航天快速发射测控支持模式研究

高 山，杨玖文，李彦峰

（中国人民解放军63729部队，太原，030027）

0 引言

由于中国地理环境复杂，在局部出现重大自然灾害时，地面观测、通信等设施设备极易受损导致无法工作。这种情况下急需航天器及时提供对地观测、区域通信、导航定位等方面的支援保障，为指挥决策、开展抗震救灾工作等提供支撑［1-5］。

目前，在提供天基信息支援时，一般可采用3种方式［6］：a）在轨航天器快速提供天基信息支援；b）在轨航天器应急机动变轨后提供天基信息支援；c）航天快速发射入轨补网后提供天基信息支援。其中，现有航天测控网对前两种方式的测控支持模式基本成熟，但无法满足航天快速发射体系的要求。

1 航天快速发射测控支持需求分析

1.1 航天快速发射流程

航天快速发射模式如图1所示。

图1 航天快速发射模式示意Fig.1 Schematic of space rapid launch mode

基于航天快速发射模式，将航天快速发射流程分为规划阶段、准备阶段、实施阶段，如图2所示。

a）规划阶段。

规划阶段主要依据卫星型号、轨道参数、入轨窗口、快速发射时限等具体要求，确定快速发射波次、发射点位置等基本信息，并对测发、测控、通信等资源进行快速编组，确定发射方案初稿。通过发射方案推演，迭代优化方案，最终确定切实可行的发射方案。

b）准备阶段。

准备阶段主要指各系统依据发射方案组织开展相关准备工作。其中，测发力量准备工作主要包括星箭测试、总检查、星箭匹配、星箭装车、设备就位、射前检查、诸元装订等；测控力量准备工作主要包括测控装备状态切换、设备就位等；通信力量准备工作主要包括状态准备、通信线路测试等。全系统准备完毕后，利用合练检查确认各系统状态的正确性和匹配性。

c）实施阶段。

实施阶段主要指运载火箭点火起飞后，完成上升段测量、安控任务，利用遥外测数据实现卫星入轨点计算，并对快速发射效果进行评估，为后续决策提供支撑。

1.2 测控支持需求分析

航天快速发射具备快速性、精简性、系统性等特点，故航天快速发射体系中测控力量建设要重点考虑以下测控支持需求。

a）测控支持速度要快。

航天快速发射主要是应对突发重大自然灾害等情况，事前无法准确预测具体时间、具体地点，故从确定快速发射要求至完成快速发射的周期短、快速发射区域无法固定等，这就要求测控力量准备速度要尽可能快、约束条件要尽可能少。

b）测控支持能力要全。

快速发射作为航天发射的一种新模式，相对常规测控网，快速发射测控力量应当简化，但为了确保快速发射安全可控，快速发射仍需具备测量、安控、数据处理、快速评估等能力。

c）测控支持性能可靠。

相对常规测控网，快速发射测控力量冗余备份手段少，但其可靠性要求却未降低，这就要求快速发射测控力量在关键环节需要建设备份手段，同时骨干力量要具备高可靠性。

2 航天快速发射测控支持模式构建

2.1 测控力量构建

2.1.1 总体思路

航天快速发射体系测控力量建设的基本思路是基于常规航天发射测控经验和航天快速发射流程，采用一体化设计理念，以“快速”为核心，实现系统间业务融合、能力融合，构建快速高效的测控支持模式，达到提升航天快速发射能力的目的。

2.1.2 测控力量组成

为满足航天快速发射测控支持需求，需要合理开展测控力量建设，在体系结构上紧贴航天快速发射需求，在功能上又可作为常规航天发射测控网的备份。

a）一体化机动测控装备。

一体化机动测控装备是航天快速发射体系中测控的骨干力量。一体化机动测控装备采用测量处理一体化、测控通信一体化、无依托测控等技术，实现“一车一站”式设计，采用统一S频段测控体制，具备遥测、外测、遥控等功能；集成了数据处理系统，具备数据综合处理、态势显示、安全控制等功能；集成了卫星通信系统，具备卫星通信功能；集成了车载油机具备自主供电保障能力；集成了测姿测位系统，具备“动中通、动中测”能力，可实现全空域、多目标、无依托测控，为航天快速发射提供有效测控支持。

b）便携式遥测设备。

便携式遥测设备采用集成化设计，具备快速展开、快速撤收能力，可在发射点周围获取起飞初始段遥测数据，同时在准备阶段还可参加总检查等，为准备阶段状态评估提供数据支撑。

c）天基测控系统。

考虑到一体化机动测控装备和便携式遥测设备无法覆盖全程，在上升段后期需要采用中继卫星、北斗卫星等完成天基测控，直至卫星入轨成功。同时在上升段前期，天基测控可与一体化机动测控装备、便携式遥测设备等形成冗余备份，提高快速发射测控支持可靠性。

d）远程数据处理系统。

快速发射效果评估是快速发射体系中关键一环，除一体化机动测控装备完成数据处理、评估外，还需在远程数据处理系统同步完成快速发射效果评估，作为航天快速发射体系的关键备份，为航天快速发射提供数据支撑。

2.2 测控支持模式

2.2.1 规划阶段

航天快速发射规划阶段，测控总体人员依据快速发射要求，快速完成测控资源编组，核算测控弧段覆盖性和测控链路可靠性，确定测控方案，明确测控要求。

2.2.2 准备阶段

航天快速发射准备阶段，测控支持模式如下：

a）在阵地检查期间，便携式遥测设备、一体化机动测控装备参加，验证遥测系统天地链路的匹配性；

b）在阵地检查期间，一体化机动测控装备参加，完成安控装码对接工作，验证安控系统天地链路的匹配性；

c）完成测控力量技术状态调整，参加合练，验证全系统状态正确性。

2.2.3 实施阶段

航天快速发射实施阶段测控支持模式如图3所示。

图3 航天快速发射实施阶段测控支持示意Fig.3 Schematic of TT&C support in the implementation phase of space rapid launch

航天快速发射实施阶段测控，各测控力量具体工作内容如下：

a）一体化机动测控装备在上升段主要完成火箭飞行轨迹测量、遥测数据接收解调解密处理、异常情况下实施地面安控；接收便携式遥测设备、天基测控系统发送的测量信息，与远程数据处理系统实现原始数据、数据处理结果的信息交互；车载数据处理系统通过处理外测、遥测、天基测量信息等数据，实现目标飞行态势显示、卫星入轨参数计算、快速发射效果评估等功能。

b）便携式遥测设备接收解调得到遥测数据，通过卫通设备向一体化机动测控装备和远程数据处理系统发送。

c）天基测量信息由天基测控系统分别向一体化机动测控装备和远程数据处理系统发送，天基测控系统接收一体化机动测控装备发送的安控信息并向火箭转发。

d）远程数据处理系统作为一体化机动测控装备数据处理系统的备份，同步接收各类测量信息和处理结果，实现目标飞行态势显示、卫星入轨参数计算、快速发射效果评估等功能。

e）卫星入轨后，一体化机动测控装备还可作为卫星管理地面站接收在轨段卫星管理及应用数据，具备卫星飞行轨迹测量、遥测数据接收解调、遥控指令发送、卫星应用数据转发等功能，实现指定卫星运行状态监视，同时可依据上级要求调整卫星飞行姿态，有效提升测控支持能力。

2.3 测控支持体系能力评估

2.3.1 实时测控支持能力评估

实时测控支持能力包括测量、安控、数据处理、快速评估等，基于运载火箭飞行轨迹、航天快速发射测控支持体系能力，评估航天快速发射测控支持效果。

a）经典坐标系转换方程。

利用运载火箭飞行轨迹和航天快速发射测控支持装备的位置信息，可以计算得到运载火箭在测站坐标系下的斜距、俯仰等值。

式中X，Y，Z分别为运载火箭轨迹在地心坐标系下x，y，z位置分量，单位m；X0，Y0，Z0分别为测站三轴中心在地心坐标系下X，Y，Z 位置分量，单位m；R为运载火箭与测站三轴中心的斜距，单位m；A为运载火箭在测站坐标系下方位角，范围0°～360°；E为运载火箭在测站坐标系下俯仰角，范围-90°～90°。

b）经典天地链路方程。

经典天地链路方程如下：

式中P收为收端接收到的信号幅度，单位dBW；P发为发端的发射功率，单位dBW；G发为发端的天线增益，单位dB；L空间为空间衰减值，单位dB；L极化为空间极化衰减，单位dB，一般取1～2 dB；L大气为大气衰减，单位dB，一般取1～2 dB；G收为收端的天线增益，单位dB。

其中，空间衰减公式如下：

式中F为无线电频率，单位GHz；R为测控设备和目标的空间径向距离，单位km。

c）实时测控支持效果仿真。

利用式（1）、式（4）、式（5）以及箭地装备接收灵敏度，可以估算出各测控设备获取遥外测数据、完成安控任务的弧段，考虑到地球曲率、设备遮挡等情况，依据以往经验，一般取俯仰角大于3°进行有效评估。

依据航天快速发射测控支持体系能力，仿真测控支持效果如图4所示。

图4 航天快速发射测控支持效果仿真示意Fig.4 Schematic of space rapid launch TT&C support effect

从图4可以看出，航天快速发射测控支持体系可以满足运载火箭遥测数据获取、飞行轨迹测量、异常情况地面安全控制、数据处理、快速评估等要求，并有一定冗余备份能力。

2.3.2 快速准备能力评估

当需要在临时点位完成快速发射时，常规测控支持模式需要提前完成测控装备的点位选取、现场勘查、大地测量、通信保障线路架设等工作。

常规测控支持模式与航天快速发射测控支持模式准备效果对比如下。

a）约束条件。

常规测控支持模式下，测控设备点位选取需考虑测控弧段、周边遮挡、标校环境、电磁环境等需求，约束条件多。

航天快速发射测控支持模式下，便携式遥测设备布设于发射点周边500 m以内，仅需考虑与发射点的通视情况，一体化机动测控装备具备“动中通、动中测”能力，点位选取仅需考虑测控弧段覆盖，事前选定大致区域即可，约束条件少。

b）准备周期。

常规测控支持模式下，从点位选取到测控设备就位，准备周期至少10天，准备周期长。

航天快速发射测控支持模式下，仅需对一体化机动测控装备在选定区域内行进路线进行勘查，准备周期为1天，准备周期短。

c）保障压力。

常规测控支持模式下，临时点位利用率低，保障经费和建设需求矛盾突出，保障压力大。航天快速发射测控支持模式下，无需开展点位建设，保障压力小。

综上所述，相对于常规测控支持模式，航天快速发射测控支持模式准备效率更高。

3 关键技术

在航天快速发射测控方预案库建设、天地测控体制规划、智能化运行体系建设等方面持续开展深入研究，能进一步提升航天快速发射测控支持能力。

3.1 航天快速发射测控方预案库建设

为适应多种天基信息支援需求，航天快速发射可采用一箭一星、一箭多星、小区域内多箭多星、广域范围内多箭多星、多箭并行发射、多箭串行发射等模式，而航天快速发射体系中测控力量建设需要统筹兼顾上述发射模式。

航天快速发射体系中测控力量需要加强日常模拟应用场景训练，针对上述不同发射模式，利用测控实装、训练系统等手段，从测控资源编组、指挥操作协同、应急处置演练、典型故障排除等方面大胆尝试、精细复盘，反复验证测控方预案的合理性、完备性，迭代形成成熟且可用的测控方预案纳入发射方案库，做到未雨绸缪，有备无患，不断提升航天快速发射测控支持能力。

3.2 天地测控体制规划

航天快速发射体系中火箭、卫星、航天器等采用的测控体制、合作目标性能直接影响测控力量建设，在航天快速发射体系建设时，需要统筹考虑。

遵从航天快速发射任务快速、精简的原则，建议天地测控体制优选统一S 频段综合测控体制，火箭、卫星、航天器等安装USB应答机，一体化机动测控装备收发采用S 频段设计，利用S 频段调频遥测、扩频遥测、BPSK 遥测等实现目标下行遥测接收，利用S频段遥控实现目标上行安控指令、上行遥控指令发送。针对多目标测控需求，可以通过改变USB应答机上下行工作点频、扩频码组等方式予以区分。

3.3 智能化运行体系建设

随着智能化技术的发展，在装备自主运行、数据分析、指挥决策等方面利用智能化技术提升系统综合效能是大势所趋。

在航天快速发射体系建设时，提早布局智能化运行体系研究，通过智能化技术应用，使测控运行流程更加快速化、合理化以及最优化；降低对人员的操作要求，最大程度降低人为因素引入的安全隐患；借鉴数据融合、数据挖掘等技术实现对关键岗位人员的智能提醒、辅助决策，保障人员更加安全高效顺利的完成任务。

4 结束语

航天快速发射体系建设是一个系统工程，测控力量建设和职能发挥必须站在全局的角度统筹考虑，本文提出了一种航天快速发射测控力量建设思路和支持模式，基本可以满足航天快速发射的需求，后续还需要在体系规划、装备建设、方案设计、运行模式、保障条件等方面持续开展攻关研究，为提升航天发射测控支持能力提供技术支撑。