“嫦娥”是怎樣被測控的

記者於莘明 通訊員李華澤

2007年10月30日09:02  來源:科技日報

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  黃海之濱,西安衛星測控中心青島測控站,新建的18米USB天線。

  南疆腹地的喀什測控站,一座18米USB天線,衛星測控中的千裡眼。

  祖國西部,中科院天文台烏魯木齊南山站,用於天文觀測的大口徑天線是它的標志性建筑。

  嫦娥一號的發射把它們聯系在一起,形成了以S頻段測控網為主體以天文觀測系統為輔助的遠距離測控系統。

  S頻段航天測控網

  航天測控系統是對航天器飛行軌道、姿態及其各分系統工作狀態進行跟蹤測量,監視與控制的系統。是用於保障航天器按預訂的狀態飛行與工作,完成規定的航天任務的大型基礎設施,通常稱為航天測控網

  隨著航天科技進步,當代衛星測控主要是通過S頻段微波統一測控系統實現標准化、通用化的衛星測控,簡稱USB。它能夠接收和發射信號,實現雙向傳輸,具有跟蹤測軌、遙測接收、遙控發令等綜合功能。

  中國的航天測控網始建於上世紀七十年代。經過幾代人的不懈努力,目前我國已形成了以測控站為核心,以多種通信手段與測控中心相聯接的較為完善的航天測控網,先后完成了我國歷次航天發射試驗和在軌衛星的測控任務,並具備了國際聯網條件。目前,中國航天測控技術已經跨入世界先進行列。

  月球探測衛星測控的難點

  長征三號甲運載火箭發射后,將嫦娥一號衛星送入近地點200公裡、遠地點51000公裡的大橢圓軌道。此后,衛星經過近14天的飛行、10次變軌后,進入高度為200公裡的繞月探測軌道。

  此前,我國的大部分衛星距離地面在4.2萬公裡以內,個別衛星離地面最遠距離就8萬公裡,屬於“近程”測控的范圍。在繞月探測工程中,嫦娥一號衛星距離地面最遠可達40萬公裡,是地球同步衛星距地面距離的10倍以上,屬於“遠程”測控范圍。通常認為“深空”是指月球和月球以外的宇宙空間。月球探測是深空探測的起點。遠程測控給現有的航天測控網帶來了極大的挑戰。

  第一,是無線電波傳輸時間的延遲。我們知道,無線電波以每秒30萬公裡的光速傳播,測控信號需要1.35秒才能從地球到達月球,這對於准確測控來說就顯得太慢了。

  第二,無線電信號衰減非常大。信號強度跟距離的平方成反比,也就是說測控距離增加一倍,信號強度就隻剩下四分之一。嫦娥一號的測控距離是普通衛星的10倍,信號強度隻剩下百分之一。如何彌補深空測控通信帶來的巨大距離衰減,是測控通信面臨的又一個困難。

  第三,巨大的無線電信號衰減帶來的直接影響,就是信息傳輸速率受到極大的限制,為滿足遠距離通信誤碼率的要求,必須降低通信信息傳輸速率。

  第四,實現高精度導航困難。近地衛星可以使用高精度導航手段(如GPS導航技術),在深空測控中主要依靠傳統的多普勒測量和距離測量手段。隨著目標距離的增大,角度測量誤差所引起的導航誤差也很大。

  第五,測控覆蓋范圍受局限。目前的深空探測,都立足於地面測控站對探測器的跟蹤測量,單個地面站一天之中可連續跟蹤測量深空探測器弧段最長隻能達到15小時,為了增加對探測器的跟蹤測量時間,需要在全球布站或開展國際合作。

  第六,軌道控制可靠性要求高。在繞月探測工程中,軌道控制次數多,條件苛刻,並且,由於地─月─衛星時空關系的限制,在地球飛往月球的途中隻有單次機會實施軌控,控軌隻能成功不能失敗。

  甚長基線干涉測量技術提高定軌精度

  面對這些難題,針對我國航天測控系統的現狀,科技工作者首次提出了利用“USB+VLBI(甚長基線干涉測量技術的簡稱)”聯合測軌的方法,提高定軌精度。

  首先,是提高USB測控系統的能力。天線的口徑和探測距離成正比,增大天線口徑可以增加探測距離。因此在USB測控系統中的兩個站新建了大天線,改善了以往用於地球衛星天線的信道余量,提高了測量精度,增強了系統可靠性,使地面站作用距離從地球范圍延伸到月球范圍。

  其次,是在航天測控領域引入天文測量技術。為了進一步滿足深空測控的要求,科技工作者又想到了天文測量技術。天文測量使用的射電望遠鏡能夠接收遙遠星系的射電源發出的寬帶微波輻射信號。雖然叫做望遠鏡,它並不是通常概念下的光學望遠鏡。射電望遠鏡是由大口徑天線、低噪聲接收機和寬帶記錄裝置組成的無線電接收系統。

  但是,單個射電望遠鏡無法實現測軌、定軌,必須把兩個以上的射電望遠鏡組合起來。其基本原理是,通過設在不同位置的天線,接收同一無線電信號,計算信號到達兩個天線的時間差,確定射電源相對於兩個天線的角度。通過三個不在一條直線上的天線,就可以確定射電源所在的方向。這種測量方法稱為甚長基線干涉測量技術,簡稱為VLBI。它通過無線電波干涉的方法,將間隔數百乃至數千公裡的口徑較小的射電望遠鏡合成為巨大的綜合口徑望遠鏡,提高了分辨率。兩個望遠鏡之間的距離稱為基線,基線越長,VLBI就能獲得更高的分辨率,是目前分辨率最高的天文觀測技術。

  USB+VLBI方案是以我國S頻段航天測控網為主,輔以中國科學院的VLBI天文測量系統,並突破了此系統原有的“事后處理”的天文觀測模式,實現了准實時處理,解決了嫦娥衛星遠程測控和高精度測軌、定軌的難題。

  在嫦娥衛星發射之前,測控系統利用歐空局“SMART-1”月球探測器進行了USB+VLBI綜合測軌、定軌試驗,首次驗証了測控系統對環月探測器的測軌、定軌能力,取得了滿意的結果。為了進一步提高測控覆蓋率和可靠性,測控系統還與歐洲航天局合作,形成了“國內測控船站+國外測控站”的全球布站方案,使嫦娥一號衛星的測控覆蓋率達到98%%以上。

  繞月探測工程測控系統

  繞月探測工程測控系統主要由北京航天指控中心、西昌衛星發射中心,分布在全國的地面測控站,如青島站、喀什站,分布在北京、上海、昆明和烏魯木齊的天文觀測站、VLBI中心,以及布置在太平洋海域指定位置的遠望二號、遠望三號航天測量船,以及國際聯網的地面測量站組成,由時統、通信和數據傳輸系統將所有測控站點聯成一個整體。北京航天飛行控制中心是繞月探測工程的飛行控制中心。

  測控系統的主要功能包括五個方面:

  一是測控系統的時間統一。時間統一系統按照國際統一時間,由測控系統授時、GPS授時和當地氫原子鐘進行時間標准的統一,消除系統各站點在時間上的誤差,保証測控精度。

  二是火箭和衛星的測軌、定軌。測控系統通過與箭載和星載測控設備合作,對長征三號甲火箭和嫦娥一號衛星的軌道進行測量,確定是否偏離標稱軌道。

  三是火箭和衛星的遙測。測控系統通過接收火箭和衛星下傳的無線電信號,獲得火箭、衛星各分系統和設備、儀器運行參數、溫度、振動等環境數據,確定火箭和衛星是否處於正常的工作狀態。

  四是火箭和衛星的遙控。根據飛行控制程序或當火箭和衛星出現偏差、意外時,測控系統通過測控船、站向火箭或衛星發送指令,遙控火箭或衛星執行相應的動作。

  五是測控通信系統。通信系統主要負責測控數據、圖像和話音的傳輸。

  測控系統在研制過程中,針對嫦娥一號衛星的發射窗口和軌道要求,制定了詳細的測控方案,並對在軌運行的探測一號衛星進行了多次全系統的測軌、定軌演練,與嫦娥一號衛星進行了14天模擬真實發射狀態的無線聯試,全面驗証了測控方案的正確性。

  隨著嫦娥一號衛星的成功發射、運行,我國測控系統成功地邁出了從近地測控走向深空測控的第一步,展望未來,我國測控系統必將走向更遙遠的深空測控。

  ■相關資料

  縱觀世界各國深空探測的發展歷程,月球是人類開展深空探測的首選目標,因為月球是研究地球、地-月系和太陽系的起源與演化的關鍵對象,月球還具有可供人類開發和利用的各種獨特資源,也是人類向外層空間發展的理想基地和前哨站。人造地球衛星、載人航天和深空探測是人類航天活動的三大領域。我國在前兩個領域已經有了很大進展並取得了重大成就,開展以月球探測為主的深空探測是我國航天活動的必然選擇,也是我國航天事業持續發展的重大舉措。要實現對在幾十萬公裡之外飛行的嫦娥衛星“測得准”、“控得”的工程目標,對測控系統提出了巨大的挑戰。可以說,測控系統的總體設計的水平和整個系統的正常運行直接關系著繞月探測工程的成敗。打個比方,如果說我們現在為“嫦娥”巡天鋪設了一條小路,那麼將來我們的目標就是為“嫦娥”巡天修筑一條高速路,建立我國自己的深空網。

  ■專家連線

  為“嫦娥”巡天架設高速通道

  董光亮,中國繞月探測工程測控系統副總設計師,“雙星探測”工程測控總師,“資源一號”衛星工程測控總師,北京跟蹤與通信技術研究所研究員。

  就在嫦娥一號衛星飛赴太空之際,記者走進航天城,請繞月探測工程測控系統副總設計師董光亮,談談他們是怎樣對嫦娥一號衛星進行跟蹤測控的。

  記者:什麼是深空探測?董光亮:人類航天活動主要包括發射人造地球衛星、載人航天和深空探測三大領域。深空探測是指利用無人航天器,在大於或等於地月距離(約38萬公裡)的宇宙空間進行的探測活動。這類無人航天器統稱為空間探測器或深空探測器。深空探測可分為月球探測、行星探測和行星際空間探測。實現深空探測必須要建立以深空探測器為核心的深空探測航天工程系統。該系統是由深空探測器、運載火箭、航天發射場、深空測控通信系統和地面應用系統組成的龐大工程系統。記者:嫦娥一號衛星的主要任務是什麼?

  董光亮:嫦娥一號衛星任務是繞月探測工程第一次發射飛行任務,其科學目標是獲取月球表面三維影像、分析月球表面有用元素及物質類型的含量和分布、評估月壤與氦-3資源和探測地月空間環境等。

  記者:牽引嫦娥一號衛星的“天網”是如何構成的?有何特點?

  董光亮:針對嫦娥一號衛星的特點,我們在構建“天網”時,充分利用了我國有限的國土跨度和航天測控資源,通過集成創新,積極開展國際合作,優化站(船)布局,確保對嫦娥一號衛星在飛行階段的測控支持,滿足繞月探測的測控要求,具有鮮明的中國特色。特點是,在我國缺乏深空探測設施的條件下,我們立足我國現有條件,將天文測量技術應用到航天工程中,形成了S頻段航天測控網和甚長基線干涉測量相互補充的綜合測量系統,即將S頻段航天測控網的測距、測速能力和甚長基線干涉測量的高精度測角能力結合起來,建立了我國探月任務的測定軌系統,以最小的經濟投入,解決了我國繞月探測工程的測定軌關鍵技術。

(責編:馬麗)
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