就要求測控網具有較強的多星測控、管理能力。第四，高數據率。以往的航天測控任務，前向鏈路(上行遙控、數據注人等少和返向鏈路(下行遙測、數傳等)的數據傳輸速率均在幾十至幾兆以內。以后的觀測衛(wèi)星、空間站的碼速率將達百兆量級以上。
2 我國航天測控技術現狀和面臨的任務
2.1 我國航天測控技術現狀
40多年來,為了配合我國的航天試驗任務,測控和溝通測控系統(tǒng)的通信技術有了長足的發(fā)展。在測控系統(tǒng)總體設計、測控網和測控中心的建設、測量數據的實時和事后分析,以及跟蹤測量和指令控制設備技術等方面都跨入了當今世界先進行列。
我國航天測控網由發(fā)射和測控中心、若干陸地固定和機動測控站及航天測量船組成。已由UHF、S、C三個頻段TTC設備組成的航天測控系統(tǒng),具備完成第二代衛(wèi)星、載人航天工程的測控支持能力。在執(zhí)行歷次衛(wèi)星發(fā)射試驗任務中,證明其有很高的總體效能。。我國航天測控網的主要特點是統(tǒng)一規(guī)劃,設站較少,效益高;網中各固定站可以根據需要合理組合,綜合利用;各車載、船載站可以根據需要靈活配置,機動使用;多數測控設備可以箭、星通用;數據格式及接口實現了標準化、規(guī)范化。目前,已形成了以高精度測量帶和中精度測控網交叉兼容,以測控中心和多種通信手段相聯(lián)接的,具有中國特色的陸海基航天測控網,能為各種射向、各種軌道的航天器發(fā)射試驗和在軌運行提供測控支持,具備國際聯(lián)網共享測控資源的能力。
2.2 未來我國航天事業(yè)發(fā)展對飛行器測控技術的需求
根據我國航天活動中長期發(fā)展規(guī)劃,在衛(wèi)星應用與科學探測領域,將繼續(xù)發(fā)展環(huán)境與災害監(jiān)測、地球資源探測、氣象探測、海洋探測、衛(wèi)星通信等系列衛(wèi)星,輔以各類科學試驗和空間科學探測衛(wèi)星;在載人航天領域,將進行航天員出艙活動、無人交會對接和載人交會對接試驗,陸續(xù)建設我國的空間實驗室和空間站等;在月球與深空探測領域將逐步實施繞月探測、月面軟著陸與月面巡視勘察、自動采樣返回以及火星、小行星等深空探測計劃。航天活動的持續(xù)發(fā)展給航天測控系統(tǒng)帶來了新的挑戰(zhàn)和發(fā)展機遇。新的測控需求突出表現在:
1) 高的軌道覆蓋率
在載人飛船工程第二步任務中,航天員出艙活動和空間交會對接要求高軌道覆蓋率;為提高傳輸型衛(wèi)星的利用率和探測信息的時效性,要求高軌道覆蓋率;亞軌道飛行器,其軌道機動具有變軌時間突發(fā)性和變軌位置的隨意性,要求高軌道覆蓋率;在月球探測的轉移軌道段,要求全程幾乎連續(xù)的軌道覆蓋。。
2) 更高的軌道精度
在對地觀測衛(wèi)星和海洋衛(wèi)星等近地軌道衛(wèi)星、導航衛(wèi)星、繞月探測衛(wèi)星等提出高精度的航天器軌道測量和定位精度的同時空間交會對接、衛(wèi)星星座、月球著陸探測還提出了航天器間相對位置精度的更高要求。
3)更高的數據傳輸速率
隨著對地觀察類衛(wèi)星的大量應用,測控網需要高速率的數據傳輸能力,測控通信業(yè)務傳輸速率將突破300 Mb/s。
4)更多的測控目標和更復雜的測控任務
隨著航天技術的發(fā)展,衛(wèi)星應用領域不斷擴展,未來一段時間內將有大量軍事衛(wèi)星和民用衛(wèi)星發(fā)射入軌,由多顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星星座的應用使得衛(wèi)星在軌數量激增。同時,在傳統(tǒng)單顆衛(wèi)星的測控任務外,對多星的同時測控支持、多星及星座在軌運行管理等增加了航天測控網的負擔和操作復雜性。
5)遠的測控距離
我國確定開展以月球探測為主的深空探測任務,使得航天測控的距離拓展至40×104km的月球。遙遠的距離帶來了巨大的時延,使信號微弱,并限制了深空數據傳輸速率,這些困難使得測控系統(tǒng)必須盡可能地采用最先進的技術,不斷提高通信鏈路和測控精度。
6)更低的測控成本
隨著航天測控網規(guī)模的日益龐大,長期使用后維護費用占的比例很大,航天器在軌壽命的延長使得運行控制費用不斷累積,這些都使降低航天測控任務的總費用成為國際航天界的重要課題。
3 我國航天測控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
3.1 由陸海基測控網向天地一體化綜合測控網過渡
目前的天基測控系統(tǒng)主要有兩類:一類是跟蹤與數據中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(TDRSS),是以數據中繼為主要技術手段的綜合航天測控系統(tǒng);另一類是導航定位系統(tǒng),可為航天器和地面目標提供高精度定位測速和定時能力。我國航天測控網的主要發(fā)展途徑是建立數據中繼衛(wèi)星系統(tǒng),充分利用GPS/GLONASS和我國發(fā)展中的北斗全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng),優(yōu)化地面測控站布局,逐步由陸?；鶞y控網向天基為主、天地結合的一體化綜合測控網發(fā)展。衛(wèi)星發(fā)射段、高軌衛(wèi)星和小衛(wèi)星的長期管理由地基設備為主完成;中低軌航天器的長期管理則由天基系統(tǒng)為主、地基設備為輔。
利用以數據中繼衛(wèi)星系統(tǒng)為主建設的天地一體化測控網,不僅能有效地提高網的測控覆蓋率、定軌精度、火箭全程測量和同時對多目標的測控能力,而且能夠完成各類對地觀測衛(wèi)星的高速實時數據傳輸的任務?？紤]到急需和現實可能性,我國TDRSS應分步發(fā)展。第一步以現有衛(wèi)星平臺為基礎,以S、Ka固面拋物面天線作星間通信天線,盡快研制和發(fā)射一個試驗和試用型數據中繼衛(wèi)星。在此基礎上再以大衛(wèi)星平臺、可展開式大口徑天線為基礎研制和發(fā)射第二代數據中繼衛(wèi)星,由二顆在軌工作星和一個地面終端站構成高性能實用型系統(tǒng)。同時開拓系統(tǒng)新的應用領域。建立以衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)為基礎的外彈道測量(遙測)系統(tǒng)。改造裝載GPS/GLONASS/北斗終端的S頻段車載遙測站,組成一體化的遙外測綜合測量設備;同時加強在測姿、測軌方面的應用,提高飛行器自主測量能力,簡化地面測控網。關于火箭飛行安全及衛(wèi)星、飛船的實時控制問題,天地之間也要有一個合理的分工,充分發(fā)揮衛(wèi)星自主能力不斷提高的技術潛力,以便對地面控制能力和測控系統(tǒng)規(guī)模有一個明確的建設思路。
3.2 補充完善適于小衛(wèi)星、星座及組網的測控手段
小衛(wèi)星是當今世界航天領域發(fā)展的熱點,也是我國重點發(fā)展應用的一類航天器?？梢栽O想,未來十年我國在軌運行小衛(wèi)星的數量將占衛(wèi)星總數的一半以上,有單星、星座和編隊飛行衛(wèi)星群等。小衛(wèi)星測控的關鍵是攻克多星測控管理和小型化的地面高效綜合設備技術,希望能通過更合理地使用測控資源和在盡量降低運作費用的前提下,實現對多星發(fā)射時入軌段和早期軌道段的測控支持,具備在軌運行段對較多衛(wèi)星的綜合管理能力。
由于我國在軌運行的小衛(wèi)星較少,而且從重量、體積、自主功能和結構設計等方面還不完全具有現代小衛(wèi)星的特征,近期仍可應用常規(guī)的TTC方案。因此發(fā)展小衛(wèi)星測控的總體思路應是:充分發(fā)揮現有測控網的作用,避免重復投入,以首先實現對信息獲取(對地觀測)小衛(wèi)星及星座的測控支持為突破口,研究未來大型小衛(wèi)星網的測控和管理技術;對目前網內部分主站進行適應性配套改造,同時研制必要的機動型小衛(wèi)星地面高效綜合測控設備,共用互補,天基和地基協(xié)調配套發(fā)展,中心透明工作方式和單站直接操作方式相結合,提高測控網的綜合性能。在軌運行仍采用現有S頻段測控網或以該網為后盾,提高測控站的自動化程度,對測控站和衛(wèi)星控制中心各類軟件的調度性能作進一步開發(fā)、優(yōu)化,強化網管中心的調度功能,使其具有支持50顆左右在軌衛(wèi)星測控的能力。改造部分現有設備,使其符合CCSDS建議的標準,適應多用戶、多數據類型的任務;提高數據通信系統(tǒng)的適應能力,溝通并完善與用戶數據通信的接口,真正賦予用戶直接了解、應用和操作所屬星上有效載荷的能力,為戰(zhàn)時快速反應提供可能性。
3.3建立空間信息資源應用管理網絡系統(tǒng)
航天系統(tǒng)是高投入、高風險、高回報的系統(tǒng),如果能有效地克服目前各類衛(wèi)星系統(tǒng)以單用戶為背景的條塊分割現象,形成衛(wèi)星系統(tǒng)信息的綜合利用和共享,將大大提高航天系統(tǒng)的整體效益,對國民經濟建設和國防事業(yè)都將具有重要意義。因此產生了天基綜合信息網的概念。建設中國的天基綜合信息網,應從國情出發(fā),采用由簡單到復雜、由初級到高級的發(fā)展思路,主要把所有已發(fā)射和即將發(fā)射的衛(wèi)星及地面系統(tǒng)綜合利用起來,盡快構成可實現資源共享的網絡。受客觀因素制約,初期的數據處理和聯(lián)網還只能在地面完成。
在我國跟蹤與數據中繼衛(wèi)星發(fā)射以后,各衛(wèi)星系統(tǒng)獲取的信息可實時匯集到同一中心并使衛(wèi)星工作效率、工作范圍及信息的時效性大大提高。我國的空間資源地面站子系統(tǒng)和信息綜合處理管理中心,將獲取的信息集中管理,按權限打包分發(fā),并逐步實現復雜的多種信息融合處理,提高空間信息系統(tǒng)所獲信息的時間分辨率、目標分辨率和識別能力。這樣既可以避免重復投資,又能充分發(fā)揮航天系統(tǒng)和測控網的利用率和效益,實現包括測控信息在內的空間信息資源的共享,建成面向用戶進行全方位信息服務的空間資源綜合處理管理網絡系統(tǒng)。
3.4 建設和完善空間目標監(jiān)視系統(tǒng)
空間目標監(jiān)視系統(tǒng)的作用是監(jiān)測空間目標,并進行某些狀態(tài)如軌道參數、輻射特征和形態(tài)特征評估,提供目標的空間態(tài)勢,為相關系統(tǒng)提供滿足要求的目標信息。。在我國航天測控網的基礎上,與國內的空間目標偵察監(jiān)視系統(tǒng)和人衛(wèi)觀測系統(tǒng)相配合,進行統(tǒng)籌規(guī)劃和有針對性的設備研制,逐步建成包括星載空間監(jiān)視網、陸基空間雷達監(jiān)視網和光電監(jiān)測網組成的完整的空間目標監(jiān)視系統(tǒng),是緊迫、必要和可行的。需要解決的技術重點在于對目標的精密定軌與預報,難點在于大氣模型的動態(tài)監(jiān)測。
4 我國航天測控技術的發(fā)展
航天測控技術是對航天器進行跟蹤、測量、控制的綜合專用技術,涉及跟蹤、遙測、遙控、軌道動力學、計算機、數據處理、監(jiān)控顯示和通信等諸多專業(yè)技術領域。我國在這些專業(yè)技術的創(chuàng)新成果為未來航天測控系統(tǒng)的發(fā)展奠定了技術基礎。近年來我國在天基測控技術、深空測控技術、小衛(wèi)星測控技術和衛(wèi)星星座測控技術等方面都開展了大量研究工作,突破了多項關鍵技術,并逐步解決了這些新技術在工程實踐上的應用問題。
4.1載人航天測控通信技術
我國載人航天工程測控通信系統(tǒng)在測控通信體制、測控網工作模式、高速數據傳輸技術、數字仿真技術等多個方面實現了重大技術突破。
載人航天測控通信系統(tǒng)布站設計利用我國有限的國土跨度和航天測控資源實現優(yōu)化,確保了航天器各關鍵飛行段的測控通信支持,既滿足了載人航天基本的測控通信要求,又兼顧了今后測控通信系統(tǒng)的發(fā)展,規(guī)模適當、布局合理、技術先進,以較少的投入獲得了較大的效益,從而實現了測控通信系統(tǒng)整體效能的優(yōu)化。
以S頻段測控系統(tǒng)為骨干的載人航天測控通信系統(tǒng),充分利用我國現有的測控通信資源,挖潛改造,形成了規(guī)模適中、功能齊全的陸?；鶞y控通信系統(tǒng),既可支持我國載人飛船、所有的中低軌衛(wèi)星測控,也可支持S頻段同步衛(wèi)星和火箭的測控任務,功能強、體系結構合理,是我國今后航天測控主要使用的具有國際同類先進水平的骨干系統(tǒng)。系統(tǒng)設計符合CCSDS建議書等國際標準和規(guī)范,通過突破USB寬頻帶測距轉發(fā)等技術首次實現了我國航天測控網與國外航天測控網的聯(lián)網。通過聯(lián)網與國外建站相結合,提高了測控通信覆蓋率,減少了航天測量船的數量,節(jié)省經費數億元
利用對設備的遠程監(jiān)控技術、網絡技術及雙路由熱備份技術等,載人航天測控通信系統(tǒng)在國內首次設計并實現了測控網的透明工作方式,對航天器的數據處理、狀態(tài)監(jiān)視、控制決策和實施由航天器的任務中心統(tǒng)一完成,改變了我國航天測控沿用了20多年的測控中心、測控站共同負責航天器測量數據處理、航天器控制決策的模式。
4.2 深空跟蹤測量技術
在深空跟蹤測量技術方面,除了傳統(tǒng)的測距、測速和測角技術外,還跟蹤研究了激光測距技術、甚長基線干涉測量技術、實連站干涉儀技術、單向測距測速技術、同波束干涉技術、探測器對探測器的跟蹤技術等新的深空跟蹤測量技術;針對各種測量資料類型,研究了深空探測器不同軌道段的導航技術;深空通信技術則包括Ka頻段的大口徑天線技術、天線組陣技術、新的編碼技術(如Turbo碼)等。深空測控設備相關的地面X和Ka頻段大口徑高效率天線技術,地面高效大功率發(fā)射技術,高增益信道編解碼技術,低噪聲放大器件及高靈敏度接收系統(tǒng)優(yōu)化設計技術,高精度、高穩(wěn)定度時間和頻率標準技術的研究工作也正在開展中。不少新技術將在我國未來深空測控網中得到應用。
4.3地球衛(wèi)星跟蹤測量技術
在近地軌道航天器的跟蹤測量技術方面,為適應新的任務需求,除了傳統(tǒng)的測距、測速和測角技術外,目前正跟蹤研究并致力于星地與星間寬帶毫米波及光通信技術,多目標測控管理技術,星地與星間鏈路技術,航天器自主測控技術,測控管理自動化技術,多信源高精度精密測定軌技術,星地與星間一體化測控通信技術,測控資源綜合利用與優(yōu)化配置技術,多星共位技術和天基測控信息路由交換技術等多方面的新技術研究工作。不少新技術都是不斷適應新時期航天器的測控需求提出的,隨著研究進程的加深,獲得的研究成果將逐漸滲透并進入工程實踐一線。
5 結語
隨著多功能小衛(wèi)星、衛(wèi)星星座組網及新型航天器的不斷發(fā)展，應積極研究我國測控網的發(fā)展對策。對如何提高測控精度、測控覆蓋率和多任務持能力等進行深人研究?？偟膩碇v，我國現有地面測控網可以滿足大多數任務的需要。現有地面測控網規(guī)模不宜再擴大，應積極發(fā)展天基測控網，充分利用天基數據中繼衛(wèi)星的強大優(yōu)勢，早日建成我國自己的中繼星系統(tǒng)。在測控網中積極推進CCSDS標準的貫徹使用，建立天地一體化測控網絡，避免資源浪費，以降低航天費用。充分發(fā)揮我國北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)在航天測控系統(tǒng)中的作用，早日實現航天自主定軌以及衛(wèi)星軌道自主測量，逐漸擺脫對地基測控網絡的依賴。我國航天測控系統(tǒng)正面臨新的挑戰(zhàn)和機遇,在現有測控網的基礎上,以中長期規(guī)劃測控需求為牽引,在國內外測控技術的推動下,不斷適應國際航天測控系統(tǒng)發(fā)展趨勢,未來的航天測控系統(tǒng)必將發(fā)展成為天地空一體化協(xié)調發(fā)展、系統(tǒng)高效可靠運行、可按需提供各種天地測控通信能力的“大測控”系統(tǒng)。
參考文獻
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