何懿

孫家棟院士說，對整個航天器試驗任務來說，航天器的發(fā)射入軌好像是一場好戲的序幕，而航天測控則是劇情的展開。作為中國人的驕傲之一——“北斗”導航系統(tǒng)，即將開啟全球組網(wǎng)。如何測控“北斗”系統(tǒng)？航天測控技術在軍事上的重要應用以及未來的發(fā)展方向？本刊記者帶著相關問題專訪了李濟生院士。

李濟生 1997年入選中國科學院院士。我國第一代航天測控科技工作者，主要從事人造衛(wèi)星軌道動力學研究工作。1966年畢業(yè)于南京大學天文系，此后，在西安衛(wèi)星測控中心工作，曾任西安衛(wèi)星測控中心總工程師，總裝備部科技委常任委員，現(xiàn)在軍委科技委工作。獲國家級和部委級科技進步獎多項，編著有《人造衛(wèi)星精密軌道確定》和《航天器軌道確定》等著作與教材。1992年被國家人事部授予有突出貢獻的中青年專家，1995年獲首屆中國航天基金獎，2000年獲何梁何利科學技術獎。

TT&C

記者（以下簡稱“記”）：目前，主要國家都在大力發(fā)展太空力量和手段，搶占這一新的戰(zhàn)略制高點，而無論是進入空間、利用空間及控制空間都離不開航天測控技術，請您介紹一下該項技術。

李濟生院士（以下簡稱“李”）：航天器的測控主要是遙測、遙控、跟蹤測定軌三大方面。英文縮寫是TT&C，概括了它的主要工作內容。第一個T為Telemetry，遙測;第二個T是Tracking，跟蹤航天器軌道;C是Control控制。

航天任務的組成

地面測控站獲取衛(wèi)星的工作狀態(tài)主要是通過衛(wèi)星上的敏感器。例如，太陽帆板上的敏感器將測量的電壓、電流數(shù)據(jù)傳回到地面測控站，從而了解太陽帆板是否工作正常。再如，衛(wèi)星上的燃料箱中的敏感器將測得的壓力、溫度等數(shù)據(jù)反饋到地面測控站。而燃料箱的體積是預知的，通過這些數(shù)值就可以計算出衛(wèi)星上還有多少燃料，從而掌握衛(wèi)星的工作狀態(tài)。這是遙測。

跟蹤的主要任務是測軌。如地球衛(wèi)星、月球探測器雖然已設計好了軌道，但是發(fā)射時總會有誤差，運行過程中的控制也會有誤差，而且軌道會受到周圍環(huán)境的影響而發(fā)生變化，如大氣阻力，因此必須用跟蹤數(shù)據(jù)計算它的軌道。

控制是衛(wèi)星發(fā)射入軌后，地面測控站對衛(wèi)星進行監(jiān)控。像靜止軌道的衛(wèi)星，發(fā)射后衛(wèi)星先進入一個大橢圓軌道（例如：近地點高度500千米，遠地點高度36 000千米，軌道傾角27度），要在地面測控系統(tǒng)的操控之下，經(jīng)多次測軌和變軌后衛(wèi)星才能進入靜止軌道（赤道上空35 787千米，圓軌道，軌道傾角0度），并定點在預定位置。在靜止軌道上運行的衛(wèi)星繞地球公轉一圈的時間與地球自轉周期一致，在地球上看衛(wèi)星好像是在地球上空固定的位置上。由于衛(wèi)星會受到太陽、月球等天體的引力以及地球非球形部分的引力，衛(wèi)星在靜止軌道上的定點位置是會漂移的，該漂移有偏差范圍，現(xiàn)在規(guī)定是0.05度，超過這個范圍就可能會與其它衛(wèi)星發(fā)生碰撞或受到干擾。這時就要通過衛(wèi)星上的發(fā)動機把它控制回來。

“神舟”飛船返回艙返回主著陸場控制過程示意

又如偵察衛(wèi)星發(fā)射后，并不是時刻處于工作狀態(tài)，當?shù)孛姘l(fā)生特定情況時，地面測控站會向它發(fā)出工作指令。如朝鮮核試驗，美國通過衛(wèi)星進行偵察，需要控制衛(wèi)星在朝鮮上空進行工作。再如通信衛(wèi)星由地面站控制波束指向，通過很窄的波束進行定點通信，其它人則收不到信號。

此外，航天器返回地球需要地面站進行精確控制。原理就像我們拿一根繩栓著小石頭，提高到一定速度后，小石頭會圍繞手轉起來，速度低了則會落下來。返回艙在天上是頭朝前運行的，圍繞地球運轉。現(xiàn)在把它掉過頭來，讓發(fā)動機朝前，點火后推力變成阻力了，速度降低，返回艙就慢慢落下來了，而且必須控制它降落到指定地點。

隨著航天技術的發(fā)展，天基探測和空間操作已成為重要的發(fā)展方向。例如，利用衛(wèi)星對其它空間目標進行成像觀測、對衛(wèi)星部件的更換和組裝、燃料加注等，這些都需要地面測控系統(tǒng)對衛(wèi)星進行控制。

控制還包括航天器的故障處理。在軌衛(wèi)星的很多故障都需要地面測控系統(tǒng)進行監(jiān)控和處理。例如：衛(wèi)星姿態(tài)異常、由于衛(wèi)星電源故障需關閉星上某些載荷、衛(wèi)星變軌過程異常等等。

有位記者對航天測控系統(tǒng)形象地描述：“如果沒有航天測控系統(tǒng)，天上的衛(wèi)星就像個斷了線的風箏?！?/p>

記：最近，長3乙運載火箭發(fā)射衛(wèi)星時出現(xiàn)故障，航天測控如何處理的？

李：它的故障是沒有將衛(wèi)星推到預定軌道上去。怎么補救呢？衛(wèi)星上也有燃料和發(fā)動機，原本是用于變軌、定點軌道保持。由于長3乙沒有到達預定軌道，只能通過衛(wèi)星上自帶的發(fā)動機和燃料將它推到預定軌道。

美國KNOS衛(wèi)星拍攝的我國酒泉衛(wèi)星發(fā)射場圖像，并計算出發(fā)射場的位置，誤差約25米

記：航天測控主要是哪些設備？工作原理是什么？

李：衛(wèi)星上遙測系統(tǒng)主要的設備是敏感器，敏感器測出數(shù)據(jù)后，通過傳輸系統(tǒng)，以無線通信的方式傳輸?shù)降孛嫔?。對于地面測控設備現(xiàn)在已把測軌、接收遙測數(shù)據(jù)、發(fā)送遙控指令這幾個功能合并到一個設備上了。

跟蹤的主要設備是雷達。地面雷達用來測量衛(wèi)星的距離、方位角、仰角以及視向速度等。另外，多普勒測速儀利用多普勒效應也可以測量衛(wèi)星視向運動速度。還有光學設備也能測量衛(wèi)星的方位角和仰角。此外還有其它一些設備，如激光測距儀，發(fā)射激光到衛(wèi)星的反射鏡上，激光再返回地面接收，以此測算衛(wèi)星到測距儀的距離。這些數(shù)據(jù)都可用于計算航天器的軌道。

記：深空探測的數(shù)據(jù)能接收到嗎？

李：可以。圍繞地球運行的衛(wèi)星，一開始距地球只有幾百千米，之后擴展到36 000千米的地球靜止軌道上，月球探測提高到了38萬多千米，火星更遠，傳回地球的信號越來越弱，如何清晰接收信號需要解決。

記：我國曾多次一箭雙星發(fā)射，“北斗”也即將開始全球組網(wǎng)，在測控方面有難點嗎？

李：我們給美國發(fā)射“銥”星時，就是一箭雙星發(fā)射、測定軌。以前還進行過一箭三星發(fā)射，從測控設備、處理方法等方面來看沒什么問題。

“北斗”系統(tǒng)的全球監(jiān)控困難應該也不大，因為二三十顆星分布在全球，圍繞地球旋轉，相當于排隊通過我們的領空，可以逐顆測控。要是同時測控由幾十顆衛(wèi)星組成的編隊就有難度。而且我們已在國外建立有地面站，如南美、歐洲、非洲、巴基斯坦，也可以對“北斗”衛(wèi)星系統(tǒng)進行跟蹤。

軍事應用

記：美軍70%以上的通信，80%以上的情報偵察與監(jiān)視，90%以上的精確武器制導，都依賴于空間系統(tǒng)，以人造衛(wèi)星構成的天基作戰(zhàn)系統(tǒng)已成為美國進行現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的神經(jīng)中樞。航天測控技術在軍事上有哪些主要應用。

李：可以歸納為以下幾種，

軌道機動、規(guī)避碰撞。衛(wèi)星入軌后就在預定的軌道運行，但是，由于某些特定情況的出現(xiàn)，需要衛(wèi)星改變現(xiàn)有運行軌道才能實現(xiàn)應用目標。例如，地面發(fā)生了突發(fā)事件，需要衛(wèi)星對該地區(qū)進行偵察監(jiān)視，可是，衛(wèi)星當前的軌道在短期內不經(jīng)過該地區(qū)，這時就需要對衛(wèi)星運行軌道進行機動控制，改變衛(wèi)星的運行軌道，使其盡早通過特定地區(qū)。再例如，地球靜止軌道衛(wèi)星，在圍繞地球運行過程中，會受到月球、太陽、其它天體引力和地球非球形部分引力的影響，衛(wèi)星位置在不停的漂移，當超出限定位置時需要對其進行定點保持控制。

從1957年世界首顆衛(wèi)星發(fā)射升空，全世界發(fā)射的衛(wèi)星到目前已有10 000多顆，其中很多衛(wèi)星已經(jīng)失效。另外，在發(fā)射衛(wèi)星時還會產生很多廢棄物，這些都統(tǒng)稱為“空間碎片”，直徑在10厘米以上的碎片如果與衛(wèi)星相撞的話，可能會損壞甚至使衛(wèi)星報廢。因此，當預測到這種情況要發(fā)生時就要對衛(wèi)星的運行軌道進行機動控制，以免衛(wèi)星與空間碎片相撞。2013年，我國的兩顆衛(wèi)星為規(guī)避碎片碰撞，各進行了一次軌道機動。

空間控制。未來戰(zhàn)爭中，航天裝備是重要的組成部分，交戰(zhàn)雙方都會試圖破壞對方的航天裝備，空間對抗將會成為一個新的作戰(zhàn)領域。一旦發(fā)生空間對抗，對航天器的精準控制至關重要。主要包括空間態(tài)勢感知、防御性空間攻防和進攻性空間攻防三方面。美國不僅積極開發(fā)利用空間，而且極其重視控制空間技術的發(fā)展，正在研制更先進的空間監(jiān)視系統(tǒng)。例如，新一代“空間籬笆”、天基太空監(jiān)視系統(tǒng)、空間監(jiān)視望遠鏡等。目前，美國和俄羅斯都發(fā)射了預警衛(wèi)星，可對陸基和潛射彈道導彈發(fā)射進行預警。美國正在研發(fā)“天基紅外系統(tǒng)”（SBIRS），可在小型導彈發(fā)射后10～20秒發(fā)出預報。2012年，美軍啟動了“鳳凰” 計劃，對外宣稱是利用在軌退役衛(wèi)星的部件重新組裝新衛(wèi)星。但實際上這個技術也可以用于攻擊別國的衛(wèi)星，如拆毀對方的衛(wèi)星。同時，美軍以“空間維修”為名，發(fā)展各種空間操作技術，以清理空間碎片為名，發(fā)展多種碎片清理技術，而這些技術同樣也可用于空間對抗。當然，這些空間操作都離不開地面對航天器的測控。

記：航天測控技術未來會朝哪些方向發(fā)展？

李：地基和天基相結合，實現(xiàn)天地一體化的測控，減少地面測控的工作量，擴大航天測控范圍是世界航天測控技術發(fā)展的重要方向。目前全世界主要靠地面站測控航天器。但天上衛(wèi)星越來越多，為提高測控效率，會用天基的一些裝備對衛(wèi)星進行測控，提高衛(wèi)星測控的效費比。比如說利用導航衛(wèi)星可以使航天器實現(xiàn)自主定位。我們有“北斗”，美國有GPS，俄羅斯有“格洛納斯”，歐洲正在發(fā)展“伽利略”衛(wèi)星導航系統(tǒng)，給衛(wèi)星裝上接收導航衛(wèi)星信號的裝置，就可以確定衛(wèi)星的位置，計算出衛(wèi)星軌道，不再依靠地面跟蹤設備。利用天基設備進行航天器測控還可以大大擴展測控范圍，使用地基設備測控只能限于在設備的周邊地區(qū)飛過的衛(wèi)星，而天基測控則可實現(xiàn)全球測控。而且，天基測控不受地球大氣層的影響，看得更加清晰。

將來還會發(fā)展用于小衛(wèi)星群的測控技術。一個小衛(wèi)星群有幾十顆甚至上百顆小衛(wèi)星，跟蹤測控都很麻煩。目前，美國正在發(fā)展對靜止軌道目標進行識別的天基探測計劃，縮寫為GSPA。因為地球靜止軌道距地面的斜線距離4萬千米左右，如果看地球靜止軌道的衛(wèi)星，只能看得見很大的衛(wèi)星，而且看到的只是一個點。GSPA是地球靜止軌道態(tài)勢感知小衛(wèi)星，可以近距離獲取目標衛(wèi)星的相關信息，將有力提升美國對靜止軌道目標的識別能力。

衛(wèi)星測控和通信設備

未來航天器還將朝自主測控、智能化方向發(fā)展。衛(wèi)星裝上自主測控設備后，就能夠自己測量軌道、定位并調整控制偏離的軌道，自主處理衛(wèi)星出現(xiàn)的某些故障。

發(fā)展中繼衛(wèi)星也是一個重要方向。近地衛(wèi)星每天大約圍繞地球轉16圈，在我國境內一般只能看到6圈，其中3圈升軌（衛(wèi)星從南向北運行），3圈降軌（從北向南運行），每圈只能跟蹤7至10分鐘的時間，此時可以接收到它的數(shù)據(jù)。當衛(wèi)星轉離中國的監(jiān)控范圍后，我們看不到更控制不了它，需要等待好幾個小時才能獲得它的信息。有了中繼衛(wèi)星后，衛(wèi)星獲得的信息馬上傳到中繼衛(wèi)星上，再傳回國內，就可以實時獲得相關信息了，而且，地面測控系統(tǒng)也可以通過中繼衛(wèi)星將遙控信息傳送到衛(wèi)星上。

中繼衛(wèi)星不僅對地球衛(wèi)星有用，月球探測、深空探測也有用。比如月球探測，由于月球自轉周期與月球繞地球公轉周期一樣，所以在地球上看不到月球的背面，需要在月球的背面放一顆中繼衛(wèi)星，通過它傳輸數(shù)據(jù)到地球，擴大探測范圍。

中國航天測控技術的發(fā)展

記：您從第一顆人造衛(wèi)星“東方紅”發(fā)射就開始參與到我國的衛(wèi)星測控事業(yè)中，請您回顧一下我國在航天測控技術發(fā)展中遇到過哪些困難？

李：1967年我國開始組建衛(wèi)星測控系統(tǒng);1970年，發(fā)射了第一顆“東方紅”衛(wèi)星，到目前為止天上工作的衛(wèi)星約有150多顆。

總體而言，我國衛(wèi)星測控技術發(fā)展順利，已達到國際先進水平。曾經(jīng)遇到的困難是軌道計算。1970年代軌道計算誤差在幾千米，到1984年時，雖然定軌精度提高到了200米，但還不能滿足當時對定軌精度的指標要求。經(jīng)過多年努力之后，1993年定軌精度達到國際先進水平，滿足了我國航天技術發(fā)展的需求。

現(xiàn)在，我國測控技術有了很大的提高。像雷達測距，以前的誤差在20幾米，現(xiàn)在誤差小于5米;1970年時，衛(wèi)星測速誤差60厘米/秒，到80年代就提高到2.5厘米/秒，經(jīng)多年努力，現(xiàn)在測量精度有了進一步提高。

我國早已實現(xiàn)激光測距，精度可以達到1～2個厘米。

在覆蓋率方面，不但實現(xiàn)了部分全球布站，而且，也已利用中繼衛(wèi)星實施測控。天基測控探測方面做了一些試驗和技術探索，在不久的將來也會用上。

在航天器測軌方面，目前已利用天文觀測網(wǎng)對航天器進行測軌。例如：原來屬于天文探測網(wǎng)的VLBI（very long baseline interferometry，甚長基線干涉儀），其測量精度達到0.05角秒（注：雷達精度一般是20～40角秒）。

記：我國與國外相比，測控技術處于什么水平？

李：我國航天測控技術達到了國際先進水平，但是與美國相比還有差距。美國在全球布設了20多個地面監(jiān)控站，并早已實現(xiàn)了深空測控，1977年發(fā)射的“旅行者1號”探測器，已經(jīng)飛出太陽系，距地球幾十億千米，還能接收到它的信號。

在空間態(tài)勢感知方面，美國可以對2萬多個空間目標進行編目，到2018年可實現(xiàn)對20萬個目標編目，我國還有較大差距。

記：未來我國航天測控技術朝哪些方向發(fā)展？

李：總的發(fā)展方向是優(yōu)化地基，發(fā)展天基，構建深空，綜合利用。

除了剛才提到的天地基一體化外，還會利用自然界存在的一些信息進行測定軌。例如，X射線脈沖星測軌。這種脈沖星直徑大小只有十幾千米，快速自轉并發(fā)射X射線，當X射線的波束掃到地球方向時，衛(wèi)星可以收到它的信號。X射線脈沖星的脈沖周期特別穩(wěn)定，利用脈沖到達時間可以測定航天器的軌道。

第二代“北斗”衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)覆蓋圖

全球布站和海上測控?，F(xiàn)在測控站主要在國內，西到喀什，東到佳木斯，南到海南。對近地衛(wèi)星，我國國內測控站每天只能看到衛(wèi)星6圈，僅依靠國內測控站對衛(wèi)星測控，其測控時間還不到衛(wèi)星運行時間的5%。因此要通過全球布站和海上測控來擴大測控覆蓋范圍。

航天器以后還要智能化。自己監(jiān)控狀態(tài)、控制軌道、處理故障。

記：我國已躋身于航天大國之列，具備了一定的進入空間、利用空間和控制空間的能力，在未來發(fā)展過程中，航天測控技術還會面臨哪些“攔路虎”？

李：難點主要是小衛(wèi)星的測控問題。小衛(wèi)星成本低，安全性高，但是數(shù)量太多，對它們的測控比較難。如果像現(xiàn)在一樣，一個設備跟蹤一顆星，幾十顆甚至上百顆衛(wèi)星沒法跟蹤。

二是航天器的測控覆蓋率不夠。空間對抗和偵察衛(wèi)星等，如果在國外遇到干擾和攻擊，國內卻看不到和測控不了。

三是測定軌的精度待提高。提高測軌精度才能提高定軌的精度。激光測距的精度比較高，但受天氣的影響非常大，如下雨就測不到了。

第四個難點就是航天器的自主故障處理還待加強。

深空測控也是急待解決的一大難點。例如火星的最近距離是5 500萬千米，遠距時高達4億千米，信號的時延非常大，一個無線信號傳輸過去，按光速30萬千米/秒計算，需要十幾分鐘才能傳到，更快地接收、發(fā)射信號還待研究。深空探測器要登陸其它的天體，它的精確定位和導航也是個問題。比如到火星上去，誤差達到幾千米量級。

再有就是監(jiān)控碎片。美國空間目標探測識別能力比我們強，識別直徑10厘米的空間碎片已達到2萬多個，目前正在研制S波段“空間籬笆”，預計2018年可以探測到20萬個2.5厘米的空間碎片。

航天器測控系統(tǒng)的安全性也是一大問題。測控系統(tǒng)有測控站，測控中心，測控設備的天線很大?，F(xiàn)在我國深空測控用的喀什的天線直徑35米，佳木斯的天線為66米（測軌用）。這么大的設備無法隱藏，而且為了發(fā)送接收無線電信號，天線也不能藏到山洞中去，只能放在地球表面上，戰(zhàn)時很容易遭到攻擊。

記：浩瀚的宇宙奧妙無窮，太空牧星的世界高山仰止。衷心感謝您接受本刊采訪及對院士專訪欄目的鼎力支持和幫助。