航天测控系统

航天器测控电子系统

第二次世界大战以后不久,在火箭试验中就已采用某些光学和电子测量系统，例如光学跟踪经纬仪和多普勒测速仪。但是作为完整的航天测控系统，则是在人造地球卫星出现之后才逐步形成的。全系统靠全球性的通信网来相互连接，相当一部分线路是租用。除了对近地卫星和飞船的测控系统外，还建立了对行星际探测的深空测控网。中国航天测控系统也是在航天事业的发展中逐步臻于完善的。为了扩展观测范围,还建造了海上测量船,以便驶往远洋对航天器进行跟踪观测。在整个测控系统中使用了多台计算机，并有贯通各个测控站、测量船和测控中心的通信网络。

定义

对运行中的航天器（运载火箭、人造地球卫星、宇宙飞船和其他空间飞行器）进行跟踪、测量和控制的大型电子系统。

系统组成

航天测控系统包括以下各种系统。前3个系统，由地面的和装在航天器上的两部分电子设备组成。

①　跟踪测量系统：跟踪航天器，测定其弹道或轨道。

②　遥测系统：测量和传送航天器内部的工程参数和用敏感器测得的空间物理参数。

③　遥控系统：通过无线电对航天器的姿态、轨道和其他状态进行控制。

④　计算系统：用于弹道、轨道和姿态的确定和实时控制中的计算。

⑤　时间统一系统：为整个测控系统提供标准时刻和时标。

⑥　显示记录系统：显示航天器遥测、弹道、轨道和其他参数及其变化情况，必要时予以打印记录。

⑦　通信、数据传输系统：作为各种电子设备和通信网络的中间设备，沟通各个系统之间的信息，以实现指挥调度。

航天测控网

各种地面系统分别安装在适当地理位置的若干测控站（包括必要的测量船和测控飞机）和一个测控中心内，通过通信网络相互联接而构成整体的航天测控系统（见图1），或称航天测控网。

总体设计

航天测控系统总体设计属于电子系统工程问题。对整个系统来说，首先考虑的是航天任务的要求，可以针对某一个任务，也可以兼顾多个任务，从较长远的发展要求来设计。航天测控系统的中心问题是从地面和航天器整体出发，实现信息获取，即将航天器的飞行和工作数据发回地面，并用计算机进行计算、决策和实时反馈来控制航天器飞行的轨道和姿态。

存在问题

因此，在总体设计中必须解决的问题有：①全系统所要具备的功能和实现这些功能的手段;②测控站布局的合理性;③控制的适时性和灵活性；④各种设备的性能、速度和精度；⑤长期工作的可靠性；⑥最低的投资和最短的建成时间。

电子测控系统

跟踪测量、遥测和遥控系统是整个测控系统的基本部分。电子测控系统的优点是可以对航天器全天候跟踪，而且有较好的灵活性和足够的精度。从系统工程的角度来看，对航天器跟踪测量所得的数据，经过计算，可给出弹道、轨道或位置的信息；而遥测所提供的数据，经过处理、分析可给出航天器的状态信息；它们都是系统中反馈回路的重要信息源。遥控则是控制系统中的执行机构。

电子测量和控制系统的地面部分，必须与装在航天器上的电子设备相配合才能完成测控任务。对于测量，航天器上必须有相应的信标机或应答机，它们发回地面跟踪和测速用的射频信号，应答机还发回测距信息。对于遥测，航天器上必须有检测各种参数的传感器和发送这些参数的射频发射机。对于遥控，航天器上必须有指令接收机。因此，航天器上的和地面的两部分电子设备在设计时应该结合起来统一考虑。

为了提高测量的精确性和扩大信息的传输量，测控设备所用的无线电频率大部分已经提高到微波波段。为了减少航天器上电子设备的重量、体积，特别是要减少天线的数目，将各种测控功能适当地综合在一个统一的射频载波上是一个重要的发展。这种系统称为微波统一测控系统。中国研制的微波统一测控系统,灵活多用,可进行单站或多站测量。

计算系统

计算系统是整个测控系统的核心。各个测控站和各个设备都可用自己的计算机来处理本站和本机的数据，但大数据量的计算以及根据计算结果进行分析和做出控制决策等，一般都要集中到测控中心来做。因此，在测控中心应装有容量大、速度高的计算机，并能双工工作以保证可靠性。在主机前端则可采用较小的计算机来进行数据的编辑、选择和预处理。主机的计算结果，一方面输入显示系统加以显示，以便指挥控制人员能据此作出决策；另一方面也可以由计算机在人的监视下进行自动分析、决策，直接选择控制参数，通过遥控信道发出指令。这些计算、分析、人-机对话和决策,都须依靠计算机软件系统来实现。因此，编制适当的软件，经过演练确认其正确性，定型后并在实际中使用，是测控系统在航天器发射和管理中的一项十分重要的工作。

优化配置策略

航天测控系统现行测试资源建设模式还基本延续传统的串行建设模式，即：先研制航天测控装备，在实现装备功能前提下再详细考虑测试资源建设问题。这种模式在早期航天测控装备数量和种类少的情况下基本能够满足要求，但是近年来伴随航天测控系统规模壮大，复杂度提高，种类、数量不断增加，传统的串行测试资源建设模式越来越难以为继，迫切需要寻求方法来缓解日益增长的测试资源需求和有限测试保障经费之间的矛盾。

从装备质量特性的角度考虑，测试资源的配置属于“测试性”学科研究范畴。“测试性”是指产品能及时并准确地确定其状态(可工作、不可工作或性能下降)，并隔离其内部故障的一种设计特性。装备测试性是构成装备质量特性的重要组成部分，是装备可靠性设计与装备维修保障设计之间的重要纽带，是确保装备战备完好性、任务成功性和安全性要求得到满足的重要中间环节。在测试性工程框架内，航天测控系统测试资源配置应该面向装备全系统、全寿命并行一体化实施；充分考虑测试性、可计量性、可靠性、维修性、安全性、保障性等特性要求；兼容区域计量与测试保障模式和装备纵向分层维修体制；相似产品的软硬件设计、测试性设计、可计量性设计等方法和信息复用；以最佳效费比为原则，科学权衡确定机内测试设备(built．in—test equipment，BITE)、自动测试设备(automatic test equipment，ATE)、外部测试设备(external test equipment，ETE)等的组合方案。

基于并行工程和系统工程思想，构建了测试资源配置体系结构，旨在为开展大规模测试资源配置提供系统化策略形成机制。首先，对测试资源配置体系结构4个组成部分的功能进行了描述，对可用的现有成熟技术进行了综述，证明了测试资源配置体系结构的可行性。然后，给出了面向维修体制的测试资源配置问题层次化并行建模技术、标准化技术、信息集成与管理技术3项测试资源优化配置关键技术。最后，给出了航天测控系统测试资源优化配置平台设计案例，验证了相关方法的正确性。

测试资源配置体系结构如图2所示，包括测试资源配置相关信息描述、测试资源配置问题建模、测试资源配置方案评价、测试资源配置方案优化4个部分，信息为问题建模、方案评价、方案优化提供输入，模型是方案评价与优化的基础，通过方案评价可以识别测试资源配置缺陷，方案优化则弥补缺陷或者选择更优机内测试设备、机外测试设备、手动测试设备等的权衡配置方式。每次方案优化后均需要对问题进行重新建模，反复迭代，直至获得满足要求的高效费比测试资源配置结果。

系统新发展

从地面上对航天器跟踪测量和控制，往往需要在很大范围内布置相当数目的测控站，疆域较小的国家不具备这种条件。为了解决这一困难,国际间的协作十分必要,为此需要使各国测控系统的频率和体制统一起来。70年代初期，美国发射“阿波罗”号登月载人飞船时，开始应用S波段(2吉赫频段)统一系统并经实践证明了这种系统的优越性。现在美国的地面测控网已逐步改建,采用S波段统一系统作为主要的测控手段。西欧和日本也采用了频段相同而体制类似的系统，并且已应用到不同类型的卫星和航天器上。各国的测控频率和体制的统一，有利于互相利用。这是航天测控系统的发展趋势。

对于较低轨道的卫星或其他航天器来说，一个地面测控站的跟踪范围毕竟有限，而设置测控站的数目又受到种种限制，不能无限增加。为了扩大跟踪范围，将测控站搬到同步定点卫星上,从35800公里的高空来观测低轨道卫星是解决这一困难的一个办法。1983年 5月美国利用航天飞机发射的一颗跟踪与数据中继卫星(TDRS)是实现这个设想的第一步。两颗定点在赤道上空，经度相隔约 140°的跟踪与数据中继卫星和一个相应的地面控制接收站组成跟踪与数据中继卫星系统 (TDRSS)。这种系统将能对多颗低轨卫星进行全球性不间断的跟踪、测控和数据中继。从测控的角度来看，系统的工作原理和微波统一测控系统类似。测控点站仍设在地面（但减少到一个），而两颗跟踪与数据中继卫星实际上是起了将测控信号转接和扩大到全球范围的作用。

安全分析

系统安全与生存能力、空间信息保障能力的提升将成为维护国家安全的关键。我国测控系统虽然已经建成了功能较为完备、长期运行稳定、满足测控任务要求的测控网，但还存在试验组织模式亟待改进、设备标准化程度不高、自动化运行功能不完善等问题。而且计算机病毒、自然灾害、战争威胁等正在成为主要的不安全因素，测控网所面临的安全问题日渐突出。

系统内部安全隐患

1)试验组织方面的隐患

当前，试验部队在实时测控任务中一直沿用传统指挥模式，近年来随着我国航天试验高密度、多型号任务并行常态化，该模式逐渐暴露出与形势发展不相适应的缺陷，给试验安全带来隐患。传统指挥模式存在的主要问题是：

①指挥层级多，命令传输不够及时；

②信息化技术未得到充分利用；

③测控资源运行管理功能不完善；

④占用人力资源多，不够精简高效；

⑤作战信息支援模式缺少实践检验。

2)设备安全隐患

我国现有的测控设备与系统和国外先进水平相比，无论在设计理念、元器件水平、工艺流程、软件应用、维护管理等方面都还存在较大差距。存在的主要问题是：

①一体化、通用化程度不高；②自动化功能不完善；③设备维护社会化保障机制不健全；④备品备件管理不规范。

3)信息安全隐患

现代战争的特点决定了信息获取方式的多样性，因此航天测控系统必须不断提高自身的安全等级。测控系统中的信息安全包括：数据处理分析(即有数据效性检验)、数据存储、信息传输、保密管理等方面内容。测控系统在这些方面存在的主要问题是：

①数据处理分析过程中的安全隐患，目前影响测控精度和数据处理安全的主要因素有：测量数据的系统误差，测量过程中产生的随机误差，设备故障、数据记录判读过程异常，周围环境突发性变化、干扰及误操作等产生的异常值等。

②数据存储中的安全隐患，其存在的安全隐患主要有：基于现有存储技术的数据集中、共享实现困难；测控数据备份技术发展滞后，自动化程度低；数据存储安全措施不完善等。

③信息传输中的安全隐患心。它主要来自以下几个方面：一是没有采用身份识别或访问控制等措施，致使用户信息的安全得不到保障；二是操作系统本身存在漏洞，一旦接入网络，计算机很容易就会被感染病毒；三是网络上的病毒侵入计算机，导致计算机运行迟钝、死机，更有甚者系统瘫痪，无法运行；四是网络黑客利用电脑本身存在的漏洞完成密码探测，进而盗取机密文件或是攻击系统。

4)保密管理方面的安全隐患

此方面的安全隐患突出表现在电子文档的管理方面：

①加密手段相对落后，传输过程不安全；

②文件传播范围广，存在较大随意性。

系统外部安全隐患

1)国外建站的风险

由于地球的球形和自旋，建在地球表面利用直线传播微波链路工作的测控站，对中、低轨道航天器的跟踪弧段短且圈次少。国土面积有限的国家能合理建站的数量很少，海上大量使用测量船代价太高。由2颗工作卫星和1个地面终端站构成的数据中继卫星系统对1 200 km以下航天器的测控仍有一定盲区。因此进行国外建站就显得尤为重要。但是，国外建站同样有不可回避的负面影响。如：低空无线电链路易受到人为射频干扰；高功率微波武器足以堵塞、损伤甚至烧毁微波前端；可能经此输入伪造的指令和记录后重放的指令，使地面测控网更容易遭到硬摧毁。

2)国际联网的风险

国际联网必须采用国际通用标准，特别是CCSDS。但是，贯彻CCSDS建议也会带来某些负面作用，测控信道、数据格式、传输协议完全是公开的，给信息安全性(尤其是遥控指令)造成一定威胁。同时由于国际联网的存在，给了国外一个物理接口，系统容易遭到网络的软攻击，特别是“黑客”和“病毒”攻击。

3)自然灾害的影响

航天任务测控通信和任务操作主要由任务中心、地面测控站、运行管理中心和通信网联合完成，一旦由于地震、风暴、火灾、雷电以及其他严重自然灾害等不可抗拒的原因导致以上某些单元受损，将对在轨飞行的航天员安全以及对大量在轨航天器的控制和正常工作造成重大影响。国外主要航天测控中心均是以固定式来设计，主要航天大国均采用建立多个备份航天测控中心的方式，来提高地面测控系统的生存能力和测控支持能力。

4)战争威胁

科学技术高度发达的今天，传统的战争模式已成为记忆，现代的战争比的是科技实力，战争威胁的形式主要体现在以下几个方面：

①物理摧毁威胁，物理摧毁分为“软”杀伤和“硬”杀伤。前者倾向于攻击、破坏甚至控制网络传感器、通信数据链和指挥决策工具。而硬杀伤的目的是摧毁网络中的关键节点，重点是传感器系统。目前，任务中心和测站多以固定式为主，不具备机动能力。若遭到攻击将导致测控系统瘫痪或测控覆盖率降低。

②电磁干扰威胁，电磁干扰对测控系统的威胁不亚于物理摧毁，目前虽然配备了一定数量的扩频测控系统，但扩频方式单一，没有混合扩频测控系统，再加上标准统一测控系统还不具备扩频抗干扰能力。因此，在抗干扰方面的安全隐患将在一定时期内长期存在。

展望

随着应用卫星的发展，特别是导航卫星、高分辨率遥感卫星、载人飞船的会合和对接、航天飞机以及行星际和更远距离的航行，对航天测控系统提出了更高的要求：①提高卫星测轨、定位和姿态测定的精度；②提高卫星或飞船机动控制的实时性和精确性；③特远距离时的跟踪测量和高速数据传输。

更精密的光学和电子测控系统，更大容量和更高运算速率的计算机，更高精确度的时间标准和更高效率的通信体制等，都是为解决上述问题需要研究的课题。

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