1 現(xiàn)代衛(wèi)星測控功能及組成

　　衛(wèi)星測控的主要任務(wù)是對衛(wèi)星從發(fā)射入軌到長期在軌運(yùn)行，對其進(jìn)行全面有效的跟蹤測量與控制，包括對衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤、測軌、星歷計(jì)算、軌道預(yù)報(bào)和保持及對衛(wèi)星平臺和有效載荷的參數(shù)、工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和控制。衛(wèi)星測控通常采用S、C頻段，由跟蹤測軌、遙測、遙控與通信等功能單元組成，分為空間段和地面段。空間段又稱星載測控分系統(tǒng)或跟蹤遙測指令分系統(tǒng)(TT&C)，包括遙控終端、遙測終端、測控?cái)?shù)據(jù)應(yīng)答機(jī)、天線及星載GPS 等部分。地面段包括測控站和測控中心，如圖1、2 所示。

　　空間段向地面段實(shí)時(shí)發(fā)送遙測信號，同時(shí)接收地面段的遙控指令或自主調(diào)整工作參數(shù)，使衛(wèi)星工作在最佳狀態(tài)。主要任務(wù)有以下幾個(gè)。

　　(1 )協(xié)同地面段或者自主地對衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤、測軌、姿態(tài)測定、以及軌道的短期和長期預(yù)報(bào)；

　　(2 )實(shí)時(shí)的或延時(shí)的將衛(wèi)星平臺以及有效載荷的工作參數(shù)傳給地面段，使地面段了解衛(wèi)星的工作狀態(tài)；

　　(3 )接收地面段發(fā)送的上行遙控開關(guān)指令或注入數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后分發(fā)到星上相應(yīng)設(shè)備以實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制或數(shù)據(jù)更新；

　　(4 )自主地或在地面段上行時(shí)統(tǒng)信號的校正下，生成星上時(shí)統(tǒng)信號，以協(xié)調(diào)星上設(shè)備的工作；

　　(5 )向地基測控站提供引導(dǎo)信標(biāo)信號；

　　(6 )衛(wèi)星向地面測控站發(fā)送星載GPS接收機(jī)信息，作為衛(wèi)星定軌的輔助手段。

　　地面段接收衛(wèi)星的遙測信息，監(jiān)視衛(wèi)星的工作情況，并向空間段發(fā)送遙控指令。

　　地面段按不同的職能又分為工程測控和業(yè)務(wù)測控兩部分。工程測控是對衛(wèi)星軌道、姿態(tài)的長期保持和控制以及對衛(wèi)星平臺工作狀態(tài)的長期監(jiān)視、管理等；業(yè)務(wù)測控是對衛(wèi)星有效載荷的長期運(yùn)行管理。

　　P r o t e u s 平臺的測控系統(tǒng)遵從空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)關(guān)于頻率分配的規(guī)定，采用S 頻段；數(shù)據(jù)傳輸率：上行為4kbit/s，下行為10～613kbit/s；射頻采用兩種調(diào)制體制：遙測用QPSK，遙控用PM/BPSK。測控系統(tǒng)在平臺中央計(jì)算機(jī)發(fā)生故障的情況下，也能自行解碼并直接執(zhí)行遙控命令。平臺用GPS接收機(jī)定軌并接收GPS 的時(shí)統(tǒng)信號。

　　“資源一號衛(wèi)星”首次在衛(wèi)星上采用星載數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和S波段統(tǒng)一測控系統(tǒng)。

　　2 現(xiàn)代衛(wèi)星測控技術(shù)

　　隨著衛(wèi)星通信事業(yè)的不斷發(fā)展，大量的衛(wèi)星的升空，特別是衛(wèi)星星座系統(tǒng)的出現(xiàn)，利用我國現(xiàn)有的C頻段和S 頻段兩大地面骨干測控網(wǎng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能解決航天事業(yè)的發(fā)展對測控精度、測控覆蓋能力、高數(shù)據(jù)率提出的新要求。

　　目前國外提高衛(wèi)星測控能力的措施主要有以下幾個(gè)。

　　提高衛(wèi)星的自主測控能力：衛(wèi)星采用采用的技術(shù)有自主導(dǎo)航、軟件無線電、光電儀器等技術(shù)，從而減輕地面測控網(wǎng)的負(fù)擔(dān)。

　　采用較高的測控頻率：繼S、C頻段成為統(tǒng)一載波測控頻段后，Ka 等高頻段也將加入測控行列，具有提高測控速率、減小天線尺寸、更強(qiáng)的抗干擾能力等特點(diǎn)。

　　采用C D M A 擴(kuò)頻測控技術(shù)：Globalstar、Aries 和Odyssey 以及美國的跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)T D R S S 中都應(yīng)用了C D M A 技術(shù)。CDMA技術(shù)可以將擴(kuò)頻技術(shù)和加密技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星通信和遙測信息的加密，提高衛(wèi)星的安全性和抗干擾能力。

　　測控網(wǎng)絡(luò)互連：將已經(jīng)建立的專業(yè)測控網(wǎng)，如美國NASA 局的衛(wèi)星跟蹤與數(shù)據(jù)采集網(wǎng)STADAN、深空網(wǎng)DSN等，互連為一個(gè)開放式的大測控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)測控資源的共享。

　　開發(fā)已有系統(tǒng)的功能：全球星定位系統(tǒng)GPS 及俄羅斯GLONASS 提供了新型“星基”衛(wèi)星測控資源。利用空間運(yùn)行的導(dǎo)航衛(wèi)星測距、測速信息，并采用若干相關(guān)技術(shù)(例如GPS 差分、載波相位測量、GLONASS兼容接收、高動(dòng)態(tài)信號快捕、窄相關(guān)以及動(dòng)態(tài)解模糊等)之后，即可實(shí)現(xiàn)對中、低軌道衛(wèi)星航天器的高精度定軌，這種測量同樣不受地面測控站地理布局的限制。

　　3 現(xiàn)代衛(wèi)星測控體制

　　測控系統(tǒng)是地面測控網(wǎng)、星載測控設(shè)備的集合。目前國內(nèi)外對航天進(jìn)行的測控基本體制有地基測控、天基測控、自主測控以及組合測控體制。

　　　3.1 地基測控

　　最早采用的測控體制。測控設(shè)備以及數(shù)據(jù)處理集中于地面，測控精度高。但其布站受限，測控覆蓋率低，一般不超過15%。

　　　3.2 天基測控

　　由于地面測控站在中低軌衛(wèi)星的測控中存在觀測弧段短、維護(hù)費(fèi)用高、利用率低等缺點(diǎn)，國際上測控體制開始從地基向天基過渡，以提高測控覆蓋率。1983 年4 月，美國國家航空航天局(NASA)建成跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(TDRSS)。TDRS中繼衛(wèi)星相當(dāng)于把地面上的測控站移到了3 5 7 8 6 k m 高度的地球靜止軌道，兩顆TDRS 衛(wèi)星和地面上單個(gè)測控終端站所組成的TDRSS系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對軌道高度約2 0 0 k m 的飛行器8 5 % 覆蓋， 對所有軌道高度約1200~12000km 近地軌道飛行器可實(shí)現(xiàn)1 0 0 %的連續(xù)跟蹤覆蓋。目前美國、俄羅斯、歐洲航天局均建立了各自的天基測控網(wǎng)，我國的TDRS 也在建設(shè)中。天基測控的優(yōu)點(diǎn)是可對3 6 0 0 0 k m 高度以下的衛(wèi)星實(shí)行全天候、全天時(shí)的測控，并通過TDRS 可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與地面網(wǎng)的雙向通信。其不足之處是，對于衛(wèi)星的上升段和返回段不能進(jìn)行測控和通信；TDRS本身也離不開地面跟蹤站的測控和支持。這種測控體制已在美國航天飛機(jī)的測控中被多次應(yīng)用。

　　3.3 自主測控

　　　深空探測和星際航行的衛(wèi)星，其測控需要實(shí)現(xiàn)高度的自主，軌道的測量和航向的控制主要由衛(wèi)星自身完成。一些微小衛(wèi)星亦采用自主測控的體制。這種測控體制由衛(wèi)星自身的設(shè)備進(jìn)行其軌道測量、姿態(tài)測量和相應(yīng)的制。如英國薩瑞大學(xué)U o S A T微衛(wèi)星平臺系統(tǒng)就采用GPS 進(jìn)行軌道和姿態(tài)的自主測量和控制。自主測控的特點(diǎn)是不依靠地面支持； 測控覆蓋率高；實(shí)時(shí)性高。其缺點(diǎn)是無法應(yīng)對衛(wèi)星故障，衛(wèi)星遙測遙控?cái)?shù)據(jù)的傳輸仍需地面網(wǎng)支持。

　　3.4 組合測控

　　為了保證對衛(wèi)星測控的實(shí)時(shí)性和可靠性，在目前的衛(wèi)星測控中，大多采用兩種測控體制的組合：如地基測控和天基測控的組合；地基測控和自主測控的組合；無線測控和激光測控以及慣導(dǎo)控制的組合等。組合測控體制彌補(bǔ)了單一測控體制的不足，提升了測控的性能。組合測控的優(yōu)勢是可以達(dá)到全程測控覆蓋，以及兩種或多種單一測控體制的優(yōu)勢互補(bǔ)。

　　現(xiàn)代衛(wèi)星多采用一箭多星發(fā)射方式，且相互協(xié)作組網(wǎng)工作，使測控具有過境時(shí)間短、多顆星同時(shí)過境的特點(diǎn)，因此現(xiàn)代衛(wèi)星的測控模式要求采用一種高效、低費(fèi)的測控模式。新的測控體制必須具有多星同時(shí)測控和衛(wèi)星長期管理、測控費(fèi)用低廉、覆蓋率高的特點(diǎn)。從這一點(diǎn)上看，建立天基測控網(wǎng)是一種有效的解決途徑，雖然技術(shù)難度較大，一次性投資高，但是能從根本上解決現(xiàn)代衛(wèi)星的測控問題。

　　4 現(xiàn)代衛(wèi)星的運(yùn)載和發(fā)射技術(shù)

　　　運(yùn)載火箭是由多級火箭組成的，能夠把人造地球衛(wèi)星、載人飛船、航天站或空間探測器等有效載荷送入預(yù)定軌道的一種航天運(yùn)輸工具。

　　根據(jù)地理環(huán)境不同，現(xiàn)代衛(wèi)星的運(yùn)載發(fā)射可以分為從地面固定發(fā)射場發(fā)射、在空中發(fā)射、從海上平臺發(fā)射等3 種方式。

　　(1)地面發(fā)射：此方式受地理環(huán)境因素制約很大。美國的肯尼迪航天發(fā)射中心、歐洲的庫魯航天發(fā)射中心(設(shè)在南美洲東北海岸)、前蘇聯(lián)(烏克蘭)的拜科努爾發(fā)射中心、中國的西昌、酒泉、太原發(fā)射中心都是比較著名的發(fā)射站。

　　(2)空中發(fā)射：1986年美國軌道科學(xué)公司首先提出了從空中發(fā)射火箭的設(shè)想。1990 年4 月5 日，美國首次用改裝的B-52 轟炸機(jī)進(jìn)行了“飛馬座”火箭發(fā)射試驗(yàn)，取得了成功。俄羅斯在這個(gè)領(lǐng)域的研究處于領(lǐng)先地位，計(jì)劃于2006 年進(jìn)行首次空中衛(wèi)星發(fā)射。

　　(3)海上發(fā)射：通過建立海上移動(dòng)運(yùn)載型火箭發(fā)射場或利用浮動(dòng)式石油鉆井平臺，在移動(dòng)平臺的甲板上安裝發(fā)射臺實(shí)現(xiàn)。1999 年10 月19日，烏克蘭在海上平臺首次發(fā)射天頂3 號運(yùn)載火箭，成功的將美國一顆直播電視衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。海上發(fā)射可選擇最佳的赤道水域，以獲得最大的地球自轉(zhuǎn)速度，從而提高火箭的運(yùn)載能力。方案有懸浮發(fā)射、平臺發(fā)射和船載發(fā)射。

　　(4 )地下發(fā)射：過去的“發(fā)射井”， 原理與地面發(fā)射相同。現(xiàn)代概念的地下發(fā)射是日本一家公司在2 0世紀(jì)90 年代提出來，其原理是利用壓縮空氣從地下深處將運(yùn)載火箭彈射出去。當(dāng)運(yùn)載火箭推出地表后，立即點(diǎn)火發(fā)射升空。其優(yōu)越性在于，不用燃燒推進(jìn)劑就可使運(yùn)載火箭獲得很高的壓縮初速度，從而減少了火箭的自重，大大節(jié)省能源，比如發(fā)射H-II運(yùn)載火箭，若采用地下發(fā)射方式就比用地面發(fā)射方式搭載量多35%。估計(jì)本世紀(jì)末下世紀(jì)初可以實(shí)現(xiàn)。

　　現(xiàn)代衛(wèi)星發(fā)展的一個(gè)趨勢是衛(wèi)星小型化。目前小衛(wèi)星發(fā)射技術(shù)，有一箭多星、航天飛機(jī)發(fā)射，以及從具有衛(wèi)星分配器功能的主衛(wèi)星上入軌等方式。

　　(1 )目前國際上一箭多星的發(fā)射常用兩種方式。第一種是把幾顆衛(wèi)星一次送入一個(gè)相同的軌道或幾乎相同的軌道上；第二種是分次分批釋放衛(wèi)星，使每一顆衛(wèi)星分別進(jìn)入不同的軌道。一箭多星發(fā)射具有發(fā)射成本較低的特點(diǎn)，但發(fā)射窗口取決于主星；

　　(2 )航天飛機(jī)運(yùn)送低軌道航天器比較合理，可重復(fù)使用，但費(fèi)用昂貴；

　　(3 )利用多星分配器發(fā)射技術(shù)難度大；

　　(4)小火箭發(fā)射靈活機(jī)動(dòng)，是比較合理的小衛(wèi)星運(yùn)載工具。到現(xiàn)在為止，世界