第22 卷第3期宇航学报Vo l . 22 No. 3 2001 年5月JOU RNAL O F A STRONAU T ICS M ay 2001 收稿日期: 2000209228; 修回日期: 2001203212 作者简介: 沈荣骏(19362) , 研究员, 原国防科工委副主任, 专业: 航测; 研究方向: 航天测控系统工程 我国航天测控技术的发展趋势与策略 沈荣骏 赵军(北京跟踪与通信技术研究所, 北京市 5131 信箱 1 号100094) 摘要: 航天测控系统对促进航天事业发展负有重要责任.为适应我国航天事业的发展, 测 控技术总体水平尚需进一步提高, 测控网的整体功能还必须得到增强和拓宽.应尽快提高航天 器测轨定位精度, 测控通信覆盖率和多星运行管理能力; 建成完善的天地一体化航天测控体系, 并在天地应用数据传输和空间信息综合处理管理方面发挥作用. 本文在分析我国航天测控系统 的任务和目前技术差距的基础上, 结合实际对未来发展趋势与策略归纳了一些认识. 关键词: 宇航科学; 飞行器测控; 策略建议 中图分类号: V 556 文献标识码: A 文章编号: 100021328 (2001) 0320001205 DEVELOPM ENT TENDENCY AND STRATEGY OF SPACE TT&C TECHNOLOGY OF OUR COUNTRY Shen Rongjun Zhao Jun (Beijing Institute of T racking and Telecomm unication Technology, P1O Box 513121, Beijing 100094) Abstract: Space TT&C system ho lds i mpo rtant responsibility on p romo ting the develop2 m ent of space cause of our country. The general level of TT&C techno logy of our country needs mo re i mp rovem ent to m eet the requirem ent on TT&C system from po ssible space m issions in next ten years, and the overall function of TT&C netwo rk has to be i mp roved and expanded. It requires i mp roving the spacecraft o rbit instrum entation and location p recision, TT&C overlaying p robability and m ulti2satellites operation m anagem ent ability as soon as po ssible, building up perfect space2ground integrated TT&C system w hich should give full scope to space2ground ap2 p lication data transm ission and space info rm ation comp rehensive p rocessing. A cco rding to the developm ent tendency of our space TT&C system , this paper analyses the gap betw een m issions of our space TT&C system and current space TT&C techno logy, p ropo ses som e subjects requir2 ing research, and sum s up in som e understandings on the future develop ing tendency of our space TT&C techno logy and related develop ing strategy. Key words: A stronautics; Spacecraft TT&C; Strategic advice 1 引言 航天测控技术是指对航天飞行目标进行测量和控制的综合技术. 它包括的范围很广. 在 实际应用中, 它构成由控制中心、测控站和专用通信网为主要内容的, 对航天器进行跟踪、 测量、控制的综合专用技术网络, 包括跟踪、遥测、遥控、实时计算处理、数据处理、监 控显示和通信等.其功能是: 对航天器进行跟踪测量, 获取其运动参数和内部的各种物理、 工程、宇航员生理以及侦察参数, 监视其飞行和内部工作状态, 为指挥、控制提供信息; 对 运载火箭实施控制, 确保试验安全; 对卫星实施控制, 支持其正常运行; 通过对实测数据 的处理、分析, 为评价航天器的技术性能和改进设计提供依据; 进行天地各类业务信息交 换和数据传输.测控技术与通信技术紧紧相联, 构成统一的测控通信系统.在我国的宇航 科学领域, 通常把卫星工程分为五大系统, 把载人航天工程分为七大系统, 而测控通信系 统是其中之一. 为了适应未来我国航天事业的发展, 测控技术总体水平尚需进一步提高, 测控网的整 体功能还必须得到增强和拓宽.本文在分析我国航天测控系统的任务和目前技术差距的基 础上, 提出一些需要研究的课题, 结合实际对未来我国航天测控技术的发展趋势与策略提 出几点意见. 2 我国航天测控技术现状和面临的任务 211 我国航天测控技术现状 40 多年来, 为了配合我国的航天试验任务, 测控和沟通测控系统的通信技术有了长足 的发展.在测控系统总体设计、测控网和测控中心的建设、测量数据的实时和事后分析, 以 及跟踪测量和指令控制设备技术等方面都跨入了当今世界先进行列. 我国航天测控网由发射和测控中心、 若干陆地固定和机动测控站及航天测量船组成. 已由U HF、S、C 三个频段 TTC 设备组成的航天测控系统, 具备完成第二代卫星、载人航天 工程的测控支持能力.在执行历次卫星发射试验任务中, 证明其有很高的总体效能.我国 航天测控网的主要特点是统一规划, 设站较少, 效益高; 网中各固定站可以根据需要合理 组合, 综合利用; 各车载、船载站可以根据需要灵活配置, 机动使用; 多数测控设备可以 箭、星通用; 数据格式及接口实现了标准化、规范化.目前, 已形成了以高精度测量带和 中精度测控网交叉兼容, 以测控中心和多种通信手段相联接的, 具有中国特色的陆海基航 天测控网, 能为各种射向、各种轨道的航天器发射试验和在轨运行提供测控支持, 具备国 际联网共享测控资源的能力. 212 未来我国航天事业发展对飞行器测控技术的需求 中低轨道卫星在轨数量将大量增加, 小卫星、星座及组网的一箭多星发射, 要求航天 测控网具备对多星同时测控支持和在轨运行管理能力. 第二代导航卫星星座、 高精度对地观测卫星和飞船交汇对接过程的远距离导引追踪, 要 求提高飞行器轨道测量和定位的精度. 载人飞船、交汇对接和空间实验室任务要求测控系统提供较高 (50% - 80% ) 的轨道 测控和通信的覆盖率. 2 宇航学报 第22 卷 为提高传输型卫星的利用率和探测信息的时效性, 要求测控网具备高码速率的数据传 输能力、高轨道覆盖率, 并要求加强系统的抗干扰能力和保密性. 3 我国航天测控系统的发展趋势 311 由陆海基测控网向天地一体化综合测控网过渡 目前的天基测控系统主要有两类: 一类是跟踪与数据中继卫星系统 (TDR SS) , 是以数 据中继为主要技术手段的综合航天测控系统; 另一类是导航定位系统, 可为航天器和地面 目标提供高精度定位测速和定时能力.我国航天测控网的主要发展途径是建立数据中继卫 星系统, 充分利用 GPS GLONA SS 和我国发展中的导航定位系统, 优化地面测控站布局, 逐步由陆海基测控网向天基为主、天地结合的一体化综合测控网发展.卫星发射段、高轨 卫星和小卫星的长期管理由地基设备为主完成; 中低轨航天器的长期管理则由天基系统为 主、地基设备为辅. 利用以数据中继卫星系统为主建设的天地一体化测控网, 不仅能有效地提高网的测控 覆盖率、定轨精度、火箭全程测量和同时对多目标的测控能力, 而且能够完成各类对地观 测卫星的高速实时数据传输的任务.考虑到急需和现实可能性, 我国 TDR SS 应分步发展. 第一步以现有卫星平台为基础, 以S、Ka 固面抛物面天线作星间通信天线, 尽快研制和发 射一颗试验和试用型数据中继卫星.在此基础上再以大卫星平台、可展开式大口径天线为 基础研制和发射第二代数据中继卫星, 由二颗在轨工作星和一个地面终端站构成高性能实 用型系统.同时开拓系统新的应用领域. 建立以卫星导航定位系统为基础的外弹道测量 (遥测) 系统. 改造装载GPS GLONA SS 终端的 S 频段车载遥测站, 组成一体化的遥外测综合测量设备; 同时加强在测姿、测轨方 面的应用, 提高飞行器自主测量能力, 简化地面测控网. 关于火箭飞行安全及卫星、 飞船的实时控制问题, 天地之间也要有一个合理的分工, 充 分发挥卫星自主能力不断提高的技术潜力, 以便对地面控制能力和测控系统规模有一个明 确的建设思路. 312 补充完善适于小卫星、星座及组网的测控手段 小卫星是当今世界航天领域发展的热点, 也是我国重点发展应用的一类航天器.可以 设想, 未来十年我国在轨运行小卫星的数量将占卫星总数的一半以上, 有单星、星座和编 队飞行卫星群等.小卫星测控的关键是攻克多星测控管理和小型化的地面高效综合设备技 术, 希望能通过更合理地使用测控资源和在尽量降低运作费用的前提下, 实现对多星发射 时入轨段和早期轨道段的测控支持, 具备在轨运行段对较多卫星的综合管理能力. 由于我国在轨运行的小卫星较少, 而且从重量、体积、自主功能和结构设计等方面还 不完全具有现代小卫星的特征, 近期仍可应用常规的 TTC 方案.因此发展小卫星测控的总 体思路应是: 充分发挥现有测控网的作用, 避免重复投入, 以首先实现对信息获取 (对地 观测) 小卫星及星座的测控支持为突破口, 研究未来大型小卫星网的测控和管理技术; 对 目前网内部分主站进行适应性配套改造, 同时研制必要的机动型小卫星地面高效综合测控 设备, 共用互补, 天基和地基协调配套发展, 中心透明工作方式和单站直接操作方式相结 合, 提高测控网的综合性能.在轨运行仍采用现有 S 频段测控网或以该网为后盾, 提高测 3 第3期沈荣骏等: 我国航天测控技术的发展趋势与策略 控站的自动化程度, 对测控站和卫星控制中心各类软件的调度性能作进一步开发、 优化, 强 化网管中心的调度功能, 使其具有支持 50 颗左右在轨卫星测控的能力. 改造部分现有设备, 使其符合 CCSDS 建议的标准, 适应多用户、多数据类型的任务; 提高数据通信系统的适应 能力, 沟通并完善与用户数据通信的接口, 真正赋予用户直接了解、应用和操作所属星上 有效载荷的能力, 为战时快速反应提供可能性. 313 在航天测控网的基础上建立空间信息资源应用管理网络系统 航天系统是高投入、高风险、高回报的系统, 如果能有效地克服目前各类卫星系统以 单用户为背景的条块分割现象, 形成卫星系统信息的综合利用和共享, 将大大提高航天系 统的整体效益, 对国民经济建设和国防事业都将具有重要意义.因此产生了天基综合信息 网的概念.建设中国的天基综合信息网, 应从国情出发, 采用由简单到复杂、由初级到高 级的发展思路, 在2005 年前, 主要把所有已发射和即将发射的卫星及地面系统综合利用起 来, 尽快构成可实现资源共享的网络.受客观因素制约, 初期的数据处理和联网还只能在 地面完成. 在我国跟踪与数据中继卫星发射以后, 各卫星系统获取的信息可实时汇集到同一中心 并使卫星工作效率、工作范围及信息的时效性大大提高.我国的空间资源地面站子系统和 信息综合处理管理中心, 将获取的信息集中管理, 按权限打包分发, 并逐步实现复杂的多 种信息融合处理, 提高空间信息系统所获信息的时间分辨率、目标分辨率和识别能力.这 样既可以避免重复投资, 又能充分发挥航天系统和测控网的利用率和效益, 实现包括测控 信息在内的空间信息资源的共享, 建成面向用户进行全方位信息服务的空间资源综合处理 管理网络系统. 314 建设和完善空间目标监视系统 空间目标监视系统的作用是监测空间目标, 并进行某些状态如轨道参数、辐射特征和 形态特征评估, 提供目标的空间态势, 为相关系统提供满足要求的目标信息. 在我国航天测控网的基础上, 与国内的空间目标侦察监视系统和人卫观测系统相配合, 进行统筹规划和有针对性的设备研制, 逐步建成包括星载空间监视网、陆基空间雷达监视 网和光电监测网组成的完整的空间目标监视系统, 是紧迫、必要和可行的.需要解决的技 术重点在于对目标的精密定轨与预报, 难点在于大气模型的动态监测. 4 需解决的关键技术课题 411 利用商业移动通信卫星系统构成为我所用的 TT&C 数传通道 海事卫星移动通信系统 (I NM AR SA T ) 具有全球波束业务, 系统可靠性高, 采用地球 同步卫星, 使用 3 颗卫星可覆盖全球, 对300KM 空间轨道通信覆盖率和对地面的通信覆盖 率基本相同, 飞行器运行产生的多普勒频移有规律可循, 跨通信区域可自动切换, 因此是 目前利用商业通信卫星实现测控数据转发和提高通信覆盖率的最佳选择.需要解决的关键 技术问题是飞行器上卫通天线跟踪、多普勒频移和信息加密方式等. 412 探索精密测轨、定轨和轨道预报的技术途径 如新建或利用国内可能的激光测距系统, 在飞行器上安装合作目标, 以激光测距精度 高的优点, 标校整个测控系统, 使空间目标的定位精度可达米级; 光电测轨技术测量精度 4 宇航学报 第22 卷高, 探测距离远, 可与雷达监测互补.除此之外, 还要加强测量数据预处理新方法和大气、 电离层等精确数学模型的研究, 完善或建立适用区域更广、拟合精度更高的坐标系等. 413 探索优化航天发射段测控系统的途径 航天发射场的主要任务是将航天器准确送入轨道, 发射测控的主要目的是监视发射过 程, 保护航区安全, 而不是精密测轨.因此, 随着卫星自主能力等不断提高, 应该寻求高 效费比的测控技术, 从而降低航天任务的发射费用. 例如利用GPS GLONA SS 及其它导航 星系统建立的综合遥外测系统可在很大程度上取代传统意义的外测设备.随着小卫星的发 展, 要求具备机动快速发射卫星的能力, 也需要与之相适应的机动能力强、多用途、性能 优越的发射测控设备, 最好能单站完成发射所需的弹道测量、遥测和遥控任务. 414 积极研究和采用 CCSDS 的在轨系统体系标准, 提高测控网信息传输性能 采用空间数据系统咨询委员会 (CCSDS) 提出的"高级在轨系统"(AO S) 建议规定的 标准化通信系统结构, 可以有效地处理航天测控网面临的一些难题.如为多种形式的复杂 的国际性航天任务合作提供统一的航天数据系统; 解决航天器的同时空地双向高质量传递 话音、图像、高速实验和观测, 以及传统的 TTC 等多种速率和形式的数字信息的需求; 星 上和地面设备具备重新组配的动态调整能力, 为多部门、多任务提供多种数字信息; 支持 实现 TDR SS 星间和星地射频链路前返向高速率数据传输的功能; 为建设我国的天基综合 信息网奠定必要的技术基础等. AO S 建议仍处于研究和制订之中, 需要对AO S 的复杂技术问题有步骤地开展预研和 仿真研究, 探索掌握实施CCSDS 标准的关键技术.如: 以虚拟信道为核心的动态数据流管 理; 适用于公用网通信的数据安全保护; 信道编译码技术; 高速率和多层次的空间链路子 网业务; 不同规程地面数据网络的接口; 面向应用过程的描述语言; 高可靠和高吞吐率的 星载数据网络; 节约频带的新调制技术等. 415 提高测控系统的保密和抗干扰能力 航天飞行器在未来也将成为重要的受攻击目标.其中一个易受攻击的薄弱环节就是 TTC 链路的数传通道.为了提高卫星的抗干扰、抗摧毁能力, 卫星都在逐步加强星上处理 功能, 包括波束切换、星上电路切换和分组交换、星分接 解调等; 并在条件可能时, 引入 星间链路技术, 以减少对地面中继的依赖性.而在信道方面, 则纷纷采取高速、宽带、跳频, 并迅速地向数字化过渡, 以使设备更轻便、灵活.提高数据链路的低截获率、抗干扰 和抗衰减性能; 指令安全尤为重要, 除采用加密的认证措施外, 测控通道也应采取相应措 施, 如扩频体制等.最现实的是对现有 S 波段设备加扩频 TTC 链路. [参考文献] [1] 张纪生. 建立我国中继卫星系统的途径探讨. 1997 年测控技术研讨会论文集, P53257 [ 2] 赵健康, 贾沛然. 利用双星载波相位测量动态载体姿态的可行性研究. 1999 年测控技术研讨会论文集, P4112417 [3] Perrotta, G. , et al. A Comparison Betw een Several Satellite Constellations for GN SS2. I A F2982 M. 4. 01 5 第3期沈荣骏等: 我国航天测控技术的发展趋势与策略
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第22 卷第3期宇航学报Vo l . 22 No. 3 2001 年5月JOU RNAL O F A STRONAU T ICS M ay 2001 收稿日期: 2000209228; 修回日期: 2001203212 作者简介: 沈荣骏(19362) , 研究员, 原国防科工委副主任, 专业: 航测; 研究方向: 航天测控系统工程 我国航天测控技术的发展趋势与策略 沈荣骏 赵军(北京跟踪与通信技术研究所, 北京市 5131 信箱 1 号100094) 摘要: 航天测控系统对促进航天事业发展负有重要责任.为适应我国航天事业的发展, 测 控技术总体水平尚需进一步提高, 测控网的整体功能还必须得到增强和拓宽.应尽快提高航天 器测轨定位精度, 测控通信覆盖率和多星运行管理能力; 建成完善的天地一体化航天测控体系, 并在天地应用数据传输和空间信息综合处理管理方面发挥作用. 本文在分析我国航天测控系统 的任务和目前技术差距的基础上, 结合实际对未来发展趋势与策略归纳了一些认识. 关键词: 宇航科学; 飞行器测控; 策略建议 中图分类号: V 556 文献标识码: A 文章编号: 100021328 (2001) 0320001205 DEVELOPM ENT TENDENCY AND STRATEGY OF SPACE TT&C TECHNOLOGY OF OUR COUNTRY Shen Rongjun Zhao Jun (Beijing Institute of T racking and Telecomm unication Technology, P1O Box 513121, Beijing 100094) Abstract: Space TT&C system ho lds i mpo rtant responsibility on p romo ting the develop2 m ent of space cause of our country. The general level of TT&C techno logy of our country needs mo re i mp rovem ent to m eet the requirem ent on TT&C system from po ssible space m issions in next ten years, and the overall function of TT&C netwo rk has to be i mp roved and expanded. It requires i mp roving the spacecraft o rbit instrum entation and location p recision, TT&C overlaying p robability and m ulti2satellites operation m anagem ent ability as soon as po ssible, building up perfect space2ground integrated TT&C system w hich should give full scope to space2ground ap2 p lication data transm ission and space info rm ation comp rehensive p rocessing. A cco rding to the developm ent tendency of our space TT&C system , this paper analyses the gap betw een m issions of our space TT&C system and current space TT&C techno logy, p ropo ses som e subjects requir2 ing research, and sum s up in som e understandings on the future develop ing tendency of our space TT&C techno logy and related develop ing strategy. Key words: A stronautics; Spacecraft TT&C; Strategic advice 1 引言 航天测控技术是指对航天飞行目标进行测量和控制的综合技术. 它包括的范围很广. 在 实际应用中, 它构成由控制中心、测控站和专用通信网为主要内容的, 对航天器进行跟踪、 测量、控制的综合专用技术网络, 包括跟踪、遥测、遥控、实时计算处理、数据处理、监 控显示和通信等.其功能是: 对航天器进行跟踪测量, 获取其运动参数和内部的各种物理、 工程、宇航员生理以及侦察参数, 监视其飞行和内部工作状态, 为指挥、控制提供信息; 对 运载火箭实施控制, 确保试验安全; 对卫星实施控制, 支持其正常运行; 通过对实测数据 的处理、分析, 为评价航天器的技术性能和改进设计提供依据; 进行天地各类业务信息交 换和数据传输.测控技术与通信技术紧紧相联, 构成统一的测控通信系统.在我国的宇航 科学领域, 通常把卫星工程分为五大系统, 把载人航天工程分为七大系统, 而测控通信系 统是其中之一. 为了适应未来我国航天事业的发展, 测控技术总体水平尚需进一步提高, 测控网的整 体功能还必须得到增强和拓宽.本文在分析我国航天测控系统的任务和目前技术差距的基 础上, 提出一些需要研究的课题, 结合实际对未来我国航天测控技术的发展趋势与策略提 出几点意见. 2 我国航天测控技术现状和面临的任务 211 我国航天测控技术现状 40 多年来, 为了配合我国的航天试验任务, 测控和沟通测控系统的通信技术有了长足 的发展.在测控系统总体设计、测控网和测控中心的建设、测量数据的实时和事后分析, 以 及跟踪测量和指令控制设备技术等方面都跨入了当今世界先进行列. 我国航天测控网由发射和测控中心、 若干陆地固定和机动测控站及航天测量船组成. 已由U HF、S、C 三个频段 TTC 设备组成的航天测控系统, 具备完成第二代卫星、载人航天 工程的测控支持能力.在执行历次卫星发射试验任务中, 证明其有很高的总体效能.我国 航天测控网的主要特点是统一规划, 设站较少, 效益高; 网中各固定站可以根据需要合理 组合, 综合利用; 各车载、船载站可以根据需要灵活配置, 机动使用; 多数测控设备可以 箭、星通用; 数据格式及接口实现了标准化、规范化.目前, 已形成了以高精度测量带和 中精度测控网交叉兼容, 以测控中心和多种通信手段相联接的, 具有中国特色的陆海基航 天测控网, 能为各种射向、各种轨道的航天器发射试验和在轨运行提供测控支持, 具备国 际联网共享测控资源的能力. 212 未来我国航天事业发展对飞行器测控技术的需求 中低轨道卫星在轨数量将大量增加, 小卫星、星座及组网的一箭多星发射, 要求航天 测控网具备对多星同时测控支持和在轨运行管理能力. 第二代导航卫星星座、 高精度对地观测卫星和飞船交汇对接过程的远距离导引追踪, 要 求提高飞行器轨道测量和定位的精度. 载人飞船、交汇对接和空间实验室任务要求测控系统提供较高 (50% - 80% ) 的轨道 测控和通信的覆盖率. 2 宇航学报 第22 卷 为提高传输型卫星的利用率和探测信息的时效性, 要求测控网具备高码速率的数据传 输能力、高轨道覆盖率, 并要求加强系统的抗干扰能力和保密性. 3 我国航天测控系统的发展趋势 311 由陆海基测控网向天地一体化综合测控网过渡 目前的天基测控系统主要有两类: 一类是跟踪与数据中继卫星系统 (TDR SS) , 是以数 据中继为主要技术手段的综合航天测控系统; 另一类是导航定位系统, 可为航天器和地面 目标提供高精度定位测速和定时能力.我国航天测控网的主要发展途径是建立数据中继卫 星系统, 充分利用 GPS GLONA SS 和我国发展中的导航定位系统, 优化地面测控站布局, 逐步由陆海基测控网向天基为主、天地结合的一体化综合测控网发展.卫星发射段、高轨 卫星和小卫星的长期管理由地基设备为主完成; 中低轨航天器的长期管理则由天基系统为 主、地基设备为辅. 利用以数据中继卫星系统为主建设的天地一体化测控网, 不仅能有效地提高网的测控 覆盖率、定轨精度、火箭全程测量和同时对多目标的测控能力, 而且能够完成各类对地观 测卫星的高速实时数据传输的任务.考虑到急需和现实可能性, 我国 TDR SS 应分步发展. 第一步以现有卫星平台为基础, 以S、Ka 固面抛物面天线作星间通信天线, 尽快研制和发 射一颗试验和试用型数据中继卫星.在此基础上再以大卫星平台、可展开式大口径天线为 基础研制和发射第二代数据中继卫星, 由二颗在轨工作星和一个地面终端站构成高性能实 用型系统.同时开拓系统新的应用领域. 建立以卫星导航定位系统为基础的外弹道测量 (遥测) 系统. 改造装载GPS GLONA SS 终端的 S 频段车载遥测站, 组成一体化的遥外测综合测量设备; 同时加强在测姿、测轨方 面的应用, 提高飞行器自主测量能力, 简化地面测控网. 关于火箭飞行安全及卫星、 飞船的实时控制问题, 天地之间也要有一个合理的分工, 充 分发挥卫星自主能力不断提高的技术潜力, 以便对地面控制能力和测控系统规模有一个明 确的建设思路. 312 补充完善适于小卫星、星座及组网的测控手段 小卫星是当今世界航天领域发展的热点, 也是我国重点发展应用的一类航天器.可以 设想, 未来十年我国在轨运行小卫星的数量将占卫星总数的一半以上, 有单星、星座和编 队飞行卫星群等.小卫星测控的关键是攻克多星测控管理和小型化的地面高效综合设备技 术, 希望能通过更合理地使用测控资源和在尽量降低运作费用的前提下, 实现对多星发射 时入轨段和早期轨道段的测控支持, 具备在轨运行段对较多卫星的综合管理能力. 由于我国在轨运行的小卫星较少, 而且从重量、体积、自主功能和结构设计等方面还 不完全具有现代小卫星的特征, 近期仍可应用常规的 TTC 方案.因此发展小卫星测控的总 体思路应是: 充分发挥现有测控网的作用, 避免重复投入, 以首先实现对信息获取 (对地 观测) 小卫星及星座的测控支持为突破口, 研究未来大型小卫星网的测控和管理技术; 对 目前网内部分主站进行适应性配套改造, 同时研制必要的机动型小卫星地面高效综合测控 设备, 共用互补, 天基和地基协调配套发展, 中心透明工作方式和单站直接操作方式相结 合, 提高测控网的综合性能.在轨运行仍采用现有 S 频段测控网或以该网为后盾, 提高测 3 第3期沈荣骏等: 我国航天测控技术的发展趋势与策略 控站的自动化程度, 对测控站和卫星控制中心各类软件的调度性能作进一步开发、 优化, 强 化网管中心的调度功能, 使其具有支持 50 颗左右在轨卫星测控的能力. 改造部分现有设备, 使其符合 CCSDS 建议的标准, 适应多用户、多数据类型的任务; 提高数据通信系统的适应 能力, 沟通并完善与用户数据通信的接口, 真正赋予用户直接了解、应用和操作所属星上 有效载荷的能力, 为战时快速反应提供可能性. 313 在航天测控网的基础上建立空间信息资源应用管理网络系统 航天系统是高投入、高风险、高回报的系统, 如果能有效地克服目前各类卫星系统以 单用户为背景的条块分割现象, 形成卫星系统信息的综合利用和共享, 将大大提高航天系 统的整体效益, 对国民经济建设和国防事业都将具有重要意义.因此产生了天基综合信息 网的概念.建设中国的天基综合信息网, 应从国情出发, 采用由简单到复杂、由初级到高 级的发展思路, 在2005 年前, 主要把所有已发射和即将发射的卫星及地面系统综合利用起 来, 尽快构成可实现资源共享的网络.受客观因素制约, 初期的数据处理和联网还只能在 地面完成. 在我国跟踪与数据中继卫星发射以后, 各卫星系统获取的信息可实时汇集到同一中心 并使卫星工作效率、工作范围及信息的时效性大大提高.我国的空间资源地面站子系统和 信息综合处理管理中心, 将获取的信息集中管理, 按权限打包分发, 并逐步实现复杂的多 种信息融合处理, 提高空间信息系统所获信息的时间分辨率、目标分辨率和识别能力.这 样既可以避免重复投资, 又能充分发挥航天系统和测控网的利用率和效益, 实现包括测控 信息在内的空间信息资源的共享, 建成面向用户进行全方位信息服务的空间资源综合处理 管理网络系统. 314 建设和完善空间目标监视系统 空间目标监视系统的作用是监测空间目标, 并进行某些状态如轨道参数、辐射特征和 形态特征评估, 提供目标的空间态势, 为相关系统提供满足要求的目标信息. 在我国航天测控网的基础上, 与国内的空间目标侦察监视系统和人卫观测系统相配合, 进行统筹规划和有针对性的设备研制, 逐步建成包括星载空间监视网、陆基空间雷达监视 网和光电监测网组成的完整的空间目标监视系统, 是紧迫、必要和可行的.需要解决的技 术重点在于对目标的精密定轨与预报, 难点在于大气模型的动态监测. 4 需解决的关键技术课题 411 利用商业移动通信卫星系统构成为我所用的 TT&C 数传通道 海事卫星移动通信系统 (I NM AR SA T ) 具有全球波束业务, 系统可靠性高, 采用地球 同步卫星, 使用 3 颗卫星可覆盖全球, 对300KM 空间轨道通信覆盖率和对地面的通信覆盖 率基本相同, 飞行器运行产生的多普勒频移有规律可循, 跨通信区域可自动切换, 因此是 目前利用商业通信卫星实现测控数据转发和提高通信覆盖率的最佳选择.需要解决的关键 技术问题是飞行器上卫通天线跟踪、多普勒频移和信息加密方式等. 412 探索精密测轨、定轨和轨道预报的技术途径 如新建或利用国内可能的激光测距系统, 在飞行器上安装合作目标, 以激光测距精度 高的优点, 标校整个测控系统, 使空间目标的定位精度可达米级; 光电测轨技术测量精度 4 宇航学报 第22 卷高, 探测距离远, 可与雷达监测互补.除此之外, 还要加强测量数据预处理新方法和大气、 电离层等精确数学模型的研究, 完善或建立适用区域更广、拟合精度更高的坐标系等. 413 探索优化航天发射段测控系统的途径 航天发射场的主要任务是将航天器准确送入轨道, 发射测控的主要目的是监视发射过 程, 保护航区安全, 而不是精密测轨.因此, 随着卫星自主能力等不断提高, 应该寻求高 效费比的测控技术, 从而降低航天任务的发射费用. 例如利用GPS GLONA SS 及其它导航 星系统建立的综合遥外测系统可在很大程度上取代传统意义的外测设备.随着小卫星的发 展, 要求具备机动快速发射卫星的能力, 也需要与之相适应的机动能力强、多用途、性能 优越的发射测控设备, 最好能单站完成发射所需的弹道测量、遥测和遥控任务. 414 积极研究和采用 CCSDS 的在轨系统体系标准, 提高测控网信息传输性能 采用空间数据系统咨询委员会 (CCSDS) 提出的"高级在轨系统"(AO S) 建议规定的 标准化通信系统结构, 可以有效地处理航天测控网面临的一些难题.如为多种形式的复杂 的国际性航天任务合作提供统一的航天数据系统; 解决航天器的同时空地双向高质量传递 话音、图像、高速实验和观测, 以及传统的 TTC 等多种速率和形式的数字信息的需求; 星 上和地面设备具备重新组配的动态调整能力, 为多部门、多任务提供多种数字信息; 支持 实现 TDR SS 星间和星地射频链路前返向高速率数据传输的功能; 为建设我国的天基综合 信息网奠定必要的技术基础等. AO S 建议仍处于研究和制订之中, 需要对AO S 的复杂技术问题有步骤地开展预研和 仿真研究, 探索掌握实施CCSDS 标准的关键技术.如: 以虚拟信道为核心的动态数据流管 理; 适用于公用网通信的数据安全保护; 信道编译码技术; 高速率和多层次的空间链路子 网业务; 不同规程地面数据网络的接口; 面向应用过程的描述语言; 高可靠和高吞吐率的 星载数据网络; 节约频带的新调制技术等. 415 提高测控系统的保密和抗干扰能力 航天飞行器在未来也将成为重要的受攻击目标.其中一个易受攻击的薄弱环节就是 TTC 链路的数传通道.为了提高卫星的抗干扰、抗摧毁能力, 卫星都在逐步加强星上处理 功能, 包括波束切换、星上电路切换和分组交换、星分接 解调等; 并在条件可能时, 引入 星间链路技术, 以减少对地面中继的依赖性.而在信道方面, 则纷纷采取高速、宽带、跳频, 并迅速地向数字化过渡, 以使设备更轻便、灵活.提高数据链路的低截获率、抗干扰 和抗衰减性能; 指令安全尤为重要, 除采用加密的认证措施外, 测控通道也应采取相应措 施, 如扩频体制等.最现实的是对现有 S 波段设备加扩频 TTC 链路. [参考文献] [1] 张纪生. 建立我国中继卫星系统的途径探讨. 1997 年测控技术研讨会论文集, P53257 [ 2] 赵健康, 贾沛然. 利用双星载波相位测量动态载体姿态的可行性研究. 1999 年测控技术研讨会论文集, P4112417 [3] Perrotta, G. , et al. A Comparison Betw een Several Satellite Constellations for GN SS2. I A F2982 M. 4. 01 5 第3期沈荣骏等: 我国航天测控技术的发展趋势与策略