基本介紹
- 中文名：測控通信網
- 外文名：Measurement and control communication network
發展歷程,測組成結構,工作內容,數據傳輸內容,分類,
發展歷程
除太空飛行器外，運載火箭和飛彈的飛行試驗也要採用測控技術，但是兩者在規模上有很大區別。對於早期的近、中程火箭，作用距離很短，用一個或兩個測量站，即可覆蓋整個射程，不存在地面測控站組網問題。進入航天技術時代後則有很大不同，即使是發射運載火箭，把衛星送入軌道，射程都在2000～3000千米之遙。衛星進入軌道後，其軌道變為以地球為圓心或焦點之一的閉合曲線，因而只有在全球大量布設跟蹤站，才能增加交換信息的時間，稱為接觸時間，也稱覆蓋率。這些數量眾多的跟蹤站需要有統一的時間基準，接收的觀測數據，才能編輯在一個時間尺度之內。另外要求有統一的地理坐標，測得的軌道數據才能相互銜接。再者各台站需要統一指揮協調工作才能發揮作用。因而才出現組成測控通信網的問題。測控通信網除擁有眾多的各個跟蹤站之外，還有一個飛行操作控制中心（FOCC）來管理、協調各台站之間的銜接關係。
測組成結構
從世界航天測控技術發展的水平來講，航天測控通信網一般由航天控制中心、分布在世界各地的航天測控站（包括海上測量船）以及空中空間測控平台（如測量飛機、跟蹤與數據中繼衛星等）組成。
工作內容
測控通信網的工作內容包括：指揮調度、數據傳輸、時間信號和控制信號傳輸、電視圖像傳輸以及電傳和電報等。
數據傳輸內容
數據傳輸是測控通信網的主要業務,主要內容是:①將測控站獲得的測量信息、接收到的遙測和其他信息送到航天控制中心；②將航天控制中心計算的彈道（或軌道）數據和太空飛行器設備工作性能的數據送到各級指揮控制中心的顯示設備和記錄設備；③向測控設備傳送經計算機處理的引導數據；④將航天控制中心發出的控制太空飛行器軌道、姿態和太空飛行器上設備的指令傳送到測控站，經遙控設備發到太空飛行器。數據傳輸網路的主要技術指標是數據傳輸速率和差錯率（誤碼率）。常用頻寬為3千赫的模擬話路傳送數位化數據，傳輸速度為600、1200、2400、4800和7200比特/秒。寬頻數據傳輸速率為數萬至數十萬比特每秒。當某一信源的數據輸出速率大於一套數據傳輸設備的容量時，可用多套設備並行傳輸。當現有通信線路誤碼率不能滿足要求時，須線上路中增加均衡器，在數據傳輸設備中採取糾錯措施（見航天測控系統、航天測控和數據採集網）。
分類
運載器測控通信網
飛彈飛行試驗和發射太空飛行器時運載器的測控網有類似之處，兩者都是把有效載荷發射入軌，不過飛彈的有效載荷是帶有戰鬥部的彈頭；運載器的有效載荷為衛星或載人太空飛行器。由發射場起飛至把有效載荷送入軌道，只有0.5h左右時間，射程2000〜3000km,為了減輕地面測控、通信設備布站的工作量和投資，最好射向固定，不希望有大的變化。因而運載器的測控網，實際上是由發射開始至末級關機點為止的一條測量帶，整個測量帶分成三段：發射場附近稱為首區，或上升段，有時又稱為上靶場；中間部分稱為航區，有時又稱為自由滑行段；火箭末級關機點附近稱為下靶場或末區。運載器在測量帶內整個飛行過程中基本上都處於動力飛行階段，發動機在工作，力學壞境相當惡劣。主動段會出現兩方面的故障：一是運載器在嚴酷環境下某些分系統被損壞或軌道偏離預先規定的軌道範圍，必須立即發出遙控指令選擇無人地區炸毀，以免落入城市造成巨大破壞；其二是對於載人太空飛行器、當航天員在惡劣環境下出現危及生命安全情況時，載人太空飛行器必須彈離運載器，進行逃逸救生、因而在整個測量帶內都要求具備連續測控能力，即確保全程覆蓋。
運載器測量帶的結構組成一般包括：首先要有一個指揮控制中心，一般設在發射場附近或航區中，在射向面兩側，分布有若干固定跟蹤站，跟蹤站的作用範圍有一定重疊度，以保證能連續跟蹤。站址選擇以保證天線正常工作仰角在10°～60°之間為宜。固定站之間有間隙的地方用可遷移的車載站補充。如果入軌點在海面上，還需建造測量船作為補充。各陸基站和海上測量船的站址需要精確測定出經緯度和高程，加上發射場中發射工位的精確地理坐標都送給指揮控制中心作為擬合各站外測數據，用於計算出運載器的實際軌道和軌道的及時預報。
另外運載器還要配備有統一的時間勤務系統，時統精度直接影響到運載器軌道的測定精度和遙測的數據處理精度。與指揮控制中心相距過遠的跟蹤站和測量船，都必須配備有超長波、中波或短波校頻、對時設備，將時間統一起來，對時精度需達到微秒數量級或更高。
另外各台站，測量船，發射場和指揮控制中心之間尚需建設有線，無線或衛星的通信鏈路，用於下達命令，回報情況及交換外測、遙測和遙控數據。
運載器測控網的任務：
總的任務是：運載器需要把太空飛行器安全、準確發射入軌，細分起來有3條：
（1）實時監視、測量出運載器的實際飛行軌道。當出現出異常情況或軌道偏離出許可管道範圍之外時，能及時選擇合適地點和時間發出命令使運載器炸毀。
（2） 監視入軌點運載器的位置和速度。速度達到要求時，即控制關機，如速度達不到入軌要求即提前關機，應及進預報出太空飛行器的陸上著陸點及海上濺落點，如太空飛行器已入軌需及時預報太空飛行器初始軌道。
（3）接收和實時監視、分析運載器和太空飛行器的遙測參數。對於載人太空飛行器實時監測十分重要，當出現危及航天員安全的故障時，應及時作出判斷，選擇合適時間和地點發出命令，令航天員逃逸救生。對於無人太空飛行器遙測中的關鍵參數也需要實時監測。
太空飛行器陸基測控網
世界各國在發展空間技術的初期，由20世紀60年代初至80年代末，近30年時間之內，為了增加星、地之間交換信息的弧段，也稱為接觸時間，除在本國領土、周邊部位建設測控站外，都力爭在國外領土上，利用各自的國力優勢及外交關係，建設大量的跟蹤站組成陸基測控網，航天測控網規模最龐大者是美國，其次是前蘇聯，再次為歐空局（ESA)。前蘇聯和美國情況不同，前蘇聯國外沒有條件布設大量跟蹤站，因而採用大量建造測量船的措施來補充。現舉美國跟蹤，數據中繼衛星上天之前的空間跟蹤數據網(STDN)為例，來說明陸基測控網的一般特點。
陸上、海上各跟蹤站、船除了和太空飛行器建立起上、下行鏈路交換信息外，所有接收到的下行遙測、通信信息和軌道數據都要集中到GSFC。GSFC計算出的軌道預報數據，指揮、協調各站工作的管理信息，送給太空飛行器的遙控命令和注入數據也需及時傳送給各跟蹤站。因而GSFC與各個跟蹤站之間建設有龐大而複雜的地面全球通信網，美國稱之為NASCOM，除動用了陸上有線通信電纜網，微波中繼站和海底電纜外，有時還動用國際通信衛星提供支持。
陸基測控網雖然在太空飛行器發展的初期，完成了實驗衛星階段的測控任務，但當航天技術轉入套用衛星及載人航天后，越來越暴露出嚴重的弱點，表現在：一是對近地軌道衛星覆蓋率很低；二是太空飛行器軌道測量定位精度差；三是跟蹤運行過程複雜；四是飛行控制中心聯繫各跟蹤站的通信網很複雜。五是跟蹤站運行維持費用很高。
太空飛行器天基測控網
美國從20世紀50年代末到60年代，經過整整10年，利用陸、海基測控網跟蹤各種衛星及三代載人太空飛行器(水星號、雙子星座和阿波羅），根據實踐經驗進行總結，充分認識到陸基測控網的固有弱點，因而在70年代初，重新進行測控網的概念研究，得出布設天基測控網的設計思想，即研製跟蹤數據中繼衛星系統(TDRSS)，用來取代STDN陸基測控網。
TDRSS的基本構思是：在地球同步軌道上，布設3顆三軸穩定的跟蹤數據中繼衛星，其中TDRS-Ⅲ為在軌備份星，布設在赤道面上的79°W,TDRS-Ⅰ和TDRS-Ⅱ為工作星，TSRS-Ⅰ坐標位置為41°W，TDRS-Ⅱ坐標位置171°W，任一顆工作星損壞，都可移動備份星頂替。TDRS星上有多副S波段。Ku波段天線能用開環指向或閉環自動跟蹤的方式來同時跟蹤LEO上的用戶星，最多可達28顆目標星。測控網發展至跟蹤數據中繼星時，通信鏈路的區分再用上行、下行概念已不夠用，易引起混淆，因而另定義了兩個新術語：前向鏈路指地球站經過TDRS星將信息轉傳給用戶星的信道，返回鏈路指用戶星經過TDRS中繼再將信息傳給至地球站所建立的信道。其中中繼衛星至地球站部分又稱饋電鏈路。多個用戶星的返回數據可傳給兩顆TDRS星中的任一顆，再轉傳到地球站。地球表面上需要的地球站可以壓縮到只剩下一個地球站，美國建在內華達州沙漠中的白沙靶場，稱為白沙地球站WSGT。兩顆TDRS星的數據都傳給WSGT後再分發給各地用戶使用。這樣一種布局構思，一舉解決了當代急需盼望解決的、全軌道跟蹤，高速數據傳輸，多目標同時跟蹤，將大量全球跟蹤站壓縮為一個站，大最簡化遍布全球蜘蛛網似的通信網，將星地通信網和地面通信網合二為一個網等長期得不到解決的技術難題，同時也提高了對用戶星的定位精度。
