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现代卫星测控及运载和发射

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　　1 现代卫星测控功能及组成

卫星测控的主要任务是对卫星从发射入轨到长期在轨运行，对其进行全面有效的跟踪测量与控制，包括对卫星进行跟踪、测轨、星历计算、轨道预报和保持及对卫星平台和有效载荷的参数、工作状态进行监视和控制。卫星测控通常采用S、C频段，由跟踪测轨、遥测、遥控与通信等功能单元组成，分为空间段和地面段。空间段又称星载测控分系统或跟踪遥测指令分系统(TT&C)，包括遥控终端、遥测终端、测控数据应答机、天线及星载GPS 等部分。地面段包括测控站和测控中心，如图1、2 所示。

空间段向地面段实时发送遥测信号，同时接收地面段的遥控指令或自主调整工作参数，使卫星工作在最佳状态。主要任务有以下几个。

(1 )协同地面段或者自主地对卫星进行跟踪、测轨、姿态测定、以及轨道的短期和长期预报；

(2 )实时的或延时的将卫星平台以及有效载荷的工作参数传给地面段，使地面段了解卫星的工作状态；

(3 )接收地面段发送的上行遥控开关指令或注入数据，经处理后分发到星上相应设备以实现开关控制或数据更新；

(4 )自主地或在地面段上行时统信号的校正下，生成星上时统信号，以协调星上设备的工作；

(5 )向地基测控站提供引导信标信号；

(6 )卫星向地面测控站发送星载GPS接收机信息，作为卫星定轨的辅助手段。

地面段接收卫星的遥测信息，监视卫星的工作情况，并向空间段发送遥控指令。

地面段按不同的职能又分为工程测控和业务测控两部分。工程测控是对卫星轨道、姿态的长期保持和控制以及对卫星平台工作状态的长期监视、管理等；业务测控是对卫星有效载荷的长期运行管理。

P r o t e u s 平台的测控系统遵从空间数据系统咨询委员会(CCSDS)关于频率分配的规定，采用S 频段；数据传输率：上行为4kbit/s，下行为10～613kbit/s；射频采用两种调制体制：遥测用QPSK，遥控用PM/BPSK。测控系统在平台中央计算机发生故障的情况下，也能自行解码并直接执行遥控命令。平台用GPS接收机定轨并接收GPS 的时统信号。

"资源一号卫星"首次在卫星上采用星载数据管理系统和S波段统一测控系统。

2 现代卫星测控技术

随着卫星通信事业的不断发展，大量的卫星的升空，特别是卫星星座系统的出现，利用我国现有的C频段和S 频段两大地面骨干测控网，远远不能解决航天事业的发展对测控精度、测控覆盖能力、高数据率提出的新要求。

目前国外提高卫星测控能力的措施主要有以下几个。

提高卫星的自主测控能力：卫星采用采用的技术有自主导航、软件无线电、光电仪器等技术，从而减轻地面测控网的负担。

采用较高的测控频率：继S、C频段成为统一载波测控频段后，Ka 等高频段也将加入测控行列，具有提高测控速率、减小天线尺寸、更强的抗干扰能力等特点。

采用C D M A 扩频测控技术：Globalstar、Aries 和Odyssey 以及美国的跟踪与数据中继卫星系统T D R S S 中都应用了C D M A 技术。CDMA技术可以将扩频技术和加密技术结合，实现对卫星通信和遥测信息的加密，提高卫星的安全性和抗干扰能力。

测控网络互连：将已经建立的专业测控网，如美国NASA 局的卫星跟踪与数据采集网STADAN、深空网DSN等，互连为一个开放式的大测控网络，实现测控资源的共享。

开发已有系统的功能：全球星定位系统GPS 及俄罗斯GLONASS 提供了新型"星基"卫星测控资源。利用空间运行的导航卫星测距、测速信息，并采用若干相关技术(例如GPS 差分、载波相位测量、GLONASS兼容接收、高动态信号快捕、窄相关以及动态解模糊等)之后，即可实现对中、低轨道卫星航天器的高精度定轨，这种测量同样不受地面测控站地理布局的限制。

3 现代卫星测控体制

测控系统是地面测控网、星载测控设备的集合。目前国内外对航天进行的测控基本体制有地基测控、天基测控、自主测控以及组合测控体制。

3.1 地基测控

最早采用的测控体制。测控设备以及数据处理集中于地面，测控精度高。但其布站受限，测控覆盖率低，一般不超过15%。

3.2 天基测控

由于地面测控站在中低轨卫星的测控中存在观测弧段短、维护费用高、利用率低等缺点，国际上测控体制开始从地基向天基过渡，以提高测控覆盖率。1983 年4 月，美国国家航空航天局(NASA)建成跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)。TDRS中继卫星相当于把地面上的测控站移到了3 5 7 8 6 k m 高度的地球静止轨道，两颗TDRS 卫星和地面上单个测控终端站所组成的TDRSS系统，可以实现对轨道高度约2 0 0 k m 的飞行器8 5 % 覆盖，对所有轨道高度约1200~12000km 近地轨道飞行器可实现1 0 0 %的连续跟踪覆盖。目前美国、俄罗斯、欧洲航天局均建立了各自的天基测控网，我国的TDRS 也在建设中。天基测控的优点是可对3 6 0 0 0 k m 高度以下的卫星实行全天候、全天时的测控，并通过TDRS 可以实现卫星与地面网的双向通信。其不足之处是，对于卫星的上升段和返回段不能进行测控和通信；TDRS本身也离不开地面跟踪站的测控和支持。这种测控体制已在美国航天飞机的测控中被多次应用。

3.3 自主测控

深空探测和星际航行的卫星，其测控需要实现高度的自主，轨道的测量和航向的控制主要由卫星自身完成。一些微小卫星亦采用自主测控的体制。这种测控体制由卫星自身的设备进行其轨道测量、姿态测量和相应的制。如英国萨瑞大学U o S A T微卫星平台系统就采用GPS 进行轨道和姿态的自主测量和控制。自主测控的特点是不依靠地面支持；测控覆盖率高；实时性高。其缺点是无法应对卫星故障，卫星遥测遥控数据的传输仍需地面网支持。

3.4 组合测控

为了保证对卫星测控的实时性和可靠性，在目前的卫星测控中，大多采用两种测控体制的组合：如地基测控和天基测控的组合；地基测控和自主测控的组合；无线测控和激光测控以及惯导控制的组合等。组合测控体制弥补了单一测控体制的不足，提升了测控的性能。组合测控的优势是可以达到全程测控覆盖，以及两种或多种单一测控体制的优势互补。

现代卫星多采用一箭多星发射方式，且相互协作组网工作，使测控具有过境时间短、多颗星同时过境的特点，因此现代卫星的测控模式要求采用一种高效、低费的测控模式。新的测控体制必须具有多星同时测控和卫星长期管理、测控费用低廉、覆盖率高的特点。从这一点上看，建立天基测控网是一种有效的解决途径，虽然技术难度较大，一次性投资高，但是能从根本上解决现代卫星的测控问题。

4 现代卫星的运载和发射技术

运载火箭是由多级火箭组成的，能够把人造地球卫星、载人飞船、航天站或空间探测器等有效载荷送入预定轨道的一种航天运输工具。

根据地理环境不同，现代卫星的运载发射可以分为从地面固定发射场发射、在空中发射、从海上平台发射等3 种方式。

(1)地面发射：此方式受地理环境因素制约很大。美国的肯尼迪航天发射中心、欧洲的库鲁航天发射中心(设在南美洲东北海岸)、前苏联(乌克兰)的拜科努尔发射中心、中国的西昌、酒泉、太原发射中心都是比较著名的发射站。

(2)空中发射：1986年美国轨道科学公司首先提出了从空中发射火箭的设想。1990 年4 月5 日，美国首次用改装的B-52 轰炸机进行了"飞马座"火箭发射试验，取得了成功。俄罗斯在这个领域的研究处于领先地位，计划于2006 年进行首次空中卫星发射。

(3)海上发射：通过建立海上移动运载型火箭发射场或利用浮动式石油钻井平台，在移动平台的甲板上安装发射台实现。1999 年10 月19日，乌克兰在海上平台首次发射天顶3 号运载火箭，成功的将美国一颗直播电视卫星送入预定轨道。海上发射可选择最佳的赤道水域，以获得最大的地球自转速度，从而提高火箭的运载能力。方案有悬浮发射、平台发射和船载发射。

(4 )地下发射：过去的"发射井"，原理与地面发射相同。现代概念的地下发射是日本一家公司在2 0世纪90 年代提出来，其原理是利用压缩空气从地下深处将运载火箭弹射出去。当运载火箭推出地表后，立即点火发射升空。其优越性在于，不用燃烧推进剂就可使运载火箭获得很高的压缩初速度，从而减少了火箭的自重，大大节省能源，比如发射H-II运载火箭，若采用地下发射方式就比用地面发射方式搭载量多35%。估计本世纪末下世纪初可以实现。

现代卫星发展的一个趋势是卫星小型化。目前小卫星发射技术，有一箭多星、航天飞机发射，以及从具有卫星分配器功能的主卫星上入轨等方式。

(1 )目前国际上一箭多星的发射常用两种方式。第一种是把几颗卫星一次送入一个相同的轨道或几乎相同的轨道上；第二种是分次分批释放卫星，使每一颗卫星分别进入不同的轨道。一箭多星发射具有发射成本较低的特点，但发射窗口取决于主星；

(2 )航天飞机运送低轨道航天器比较合理，可重复使用，但费用昂贵；

(3 )利用多星分配器发射技术难度大；

(4)小火箭发射灵活机动，是比较合理的小卫星运载工具。到现在为止，世界上已经发射了多个系列的小型运载火箭。列前5 位的是前苏联宇宙2 号、美国雷神系列、前苏联宇宙1 号、美国德尔塔系列(如图3所示)和侦察兵系列。除此之外，还有中国的长征系列、法国的钻石系列、印度的星运载火箭系列。新型的小卫星运载火箭也在研制中，如美国的"飞马座"和"金牛星"、日本的J-2 系列和我国的"开拓"系列。发展经济、灵活的专门用于小卫星发射的小型运载火箭和研究廉价的小卫星运载火箭方案和研制低成本可多次重复使用的运输工具成为当务之急。

现代卫星发展的另一个趋势是体积更大、质量更重的大卫星。20 世纪70 年代初，平均发射卫星质量为750kg，在1994～1997年安排发射的商业卫星中，有一半以上的发射质量为2500～3750kg,，近年来发射的大卫星重达几十吨。即使对于小卫星，也主要是采取一箭多星的方式发射。典型的运载火箭有中国的"长征"系列，美国的雷神、宇宙神、大力神以及德尔塔、土星-V 等。针对这种需求，各国运载火箭的发展仍以提高运载能力为重点。美、俄、欧、日、印等都在研制运载能力更大的火箭。中国正在研制的新一代大型运载火箭其最大推力可达120 吨，各项技术指标远高于现有长征系列运载火箭，比较而言，运载能力提高3倍左右，地球同步转移轨道运载能力将达到14 吨，近地轨道的运载能力从现在的9.2 吨提高到25 吨，将为中国载人航天二期工程，月球探测二、三期工程，深空探测工作奠定坚实基础。预计中国新一代大型运载火箭将于2012 年左右投入使用。

5 现代卫星运载发射技术的发展趋势

20 世纪90 年代以来，卫星应用的普及以及空间科学和空间探索任务的增加, 对运载火箭提出了新的要求。现代运载发射技术表现为以下几个方面的趋势。

(1 )尽力降低成本，提高可靠性，提高发射成功率。国外主要采取的措施是简化设计(包括减少火箭级数和发动机数量以及简化箭体结构与系统设计等)，采用先进的技术和电子设备，实现通用化、组合化和系列化。

(2)向大直径、少级数和大运载能力发展，使用无毒推进剂。随着对卫星业务需求的不断提升，卫星的质量也在迅猛增加，新型运载火箭通过采用新技术( 如大直径的芯级、大推力无毒推进剂发动机等)，运载能力可成倍地提高。

(3)一次性使用运载火箭与可重复使用运载器同时发展，并在一定时期内并存。世界第一枚部分可重复使用运载火箭"猎鹰1 号"于2005 年11月30 日发射升空。

(4)均衡发展提高运载能力的各个层面。航天载荷的多样化，要求我们发展多样化、系列化的运载火箭，均衡优化设计运载火箭的各方面技术。主要体现在大、中、小运载能力均衡投入，全方位突破；研究新的推进剂和推进装备；发展各种轨道的运载能力；机动灵活的发射方式。

(5)为适度开发深空探测技术提供空间运载工具。

6 总结

卫星事业的日益发展，对卫星的测控效率、测控精度、测控可靠性提出了更高的要求。尝试使用新的测控技术，提高地面测控系统智能化和卫星的自主测控能力，在短期内可以提高测控能力。然而逐步发展和建设中继卫星系统和天基测控网，是实现对测控事件和测控资源的高效调度、合理分配的最根本解决方式。

随着航天事业的发展，火箭的结构日益庞大，系统越来越复杂，精度不断提高。火箭将进一步向可靠性高、经济性好和多次使用的方向发展。化学火箭仍将占有重要的地位，电火箭将进入实用，太阳能火箭和光子火箭也有可能取得新的进展。

　　作者

解放军理工大学文⊙张艳娥李勇