“編織”中國航天測控網

文/ 楊詩瑞

▲ 通訊中繼衛星“鵲橋”示意圖

航天測控已誕生逾半個多世紀，并在航天工程的牽引和電子信息技術的推動下獲得長足的發展。中國航天測控系統建設開始于1967年，在首顆人造衛星東方紅一號的發射運行中發揮了重要作用。此后，以各類衛星工程、載人航天工程、探月工程等重大航天工程任務為牽引，我國航天測控實現多次技術跨越，形成獨具中國特色的多功能現代化綜合測控網，為我國航天事業和國民經濟、科技、社會發展作出了突出貢獻。

越“織”越精的測控網

中國航天測控是在上世紀60年代后期為發射首顆人造衛星東方紅一號而建立的。在東方紅一號發射和在軌運行期間，分布在各地的地面觀測站，對衛星實施精確跟蹤測量，成功預報了衛星飛臨世界244個城市上空的時間和方位。

早期，我國航天測控發展基本依賴于型號任務，往往是每試驗一種型號就要研制一種測控設備。直到1973年，錢學森提出，要搞一個統一的航天測控網，完成各類衛星的測控任務。根據總體構想，我國測控領域專家在原有基礎上研制和調整測控設備，優化布局，形成以酒泉、太原、西昌3個發射場為中心的主動段測量航區，以及衛星測控網、綜合回收區、遠洋測量船隊、測控中心、數據處理系統等測控通信建設方案，指導我國航天測控網的建設。1984年4月,地球同步通信衛星發射并定點成功,標志著我國航天測控網已初步建成。

之后，我國航天測控網的規模和能力伴隨重大航天工程迅速成長。在載人航天工程的牽動下，從1993年開始，我國航天測控網進行多項技術改造和技術更新，建立了陸、海基USB測控網以及USB遠程監控系統；新建了酒泉發射指控中心和北京航天指揮控制中心，改造了西安衛星測控中心，進行測量船和各測控站的設備適應性改造，最終在衛星測控網基礎上建立起一個與國際接軌的、統一S頻段的載人航天工程測控通信網。這個網絡集測軌、遙測、遙控、通信、數據傳輸等功能為一體，是我國迄今為止規模最大、功能最全的測控通信網，既能滿足載人航天任務的需要，又能同時為多種衛星提供測控通信支持。

為進一步提高測控通信覆蓋率，我國從2007年開始先后發射4顆天鏈一號中繼衛星，構建天基測控通信網，并成功應用于載人飛船的數據中繼、測控和跟蹤、空間交會對接，遙感衛星高速數據傳輸，航天器測控以及航空器、艦船等非航天器平臺的數據中繼傳輸，嫦娥系列探測器測控等，同時北斗衛星導航系統的建設與應用，與天鏈系統一起，實現了我國航天測控網由地基向天基的重要跨越。

在探月工程的牽動下，我國深空探測網初步建成，測控能力和距離不斷取得新的突破。“嫦娥一號”繞月飛行中，測控通信距離首次抵達40萬公里。2011年，喀什和佳木斯兩個深空測控站基本建成，嫦娥二號任務將測控通信距離一舉擴展到8000萬公里。

2017年年底，阿根廷35米深空站建成，標志我國深空探測網基本建成，形成較為完善的深空測控能力，對月球和深空航天器的測控覆蓋率達到90%以上。在嫦娥四號任務中，鵲橋中繼星跨越40萬公里，進入繞地月L2點的Halo軌道，突破人類月背測控通信盲區，使“嫦娥四號”成為首個月背著陸和巡視的探測器。

今年7月，我國首次火星探測任務天問一號探測器順利發射，航天測控網能力再度升級，將為4億公里外的火星探測器提供測控通信保障。

載人航天測控：天上地下電視電話

載人航天任務對測控通信系統的覆蓋率、測量精度、數據傳輸速率、可靠性等均提出了很高要求。

隨著載人航天工程的實施，在神舟飛船發射、首位航天員進入太空、多人多天飛行任務、首次出艙行走、天宮交會對接、天宮空間站逐步建成等一項項重大突破背后，航天測控系統功不可沒，迅速發展，可靠支撐各類需求，并最終實現全球布局。

為支持載人航天，我國在原有衛星測控網的基礎上，規劃設計與國際標準接軌的S頻段統一測控通信系統，改變以測控站為主的航天器測控方式，設立網絡管理中心，對測控網實行集中監控，并負責測控資源的動態優化配置，實現對陸上、海上所有測控站的聯網和統一管理調度，形成了陸、海基載人航天測控通信網。

“神舟五號”首次載人飛行任務中，航天測控網以北京為軸心，在全國8個中心城市布置了共20個監控點，在三大洋布下多個測控點，并出動測量船，全面監測“神舟五號”發射、運行、回收情況。神舟飛船運行期間，遠望一號、二號、三號、四號4艘航天測控船在太平洋、大西洋等布陣，執行境外對“神舟五號”的測控與通信任務。

▲ 退役的遠望一號測量船

▲ 遠望三號測量船

在長二F火箭點火的一刻起，地面控制中心借助測控網開始密切關注神舟飛船在各個弧段的一舉一動，其中東風、渭南和青島3個陸地測量站負責飛船在上升段的測量，覆蓋率達到100%。遠望一號、二號測量船追蹤入軌段，完成飛船入軌后太陽帆板展開控制、飛船軌道計算、入軌后工況處理、變軌控制和留軌段測控支持。返回段中，“遠望三號”負責返回段飛船調姿、軌道艙分離、制動點火控制任務，在印度洋的“遠望四號”彌補測控通信盲區。最后是著陸場的活動測量站，負責飛船再入大氣層后的回收測量。

繼“神五”“神六”后，“神舟七號”任務航天員要實現多人多天飛行、首次太空行走和釋放伴飛小衛星等多項任務，這些都給測控通信提出新的要求。首先要滿足多人多天測控通信保障，其次在航天員出艙活動的30多分鐘時間里，必須提供連續的測控通信覆蓋，對伴飛衛星要進行繞飛控制。與此同時，我國天基測控系統邁出第一步，數據中繼衛星天鏈一號01星首次在神舟任務中運用。

神舟七號飛船的測控通信超過了之前的任何一次航天任務，5艘測量船創造了使用規模的空前記錄。遠望五號、六號測量船在此次任務中開啟首秀，遠望一號、二號船完成最后一次任務。所以，“神舟七號”任務也是“老中青”三代測控船共同協作的成果。

“神舟”計劃逐漸促成我國航天測控全球布局，覆蓋范圍不斷擴大。載人工程剛起步時，我國只有測控站和測量船，地面能看見航天員的時間十分短暫。到神舟十號任務時，我國“天鏈一號”已完成三星組網，建立起第一代數據中繼衛星系統，實現200～1200公里軌道高度航天器測控的100%全覆蓋，逐步建立起的東非肯尼亞馬林迪測控站、南亞巴基斯坦卡拉奇測控站等海外測控站，海上遠望系列測控船，各陸基、海基、天基測控資源構成全方位的強大天地通信和測控能力。

神舟十號任務中，首位“太空教師”王亞平開展太空授課，航天員通過質量測量、單擺運動、陀螺運動、水膜和水球等5個基礎物理實驗，展示了失重環境下物體運動特性、液體表面張力特性等物理現象，并通過視頻通話形式與地球上的學生們進行了互動問答。40多分鐘的課程中，天上、地面多點互動，效果清晰、連貫，也見證了我國航天測控能力和覆蓋范圍的巨大進步。

▲ 遠望六號海上測量船

▲ 遠望7號測量船

探月工程測控：指引嫦娥上蟾宮

如果說載人航天工程帶動了我國航天測控網覆蓋范圍的拓展，那么探月工程則帶動了我國航天測控網不斷突破遠程測控新的距離紀錄。伴隨著探月工程“繞”“落”“回”三步走的戰略步伐，我國逐步建成深空測控網，成為世界上功能完備、全球布局的三大深空測控網之一。

立足支持重大航天工程，我國深空測控網建設起步晚、起點高。在總體設計時提出要兼顧中國月球探測和未來深空探測任務，具備測控、數傳和長基線干涉測量等多種功能于一體，最大限度發揮深空測控網效能；在技術體制上與國際主流的美國宇航局、歐空局深空任務測控體制相互兼容, 利于國際合作與任務交互支持等。

我國深空測控網包括位于西北喀什、東北佳木斯和位于南美洲阿根廷內烏肯省薩帕拉的3個深空站，采用了國際標準的S、X和Ka三頻段，具備支持各類月球和深空探測任務的多頻段遙測、遙控、數據接收和跟蹤測量等功能，已形成較為完善的深空測控能力，對月球和深空航天器的測控覆蓋率達到90%以上。

探月一期任務時，載人航天工程中建成的S頻段統一測控系統（USB）可以滿足地球軌道衛星測控需求，但最遠距離不超過8萬公里，而嫦娥一號衛星的測控距離要求支持40萬公里。受經費投入和時間要求的限制，建設大口徑深空測控設備的條件尚不具備，科研人員基于當時的設備基礎，在地面站增配18米單收天線系統、通過技術創新提高天地鏈路性能，完成40萬公里以遠目標測控任務。

盡管采取了一些技術措施，使應用于地球軌道衛星的測控網完成了嫦娥一號任務，但要開展后續的月球和深空探測，必須建設先進的深空探測設備。為此，探月工程二期中開始建設以喀什35米深空站、佳木斯66米深空站為主的深空探測網。

2011年，喀什站和佳木斯站基本建成，而此時，2010年10月發射的嫦娥二號衛星已完成各項既定的工程和科學探測目標,并在2011年8月抵達日地拉格朗日L2點，進行新的科學探測任務。

▲ 遠望號測量船上的雷達跟蹤和遙測系統

從2011年10月起，喀什站和佳木斯站開始為嫦娥二號衛星提供測控支持，尤其是在“嫦娥二號”的“圖塔蒂斯”小行星再拓展任務中大顯身手，實現最遠跟蹤距離至約1億公里。

2013年12月，嫦娥三號探測器發射升空并成功著陸于月球虹灣，開辟我國月球“巡天、觀地、測月”的歷史。這一過程中，喀什站和佳木斯站的深空探測設備首次利用X頻段完成了探測器地月轉移、環月、動力下降、月面工作段的各項測控任務，測量數據精度相比S頻段提高3－5倍。

月球背面一直是地面通信和測控的禁區，因為它始終背朝地球，信號無法傳遞過去。2017年年底，阿根廷35米深空站建成，標志我國深空探測網全面建成。隨后，2018年鵲橋中繼星跨越40萬公里，進入繞地月L2點的Halo軌道，搭起地面與月球背面通信的橋梁，為嫦娥四號任務奠定基礎。

▲ 喀什測控站

2019年1月，嫦娥四號探測器成功著陸于月球背面的預選著陸區——馮·卡門撞擊坑，喀什測控站通過鵲橋中繼星，繞過月球正面，控制“嫦娥四號”精準降落在月球背面指定位置，并開展巡視勘察，確保“嫦娥”不失聯。玉兔二號巡視器踏上月球表面，著陸器拍下了“玉兔二號”在月背的第一道痕跡影像圖，并把世界第一張近距離月背圖傳回地面。嫦娥四號探測器實現人類首次在月球背面軟著陸和巡視探測，也是我國深空測控網首次全網執行測控任務。

截至今年8月，“嫦娥四號”已在月背度過了超過600個地球日，在地面團隊的指揮操作下持續開展低頻射電天文觀測、月殼分層結構探測、月表環境探測等活動，不斷豐富人類對月球的認識，取得更多的科學成就。而這背后是我國深空測控網的全網協同工作、穩定可靠運行和多頻段多目標聯合測控能力在支撐。

▲ 佳木斯測控站

探火任務測控：四億公里外的牽掛

2020年7月23日，我國首次火星探測任務天問一號探測器，在文昌航天發射場由長五遙四火箭發射升空。“天問一號”將經歷7個月的漫漫旅程抵達火星，一次完成“繞、落、巡”3項任務。著陸器將在火星表面軟著陸，并

在著陸區附近開展巡視探測，同時環繞器開展為期2年的中繼和遙感探測。

相比登月需要跨越的40萬公里路程，地球到火星的距離在5000萬公里到4億公里不等。除了幾百倍的深遠距離，本次火星探測任務要經歷地火轉移、繞、落、巡等多個階段，測控距離遙遠，測控弧段長，接收的信號極其微弱，同時伴隨很高的頻率動態變化，給深空測控帶來更新、更高、更嚴的挑戰。

作為此次深空探測任務實施的核心系統，深空測控網要完成對探測器各飛行階段的測控定軌、狀態監視、飛行控制，對著陸巡視器在火星表面探測階段的操作控制等任務，迫切需要能力再升級，為火星探測器在茫茫“星辰大海”中測控通信保駕護航。

如何精準接收4億公里之外的信號？由于發射信號的衰減與距離的平方成正比，相同發射功率的信號到達地球將非常微弱，而增大地面接收天線的口徑，即接收面積，是提高信號信噪比的基本途徑。除了已建成的三大深空測控站，正在天津武清建設的70米天線（GRAS-4）高性能接收系統和深空探測天線陣成為新一代殺手锏。

▲ 阿根廷深空站

此次新建的GRAS-4天線，采用了多種新型技術，在提高天線效率的同時減少了系統噪聲，提高了抗干擾能力，具備穩定接收微弱人造數據信號和感知極微弱宇宙自然天體輻射電磁波等功能。GRAS-4天線總重約2700噸，主反射面直徑70米，由16圈共1328塊高精度的實面板組成，面積相當于9個籃球場大小，建成后將成為亞洲最大的單口徑全可動天線，大幅度提高深空探測下行數據的接收能力，為完成我國首次火星探測工程任務奠定堅實基礎。

在這次火星探測任務中，我國的數據接收模式將由單天線接收，改為多天線組陣模式——即GRAS-4天線將與北京密云站GRAS-1（50米口徑）、GRAS-3（40米口徑）和云南昆明站GRAS-2（40米口徑）等天線聯合觀測，以達到最大的接收性能指標，從而提高星地鏈路傳輸碼速率，為我國獲得更多的科學數據和更有顯示度的科學成果提供堅實基礎。

▲ 建設中的武清70米口徑數據接收天線

除了新建70米天線，我國已建成的喀什站的測控設備也進行了適應性改造，為任務提供強大的測控保障。喀什在原有35米天線基礎上，新建3個35米口徑新天線，通過天線組陣接收技術，將多個天線接收到的微弱信號匯合起來，極大增強地面系統的接收能力，為地面與星際探測器之間建立高質量、高可靠的射頻信道，使喀什深空站在X頻段深空任務測控通信數據接收能力達到與佳木斯深空站66米深空測控設備相當的水平，以較小的成本代價和最優的性價比，滿足了深空任務的數據接收需求。這是我國首座35米深空探測天線陣，也為未來我國走向更深遠的太空提供了雄厚的測控技術儲備。

從“東方紅一號”到載人航天，從探月工程到火星探測，我國航天測控網迅速發展壯大，系統規模和測控通信能力大幅提升。隨著探月工程四期和深空探測工程全面拉開序幕，載人航天和空間系統建設進程不斷推進，我國航天事業正在迎來新的發展高潮，也給測控系統帶來了巨大的挑戰。未來的航天測控系統將面臨更復雜的測控通信任務、更遙遠的測控通信距離、更高的深空導航精度等諸多新的挑戰，也將伴隨重大航天工程不斷前進，持續提升規模和性能，發展成為天地空一體化協調發展、系統高效可靠運行、可按需提供各種天地測控通信能力的大測控系統，充分發揮作為國家航天重要基礎設施的積極作用和效益。★

▲ 我國首座35米深空探測天線陣