[科普中國]-測控通信系統(tǒng)

測控通信系統(tǒng)(communication system for tracking, telemetry and command)是指為導(dǎo)彈、航天器飛行試驗(yàn)傳輸測控?cái)?shù)據(jù)、話音、圖像及提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，頻率信號等信息的專用通信系統(tǒng)。

簡介測控通信系統(tǒng)(communication system for tracking, telemetry and command)是指為導(dǎo)彈、航天器飛行試驗(yàn)傳輸測控?cái)?shù)據(jù)、話音、圖像及提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，頻率信號等信息的專用通信系統(tǒng)1。

組成測控通信系統(tǒng)由數(shù)據(jù)通信、指揮通信、時(shí)間頻率統(tǒng)一系統(tǒng)、圖像通信、保密通信、電話通信，通信網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)及通信傳輸信道組成。

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)用于傳輸測控網(wǎng)中的各種數(shù)據(jù)和指令。

指揮通信系統(tǒng)用于試驗(yàn)任務(wù)時(shí)各級指揮控制中心之間、指揮控制中心與所屬測控站之間，測控站與所屬參試設(shè)備諸崗位之間的指揮通信(包括指揮調(diào)度系統(tǒng)和專用指揮電話系統(tǒng)等)。

時(shí)間頻率系統(tǒng)為測控系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號和標(biāo)準(zhǔn)頻率基準(zhǔn)信號，使測控系統(tǒng)在要求的時(shí)間同步精度條件下協(xié)調(diào)工作。

圖像通信系統(tǒng)用于發(fā)射場及航天器內(nèi)實(shí)況圖像信息的采集，處理、傳輸和顯示。

保密通信系統(tǒng)按要求對測控通信信息進(jìn)行加密處理，確保信息安全。

電話通信系統(tǒng)用于試驗(yàn)單位內(nèi)及相互間的通信聯(lián)絡(luò)。

通信網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)用于各級通信管理人員對所屬通信網(wǎng)實(shí)施自動化監(jiān)控管理。

通信傳輸信道(如衛(wèi)星通信、光纖、微波、超短波、短波及電纜信道等)與通信終端設(shè)備按一定的通信規(guī)約組成綜合信息傳輸平臺、將各級指揮控制中心、發(fā)射場、測控站及參試設(shè)備按實(shí)驗(yàn)任務(wù)的要求有機(jī)地聯(lián)系在一起，組成導(dǎo)彈、航天器測控通信系統(tǒng)2。

國外載人航天測控通信系統(tǒng)概況美國載人航天測控網(wǎng)( MSFN )于1958~1971年間投資近5億美元建成，具有跟蹤、遙測、遙控功能,后增加了通信和電視,支持了水星、雙子星和阿波羅計(jì)劃。水星計(jì)劃時(shí)包括16個(gè)站, 9個(gè)設(shè)在國外(含兩艘測量船) ,跟蹤使用C和S頻段雷達(dá),上下行話音設(shè)備采用主備兩套超高頻。雙子星座網(wǎng)計(jì)劃時(shí)測站增加至21個(gè),并將飛行計(jì)算中心和控制中心合一建立休斯頓載人航天指控中心。阿波羅網(wǎng)的變化主要是采用USB站,全球建立了近20個(gè)站(測量船、測量飛機(jī)和三個(gè)深空站)。在跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)投入使用后,美國關(guān)閉了其大部分地面站。

前蘇聯(lián)的載人航天測控網(wǎng)包括加里寧格勒飛行控制中心和加里茨恩飛行控制中心,通信方面采用衛(wèi)星通信和中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。包括上升段發(fā)射場和航區(qū)的多個(gè)測控站,運(yùn)行段使用了沿國土均勻分布的7個(gè)測控站。站內(nèi)設(shè)備有多功能測控設(shè)備、遙測設(shè)備、雷達(dá)、通信設(shè)備、衛(wèi)通、中繼衛(wèi)星終端、計(jì)算機(jī)和標(biāo)校設(shè)備等,具有測軌、遙測、遙控、通信和電視傳輸?shù)裙δ?。?0～80年代有11艘測量船。

除美國和前蘇聯(lián)建設(shè)了規(guī)模龐大的載人航天測控通信系統(tǒng),其它一些國家和航天組織也分別建立了自己的航天測控通信網(wǎng),包括測控中心和全球分布的若干測控站2。

我國載人航天測控通信系統(tǒng)在載人航天測控通信系統(tǒng)的論證設(shè)計(jì)中,始終堅(jiān)持了“立足我國國情,低投入高效益”的設(shè)計(jì)思路。系統(tǒng)以陸?；鶞y控網(wǎng)作為基本測控通信手段,充分利用現(xiàn)有的首區(qū)、航區(qū)光學(xué)設(shè)備和無線電設(shè)備;新建陸地固定測控站和活動站,建設(shè)、完善測量船隊(duì); 新建飛行任務(wù)指揮和控制統(tǒng)一的任務(wù)指揮控制中心,改造利用西安衛(wèi)星測控中心; 新建天地通信系統(tǒng)、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信網(wǎng)等通信分系統(tǒng)。這些分系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合,優(yōu)化設(shè)計(jì)布局,組成了我國新一代具有中國特色的、達(dá)到國際先進(jìn)水平的S頻段航天測控網(wǎng)。

（1）S頻段統(tǒng)一測控系統(tǒng)

S頻段航天測控網(wǎng)的設(shè)計(jì)與建設(shè)工作歷時(shí)約7年,由測控和通信共用信道造成的電磁兼容設(shè)計(jì)和天地接口設(shè)計(jì)及信息的透明傳輸方式是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn),測控通信系統(tǒng)在系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)初期就著手S波段測控網(wǎng)的頻率設(shè)計(jì),規(guī)劃了載人航天工程整個(gè)S頻段工作頻率和副載波頻率,專門設(shè)計(jì)了一套電磁兼容試驗(yàn)設(shè)備,編寫并會簽了天地接口控制文件以控制天地設(shè)備的質(zhì)量,保證了天地大回路的正常操作。

（2）任務(wù)指揮控制中心

任務(wù)指揮控制中心是地面指揮控制的中樞,負(fù)責(zé)飛船發(fā)射段和整個(gè)運(yùn)行段以及返回段的指揮控制任務(wù),由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、指揮監(jiān)控系統(tǒng)和通信系統(tǒng)組成。為了滿足工程的大數(shù)據(jù)量、高可靠、強(qiáng)實(shí)時(shí)性要求,中心設(shè)計(jì)時(shí)采用了基于GIGASwitch /FDDI網(wǎng)絡(luò)的功能分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng),這種體系結(jié)構(gòu)是對以往采用的集中式結(jié)構(gòu)的重大突破; 系統(tǒng)中通過中心級備份、雙網(wǎng)備份、雙工備份、多CPU備份和信道備份等實(shí)現(xiàn)了多層次的備份冗余體制,確保了系統(tǒng)的高可靠性; 實(shí)現(xiàn)了高速率、高并行的通信控制處理技術(shù),外線通道近百路; 采用幀中繼協(xié)議和CISCO公司的HDLC協(xié)議,為我國測控網(wǎng)與國外相關(guān)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)、互通開辟了新的技術(shù)途徑。

（3）通信分系統(tǒng)

通信分系統(tǒng)論證階段開展了衛(wèi)星通信網(wǎng)的技術(shù)體制、天地超短波通信和數(shù)字電視通信技術(shù)體制、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹?fù)接與同步技術(shù)以及天地短波超視距傳輸?shù)葐栴}的攻關(guān)。載人航天的通信系統(tǒng)是我國航天史上迄今規(guī)模最大、覆蓋面最廣、技術(shù)最先進(jìn)、通信容量最高、業(yè)務(wù)量最大,實(shí)時(shí)性最強(qiáng)、可靠性最高、效益最佳、時(shí)間同步精度最高和應(yīng)用前景最廣闊的通信系統(tǒng)。它成功組織了覆蓋整個(gè)國土和三大洋的通信網(wǎng)絡(luò),在網(wǎng)絡(luò)中采用了衛(wèi)星通信(含海事衛(wèi)星通信)、光纖傳輸電路等多種手段。提供了質(zhì)量優(yōu)良、通信方向最多、速率高達(dá)2M的通信電路,使試驗(yàn)通信的組網(wǎng)規(guī)模、技術(shù)先進(jìn)性和運(yùn)行效益等方面達(dá)到最佳;首次在試驗(yàn)任務(wù)中采用全網(wǎng)數(shù)據(jù)同步傳輸技術(shù),使我國航天通信系統(tǒng)在技術(shù)上跨上了一個(gè)新臺階,在系統(tǒng)的綜合性能上實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍; 首次采用了DDN、幀中繼、SDH等先進(jìn)傳輸系統(tǒng),在航天通信網(wǎng)中提供了數(shù)據(jù)迂回和電路自愈功能,有效地提高了通信系統(tǒng)的可靠性。

（4）脈沖雷達(dá)網(wǎng)測控通信系統(tǒng)還通過新研制多套脈沖測量雷達(dá)、對老的雷達(dá)進(jìn)行技術(shù)改造等方式充分利用脈沖雷達(dá)網(wǎng),提高入軌段、在軌運(yùn)行段和返回段的外彈道測量的可靠性。這些新研制或進(jìn)行較大技術(shù)改造的脈沖雷達(dá),都成功參試完成了試驗(yàn)任務(wù),特別是在返回段,我國第一次研制的相控陣測量雷達(dá),在目標(biāo)特性和返回軌道特性不清楚的困難條件下成功地捕獲目標(biāo),并圓滿完成了跟蹤測量任務(wù),為我國返回目標(biāo)測量提供了非常寶貴的經(jīng)驗(yàn),填補(bǔ)了該領(lǐng)域的空白。

（5）測控軟件

與硬件系統(tǒng)建設(shè)相應(yīng),測控通信系統(tǒng)自始自終堅(jiān)持按照軟件工程化的要求進(jìn)行測控軟件系統(tǒng)的建設(shè)。軟件系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)在總體技術(shù)方案中就明確規(guī)定測控軟件開發(fā)方法要采用結(jié)構(gòu)化方法,包括結(jié)構(gòu)化分析、結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)化編程和結(jié)構(gòu)化測試;在測控軟件開發(fā)中積極推進(jìn)、并貫徹執(zhí)行軟件研制的有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn),明確測控軟件的開發(fā)規(guī)范,并將載人航天測控軟件開發(fā)過程劃分為軟件總體技術(shù)設(shè)計(jì)(軟件系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì))、需求分析、概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、編碼及單元測試、部件測試、配置測試、系統(tǒng)測試和軟件維護(hù)等階段; 選擇適合任務(wù)的實(shí)時(shí)測控系統(tǒng)使用的軟件開發(fā)工具和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),開發(fā)了windows NT環(huán)境下性能與覆蓋分析工具——NPCA。載人航天測控軟件的開發(fā)在實(shí)時(shí)測控軟件開發(fā)史上實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)創(chuàng)新1。

載人空間站工程測控通信系統(tǒng)發(fā)展思路為圓滿完成空間站工程測控通信任務(wù)，測控通信系統(tǒng)需要在充分繼承交會對接任務(wù)測控通信系統(tǒng)成果的基礎(chǔ)上創(chuàng)新測控模式，在確保完成空間站測控通信任務(wù)的同時(shí)，構(gòu)建適合未來發(fā)展的新測控體系。

（1）建立天地基相融合的測控模式

在前期載人航天飛行任務(wù)中，主要依靠陸?；鶞y控設(shè)備完成測控通信任務(wù)。交會對接任務(wù)中，中繼衛(wèi)星系統(tǒng)開始正式參加任務(wù)，并發(fā)揮了重要作用?！疤戽溡惶枴?顆中繼衛(wèi)星業(yè)已部署完畢，初步形成了覆蓋全球的天基測控網(wǎng)。

天基測控具有覆蓋率高、數(shù)據(jù)傳輸率高以及測定軌精度高等優(yōu)勢。雖然天基測控已經(jīng)在交會對接任務(wù)中得到初步應(yīng)用，并取得顯著成效，但我們在利用天基測控為載人航天任務(wù)提供測控支持方面還不夠成熟和完善，還需要深入研究天基測控的優(yōu)點(diǎn)，使其更好地為空間站任務(wù)提供測控支持。天基測控手段主要依靠我國逐步建立完善的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

（2）測控?cái)?shù)傳一體化發(fā)展思路

在交會對接任務(wù)中，利用S頻段測控設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)速率為2Mbit/s的數(shù)據(jù)接收；空間站任務(wù)提出了幾百兆量級的數(shù)據(jù)傳輸需求。在信息化和網(wǎng)絡(luò)化的社會，測控與數(shù)傳越來越不可分，需要深入研究和探討測控通信與數(shù)據(jù)傳輸一體化的發(fā)展模式。

（3）基于網(wǎng)絡(luò)的天地一體化設(shè)計(jì)

空間站與地面之間有大量的信息進(jìn)行交換，空間站有各類數(shù)據(jù)和用戶節(jié)點(diǎn)，地面除測控通信中心、測控站外，也有許多用戶需要與空間站進(jìn)行交互，因此需要研究和設(shè)計(jì)基于網(wǎng)絡(luò)的天地一體化信息傳輸體系。空間站任務(wù)的測控通信鏈路可分為低速信道和高速信道。低速信道主要傳輸遙測、遙控、話音等可靠性要求高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的數(shù)據(jù)，可采用經(jīng)過多次任務(wù)驗(yàn)證的成熟協(xié)議；而高速信道主要傳輸音視頻、文件、試驗(yàn)數(shù)據(jù)等，為更好地支持端到端信息傳輸，其協(xié)議體系應(yīng)具有很好的靈活性和擴(kuò)展性，以適應(yīng)未來網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)擴(kuò)展和業(yè)務(wù)種類擴(kuò)展3。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

杜強(qiáng) - 高級工程師 - 中國科學(xué)院工程熱物理研究所