一體化測控技術(shù)，商業(yè)航天測控的未來

+魏興

1957年10月4日，隨著世界上第一顆人造地球衛(wèi)星從蘇聯(lián)的拜科努爾發(fā)射場發(fā)射升空，進(jìn)入近地軌道，一個(gè)嶄新的行業(yè)——航天測控，開始步入人們的視線。經(jīng)過六十多年的發(fā)展，航天測控體系已經(jīng)逐漸成熟，成為各大航天強(qiáng)國必備的部門；而航天測控在技術(shù)上的成熟和測控設(shè)備價(jià)格的逐步降低，使商業(yè)化運(yùn)營的測控公司逐漸出現(xiàn)并迅速發(fā)展起來。

為什么需要航天測控：風(fēng)箏沒有線飛不高

航天測控英文為Telemetry,Tracing and Control,縮寫為TT&C，是為保證航天器在軌道上正常運(yùn)行，地面與航天器進(jìn)行遙測（Telemetry）、遙控（Telecommand）、跟蹤（Tracing）和通信的技術(shù)。

那么，為什么火箭及航天器必須進(jìn)行測控呢？有以下這些原因：

●火箭發(fā)射的飛行面臨極大的風(fēng)險(xiǎn)，必須對火箭的速度、方向、飛行姿態(tài)、軌道，各種系統(tǒng)的工作狀態(tài)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并由火箭的飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。

●航天器進(jìn)入軌道的精度如果不高，甚至偏離軌道，需要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，啟動(dòng)航天器上的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)整。

●航天器工作的宇宙空間環(huán)境極為惡劣：在真空中飛行，受太陽照射的一面溫度可以高達(dá)100攝氏度以上，而背陰面，溫度則可能低至零下100攝氏度到零下200攝氏度；太空環(huán)境中充斥著各種致命的宇宙射線、電磁波輻射和空間碎片。航天器長年累月在這種環(huán)境下工作，出故障的概率很大，必須有測控系統(tǒng)對它們的狀態(tài)進(jìn)行跟蹤，并控制航天器進(jìn)行姿態(tài)等各種調(diào)整。

●航天器受外部環(huán)境的影響，其飛行軌道可能會(huì)發(fā)生改變。比如與隕石和太空垃圾相撞。更常見的是，在低地球軌道（LEO）上飛行的航天器，仍然會(huì)受到極其稀薄的大氣層影響，受到空氣分子的阻礙后，飛行速度會(huì)逐漸減慢。如果速度低于第一宇宙速度，那么航天器就會(huì)被地球引力吸引回地面，在大氣層中燒毀。因此，LEO軌道上的航天器必須經(jīng)常啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行加速，測控系統(tǒng)是絕對必要的。

●有時(shí)航天器還需要主動(dòng)地調(diào)整飛行軌道，比如飛船變軌與空間站對接、衛(wèi)星從試驗(yàn)軌道轉(zhuǎn)移至工作軌道、為了避開其他航天器或者太空垃圾而變軌等。調(diào)整軌道的全過程都需要有測控系統(tǒng)來跟蹤和控制。

因此，如果我們把航天器比喻成風(fēng)箏，那么測控系統(tǒng)就是控制風(fēng)箏的線。如果沒有這根線，風(fēng)箏要么飛掉，要么墮地。航天器在其工作壽命的全過程里，都需要航天測控系統(tǒng)的幫助，來維持正常的飛行狀態(tài)和工作狀態(tài)。

事實(shí)上，航天器在軌道上出現(xiàn)故障的概率比普通人想象的大得多。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，衛(wèi)星在軌的故障率高達(dá)85%左右，衛(wèi)星壽命未達(dá)標(biāo)率高達(dá)45%左右，衛(wèi)星突變故障率高達(dá)53.1%，衛(wèi)星漸變故障率也高達(dá)46.9%。這些觸目驚心的數(shù)字表明，能讓衛(wèi)星在太空中持續(xù)正常工作是一件多么不容易的事情。所以我國航天測控領(lǐng)域的專家沈榮駿院士有一句很接地氣的話，形象地闡明了測控的重要性：衛(wèi)星上天以后，玩兒的就是測控。

圖1 國產(chǎn)航天測控光電經(jīng)緯儀

衛(wèi)星出故障并不可怕，在測控系統(tǒng)的幫助下，大部分的故障都是可及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理的。如果衛(wèi)星的姿態(tài)、軌道、速度等飛行參數(shù)不正常，可以在測控系統(tǒng)的控制下啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)整；如果衛(wèi)星上某些設(shè)備工作不正常，可以在測控系統(tǒng)的控制下切換到備份設(shè)備、進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)或容錯(cuò)運(yùn)行等，甚至可以上傳更新衛(wèi)星的軟件，使用各種方法檢測，維修故障。

航天測控系統(tǒng)的商業(yè)化基礎(chǔ)：USB/UXB不簡單

既然航天測控系統(tǒng)如此重要，那么就讓我們來仔細(xì)看看，航天測控系統(tǒng)究竟是什么樣的，如何工作的。

如果你曾經(jīng)在電視上看過火箭發(fā)射的現(xiàn)場直播，那么一定會(huì)留意到指揮大廳里工作人員發(fā)出的報(bào)告聲：“光學(xué)跟蹤正?！保癠SB/UXB 工作正?！?，“雷達(dá)工作正?！?，“遙測信號正常”等等。沒錯(cuò)，這些都是地面測控系統(tǒng)的組成部分。

●進(jìn)行光學(xué)跟蹤的設(shè)備通常指的是光電經(jīng)緯儀（圖1）。它的外形就像一個(gè)巨大的天文望遠(yuǎn)鏡。光電經(jīng)緯儀由跟蹤機(jī)架、成像系統(tǒng)、測角系統(tǒng)、激光跟蹤測量系統(tǒng)、微機(jī)控制和處理系統(tǒng)組成。能對火箭和衛(wèi)星等航天器進(jìn)行精確地跟蹤測量。但是它的工作距離通常只有幾百公里，并且非常容易受到云層、雨雪等天氣的影響。

用于航天測控的光電經(jīng)緯儀十分昂貴，通常只有在火箭發(fā)射時(shí)，在有限的幾個(gè)測控站部署。無法做到全球大規(guī)模部署，對衛(wèi)星提供日常的測控服務(wù)。

●雷達(dá)的原理是由雷達(dá)天線向目標(biāo)發(fā)射出無線電波，無線電波達(dá)到目標(biāo)后，少數(shù)電波被目標(biāo)反射回來，又被雷達(dá)天線接收。雷達(dá)根據(jù)反射信號與發(fā)射信號的時(shí)間差進(jìn)行測距，根據(jù)反射信號的方位進(jìn)行測角。用于航天測控的雷達(dá)也是十分昂貴的，無法大規(guī)模部署。

以USB設(shè)備為例，此USB并非你電腦上的USB插口，它的全稱是“Unified S Band”，意思是“統(tǒng)一S波段”設(shè)備。S波段指的是頻率在2Ghz到4Ghz之間的電磁波。既然不是雷達(dá)，它又怎么能測量航天器的距離和方位呢？

它的原理非常簡單。我們要測量的航天器是所謂的“合作目標(biāo)”，而不是像敵人的導(dǎo)彈那樣的“非合作目標(biāo)”。合作目標(biāo)是會(huì)主動(dòng)和你配合工作的。所有需要測控的航天器上都會(huì)裝備至少一個(gè)工作于S波段的轉(zhuǎn)發(fā)器。當(dāng)需要測量距離和方位的時(shí)候，地面的USB測控站向航天器發(fā)射一組偽隨機(jī)的編碼，航天器上的轉(zhuǎn)發(fā)器收到這組編碼后立即向地面發(fā)射回去。USB測控站接收到航天器發(fā)回的編碼，根據(jù)往返時(shí)間就能計(jì)算出與航天器之間的距離，根據(jù)地面USB測控站的天線方位角和仰角就能確定航天器的角位置。

以上功能只是USB系統(tǒng)的三大功能之一：跟蹤測軌。而USB設(shè)備上還集成了另外兩大功能：一個(gè)是遙控，它能夠向航天器發(fā)送控制命令、時(shí)鐘同步信息、各種參數(shù)，甚至進(jìn)行遠(yuǎn)程的軟件升級等等；另一個(gè)是遙測，它還能夠從航天器接收各種數(shù)據(jù)匯報(bào)、圖像、視頻等等。

所以，航天測控設(shè)備系統(tǒng)從本質(zhì)上來講就是一種天線方位能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)的通信系統(tǒng)。它的復(fù)雜度要比雷達(dá)系統(tǒng)降低很多，造價(jià)也相應(yīng)的便宜很多。這就使得在全球建造大量的測控站，無縫測控所有衛(wèi)星軌道，在經(jīng)濟(jì)性上成為可能，為航天測控行業(yè)商業(yè)化打下了基礎(chǔ)。

USB測控系統(tǒng)是美國宇航局在上世紀(jì)60年代為“阿波羅”登月計(jì)劃研制的，它是航天測控技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)里程碑。這一技術(shù)解決了當(dāng)時(shí)載人航天測控網(wǎng)的兩大缺陷：一是該網(wǎng)采用了多種頻段的設(shè)備，從而導(dǎo)致飛船上的設(shè)備復(fù)雜，負(fù)荷過重，電磁兼容性差；二是當(dāng)時(shí)的測控網(wǎng)的作用距離達(dá)不到月球。為了解決這些問題，USB系統(tǒng)包含了四個(gè)主要的技術(shù)要素：

●統(tǒng)一了載波：即把跟蹤測軌、遙測、遙控信號通過多個(gè)副載波調(diào)制到一個(gè)載波上，大大簡化了航天器上的設(shè)備，減輕了載荷重量，還避免了由多個(gè)分離設(shè)備帶來的電磁兼容問題。

●采用了S波段：有利于提高作用距離和提高測量精度，也有利于電磁兼容和寬頻帶要求。

●采用了50年代發(fā)明的鎖相環(huán)技術(shù)。

以學(xué)生創(chuàng)業(yè)進(jìn)行實(shí)景模擬，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和興趣，可更多地進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂，為學(xué)生提供更多的發(fā)揮主觀能動(dòng)性的機(jī)會(huì)。

●采用偽隨機(jī)碼測距，解決了遠(yuǎn)達(dá)38萬公里外月球軌道的測距問題。

在隨后的幾十年中，統(tǒng)一波段測控體制逐漸被全球主要航天國家接受，成為事實(shí)上的國際標(biāo)準(zhǔn)，并且除了S波段以外，也逐漸向其他波段擴(kuò)展，L波段（1～2GHz）、C波段（4～8GHz）、X波段（8～12GHz），等等，都加入了統(tǒng)一波段體制。最早擴(kuò)展到的是C波段，稱為UCB系統(tǒng)。這些不同的波段能適應(yīng)不同國家的無線電管理規(guī)則，提供不同的帶寬，其無線電信號的傳播特性也有所不同。這些不同的波段的系統(tǒng)能夠共享同一套天線。這樣的多波段航天測控站就能夠?yàn)榻^大部分衛(wèi)星提供測控服務(wù)了。

一個(gè)典型的統(tǒng)一波段測控站的外形如圖2所示。

這是我國民營航天測控公司中的佼佼者，北京天鏈測控技術(shù)有限公司（簡稱“天鏈測控”）寧波地面站的自動(dòng)測控系統(tǒng)。我們可以看到，這個(gè)測控站的天線是直徑高達(dá)7.3米的拋物面天線，也就是普通人說的“大鍋蓋”。根據(jù)天鏈測控的介紹，這套天線兼容L波段、S波段和X波段。拋物面天線的直徑越大，天線增益就越高，更能接收到更微弱的信號；使用相同功率的發(fā)射機(jī)，天線直徑越大信號傳輸?shù)木嚯x就越遠(yuǎn)。實(shí)際上，直徑2.4米左右的拋物面天線就能滿足低地球軌道（LEO）衛(wèi)星的測控需求了。更大直徑的天線能夠支持更高軌道的航天器測控。

除了這樣的“大鍋蓋”以外，部分航天器還支持VHF/UHF頻段的測控系統(tǒng)。VHF是指頻率在30Mhz到300Mhz之間的無線電波，對應(yīng)的波長為1米到10米之間，也稱為甚高頻；UHF是指頻率在300Mhz到3000Mhz之間的無線電波，對應(yīng)的波長為1分米到1米之間。這兩個(gè)頻段的測控站天線通常采用八木天線（如圖3），也就是我們?nèi)粘Ｋ姷聂~骨狀天線。

圖2 北京天鏈測控技術(shù)有限公司寧波站的自動(dòng)測控系統(tǒng)

正因?yàn)闇y控站技術(shù)的成熟化和標(biāo)準(zhǔn)化，測控站設(shè)備的成本也得到了有效控制。通常一個(gè)兼容多個(gè)波段，擁有直徑7米左右天線的航天測控站，主要設(shè)備成本能夠控制在1000萬元人民幣以內(nèi)（不包括土地和建筑成本）。

全球測控網(wǎng)：是接力賽也是擊鼓傳花

眾所周知，由于地球曲率的影響和地面山脈，樹木和建筑物等的阻擋，地面測控站的視野是有限的，每個(gè)測控站的工作范圍只能覆蓋航天器軌道一小部分。要想讓航天器在環(huán)繞地球飛行時(shí)盡可能不間斷地保持測控，就必須在全球各地建設(shè)測控站，多個(gè)測控站對航天器接力測控。測控站的全球組網(wǎng)是這個(gè)行業(yè)的本質(zhì)要求。

實(shí)際上，各國建立的航天測控站都有相當(dāng)大的余力，特別是那些為了可靠而設(shè)有雙套設(shè)備的測控站，所以各國測控站相互合作，充分發(fā)揮測控資源，降低航天測控任務(wù)的費(fèi)用，已經(jīng)成為趨勢。國際空間數(shù)據(jù)咨詢委員會(huì)已經(jīng)提出了一系列CCSDS標(biāo)準(zhǔn)，作為航天測控站互相聯(lián)通組網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)接口。這為在全球商業(yè)化地運(yùn)營測控網(wǎng)打下了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

我國已經(jīng)有商業(yè)航天測控公司開始向國際進(jìn)軍，例如天鏈測控，該公司已經(jīng)在歐洲、南美洲和大洋洲以及東南亞地區(qū)通過合作和自建，全球可用地面站達(dá)到了32座，已經(jīng)能夠提供全球性的衛(wèi)星測控網(wǎng)服務(wù)。

一體化測控技術(shù)：云養(yǎng)衛(wèi)星的便捷方法

近些年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，通信技術(shù)以及云技術(shù)的發(fā)展，一體化測控技術(shù)逐漸浮出水面。傳統(tǒng)的航天測控網(wǎng)的架構(gòu)通?；赟/C模式，即服務(wù)器/客戶端模式，分布于各地的測控站將作為客戶端，與控制中心（服務(wù)器）交換數(shù)據(jù)。這一架構(gòu)能夠比較好地完成航天測控任務(wù)，但是在新時(shí)代面前，尤其是在商業(yè)化測控大發(fā)展的時(shí)代，也逐漸顯示出一些不足。比如，在這種架構(gòu)下，只有控制中心才有聯(lián)系所有測控站的權(quán)力，客戶如果想要看到自己衛(wèi)星的情況，必須要到控制中心去才行。

圖3 天鏈測控三亞站部署的八木天線

圖4 天鏈測控南美洲合作站，天線口徑大于7.5米

圖5 天鏈測控的軟件升級與開發(fā)規(guī)劃中，未來將發(fā)展沉浸式服務(wù)體驗(yàn)

而一體化測控技術(shù)則把整體架構(gòu)構(gòu)建在云服務(wù)之上。測控站通過通用的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，通過電信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的交換機(jī)和服務(wù)器，連接到測控云上面，所有數(shù)據(jù)都通過云數(shù)據(jù)庫來集中處理和分發(fā)。而測控大廳里顯示的測控軟件也是運(yùn)行在云服務(wù)之上，是一種典型的SaaS（軟件即服務(wù)）系統(tǒng)。

與封閉的服務(wù)器架構(gòu)相比，開放的SaaS架構(gòu)好處多多：

●首先，客戶除了能夠在測控大廳里接受測控服務(wù)以外，還能夠使用筆記本電腦和各種移動(dòng)設(shè)備，通過公用網(wǎng)絡(luò)連接到云服務(wù)器上，在任何時(shí)間和地點(diǎn)都能夠進(jìn)行測控。

●其次，云服務(wù)架構(gòu)方便擴(kuò)展和移植，增加測控站不會(huì)給測控系統(tǒng)的軟件帶來多少工作量。

●再次，使用商用云服務(wù)系統(tǒng)使得測控公司不必關(guān)注底層硬件和軟件，而是把精力集中在做好測控服務(wù)軟件本身上。商用云服務(wù)系統(tǒng)的軟硬件均經(jīng)過市場的考驗(yàn)，擁有非常高的可靠性。

●最后，使用云服務(wù)系統(tǒng)還有利于部署未來的新業(yè)務(wù)，比如利用VR技術(shù)將航天器測控虛擬化，讓客戶或操作人員沉浸在立體化的虛擬場景中，宛如科幻電影，極大地提升客戶的體驗(yàn)并提高操作人員的效率（如圖5）。

我們看到，天鏈測控正是充分利用SaaS架構(gòu)帶來的好處，一步一步地實(shí)現(xiàn)航天測控系統(tǒng)的快速發(fā)展的。我們相信，基于云架構(gòu)的一體化測控技術(shù)就是商業(yè)航天測控的未來。

天鏈測控成立于2017年6月，到今天僅僅三年，就已經(jīng)在全球建成了擁有32個(gè)測控站的測控網(wǎng)，執(zhí)行了70余次大型測試和火箭、衛(wèi)星保障任務(wù)，這個(gè)發(fā)展速度不可謂不驚人。據(jù)介紹，天鏈測控的技術(shù)團(tuán)隊(duì)大部分來自我國航天測控總體單位，測控系統(tǒng)的實(shí)施單位和測控軟件設(shè)計(jì)及衛(wèi)星運(yùn)維單位等業(yè)內(nèi)權(quán)威單位，平均從業(yè)經(jīng)驗(yàn)在15年以上。公司先后服務(wù)了20多個(gè)用戶單位，專業(yè)的服務(wù)得到用戶的廣泛認(rèn)可。他們高效工作的背后，就是一套以SaaS云服務(wù)為基礎(chǔ)的、承載著諸多關(guān)鍵測控技術(shù)的一體化測控系統(tǒng)。

天鏈測控的成功經(jīng)驗(yàn)再次說明，一體化測控技術(shù)就是商業(yè)航天測控的未來。