进行陆地测控?航天测控的基本组成是遍布全球的陆地测控站?为确保对航天器轨道的有效覆盖并获得足够的测量精度,通常利用在地理上合理分布的若干航天测控站组成航天测控网?因此根据测控区域的要求,陆地测控站分布范围很广,航天测控网可以建在本国境内,也可以建在全球任何适于测控的地方?
地面测控是一件非常重要?非常精细和非常复杂的工作?卫星的地面测控由测控中心和分布在各地的测控台?站(测量船和飞机)进行?在卫星与运载火箭分离的一刹那,测控中心要根据各台站实时测得的数据,算出卫星的位置?速度和姿态参数,判断卫星是否入轨?入轨后,测控中心要立即算出其初轨根(参)数,并根据各测控台站发来的遥测数据,判断卫星上各种仪器工作是否正常,以便采取对策?这些工作必须在几分钟内完成?
卫星在整个工作过程中,测控中心和各测控台站还有许多繁重的工作要做?其一是不断地对其速度姿态参数进行跟踪测量,不断地精化其轨道根数;其二是对星上仪器的工作状态进行测量?分析和处理;其三是接收卫星发回的科学探测数据;其四是由于受大气阻力?地球形状和日月等天体的影响,卫星轨道会发生振动而离开设计的轨道,因此要不断地对卫星实施轨道修正和管理?
对于返回式卫星,在返回的前一圈,测控中心必须计算出是否符合返回条件?如果符合,还必须精确地计算出落地的时间及落点的经纬度?这些计算难度很大,精度要求很高,因为失之毫厘,将差之千里?返回决定作出后,测控中心应立即作出返回控制方案,包括向卫星发送各种控制指令的时间?条件等?
卫星进入返回圈后,测控中心命令有关测控台站发送调整姿态?反推火箭点火?抛掉仪器舱等一系列遥控指令?在返回的过程中,各测控台站仍需对其进行跟踪测量,并将数据送至测控中心?由此可见,为使卫星正常地工作,必须有一个庞大的地面测控系统日以继夜地紧张工作?
卫星测控中心是这个系统的核心?计算大厅是测控中心的主要建筑之一,那里聚集着众多的大型计算机?除了看得见的硬件外,还有许多看不见的软件--对卫星进行管理的程序系统,包括管理程序?信息收发程序?数据处理程序?轨道计算程序?遥测遥控程序和模拟程序等?这些硬件和软件,既有计算功能,又有控制功能,它们是测控系统的大脑?测控中心还有它的神经网络,即通信系统,它通过大量的载波电路?专向无线电线路?各向都开通的高速率数据传输设备,把卫星发射场?回收场以及各测控台站等四面八方联系起来?
航天测控站的任务是直接对航天器进行跟踪测量?遥测?遥控和通信等,它将接收到的测量?遥测信息传送给航天控制中心,根据航天控制中心的指示与航天器通信,并配合控制中心完成对航天器的控制?
陆地测控站通常由跟踪测量设备?遥测设备?遥控设备?计算机?通信设备?监控显示设备和时间统一设备组成?随着无线电技术的发展,测控设备也在不断发展,独立的跟踪测量设备?遥测设备和遥控设备已逐步被共用一路载波信道的统一测控系统所代替?
由于数据处理和控制指令生成主要由航天控制中心完成,故航天测控站的计算机以小型或微型计算机为主,履行数据录取?信息交换和测控设备的自动化监控等任务?选择陆地测控站站址的要求是:遮蔽角小,电磁环境良好,通信和交通方便?美国在全球各地有数十个固定和机动的测控站?俄罗斯的测控站也非常多,主要分布在原苏联境内,其中拜科努尔发射场就有4个测控站,其它地方的太空跟踪系统和测控站也不下20个?
目前,陆地测控站正在向高功能?国际联网测控和综合利用方向发展?但由于受到地理?经济?政治等条件的限制,一个国家不可能通过在全球各地建立测控站的方式来满足所有的航天测控需求,即使目前最大的陆地测控网,也只能覆盖大约15%的测控范围?为此,各国发展了其它的测控方式,以弥补陆地测控站无力触及的测控盲区?
进行海洋测控?世界上第一艘航天远洋测量船是美国的“阿诺德将军号”,1962年下水?第二年,不甘落后的前苏联也造出了“德斯纳号”?海上测量船是对航天器及运载火箭进行跟踪测量和控制的专用船?它是航天测控网的海上机动测量站,可以根据航天器及运载火箭的飞行轨道和测控要求配置在适当海域位置?其任务是在航天控制中心的指挥下跟踪测量航天器的运行轨迹,接收遥测信息,发送遥控指令,与航天员通信以及营救返回溅落在海上的航天员;还可用来跟踪测量试验弹道导弹的飞行轨迹,接收弹头遥测信息,测量弹头海上落点坐标,打捞数据舱等?
航天测量船可按需要建成设备完善?功能较全的综合测量船和设备较少?功能单一的遥测船?它们除具有船舶结构,控制?导航?动力等系统外,还装有相应的测控系统?综合测量船测控系统一般由无线电跟踪测量系统?光学跟踪测量系统?遥测系统?遥控系统?再入物理现象观测系统?声呐系统?数据处理系统?指挥控制中心?船位船姿测量系统?通信系统?时间统一系统?电磁辐射报警系统和辅助设备等组成?
目前,美国现役的测量船有“红石”号?“靶场哨兵”号和“观察岛”号3艘;俄罗斯现役的测量船有“加加林”号?“柯玛洛夫”号?“克雷洛夫”号等21艘,其中,“加加林”号满载排水量5.35万吨,是世界上吨位最大的测量船?为适应航天技术发展的需要,美?俄等国正不断为测量船增添性能更可靠?精度和自动化程度更高的测控设备?中国是继美?俄?法之后第四个拥有航天远洋测量船的国家,远望一号和远望二号都是在1977年下水的?虽然时间上比其它3个国家晚了十几年,但在测量和控制的技术水平上却毫不逊色?
1990年,中国首次为国外公司发射了“亚洲一号”卫星,当时,休斯公司要求中方必须在卫星发射后半小时内向美方专家提供卫星的初轨根数?结果,远望号只用了8分钟就完成了发现?锁定目标并发出初轨根数的一系列工作,而且,测出的初轨精度比休斯公司所要求的准确了好几倍?海上测控有许多困难,其中之一就是在船动?测控仪器动?目标也动的状况下,如何保证测量精度?
中国的测控人员在这方面摸索出了一整套的解决方案?比如选择测量海况较为平静的海域;在天线上安装陀螺稳定装置,在船体上配装减摇鳍以有效地消除和减少船摇;在数学方法上,他们则考虑了各种动态因素,能够精确地计算出测量时的雷达中心位置?在测量精度上,远望号航天远洋测量船完全可以和国外的陆上航天测量站相媲美?
进行飞机测控?测量飞机是航天测控网中的空中机动测控站,可部署在适宜的空域,配合和补充陆上测控站和海上测量船的工作,加强测控能力?测量机上装载天线,遥测接收?记录?时统?通信?数据处理等设备及控制台;有的在靠近机头的外侧有专用舱,以安装光学跟踪系统?测量飞机的作用灵活而多样,具体来说在弹道式导弹和运载火箭的主动段,可接收?记录和转发遥测数据,弥补地面遥测站因火焰衰减收不到某些关键数据的缺陷;装备光学跟踪和摄影系统的飞机可对多级火箭进行跟踪和拍摄各级间分离的照片;在航天器再入段,可有效地接收遥测数据并经通信卫星转发;装备紫外光?可见光和红外光谱测量仪的飞机可测量导弹再入体的光辐射特性;在载人航天器的入轨段和再入段,可保障天地间的双向话音通信,接收和记录遥测数据,并实时转发给地面接收站,必要时给航天器发送遥控指令?测量飞机的发展趋势是选用更高性能的运输飞机,并用相控阵天线取代抛物面天线,对多目标进行跟踪和数据采集,提高其测控能力?
进行卫星测控?天基测控卫星主要是利用通信卫星和跟踪与数据中继卫星系统,跟踪与数据中继卫星系统是一种可跟踪地球轨道飞行器并将数据传回地面站的空间中继站,该系统主要用于实时中继传输各类低轨航天器用户的信息?
卫星在太空中“站的高?看的远”,具有其它测控方式无可比拟的优势,天基测控卫星的使用大大拓展了航天测控网的覆盖范围?工作在地球静止轨道上的通信卫星和跟踪与数据中继卫星组成星座,便可覆盖地球上除南?北极点附近盲区以外的全球所有区域;如果与极地轨道的卫星相配合,即可实现全球覆盖?
美国的第一代天基测控网由7颗跟踪与数据中继卫星组成,可同时覆盖25颗中?低轨道卫星,数据传输速率可达300Mb/s,可为12种航天器提供服务?目前正在部署的第二代天基测控网功能更加先进,一颗跟踪与数据中继卫星可同时接收5个航天器传来的信号,并同时向一个对象发送信号,可以实时传输各类航天器的数据信息,传输速率将增至1.2Gb/s~2Gb/s,实现对中?低轨道的全部覆盖?
目前,美国?欧盟和日本都在发展新一代跟踪与数据中继卫星系统,数据传输码速率越来越高,通信频段正向着Ka频段和光学频段发展?随着新一代测控卫星陆续投入使用和性能的提高,天基测控将成为未来航天测控的重要发展方向?
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