【大家】李济生谈航天测控与精密定轨

卫星与网络

（原文刊登于《卫星与网络》杂志2013年8月）

一、航天测控

自从1957年苏联成功发射第一颗人造地球卫星之后，迄今为止，人类已将五千多颗卫星、飞船、航天飞机、空间站和深空探测器等航天器相继送入太空。尽管太空中人造航天器“繁星点点”，但人们对这些航天器的运动情况和各种仪器、设备的工作状态却了如指掌，如数家珍。这些“在天之客”的工作井然有序，它们的一举一动地球上的人们也会洞察无余。为什么太空中每一架航天器都能按照预先的设计沿着自己的轨道乖乖飞行，并且完成人们赋予的各种任务呢？这一切主要归功于“航天测控”。

航天测控主要完成三方面的功能：一是利用雷达、光学望远镜等地面设备对航天器的位置和速度进行跟踪测量，并确定航天器的运行轨道；二是接受航天器下传的“遥测数据”和有效载荷数据，监视航天器的工作状态；三是对航天器的轨道、姿态和设备进行控制，以完成各项任务。

为了完成航天测控的这些任务，必须建立庞大的航天测控网。测控网由测控中心、多个测控站和通信链路组成。为了扩大对航天器的跟踪覆盖率，测控站的分布地域要尽量大，最好是全球布站，通信链路将测控中心与各测控站连接成一个有机的整体。航天测控网除了分布在全球各地外，还延伸到了太空。例如，在地球赤道上空的“中继卫星”不但可以测量航天器的位置信息，还可以将航天器的探测数据及遥测数据传回地面，并将地面对航天器的各种“指令”传送给航天器，使人们“眼睛看得更远、手伸得更长”。

航天测控网依照测控对象，大体上可以分为卫星测控网和深空测控网二类，前者主要用于在地球周围空间运行的航天器的测控，后者主要是为探测火星、彗星等遥远天体的航天器进行测控服务。因为深空航天器距地球非常遥远，因此，深空测控网的接收设备灵敏度更高，天线更庞大。但无论是那类测控网，都要包括跟踪测轨、遥测、遥控系统等几个主要部分。

航天测控主要完成以下具体任务：

1、当航天器发射时，对运载火箭和航天器进行跟踪测量，判定航天器是否进入预定轨道并按飞行程序完成各项动作。根据航天器实际轨道，制定后续测控计划；

2、航天器在运行过程中，各种设备的工作状态都通过“遥测参数”传送到地面，使人们对航天器的工作情况了如指掌。抑或出现意外故障，人们也可及时采取措施进行抢救；

3、对每个航天器进行跟踪，获取其空间位置或运行速度信息，计算航天器的运行轨道。航天器虽然运行在浩瀚的天宇中，但其“行踪”却始终掌握在人们的手心中。同时，为航天器的各种用户提供精密轨道参数；

4、对于地球静止轨道等某些特定轨道，运载火箭很难将航天器直接送入轨道，而是首先将航天器送入“过渡轨道”。人们必须通过航天测控对航天器进行姿态和轨道机动控制，使其进入设计的目标轨道；

5、航天器在运行过程中都会受到大气阻力、日月引力等多种力的“摄动”影响，航天器往往会逐渐偏离设计轨道，测控系统要向航天器发送轨道机动命令和参数，进行机动控制，使其始终保持在设计轨道上或可允许的误差范围内，以保证航天器能够正常工作；

6、对于载人航天器的交会对接和天地往返，要对空间站和载人飞船进行轨道调整，导引飞船在适当时机与空间站对接。当飞船需要返回地面时，测控中心还必须在它返回前向其发送返回控制参数，使返回舱降落到预先指定的返回区域。测控网还具备天地话音通信、电视图像和高速数据传输等能力，保证航天员与地面的话音和图像联系；

7、对航天器上各种仪器、设备进行控制，使其处于最佳工作状态，并按人们的要求进行工作；

8、对于深空探测航天器，要使其在适当的时机降落在目标天体的适当区域，并控制着陆探测器的活动，以及探测器返回地球的各种机动控制。

9、各航天器都有自身的特定使命：导航、通信、预警、对地遥感、科学探测等等，它们在太空获取的各种数据都要传送回地面，由测控系统分送到各个用户；

10、空间中存在着大量废弃的航天器和碎片，测控系统根据航天器和空间碎片的轨道，计算航天器与空间碎片发生碰撞的概率，如果出现碰撞的可能性，则对航天器进行轨道机动，避免碰撞，保证航天器运行安全。

这，就是航天测控系统所起到的重要作用，它严密监测着太空中航天器的一举一动。迄今为止，世界上还没有一种航天器能够脱离航天测控网的支持独立地完成全部航天任务。

航天测控网自上个世纪六十年代由美国首开先河，目前在世界航天领域，美国是全球布网。中国的航天测控网从1967年开始建设，目前已涵盖北京、西安、酒泉三大测控中心和九个航天测控站、若干个陆上活动测控站、多艘海上测控船、三个国外测控站以及连接它们的测控通信网，同时，还有三颗位于地球静止轨道的中继卫星构成了一个功能完善的测控系统。该系统先后完成了我国多种卫星、“神舟”系列载人飞船、飞船与空间站交会对接和“嫦娥”月球探测器的测控任务，还为多颗国外商用卫星提供了测控支持。

二、精密定轨

航天器的轨道确定是航天测控和航天技术应用的基础，若想航天测控和航天应用达到高水平，精密定轨技术是必不可缺的。例如，对地光学成像卫星，必须知道成像时刻卫星的空间位置才能计算出成像目标的地理坐标。航天器的运行轨道是用六个轨道参数表述的，这六个参数被称为轨道根数。原则上，只要知道了航天器的六个轨道根数，就可计算出航天器在过去、现在和未来时刻的位置和速度。要想获得航天器在某一时刻的准确位置就必须首先精确确定航天器的轨道根数。要实现精密定轨，一方面要获取对航天器的高精度跟踪测量数据，另一方面还要建立起影响航天器运动的精密动力学模型。精密定轨就是研究如何使用这些测轨数据计算航天器精密轨道根数的方法。

航天器在空间运行过程中，除了受中心天体的引力作用外，还会受到其它各种力的影响，这些统称“摄动力”。例如对地球卫星而言，卫星除了受地心引力外，还有地球非球形部分的引力、大气阻力、地球潮汐现象（固体潮、海潮、大气潮）造成的地球质量分布变化引起的引力变化、太阳光对卫星的压力、太阳和月球以及太阳系其它行星对卫星的引力、地球红外辐射和反射的太阳光对卫星产生的压力、卫星自身产生的动力（如卫星姿态控制力）、相对论效应等。这些摄动力虽然非常微小，但是，对卫星的运动却会产生显著的影响。例如，大气阻力可以使低轨道卫星的近地点高度每天降低几十米。

要实现精密定轨，就必须要有高精度的测轨数据，目前常用的精密测轨设备有激光测距、DORIS测速系统、星载双频GPS接收机等。激光测距误差大约1～2厘米。DORIS测速精度可以达到0.1毫米/秒。使用GPS相位测量数据可以使定位精度达到厘米量级。目前，精密定轨技术已达到很高的水平，GPS卫星位置计算精度可以达到分米量级，而用于地球重力场测量的GRACE卫星位置计算精度可以达到厘米量级。

精密定轨涉及的技术领域很多，包念了数学、天文学、物理学、海洋学、地球物理、大地测量、空间物理、电磁学等多方面知识。随着航天技术的发展，航天器测控和应用对精密定轨也提出更高的要求，不断提高定轨精度成为定轨技术发展永恒的目标。