高 山，楊玖文，李彥峰

（中國(guó)人民解放軍63729部隊(duì)，太原，030027）

0 引言

由于中國(guó)地理環(huán)境復(fù)雜，在局部出現(xiàn)重大自然災(zāi)害時(shí)，地面觀測(cè)、通信等設(shè)施設(shè)備極易受損導(dǎo)致無(wú)法工作。這種情況下急需航天器及時(shí)提供對(duì)地觀測(cè)、區(qū)域通信、導(dǎo)航定位等方面的支援保障，為指揮決策、開(kāi)展抗震救災(zāi)工作等提供支撐［1-5］。

目前，在提供天基信息支援時(shí)，一般可采用3種方式［6］：a）在軌航天器快速提供天基信息支援；b）在軌航天器應(yīng)急機(jī)動(dòng)變軌后提供天基信息支援；c）航天快速發(fā)射入軌補(bǔ)網(wǎng)后提供天基信息支援。其中，現(xiàn)有航天測(cè)控網(wǎng)對(duì)前兩種方式的測(cè)控支持模式基本成熟，但無(wú)法滿足航天快速發(fā)射體系的要求。

1 航天快速發(fā)射測(cè)控支持需求分析

1.1 航天快速發(fā)射流程

航天快速發(fā)射模式如圖1所示。

圖1 航天快速發(fā)射模式示意Fig.1 Schematic of space rapid launch mode

基于航天快速發(fā)射模式，將航天快速發(fā)射流程分為規(guī)劃階段、準(zhǔn)備階段、實(shí)施階段，如圖2所示。

a）規(guī)劃階段。

規(guī)劃階段主要依據(jù)衛(wèi)星型號(hào)、軌道參數(shù)、入軌窗口、快速發(fā)射時(shí)限等具體要求，確定快速發(fā)射波次、發(fā)射點(diǎn)位置等基本信息，并對(duì)測(cè)發(fā)、測(cè)控、通信等資源進(jìn)行快速編組，確定發(fā)射方案初稿。通過(guò)發(fā)射方案推演，迭代優(yōu)化方案，最終確定切實(shí)可行的發(fā)射方案。

b）準(zhǔn)備階段。

準(zhǔn)備階段主要指各系統(tǒng)依據(jù)發(fā)射方案組織開(kāi)展相關(guān)準(zhǔn)備工作。其中，測(cè)發(fā)力量準(zhǔn)備工作主要包括星箭測(cè)試、總檢查、星箭匹配、星箭裝車、設(shè)備就位、射前檢查、諸元裝訂等；測(cè)控力量準(zhǔn)備工作主要包括測(cè)控裝備狀態(tài)切換、設(shè)備就位等；通信力量準(zhǔn)備工作主要包括狀態(tài)準(zhǔn)備、通信線路測(cè)試等。全系統(tǒng)準(zhǔn)備完畢后，利用合練檢查確認(rèn)各系統(tǒng)狀態(tài)的正確性和匹配性。

c）實(shí)施階段。

實(shí)施階段主要指運(yùn)載火箭點(diǎn)火起飛后，完成上升段測(cè)量、安控任務(wù)，利用遙外測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星入軌點(diǎn)計(jì)算，并對(duì)快速發(fā)射效果進(jìn)行評(píng)估，為后續(xù)決策提供支撐。

1.2 測(cè)控支持需求分析

航天快速發(fā)射具備快速性、精簡(jiǎn)性、系統(tǒng)性等特點(diǎn)，故航天快速發(fā)射體系中測(cè)控力量建設(shè)要重點(diǎn)考慮以下測(cè)控支持需求。

a）測(cè)控支持速度要快。

航天快速發(fā)射主要是應(yīng)對(duì)突發(fā)重大自然災(zāi)害等情況，事前無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)具體時(shí)間、具體地點(diǎn)，故從確定快速發(fā)射要求至完成快速發(fā)射的周期短、快速發(fā)射區(qū)域無(wú)法固定等，這就要求測(cè)控力量準(zhǔn)備速度要盡可能快、約束條件要盡可能少。

b）測(cè)控支持能力要全。

快速發(fā)射作為航天發(fā)射的一種新模式，相對(duì)常規(guī)測(cè)控網(wǎng)，快速發(fā)射測(cè)控力量應(yīng)當(dāng)簡(jiǎn)化，但為了確?？焖侔l(fā)射安全可控，快速發(fā)射仍需具備測(cè)量、安控、數(shù)據(jù)處理、快速評(píng)估等能力。

c）測(cè)控支持性能可靠。

相對(duì)常規(guī)測(cè)控網(wǎng)，快速發(fā)射測(cè)控力量冗余備份手段少，但其可靠性要求卻未降低，這就要求快速發(fā)射測(cè)控力量在關(guān)鍵環(huán)節(jié)需要建設(shè)備份手段，同時(shí)骨干力量要具備高可靠性。

2 航天快速發(fā)射測(cè)控支持模式構(gòu)建

2.1 測(cè)控力量構(gòu)建

2.1.1 總體思路

航天快速發(fā)射體系測(cè)控力量建設(shè)的基本思路是基于常規(guī)航天發(fā)射測(cè)控經(jīng)驗(yàn)和航天快速發(fā)射流程，采用一體化設(shè)計(jì)理念，以“快速”為核心，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間業(yè)務(wù)融合、能力融合，構(gòu)建快速高效的測(cè)控支持模式，達(dá)到提升航天快速發(fā)射能力的目的。

2.1.2 測(cè)控力量組成

為滿足航天快速發(fā)射測(cè)控支持需求，需要合理開(kāi)展測(cè)控力量建設(shè)，在體系結(jié)構(gòu)上緊貼航天快速發(fā)射需求，在功能上又可作為常規(guī)航天發(fā)射測(cè)控網(wǎng)的備份。

a）一體化機(jī)動(dòng)測(cè)控裝備。

一體化機(jī)動(dòng)測(cè)控裝備是航天快速發(fā)射體系中測(cè)控的骨干力量。一體化機(jī)動(dòng)測(cè)控裝備采用測(cè)量處理一體化、測(cè)控通信一體化、無(wú)依托測(cè)控等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“一車一站”式設(shè)計(jì)，采用統(tǒng)一S頻段測(cè)控體制，具備遙測(cè)、外測(cè)、遙控等功能；集成了數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，具備數(shù)據(jù)綜合處理、態(tài)勢(shì)顯示、安全控制等功能；集成了衛(wèi)星通信系統(tǒng)，具備衛(wèi)星通信功能；集成了車載油機(jī)具備自主供電保障能力；集成了測(cè)姿測(cè)位系統(tǒng)，具備“動(dòng)中通、動(dòng)中測(cè)”能力，可實(shí)現(xiàn)全空域、多目標(biāo)、無(wú)依托測(cè)控，為航天快速發(fā)射提供有效測(cè)控支持。

b）便攜式遙測(cè)設(shè)備。

便攜式遙測(cè)設(shè)備采用集成化設(shè)計(jì)，具備快速展開(kāi)、快速撤收能力，可在發(fā)射點(diǎn)周圍獲取起飛初始段遙測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)在準(zhǔn)備階段還可參加總檢查等，為準(zhǔn)備階段狀態(tài)評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐。

c）天基測(cè)控系統(tǒng)。

考慮到一體化機(jī)動(dòng)測(cè)控裝備和便攜式遙測(cè)設(shè)備無(wú)法覆蓋全程，在上升段后期需要采用中繼衛(wèi)星、北斗衛(wèi)星等完成天基測(cè)控，直至衛(wèi)星入軌成功。同時(shí)在上升段前期，天基測(cè)控可與一體化機(jī)動(dòng)測(cè)控裝備、便攜式遙測(cè)設(shè)備等形成冗余備份，提高快速發(fā)射測(cè)控支持可靠性。

d）遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

快速發(fā)射效果評(píng)估是快速發(fā)射體系中關(guān)鍵一環(huán)，除一體化機(jī)動(dòng)測(cè)控裝備完成數(shù)據(jù)處理、評(píng)估外，還需在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)同步完成快速發(fā)射效果評(píng)估，作為航天快速發(fā)射體系的關(guān)鍵備份，為航天快速發(fā)射提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2 測(cè)控支持模式

2.2.1 規(guī)劃階段

航天快速發(fā)射規(guī)劃階段，測(cè)控總體人員依據(jù)快速發(fā)射要求，快速完成測(cè)控資源編組，核算測(cè)控弧段覆蓋性和測(cè)控鏈路可靠性，確定測(cè)控方案，明確測(cè)控要求。

2.2.2 準(zhǔn)備階段

航天快速發(fā)射準(zhǔn)備階段，測(cè)控支持模式如下：

a）在陣地檢查期間，便攜式遙測(cè)設(shè)備、一體化機(jī)動(dòng)測(cè)控裝備參加，驗(yàn)證遙測(cè)系統(tǒng)天地鏈路的匹配性；

b）在陣地檢查期間，一體化機(jī)動(dòng)測(cè)控裝備參加，完成安控裝碼對(duì)接工作，驗(yàn)證安控系統(tǒng)天地鏈路的匹配性；

c）完成測(cè)控力量技術(shù)狀態(tài)調(diào)整，參加合練，驗(yàn)證全系統(tǒng)狀態(tài)正確性。

2.2.3 實(shí)施階段

航天快速發(fā)射實(shí)施階段測(cè)控支持模式如圖3所示。

圖3 航天快速發(fā)射實(shí)施階段測(cè)控支持示意Fig.3 Schematic of TT&C support in the implementation phase of space rapid launch

航天快速發(fā)射實(shí)施階段測(cè)控，各測(cè)控力量具體工作內(nèi)容如下：

a）一體化機(jī)動(dòng)測(cè)控裝備在上升段主要完成火箭飛行軌跡測(cè)量、遙測(cè)數(shù)據(jù)接收解調(diào)解密處理、異常情況下實(shí)施地面安控；接收便攜式遙測(cè)設(shè)備、天基測(cè)控系統(tǒng)發(fā)送的測(cè)量信息，與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理結(jié)果的信息交互；車載數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過(guò)處理外測(cè)、遙測(cè)、天基測(cè)量信息等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)飛行態(tài)勢(shì)顯示、衛(wèi)星入軌參數(shù)計(jì)算、快速發(fā)射效果評(píng)估等功能。

b）便攜式遙測(cè)設(shè)備接收解調(diào)得到遙測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)衛(wèi)通設(shè)備向一體化機(jī)動(dòng)測(cè)控裝備和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)發(fā)送。

c）天基測(cè)量信息由天基測(cè)控系統(tǒng)分別向一體化機(jī)動(dòng)測(cè)控裝備和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)發(fā)送，天基測(cè)控系統(tǒng)接收一體化機(jī)動(dòng)測(cè)控裝備發(fā)送的安控信息并向火箭轉(zhuǎn)發(fā)。

d）遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)作為一體化機(jī)動(dòng)測(cè)控裝備數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的備份，同步接收各類測(cè)量信息和處理結(jié)果，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)飛行態(tài)勢(shì)顯示、衛(wèi)星入軌參數(shù)計(jì)算、快速發(fā)射效果評(píng)估等功能。

e）衛(wèi)星入軌后，一體化機(jī)動(dòng)測(cè)控裝備還可作為衛(wèi)星管理地面站接收在軌段衛(wèi)星管理及應(yīng)用數(shù)據(jù)，具備衛(wèi)星飛行軌跡測(cè)量、遙測(cè)數(shù)據(jù)接收解調(diào)、遙控指令發(fā)送、衛(wèi)星應(yīng)用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能，實(shí)現(xiàn)指定衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視，同時(shí)可依據(jù)上級(jí)要求調(diào)整衛(wèi)星飛行姿態(tài)，有效提升測(cè)控支持能力。

2.3 測(cè)控支持體系能力評(píng)估

2.3.1 實(shí)時(shí)測(cè)控支持能力評(píng)估

實(shí)時(shí)測(cè)控支持能力包括測(cè)量、安控、數(shù)據(jù)處理、快速評(píng)估等，基于運(yùn)載火箭飛行軌跡、航天快速發(fā)射測(cè)控支持體系能力，評(píng)估航天快速發(fā)射測(cè)控支持效果。

a）經(jīng)典坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換方程。

利用運(yùn)載火箭飛行軌跡和航天快速發(fā)射測(cè)控支持裝備的位置信息，可以計(jì)算得到運(yùn)載火箭在測(cè)站坐標(biāo)系下的斜距、俯仰等值。

式中X，Y，Z分別為運(yùn)載火箭軌跡在地心坐標(biāo)系下x，y，z位置分量，單位m；X0，Y0，Z0分別為測(cè)站三軸中心在地心坐標(biāo)系下X，Y，Z 位置分量，單位m；R為運(yùn)載火箭與測(cè)站三軸中心的斜距，單位m；A為運(yùn)載火箭在測(cè)站坐標(biāo)系下方位角，范圍0°～360°；E為運(yùn)載火箭在測(cè)站坐標(biāo)系下俯仰角，范圍-90°～90°。

b）經(jīng)典天地鏈路方程。

經(jīng)典天地鏈路方程如下：

式中P收為收端接收到的信號(hào)幅度，單位dBW；P發(fā)為發(fā)端的發(fā)射功率，單位dBW；G發(fā)為發(fā)端的天線增益，單位dB；L空間為空間衰減值，單位dB；L極化為空間極化衰減，單位dB，一般取1～2 dB；L大氣為大氣衰減，單位dB，一般取1～2 dB；G收為收端的天線增益，單位dB。

其中，空間衰減公式如下：

式中F為無(wú)線電頻率，單位GHz；R為測(cè)控設(shè)備和目標(biāo)的空間徑向距離，單位km。

c）實(shí)時(shí)測(cè)控支持效果仿真。

利用式（1）、式（4）、式（5）以及箭地裝備接收靈敏度，可以估算出各測(cè)控設(shè)備獲取遙外測(cè)數(shù)據(jù)、完成安控任務(wù)的弧段，考慮到地球曲率、設(shè)備遮擋等情況，依據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，一般取俯仰角大于3°進(jìn)行有效評(píng)估。

依據(jù)航天快速發(fā)射測(cè)控支持體系能力，仿真測(cè)控支持效果如圖4所示。

圖4 航天快速發(fā)射測(cè)控支持效果仿真示意Fig.4 Schematic of space rapid launch TT&C support effect

從圖4可以看出，航天快速發(fā)射測(cè)控支持體系可以滿足運(yùn)載火箭遙測(cè)數(shù)據(jù)獲取、飛行軌跡測(cè)量、異常情況地面安全控制、數(shù)據(jù)處理、快速評(píng)估等要求，并有一定冗余備份能力。

2.3.2 快速準(zhǔn)備能力評(píng)估

當(dāng)需要在臨時(shí)點(diǎn)位完成快速發(fā)射時(shí)，常規(guī)測(cè)控支持模式需要提前完成測(cè)控裝備的點(diǎn)位選取、現(xiàn)場(chǎng)勘查、大地測(cè)量、通信保障線路架設(shè)等工作。

常規(guī)測(cè)控支持模式與航天快速發(fā)射測(cè)控支持模式準(zhǔn)備效果對(duì)比如下。

a）約束條件。

常規(guī)測(cè)控支持模式下，測(cè)控設(shè)備點(diǎn)位選取需考慮測(cè)控弧段、周邊遮擋、標(biāo)校環(huán)境、電磁環(huán)境等需求，約束條件多。

航天快速發(fā)射測(cè)控支持模式下，便攜式遙測(cè)設(shè)備布設(shè)于發(fā)射點(diǎn)周邊500 m以內(nèi)，僅需考慮與發(fā)射點(diǎn)的通視情況，一體化機(jī)動(dòng)測(cè)控裝備具備“動(dòng)中通、動(dòng)中測(cè)”能力，點(diǎn)位選取僅需考慮測(cè)控弧段覆蓋，事前選定大致區(qū)域即可，約束條件少。

b）準(zhǔn)備周期。

常規(guī)測(cè)控支持模式下，從點(diǎn)位選取到測(cè)控設(shè)備就位，準(zhǔn)備周期至少10天，準(zhǔn)備周期長(zhǎng)。

航天快速發(fā)射測(cè)控支持模式下，僅需對(duì)一體化機(jī)動(dòng)測(cè)控裝備在選定區(qū)域內(nèi)行進(jìn)路線進(jìn)行勘查，準(zhǔn)備周期為1天，準(zhǔn)備周期短。

c）保障壓力。

常規(guī)測(cè)控支持模式下，臨時(shí)點(diǎn)位利用率低，保障經(jīng)費(fèi)和建設(shè)需求矛盾突出，保障壓力大。航天快速發(fā)射測(cè)控支持模式下，無(wú)需開(kāi)展點(diǎn)位建設(shè)，保障壓力小。

綜上所述，相對(duì)于常規(guī)測(cè)控支持模式，航天快速發(fā)射測(cè)控支持模式準(zhǔn)備效率更高。

3 關(guān)鍵技術(shù)

在航天快速發(fā)射測(cè)控方預(yù)案庫(kù)建設(shè)、天地測(cè)控體制規(guī)劃、智能化運(yùn)行體系建設(shè)等方面持續(xù)開(kāi)展深入研究，能進(jìn)一步提升航天快速發(fā)射測(cè)控支持能力。

3.1 航天快速發(fā)射測(cè)控方預(yù)案庫(kù)建設(shè)

為適應(yīng)多種天基信息支援需求，航天快速發(fā)射可采用一箭一星、一箭多星、小區(qū)域內(nèi)多箭多星、廣域范圍內(nèi)多箭多星、多箭并行發(fā)射、多箭串行發(fā)射等模式，而航天快速發(fā)射體系中測(cè)控力量建設(shè)需要統(tǒng)籌兼顧上述發(fā)射模式。

航天快速發(fā)射體系中測(cè)控力量需要加強(qiáng)日常模擬應(yīng)用場(chǎng)景訓(xùn)練，針對(duì)上述不同發(fā)射模式，利用測(cè)控實(shí)裝、訓(xùn)練系統(tǒng)等手段，從測(cè)控資源編組、指揮操作協(xié)同、應(yīng)急處置演練、典型故障排除等方面大膽嘗試、精細(xì)復(fù)盤，反復(fù)驗(yàn)證測(cè)控方預(yù)案的合理性、完備性，迭代形成成熟且可用的測(cè)控方預(yù)案納入發(fā)射方案庫(kù)，做到未雨綢繆，有備無(wú)患，不斷提升航天快速發(fā)射測(cè)控支持能力。

3.2 天地測(cè)控體制規(guī)劃

航天快速發(fā)射體系中火箭、衛(wèi)星、航天器等采用的測(cè)控體制、合作目標(biāo)性能直接影響測(cè)控力量建設(shè)，在航天快速發(fā)射體系建設(shè)時(shí)，需要統(tǒng)籌考慮。

遵從航天快速發(fā)射任務(wù)快速、精簡(jiǎn)的原則，建議天地測(cè)控體制優(yōu)選統(tǒng)一S 頻段綜合測(cè)控體制，火箭、衛(wèi)星、航天器等安裝USB應(yīng)答機(jī)，一體化機(jī)動(dòng)測(cè)控裝備收發(fā)采用S 頻段設(shè)計(jì)，利用S 頻段調(diào)頻遙測(cè)、擴(kuò)頻遙測(cè)、BPSK 遙測(cè)等實(shí)現(xiàn)目標(biāo)下行遙測(cè)接收，利用S頻段遙控實(shí)現(xiàn)目標(biāo)上行安控指令、上行遙控指令發(fā)送。針對(duì)多目標(biāo)測(cè)控需求，可以通過(guò)改變USB應(yīng)答機(jī)上下行工作點(diǎn)頻、擴(kuò)頻碼組等方式予以區(qū)分。

3.3 智能化運(yùn)行體系建設(shè)

隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，在裝備自主運(yùn)行、數(shù)據(jù)分析、指揮決策等方面利用智能化技術(shù)提升系統(tǒng)綜合效能是大勢(shì)所趨。

在航天快速發(fā)射體系建設(shè)時(shí)，提早布局智能化運(yùn)行體系研究，通過(guò)智能化技術(shù)應(yīng)用，使測(cè)控運(yùn)行流程更加快速化、合理化以及最優(yōu)化；降低對(duì)人員的操作要求，最大程度降低人為因素引入的安全隱患；借鑒數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵崗位人員的智能提醒、輔助決策，保障人員更加安全高效順利的完成任務(wù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

航天快速發(fā)射體系建設(shè)是一個(gè)系統(tǒng)工程，測(cè)控力量建設(shè)和職能發(fā)揮必須站在全局的角度統(tǒng)籌考慮，本文提出了一種航天快速發(fā)射測(cè)控力量建設(shè)思路和支持模式，基本可以滿足航天快速發(fā)射的需求，后續(xù)還需要在體系規(guī)劃、裝備建設(shè)、方案設(shè)計(jì)、運(yùn)行模式、保障條件等方面持續(xù)開(kāi)展攻關(guān)研究，為提升航天發(fā)射測(cè)控支持能力提供技術(shù)支撐。