李 強

（北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094）

1 引言

航天測控系統(tǒng)是對運載火箭和航天器進行跟蹤、測量、監(jiān)視和控制的技術(shù)系統(tǒng)，用于保障火箭和航天器按照預(yù)定狀態(tài)飛行和工作，是航天任務(wù)系統(tǒng)的重要組成部分［1］。我國航天測控系統(tǒng)經(jīng)過幾十年發(fā)展，形成了以地基為主的航天測控網(wǎng)，圓滿完成了一系列載人飛船和各種軌道衛(wèi)星的測控任務(wù)。

隨著我國航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，航天測控系統(tǒng)原有的規(guī)模、數(shù)量型發(fā)展方式已不能適應(yīng)航天任務(wù)發(fā)展的需要，未來必須走能力、效益型發(fā)展道路。

發(fā)達國家航天測控系統(tǒng)的發(fā)展道路是：由陸基為主，向海、空、天基拓展，最終向天基為主，陸、海、空基為輔的天基測控轉(zhuǎn)型。測控系統(tǒng)包括測量和控制兩大功能，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)分別是天基測量和控制的兩大支撐系統(tǒng)。

我國前期的天基測量主要基于美國全球定位系統(tǒng) （global positioning system，GPS）開展了一些具體應(yīng)用研究工作。隨著我國自主的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) （以下簡稱 “北斗系統(tǒng)”）的建成運行，我國天基測量系統(tǒng)將迎來自主發(fā)展的新階段。如何在航天任務(wù)中統(tǒng)籌規(guī)劃應(yīng)用北斗系統(tǒng)，構(gòu)建適合我國國情的天基測量系統(tǒng)是當前急需解決的問題。

本文總結(jié)了國內(nèi)外天基測量系統(tǒng)的發(fā)展脈絡(luò)及啟示，分析未來航天任務(wù)應(yīng)用需求，探討了天基測量系統(tǒng)發(fā)展目標、總體思路和發(fā)展步驟，規(guī)劃了天基測量系統(tǒng)的技術(shù)體系結(jié)構(gòu)，分析了關(guān)鍵技術(shù)問題，以此探索我國天基測量系統(tǒng)的發(fā)展道路。

2 國內(nèi)外基于GNSS天基測量系統(tǒng)發(fā)展歷程

航天測量系統(tǒng)主要沿兩個方向的主線發(fā)展：

1）系統(tǒng)性能 （精度和作用距離等）和功能（多目標測量能力和目標特性測量能力等）不斷增強；

2）為適應(yīng)不斷復(fù)雜的航天任務(wù)需求，提高測控效率和覆蓋率，測控平臺不斷拓展。

首先，通過將測量設(shè)備安裝在車載平臺上提高其可移動性；接著，為適應(yīng)航天器發(fā)射和在軌管理高覆蓋測控要求，測量系統(tǒng)拓展到了海上；為彌補海基測量系統(tǒng)機動性差，對高速目標的單站跟蹤測量覆蓋率低的不足，美軍稍后開始發(fā)展空基測量系統(tǒng)。

站得更高，就看得更遠。為進一步提高測量覆蓋率，前蘇聯(lián)1957年發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星后不久，將測量站由地面搬到太空，即天基測量的設(shè)想立即引起了各國的高度重視。

2.1 國外基于GNSS的天基測量系統(tǒng)發(fā)展

國外天基測量系統(tǒng)發(fā)展可分為五個階段：

1）嘗試階段。美軍在1958年啟動了子午衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)，首次實現(xiàn)了全球衛(wèi)星導(dǎo)航。但其在實時性、連續(xù)性和精度等方面存在明顯不足，難以滿足航天任務(wù)要求［2］。

2）設(shè)想階段。20世紀70到80年代，提出了GPS計劃，同時設(shè)計研制了基于GPS的SATRACK I彈道測量系統(tǒng)作為應(yīng)用示范，并大膽地提出了天基靶場設(shè)想［3］。

3）頂層設(shè)計階段。20世紀80年代，隨著GPS計劃逐步得到驗證，美國國防部先后成立了專門機構(gòu)——三軍協(xié)調(diào)委員會和靶場應(yīng)用聯(lián)合計劃辦公室，負責靶場GPS應(yīng)用規(guī)劃論證工作。1984年，制訂了 《有關(guān)GPS在試驗和訓(xùn)練靶場的應(yīng)用計劃》。1999年，美國空軍航天司令部制訂天基靶場發(fā)展規(guī)劃。

4）充分驗證階段。20世紀80年代起，美、日、歐等國家和地區(qū)相繼開展了大量GPS在中低軌衛(wèi)星測定軌、空間交會對接等方面的演示驗證試驗，取得了成功。2003年起，美國已完成了3個階段的天基靶場演示驗證試驗，分別驗證了飛行器對衛(wèi)星導(dǎo)航信號的連續(xù)跟蹤能力、高速遙測數(shù)據(jù)傳輸能力和高超飛行器的鏈路保持能力［4］。

5）大力推行階段。經(jīng)過大量驗證，美軍決定從2001年起在其東靶場不再發(fā)展雷達系統(tǒng)，而以GPS外測取代之。同時，美國空軍航天司令部明確提出了天基靶場的發(fā)展規(guī)劃，計劃在2010－2015年開始研究并逐步過渡，并于2016－2028年實現(xiàn)天基靶場［4］。

2.2 國內(nèi)發(fā)展概況

我國天基測量系統(tǒng)發(fā)展已經(jīng)歷了三個階段：

1）技術(shù)跟蹤階段。20世紀80年代，我國開始了GPS應(yīng)用跟蹤研究，研制成功了國產(chǎn)GPS接收機，應(yīng)用方面GPS成功用于測量船定位和定時校頻。

2）論證階段。20世紀八十年代中后期，專題論證了GPS在我國航天測控領(lǐng)域應(yīng)用的必要性和可行性，并設(shè)計論證了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)。

3）推廣應(yīng)用階段。20世紀八十年代末，GPS廣泛應(yīng)用于運載火箭、航天器等目標和測量船等測控平臺的軌跡測量，提升了測量系統(tǒng)覆蓋率和使用效能［5］。

目前，北斗系統(tǒng)已開始運行，我國天基測量系統(tǒng)正邁入自主發(fā)展的新階段，需要統(tǒng)籌規(guī)劃發(fā)展道路。

2.3 啟示

國內(nèi)外天基測量系統(tǒng)發(fā)展歷程給我國啟示是：

1）發(fā)達國家的經(jīng)驗表明，天基測量具有天然技術(shù)優(yōu)勢，是提升航天測量系統(tǒng)能力和效益，應(yīng)對我國航天任務(wù)高密度發(fā)射、快速響應(yīng)、多星多任務(wù)測控管理等復(fù)雜任務(wù)需求的關(guān)鍵技術(shù)途徑，是我國航天測量系統(tǒng)未來發(fā)展方向和必然趨勢［6］。

2）天基測量是大膽創(chuàng)新的結(jié)果。隨著北斗系統(tǒng)的建成運行，我國天基測量系統(tǒng)將進入自主發(fā)展的新階段。我國與美國GPS應(yīng)用條件、系統(tǒng)完善程度、面臨的問題各不相同，如何結(jié)合我國國情，發(fā)揮北斗系統(tǒng)的特點，走好中國式天基測量系統(tǒng)發(fā)展道路，是我們需要仔細研究的，而大膽創(chuàng)新是發(fā)展的前提。

3）發(fā)達國家經(jīng)驗和教訓(xùn)表明，天基測量系統(tǒng)的發(fā)展需要統(tǒng)籌規(guī)劃，明確發(fā)展目標，協(xié)調(diào)好各方面的關(guān)系，建立完備的標準和規(guī)范體系，才能實現(xiàn)科學(xué)可持續(xù)發(fā)展。

4）航天任務(wù)測量需求復(fù)雜多樣，可靠性要求高，天基測量應(yīng)用必須經(jīng)過充分的試驗驗證。同時，GNSS很容易受到干擾和攻擊，GNSS增強、監(jiān)測和評估是天基測量系統(tǒng)應(yīng)用的重要保障。

3 需求分析

北斗系統(tǒng)在航天任務(wù)中應(yīng)用需求的出發(fā)點是發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢，彌補陸、海、空基測量手段的不足。

航天器發(fā)射段的主要需求是：

1）發(fā)揮北斗系統(tǒng)高覆蓋率優(yōu)勢，在不大幅拓展地基測站規(guī)模的前提下，滿足長弧段測量需求；

2）發(fā)揮北斗系統(tǒng)用戶設(shè)備輕便優(yōu)勢，適應(yīng)應(yīng)急發(fā)射、多任務(wù)類型和高頻度發(fā)射的挑戰(zhàn)；

3）發(fā)揮北斗系統(tǒng)自主測量的優(yōu)勢，滿足日益增強的火箭自主安控需求。

航天器運行段的主要需求是：

1）發(fā)揮北斗系統(tǒng)高覆蓋率優(yōu)勢，滿足未來航天任務(wù)高精度測定軌和載人航天高可靠性要求，減輕國外建站和測量船使用壓力；

2）發(fā)揮北斗系統(tǒng)多目標和自主測量優(yōu)勢，滿足多星多任務(wù)管理和自主管理需求，減輕地面測控系統(tǒng)壓力，提升測控系統(tǒng)效能；

3）發(fā)揮北斗系統(tǒng)短基線高精度相對測量優(yōu)勢，滿足空間目標交會對接需求。

航天器再入段的主要需求是：

1）發(fā)揮北斗系統(tǒng)高覆蓋率優(yōu)勢，滿足大范圍再入段測量和落點報告需求；

2）與慣導(dǎo)融合，滿足黑障區(qū)測量需求。

同時，北斗系統(tǒng)是海、空基測控平臺的重要測控手段，也可應(yīng)用于測繪、大氣參數(shù)反演、高精度時頻傳遞、機動設(shè)備管理等領(lǐng)域。

4 應(yīng)用設(shè)想

4.1 發(fā)展目標

充分發(fā)揮北斗系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢，提高航天測量系統(tǒng)整體能力和使用效益，構(gòu)建天基為主，地基為補充的，功能完備、優(yōu)勢互補、安全可靠，通用可重構(gòu)的陸、海、空、天一體化測量系統(tǒng)。

4.2 總體思路

綜合我國航天任務(wù)未來發(fā)展需求和GNSS應(yīng)用現(xiàn)實情況，未來加強北斗系統(tǒng)在航天任務(wù)領(lǐng)域應(yīng)用的總體思路是：

1）統(tǒng)籌規(guī)劃，強化頂層設(shè)計。

2）集中力量，突破關(guān)鍵技術(shù)。

3）確?？煽浚浞衷囼烌炞C。

4）典型示范，引領(lǐng)系統(tǒng)發(fā)展。

4.3 技術(shù)體系結(jié)構(gòu)

技術(shù)體系結(jié)構(gòu)規(guī)定了北斗系統(tǒng)在航天任務(wù)中應(yīng)用所面臨的技術(shù)問題，如圖1所示。

圖1 基于北斗系統(tǒng)的航天測量系統(tǒng)技術(shù)體系結(jié)構(gòu)

首先面臨的是系統(tǒng)層面上的技術(shù)：

1） “三化”技術(shù)：即 “通用化、系列化、組合化”是實現(xiàn)北斗系統(tǒng)在航天任務(wù)中統(tǒng)籌、規(guī)范應(yīng)用的關(guān)鍵。

2）系統(tǒng)增強、監(jiān)測與評估技術(shù)：系統(tǒng)增強、監(jiān)測與評估技術(shù)是保障北斗系統(tǒng)可用性，實現(xiàn)高精度、高可靠天基測量的保障；同時也為未來航天器中大量應(yīng)用的衛(wèi)星導(dǎo)航裝備在復(fù)雜電磁環(huán)境下的鑒定和評估奠定基礎(chǔ)。

其次，北斗系統(tǒng)航天應(yīng)用還需研究信息獲取、信息傳輸、信息處理和信息應(yīng)用四個層面上的問題。

在信息獲取層面上，北斗系統(tǒng)航天應(yīng)用主要面臨高動態(tài)目標信號捕獲跟蹤和復(fù)雜條件下 （包括目標姿態(tài)變化復(fù)雜、目標安裝條件受限、復(fù)雜電磁環(huán)境）信號捕獲跟蹤技術(shù)問題。

在信息傳輸層面上，需要制定統(tǒng)一的物理接口和信息傳輸接口，推進和落實 “三化”成果應(yīng)用；同時，還需要研究特定條件下信息實時無損壓縮傳輸技術(shù)，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量GNSS原始觀測信息的下傳，為事后高精度解算提高原始數(shù)據(jù)。

在信息處理層面上，實時處理技術(shù)是獲取較高精度實時彈/軌道，實現(xiàn)目標自主安控和航天器自主導(dǎo)航控制的基礎(chǔ)；事后處理技術(shù)是獲取高精度事后軌道，實現(xiàn)任務(wù)綜合評估的基礎(chǔ)。

信息應(yīng)用層面主要分析梳理如何發(fā)揮北斗系統(tǒng)的使用效益，推進我國航天測量系統(tǒng)發(fā)展的問題。

5 關(guān)鍵技術(shù)問題

航天測量具有空間范圍廣、動態(tài)范圍寬、精度要求高、測量條件復(fù)雜和目標上安裝條件受限等特點。為推進北斗系統(tǒng)航天應(yīng)用，需著力解決以下幾方面的關(guān)鍵技術(shù)問題。

5.1 北斗系統(tǒng)航天應(yīng)用 “三化”技術(shù)

我國航天測量領(lǐng)域前期GNSS應(yīng)用處于自發(fā)、零散的狀態(tài)，“通用化、系列化、組合化”水平低，不同生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的同類設(shè)備不能組合、通用，難以實現(xiàn)系統(tǒng)的開放互聯(lián)和靈活可重構(gòu)，設(shè)備成本難以降低，給維修改造和效能發(fā)揮也帶來了不便，不利于天基測量系統(tǒng)的統(tǒng)籌發(fā)展。

“三化”技術(shù)的核心是建立北斗系統(tǒng)應(yīng)用標準體系，包括物理接口、信息接口、系統(tǒng)設(shè)計、數(shù)據(jù)處理、使用管理、設(shè)備檢定和性能評估方面的標準和規(guī)范，并在航天任務(wù)領(lǐng)域大力推行。以此為基礎(chǔ)，一方面形成適應(yīng)不同要求的北斗系統(tǒng)箭/星裝備型譜，規(guī)范北斗系統(tǒng)裝備的研制、管理、應(yīng)用和評價；另一方面，綜合考慮箭/星載測控（包括外測、遙測、安控、導(dǎo)航和中繼）需求，充分利用軟件無線電和大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的最新成果，統(tǒng)一設(shè)計箭/星載測控終端，實現(xiàn)基帶信號處理、數(shù)據(jù)存儲、信息處理等方面的一體化，減小彈/箭/星載測控終端的體積、重量和功耗，降低系統(tǒng)復(fù)雜度，提升箭/星載測控分系統(tǒng)的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性。

5.2 系統(tǒng)增強、監(jiān)測與評估技術(shù)

衡量GNSS的性能指標主要包括精度、完好性、連續(xù)性和可用性。GNSS增強、監(jiān)測與評估技術(shù)是提升GNSS性能，保障可靠應(yīng)用的重要保障。系統(tǒng)性能評估還是評價航天器使用效能和任務(wù)綜合評估的基礎(chǔ)。

GNSS增強包括局域增強、廣域增強和偽衛(wèi)星增強技術(shù)，局域增強和廣域增強的核心是通過建立各基準站的融合誤差模型實現(xiàn)多基站綜合差分定位，降低差分定位誤差的時空相關(guān)性［7］；偽衛(wèi)星增強則通過設(shè)置偽衛(wèi)星發(fā)射器，單獨或與GNSS星座共同組建導(dǎo)航定位星座，以提高測量系統(tǒng)精度、連續(xù)性及可用性［8］。

GNSS性能監(jiān)測與評估技術(shù)分為GNSS系統(tǒng)自檢和與其它系統(tǒng)互檢技術(shù)兩大類。GNSS系統(tǒng)自檢又包括基于接收機的自主完好性監(jiān)測、基于地面監(jiān)測站的完好性監(jiān)測、星上自主完好性監(jiān)測、基于星間鏈路的星座自監(jiān)測技術(shù)和不同GNSS系統(tǒng)之間的互檢技術(shù)［9］；綜合利用航天測控資源優(yōu)勢，研究GNSS與慣導(dǎo)、地面測控系統(tǒng)互檢技術(shù)，可進一步提高GNSS監(jiān)測與評估的準確性、實時性和效率。

5.3 復(fù)雜條件下高精度測量技術(shù)

航天任務(wù)中目標測量條件的復(fù)雜性表現(xiàn)在三個方面：一是高動態(tài)，即速度、加速度和加加速度大；其次是姿態(tài)變化復(fù)雜；第三是電磁環(huán)境復(fù)雜。這些特點造成了GNSS測量設(shè)備捕獲跟蹤衛(wèi)星導(dǎo)航信號難度大，實現(xiàn)高精度測量困難。因此，推進北斗系統(tǒng)在航天測量領(lǐng)域應(yīng)用的前提條件是實現(xiàn)上述復(fù)雜條件下目標的高精度測量。

高動態(tài)目標高精度測量的主要困難在于跟蹤環(huán)路類型和參數(shù)的選擇在提高動態(tài)性能和提高測量精度兩方面是相互矛盾的。目前可行的解決方法是引入其它信息輔助GNSS測量設(shè)備實現(xiàn)高動態(tài)目標高精度測量，其中GNSS及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（inertial navigation system，INS）組合測量技術(shù)是主要研究方向。

姿態(tài)變化 （主要是旋轉(zhuǎn)目標）的主要問題是破壞了天線與導(dǎo)航衛(wèi)星之間的通視，造成信號時斷時續(xù)。射頻信號合成是工程上實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)目標測量最簡單的技術(shù)途徑，且成本較低。缺點是測量精度特別是測速精度低。目前實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)目標高精度測量的可能技術(shù)途徑包括：空間分集接收機技術(shù)、相位穩(wěn)定共形微帶天線陣技術(shù)和多天線接力測量技術(shù)［10］。這些技術(shù)大多還處于理論研究和仿真驗證階段，需要進一步開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

復(fù)雜電磁環(huán)境對北斗系統(tǒng)測量影響巨大。目前應(yīng)用層面解決復(fù)雜電磁環(huán)境下北斗系統(tǒng)測量的技術(shù)手段包括：GNSS/INS組合測量、自適應(yīng)濾波、自適應(yīng)調(diào)零天線、波束控制/波束形成天線等技術(shù)，其中GNSS/INS組合測量適應(yīng)性強，可靠性高，是主要研究方向。

5.4 高精度數(shù)據(jù)處理

高精度數(shù)據(jù)處理技術(shù)是GNSS應(yīng)用的關(guān)鍵，目前我國航天GNSS高精度數(shù)據(jù)處理長期依賴于國外的核心技術(shù)和軟件，不適應(yīng)航天任務(wù)高動態(tài)、大范圍的特點，解算精度和可擴展性受限，也處理不了北斗系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)，需著力加以解決。

結(jié)合航天任務(wù)特點，高精度GNSS數(shù)據(jù)處理應(yīng)重點開展以下幾方面的工作：

1）研究多GNSS系統(tǒng)融合處理技術(shù)，提高GNSS測量精度、可靠性、抗干擾性、連續(xù)性和時效性。

2）研究GNSS/地面測控設(shè)備融合處理技術(shù)，建立雷達、光學(xué)和GNSS原始觀測數(shù)據(jù)的融合解算模型和精度評估模型，提升外測連續(xù)性和可靠性。

3）研究低軌航天器實時軌道測量技術(shù)，提高實時軌道測量精度。

4）研究精密單點定位技術(shù)，解決基線過長引起的差分處理精度降低問題。

5）研究基于模型約束的GNSS精密定軌技術(shù)，降低測量條件要求，提高GNSS測量精度和連續(xù)性。

6）研制適用于航天任務(wù)的通用GNSS事后數(shù)據(jù)處理軟件，擺脫航天GNSS應(yīng)用核心軟件受制于人的困境。

5.5 設(shè)備檢定技術(shù)

GNSS在航天任務(wù)中承擔著高精度彈/軌測量和外測設(shè)備精度鑒定比對標準的工作，為保證測量結(jié)果的可信度和精度，新研GNSS測量設(shè)備驗收和參試前應(yīng)該進行檢測檢定，在用設(shè)備應(yīng)定期進行檢測檢定，以保證其滿足試驗任務(wù)要求。

目前GNSS測量設(shè)備的檢定方法主要采用衛(wèi)星信號模擬器檢定法和靜態(tài)檢定法。衛(wèi)星信號模擬器檢定法難以模擬真實測量條件，檢定結(jié)果可信度難以令人滿意；靜態(tài)檢定法無法檢驗GNSS測量設(shè)備的高動態(tài)測量性能。

為此，需開展動態(tài)檢定技術(shù)研究，設(shè)計形成系列綜合檢測方法，建立專用檢定平臺，制定設(shè)備檢定規(guī)范。

6 結(jié)束語

天基測量是航天測量系統(tǒng)的未來發(fā)展方向，北斗系統(tǒng)的應(yīng)用是我國天基測量系統(tǒng)建設(shè)的核心和關(guān)鍵。我國天基測量系統(tǒng)建設(shè)目前還處于起步階段，需要借鑒發(fā)達國家發(fā)展經(jīng)驗，綜合考慮現(xiàn)實情況、未來任務(wù)需求和測控系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃，強化頂層設(shè)計，優(yōu)化體系結(jié)構(gòu)，集中力量突破影響系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)問題，走統(tǒng)籌規(guī)劃，科學(xué)發(fā)展的道路，提升測控系統(tǒng)效能，適應(yīng)未來我國航天任務(wù)蓬勃發(fā)展的要求。

［1］夏南銀.航天測控系統(tǒng)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2002：15－16.

［2］黃丁發(fā)，熊永良，袁林果.全球定位系統(tǒng)－理論與實踐［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2006.

［3］THOMPSON T.Performance of the SATRACK/Global Positioning System Trident I Missile Tracking System［C］//PLANS’80 －Position Location and Navigation Symposium，Atlantic City，NJ，December 8－11，1980：445－449.

［4］王志魁.美國天基靶場的開發(fā)［J］.飛行器測控學(xué)報，2004，23（4）：31－36.

［5］黃學(xué)德，錢衛(wèi)平.靶場測控領(lǐng)域GPS應(yīng)用工程［J］.靶場試驗與管理，1998，39（4）：19－24.

［6］沈榮駿，趙軍.我國航天測控技術(shù)的發(fā)展趨勢與策略［J］.宇航學(xué)報，2001，22（3）：1－5.

［7］李躍.導(dǎo)航與定位［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008：159－176.

［8］黃聲享，劉賢三，劉文建，等.偽衛(wèi)星技術(shù)及其應(yīng)用［J］，測繪信息與工程，2006，31（2）：49－51.

［9］邊朗，張立新，張偉，等.GPS完好性監(jiān)測發(fā)展現(xiàn)狀與展望［C］//第一屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會論文集。北京：［出版者不詳］，2010：1－7.

［10］劉旭東，劉廣軍，李強，等.旋轉(zhuǎn)多天線條件下導(dǎo)航解算方法［J］.中國慣性技術(shù)學(xué)報，2010，18（4）：466－470.