航天快速發射測控支持模式研究

高 山，楊玖文，李彥峰

（中國人民解放軍63729部隊，太原，030027）

0 引言

由于中國地理環境復雜，在局部出現重大自然災害時，地面觀測、通信等設施設備極易受損導致無法工作。這種情況下急需航天器及時提供對地觀測、區域通信、導航定位等方面的支援保障，為指揮決策、開展抗震救災工作等提供支撐［1-5］。

目前，在提供天基信息支援時，一般可采用3種方式［6］：a）在軌航天器快速提供天基信息支援；b）在軌航天器應急機動變軌后提供天基信息支援；c）航天快速發射入軌補網后提供天基信息支援。其中，現有航天測控網對前兩種方式的測控支持模式基本成熟，但無法滿足航天快速發射體系的要求。

1 航天快速發射測控支持需求分析

1.1 航天快速發射流程

航天快速發射模式如圖1所示。

圖1 航天快速發射模式示意Fig.1 Schematic of space rapid launch mode

基于航天快速發射模式，將航天快速發射流程分為規劃階段、準備階段、實施階段，如圖2所示。

a）規劃階段。

規劃階段主要依據衛星型號、軌道參數、入軌窗口、快速發射時限等具體要求，確定快速發射波次、發射點位置等基本信息，并對測發、測控、通信等資源進行快速編組，確定發射方案初稿。通過發射方案推演，迭代優化方案，最終確定切實可行的發射方案。

b）準備階段。

準備階段主要指各系統依據發射方案組織開展相關準備工作。其中，測發力量準備工作主要包括星箭測試、總檢查、星箭匹配、星箭裝車、設備就位、射前檢查、諸元裝訂等；測控力量準備工作主要包括測控裝備狀態切換、設備就位等；通信力量準備工作主要包括狀態準備、通信線路測試等。全系統準備完畢后，利用合練檢查確認各系統狀態的正確性和匹配性。

c）實施階段。

實施階段主要指運載火箭點火起飛后，完成上升段測量、安控任務，利用遙外測數據實現衛星入軌點計算，并對快速發射效果進行評估，為后續決策提供支撐。

1.2 測控支持需求分析

航天快速發射具備快速性、精簡性、系統性等特點，故航天快速發射體系中測控力量建設要重點考慮以下測控支持需求。

a）測控支持速度要快。

航天快速發射主要是應對突發重大自然災害等情況，事前無法準確預測具體時間、具體地點，故從確定快速發射要求至完成快速發射的周期短、快速發射區域無法固定等，這就要求測控力量準備速度要盡可能快、約束條件要盡可能少。

b）測控支持能力要全。

快速發射作為航天發射的一種新模式，相對常規測控網，快速發射測控力量應當簡化，但為了確?？焖侔l射安全可控，快速發射仍需具備測量、安控、數據處理、快速評估等能力。

c）測控支持性能可靠。

相對常規測控網，快速發射測控力量冗余備份手段少，但其可靠性要求卻未降低，這就要求快速發射測控力量在關鍵環節需要建設備份手段，同時骨干力量要具備高可靠性。

2 航天快速發射測控支持模式構建

2.1 測控力量構建

2.1.1 總體思路

航天快速發射體系測控力量建設的基本思路是基于常規航天發射測控經驗和航天快速發射流程，采用一體化設計理念，以“快速”為核心，實現系統間業務融合、能力融合，構建快速高效的測控支持模式，達到提升航天快速發射能力的目的。

2.1.2 測控力量組成

為滿足航天快速發射測控支持需求，需要合理開展測控力量建設，在體系結構上緊貼航天快速發射需求，在功能上又可作為常規航天發射測控網的備份。

a）一體化機動測控裝備。

一體化機動測控裝備是航天快速發射體系中測控的骨干力量。一體化機動測控裝備采用測量處理一體化、測控通信一體化、無依托測控等技術，實現“一車一站”式設計，采用統一S頻段測控體制，具備遙測、外測、遙控等功能；集成了數據處理系統，具備數據綜合處理、態勢顯示、安全控制等功能；集成了衛星通信系統，具備衛星通信功能；集成了車載油機具備自主供電保障能力；集成了測姿測位系統，具備“動中通、動中測”能力，可實現全空域、多目標、無依托測控，為航天快速發射提供有效測控支持。

b）便攜式遙測設備。

便攜式遙測設備采用集成化設計，具備快速展開、快速撤收能力，可在發射點周圍獲取起飛初始段遙測數據，同時在準備階段還可參加總檢查等，為準備階段狀態評估提供數據支撐。

c）天基測控系統。

考慮到一體化機動測控裝備和便攜式遙測設備無法覆蓋全程，在上升段后期需要采用中繼衛星、北斗衛星等完成天基測控，直至衛星入軌成功。同時在上升段前期，天基測控可與一體化機動測控裝備、便攜式遙測設備等形成冗余備份，提高快速發射測控支持可靠性。

d）遠程數據處理系統。

快速發射效果評估是快速發射體系中關鍵一環，除一體化機動測控裝備完成數據處理、評估外，還需在遠程數據處理系統同步完成快速發射效果評估，作為航天快速發射體系的關鍵備份，為航天快速發射提供數據支撐。

2.2 測控支持模式

2.2.1 規劃階段

航天快速發射規劃階段，測控總體人員依據快速發射要求，快速完成測控資源編組，核算測控弧段覆蓋性和測控鏈路可靠性，確定測控方案，明確測控要求。

2.2.2 準備階段

航天快速發射準備階段，測控支持模式如下：

a）在陣地檢查期間，便攜式遙測設備、一體化機動測控裝備參加，驗證遙測系統天地鏈路的匹配性；

b）在陣地檢查期間，一體化機動測控裝備參加，完成安控裝碼對接工作，驗證安控系統天地鏈路的匹配性；

c）完成測控力量技術狀態調整，參加合練，驗證全系統狀態正確性。

2.2.3 實施階段

航天快速發射實施階段測控支持模式如圖3所示。

圖3 航天快速發射實施階段測控支持示意Fig.3 Schematic of TT&C support in the implementation phase of space rapid launch

航天快速發射實施階段測控，各測控力量具體工作內容如下：

a）一體化機動測控裝備在上升段主要完成火箭飛行軌跡測量、遙測數據接收解調解密處理、異常情況下實施地面安控；接收便攜式遙測設備、天基測控系統發送的測量信息，與遠程數據處理系統實現原始數據、數據處理結果的信息交互；車載數據處理系統通過處理外測、遙測、天基測量信息等數據，實現目標飛行態勢顯示、衛星入軌參數計算、快速發射效果評估等功能。

b）便攜式遙測設備接收解調得到遙測數據，通過衛通設備向一體化機動測控裝備和遠程數據處理系統發送。

c）天基測量信息由天基測控系統分別向一體化機動測控裝備和遠程數據處理系統發送，天基測控系統接收一體化機動測控裝備發送的安控信息并向火箭轉發。

d）遠程數據處理系統作為一體化機動測控裝備數據處理系統的備份，同步接收各類測量信息和處理結果，實現目標飛行態勢顯示、衛星入軌參數計算、快速發射效果評估等功能。

e）衛星入軌后，一體化機動測控裝備還可作為衛星管理地面站接收在軌段衛星管理及應用數據，具備衛星飛行軌跡測量、遙測數據接收解調、遙控指令發送、衛星應用數據轉發等功能，實現指定衛星運行狀態監視，同時可依據上級要求調整衛星飛行姿態，有效提升測控支持能力。

2.3 測控支持體系能力評估

2.3.1 實時測控支持能力評估

實時測控支持能力包括測量、安控、數據處理、快速評估等，基于運載火箭飛行軌跡、航天快速發射測控支持體系能力，評估航天快速發射測控支持效果。

a）經典坐標系轉換方程。

利用運載火箭飛行軌跡和航天快速發射測控支持裝備的位置信息，可以計算得到運載火箭在測站坐標系下的斜距、俯仰等值。

式中X，Y，Z分別為運載火箭軌跡在地心坐標系下x，y，z位置分量，單位m；X0，Y0，Z0分別為測站三軸中心在地心坐標系下X，Y，Z 位置分量，單位m；R為運載火箭與測站三軸中心的斜距，單位m；A為運載火箭在測站坐標系下方位角，范圍0°～360°；E為運載火箭在測站坐標系下俯仰角，范圍-90°～90°。

b）經典天地鏈路方程。

經典天地鏈路方程如下：

式中P收為收端接收到的信號幅度，單位dBW；P發為發端的發射功率，單位dBW；G發為發端的天線增益，單位dB；L空間為空間衰減值，單位dB；L極化為空間極化衰減，單位dB，一般取1～2 dB；L大氣為大氣衰減，單位dB，一般取1～2 dB；G收為收端的天線增益，單位dB。

其中，空間衰減公式如下：

式中F為無線電頻率，單位GHz；R為測控設備和目標的空間徑向距離，單位km。

c）實時測控支持效果仿真。

利用式（1）、式（4）、式（5）以及箭地裝備接收靈敏度，可以估算出各測控設備獲取遙外測數據、完成安控任務的弧段，考慮到地球曲率、設備遮擋等情況，依據以往經驗，一般取俯仰角大于3°進行有效評估。

依據航天快速發射測控支持體系能力，仿真測控支持效果如圖4所示。

圖4 航天快速發射測控支持效果仿真示意Fig.4 Schematic of space rapid launch TT&C support effect

從圖4可以看出，航天快速發射測控支持體系可以滿足運載火箭遙測數據獲取、飛行軌跡測量、異常情況地面安全控制、數據處理、快速評估等要求，并有一定冗余備份能力。

2.3.2 快速準備能力評估

當需要在臨時點位完成快速發射時，常規測控支持模式需要提前完成測控裝備的點位選取、現場勘查、大地測量、通信保障線路架設等工作。

常規測控支持模式與航天快速發射測控支持模式準備效果對比如下。

a）約束條件。

常規測控支持模式下，測控設備點位選取需考慮測控弧段、周邊遮擋、標校環境、電磁環境等需求，約束條件多。

航天快速發射測控支持模式下，便攜式遙測設備布設于發射點周邊500 m以內，僅需考慮與發射點的通視情況，一體化機動測控裝備具備“動中通、動中測”能力，點位選取僅需考慮測控弧段覆蓋，事前選定大致區域即可，約束條件少。

b）準備周期。

常規測控支持模式下，從點位選取到測控設備就位，準備周期至少10天，準備周期長。

航天快速發射測控支持模式下，僅需對一體化機動測控裝備在選定區域內行進路線進行勘查，準備周期為1天，準備周期短。

c）保障壓力。

常規測控支持模式下，臨時點位利用率低，保障經費和建設需求矛盾突出，保障壓力大。航天快速發射測控支持模式下，無需開展點位建設，保障壓力小。

綜上所述，相對于常規測控支持模式，航天快速發射測控支持模式準備效率更高。

3 關鍵技術

在航天快速發射測控方預案庫建設、天地測控體制規劃、智能化運行體系建設等方面持續開展深入研究，能進一步提升航天快速發射測控支持能力。

3.1 航天快速發射測控方預案庫建設

為適應多種天基信息支援需求，航天快速發射可采用一箭一星、一箭多星、小區域內多箭多星、廣域范圍內多箭多星、多箭并行發射、多箭串行發射等模式，而航天快速發射體系中測控力量建設需要統籌兼顧上述發射模式。

航天快速發射體系中測控力量需要加強日常模擬應用場景訓練，針對上述不同發射模式，利用測控實裝、訓練系統等手段，從測控資源編組、指揮操作協同、應急處置演練、典型故障排除等方面大膽嘗試、精細復盤，反復驗證測控方預案的合理性、完備性，迭代形成成熟且可用的測控方預案納入發射方案庫，做到未雨綢繆，有備無患，不斷提升航天快速發射測控支持能力。

3.2 天地測控體制規劃

航天快速發射體系中火箭、衛星、航天器等采用的測控體制、合作目標性能直接影響測控力量建設，在航天快速發射體系建設時，需要統籌考慮。

遵從航天快速發射任務快速、精簡的原則，建議天地測控體制優選統一S 頻段綜合測控體制，火箭、衛星、航天器等安裝USB應答機，一體化機動測控裝備收發采用S 頻段設計，利用S 頻段調頻遙測、擴頻遙測、BPSK 遙測等實現目標下行遙測接收，利用S頻段遙控實現目標上行安控指令、上行遙控指令發送。針對多目標測控需求，可以通過改變USB應答機上下行工作點頻、擴頻碼組等方式予以區分。

3.3 智能化運行體系建設

隨著智能化技術的發展，在裝備自主運行、數據分析、指揮決策等方面利用智能化技術提升系統綜合效能是大勢所趨。

在航天快速發射體系建設時，提早布局智能化運行體系研究，通過智能化技術應用，使測控運行流程更加快速化、合理化以及最優化；降低對人員的操作要求，最大程度降低人為因素引入的安全隱患；借鑒數據融合、數據挖掘等技術實現對關鍵崗位人員的智能提醒、輔助決策，保障人員更加安全高效順利的完成任務。

4 結束語

航天快速發射體系建設是一個系統工程，測控力量建設和職能發揮必須站在全局的角度統籌考慮，本文提出了一種航天快速發射測控力量建設思路和支持模式，基本可以滿足航天快速發射的需求，后續還需要在體系規劃、裝備建設、方案設計、運行模式、保障條件等方面持續開展攻關研究，為提升航天發射測控支持能力提供技術支撐。