陸海天基測控網：聯通天地“護航”中國空間站

陸海天基測控網——

聯通天地“護航”中國空間站

呂炳宏 解放軍報記者 安普忠 王凌碩

西安衞星測控中心喀什測控站。呂 龍攝

6月5日，神舟十四號載人飛船搭乘長征二號F遙十四運載火箭發射升空，與天和核心艙完成快速自主交會對接。中國空間站第三批航天員的太空之旅正式拉開帷幕。

航天器升空後，通過測控通信系統與地面保持聯繫。作為我國載人航天工程的七大系統之一，測控通信系統在載人航天任務的各個階段都發揮着極其重要的作用。

統一S波段測控系統（USB）以其高可靠性、高精度、高即時、高數據率的特點，受到各航天大國的青睞。

自中國載人航天工程立項以來，歷經30年的探索與實踐，我國已建成了陸、海、天基全面覆蓋的統一S波段測控網，其綜合性能已達到國際先進水平。

USB測控網，在人類登月工程中誕生

20世紀50年代末，蘇聯火箭專家科羅廖夫帶領團隊，將導彈改造成了一個直徑58釐米、重83.6公斤的球體，然後為其裝上4根鞭狀天線和一些科學儀器。這是人類的第一顆人造衞星。

1957年10月4日，蘇聯將這顆名為“斯普特尼克一號”的人造衞星發射升空。從此，人類開啓了太空探索的征程。

這顆人造衞星內部裝載有兩台無線電發射機，每隔0.3秒就會向地球發出信號。通過接收這些信號，地面可以測算衞星的位置信息，並進行跟蹤。

衞星每天會從莫斯科上空經過2次。對於那時候的蘇聯人民來説，在晴朗的秋夜仰望星空，如果看到羣星之中有一顆星星在移動，那一定是“斯普特尼克一號”。

遺憾的是，人類第一顆人造衞星只在天空中運行了92天，便墜入大氣層燒燬了。

1961年4月，蘇聯又在載人航天工程上先美國一步，宇航員加加林乘坐東方1號飛船從拜科努爾發射場啓航，在最大高度為301公里的軌道上繞地球一週，歷時1小時48分鐘。

太空競賽第一、第二回合的接連落敗，讓美國把最後的“翻盤”希望寄託在了載人登月上。

水星號和雙子星號載人航天任務中，美國使用的地面測控網採用了不同的波段和頻率，使得飛船上設置了許多發射機和接收機，大大增加了飛船設備的重量、功耗和操作複雜性。

為了改變這種情況，美國國家航空航天局（NASA）採用了噴氣推進實驗室（JPL）提出的使用S波段（2000-4000兆赫）微波統一測控技術的方案。他們意在通過這種技術，打造一個將航天器的跟蹤測軌、遙測、遙控和天地通信等功能合為一體的無線電測控系統。

這種“統一測控系統”將各種信息分別調製在不同頻率的副載波上，並打包成一個載波後發出。接收端再對載波進行解調，然後用不同頻率的濾波器對各副載波進行分解、分發，轉化為語音、圖像、遙測等原始信息，使其兼具測軌、遙測、遙控、數傳和語音等功能。同時，該系統採用的偽隨機碼測距技術，可以完成距離38萬公里外月球軌道的測距問題。

1966年，用於“阿波羅”登月的統一S波段測控系統（USB）正式投入使用，航天測控也由此從單一功能分散體制改進為綜合多功能體制。美國在北緯40°至南緯40°的帶狀區域內設置了近20個USB站，共保障了數十次“阿波羅”飛行任務。後來，該測控網也參與到了其他近地衞星與地球同步軌道衞星的測控任務中。

1979年，在日內瓦召開的世界無線電管理會議正式決定以S波段作為空間業務波段，並逐步取代各國普遍使用的VHF超短波波段。從此以後，法國、歐空局等一些國家和組織決定按此建造USB測控網。

20世紀80年代中期，隨着新技術、新工藝、新器件不斷湧現，以法國為代表的各航天大國實現了USB測控網小型化、數字化、自動化，可採用相同頻率和相同傳輸標準與其他國家進行兼容與聯網。其軟件算法和管理方式，比起昔日專為“阿波羅”任務建設的USB測控網有了長足的進步。

中國USB測控網一“戰”成名

1992年，中國載人航天工程正式啓動，測控通信系統的論證、設計和研製工作隨即展開。通過數十年發展，我國成功建起了具有中國特色的、達到國際先進水平的統一S波段航天測控網。

為了確保神舟飛船在關鍵飛行段落都有測控通信支持，西安衞星測控中心在黃海附近組建了青島測控站，在喀什、渭南、廈門等測控站加裝USB測控設備，並在着陸場區等地部署了活動測控站。

如今，由東風、北京、西安三大中心，相關地面測站，和遠望號測量船組成的陸海基USB測控網已初具規模。測控網在頻段和體制上與國際兼容，集測軌、遙測、遙控、語音、電視等功能於一體，綜合了測控和天地通信，既可支持我國載人飛船、所有中低軌衞星的測控，也可支持S頻段同步軌道衞星的測控任務。

2003年10月15日9時整，在萬眾矚目之下，神舟五號載人飛船在酒泉衞星發射中心發射升空。

“青島，船箭分離！”9時許，神舟五號飛船與長征二號F運載火箭在青島站測控弧段內完成船箭分離。1分鐘後，遠望1號船向飛船發出太陽能帆板展開指令，載着我國首位航天員楊利偉的神舟五號飛船順利進入預定軌道。隨着測控站、船相繼展開測控，楊利偉在太空中展示國旗的瞬間通過測控網傳遍千家萬户。與此同時，來自各參試站、船清晰洪亮的一聲聲“正常”，讓地面為之牽掛的所有人格外安心。

經過14圈的飛行，10月16日5時35分，北京航天飛行控制中心向飛船發送返回指令，遠望3號測量船及沿途海外測控站點對飛船先後發送軌返分離、返回制動指令。飛船成功返回祖國上空。

通過測算遙測數據，北京航天飛行控制中心與西安衞星測控中心相繼計算出了返回艙的預報落點。6時23分，返回艙在內蒙古四子王旗主着陸場成功着陸，僅13分鐘後，搜救人員成功找到返回艙，我國首次載人航天飛行任務取得圓滿成功。

牧箭攬舟，牽神舟飛船遨遊太空。伴隨着楊利偉代表中國首次飛天的壯舉，我國USB測控網一“戰”成名。

聯通天地創造更多中國航天奇蹟

2008年9月27日，航天員翟志剛身着“飛天”艙外航天服，從神舟七號飛船軌道艙緩緩探出身體。在全球億萬觀眾注視下，翟志剛接過劉伯明遞來的五星紅旗。茫茫太空中，國旗那一抹紅格外耀眼。

與此同時，部署在地面和海上的測控站、船正在開展一場跨越萬里的接力賽。由10多個地面測控站、5艘遠望號測量船組成的一條規模空前的陸海基測控帶，全程保障地面與飛船40多分鐘的連續測控通信，翟志剛“漫步太空”的英姿才得以毫無間斷地展現在全世界面前。

然而，動用如此龐大規模的陸海基測控資源對單一目標進行測控，已無法滿足中國載人航天未來的需求。飛船與空間站交會對接、航天員在空間站長期駐留……這對測控系統提出了更高要求。

翟志剛返回飛船後不久，在距離地球3萬6千多公里的同步軌道上，天鏈一號01星利用它自帶的中繼測控天線成功捕獲飛船信號，首次向地面發送了這顆衞星接收的遙測與圖像數據。

作為神舟七號任務的四大科學試驗任務之一，天基數據中繼把測控站從地面“搬”到了太空中。相比地面測控站，中繼衞星受地球曲率影響小，僅這一顆中繼衞星就能將我國對神舟七號飛船的測控覆蓋能力大大提高，三顆中繼衞星組網便可使對飛船的測控率達到近100%。

這是航天測控人幾十年來夢寐以求的技術體系，更是我國航天測控事業未來的必經之路。

2012年，經過4年發射部署，三顆中繼衞星終於組成了我國首個天基測控網。

2013年6月20日，“太空教師”王亞平在天宮一號試驗艙內為全國中小學生帶來了一場長達51分鐘的“太空授課”；2016年10月21日晚，地面通過天鏈一號03星向天宮二號空間實驗室成功傳輸電視信號，航天員景海鵬和陳冬首次收看到了天地同步播出的《新聞聯播》；2021年4月29日，天和核心艙成功發射，中國空間站建設的大幕正式拉開……藉助日趨完善的USB測控網，航天員天地通話、收發電子郵件的限制條件和成本越來越低，用户體驗也越來越好，未來空間站內漫長的太空之旅也將更加豐富多彩。

西安衞星測控中心正高級工程師楊永安向記者介紹，空間站在軌建造期間，神舟飛船返回軌跡跨度範圍發生了較大變化。此外，神舟十四號任務期間，問天、夢天實驗艙相繼發射，飛行乘組在軌駐留期間，將配合地面完成空間站組裝建造工作，並經歷9種組合體構型、5次交會對接、3次分離撤離和2次轉位任務，在軌飛行任務複雜程度將成為歷次任務之最……技術狀態上的這些變化對測控通信系統也提出更高要求。

太空中，由多顆天鏈中繼衞星組成的天基測控網作為主要測控手段參與到載人航天飛行任務中，並在交會對接、出艙活動等重要任務節點提供天基測控與數據中繼支持。

遠洋大海，有了天基測控的強力支持，遠望號測量船隊僅需派出一艘測量船參與到神舟十四號任務中，且在完成交會對接測控任務後便可返航，大大節約出海成本。神舟七號任務中5艘遠望號測量船佈陣大洋的壯觀場景已經成為歷史。

作為載人航天任務中的“老牌”主力，陸基USB測控設備將以其穩定可靠的性能與中繼衞星互為補充，共同護航航天員的太空之旅。

讓天地近在咫尺。在神舟十四號飛行乘組為期6個月的太空旅程中，中國USB測控網必將擔負起聯通天地的重任，創造更多中國航天奇蹟。