航天測控系統:對運行中的航天器進行跟蹤、測量和控制的大型電子系統-中文百科頻道

定義

對運行中的航天器（運載火箭、人造地球衛星、宇宙飛船和其他空間飛行器）進行跟蹤、測量和控制的大型電子系統。

系統組成

航天測控系統包括以下各種系統。前3個系統，由地面的和裝在航天器上的兩部分電子設備組成。

①跟蹤測量系統：跟蹤航天器，測定其彈道或軌道。

②遙測系統：測量和傳送航天器内部的工程參數和用敏感器測得的空間物理參數。

③遙控系統：通過無線電對航天器的姿态、軌道和其他狀态進行控制。

④計算系統：用于彈道、軌道和姿态的确定和實時控制中的計算。

⑤時間統一系統：為整個測控系統提供标準時刻和時标。

⑥顯示記錄系統：顯示航天器遙測、彈道、軌道和其他參數及其變化情況，必要時予以打印記錄。

⑦通信、數據傳輸系統：作為各種電子設備和通信網絡的中間設備，溝通各個系統之間的信息，以實現指揮調度。

航天測控網

各種地面系統分别安裝在适當地理位置的若幹測控站（包括必要的測量船和測控飛機）和一個測控中心内，通過通信網絡相互聯接而構成整體的航天測控系統（見圖1），或稱航天測控網。

總體設計

航天測控系統總體設計屬于電子系統工程問題。對整個系統來說，首先考慮的是航天任務的要求，可以針對某一個任務，也可以兼顧多個任務，從較長遠的發展要求來設計。航天測控系統的中心問題是從地面和航天器整體出發，實現信息獲取，即将航天器的飛行和工作數據發回地面，并用計算機進行計算、決策和實時反饋來控制航天器飛行的軌道和姿态。

存在問題

因此，在總體設計中必須解決的問題有：①全系統所要具備的功能和實現這些功能的手段；②測控站布局的合理性；③控制的适時性和靈活性；④各種設備的性能、速度和精度；⑤長期工作的可靠性；⑥最低的投資和最短的建成時間。

電子測控系統

跟蹤測量、遙測和遙控系統是整個測控系統的基本部分。電子測控系統的優點是可以對航天器全天候跟蹤，而且有較好的靈活性和足夠的精度。從系統工程的角度來看，對航天器跟蹤測量所得的數據，經過計算，可給出彈道、軌道或位置的信息；而遙測所提供的數據，經過處理、分析可給出航天器的狀态信息；它們都是系統中反饋回路的重要信息源。遙控則是控制系統中的執行機構。

電子測量和控制系統的地面部分，必須與裝在航天器上的電子設備相配合才能完成測控任務。對于測量，航天器上必須有相應的信标機或應答機，它們發回地面跟蹤和測速用的射頻信号，應答機還發回測距信息。對于遙測，航天器上必須有檢測各種參數的傳感器和發送這些參數的射頻發射機。對于遙控，航天器上必須有指令接收機。因此，航天器上的和地面的兩部分電子設備在設計時應該結合起來統一考慮。

為了提高測量的精确性和擴大信息的傳輸量，測控設備所用的無線電頻率大部分已經提高到微波波段。為了減少航天器上電子設備的重量、體積，特别是要減少天線的數目，将各種測控功能适當地綜合在一個統一的射頻載波上是一個重要的發展。這種系統稱為微波統一測控系統。中國研制的微波統一測控系統,靈活多用,可進行單站或多站測量。

計算系統

計算系統是整個測控系統的核心。各個測控站和各個設備都可用自己的計算機來處理本站和本機的數據，但大數據量的計算以及根據計算結果進行分析和做出控制決策等，一般都要集中到測控中心來做。因此，在測控中心應裝有容量大、速度高的計算機，并能雙工工作以保證可靠性。在主機前端則可采用較小的計算機來進行數據的編輯、選擇和預處理。主機的計算結果，一方面輸入顯示系統加以顯示，以便指揮控制人員能據此作出決策；另一方面也可以由計算機在人的監視下進行自動分析、決策，直接選擇控制參數，通過遙控信道發出指令。這些計算、分析、人-機對話和決策,都須依靠計算機軟件系統來實現。因此，編制适當的軟件，經過演練确認其正确性，定型後并在實際中使用，是測控系統在航天器發射和管理中的一項十分重要的工作。

優化配置策略

航天測控系統現行測試資源建設模式還基本延續傳統的串行建設模式，即：先研制航天測控裝備，在實現裝備功能前提下再詳細考慮測試資源建設問題。這種模式在早期航天測控裝備數量和種類少的情況下基本能夠滿足要求，但是近年來伴随航天測控系統規模壯大，複雜度提高，種類、數量不斷增加，傳統的串行測試資源建設模式越來越難以為繼，迫切需要尋求方法來緩解日益增長的測試資源需求和有限測試保障經費之間的矛盾。

從裝備質量特性的角度考慮，測試資源的配置屬于“測試性”學科研究範疇。“測試性”是指産品能及時并準确地确定其狀态（可工作、不可工作或性能下降），并隔離其内部故障的一種設計特性。裝備測試性是構成裝備質量特性的重要組成部分，是裝備可靠性設計與裝備維修保障設計之間的重要紐帶，是确保裝備戰備完好性、任務成功性和安全性要求得到滿足的重要中間環節。在測試性工程框架内，航天測控系統測試資源配置應該面向裝備全系統、全壽命并行一體化實施；充分考慮測試性、可計量性、可靠性、維修性、安全性、保障性等特性要求；兼容區域計量與測試保障模式和裝備縱向分層維修體制；相似産品的軟硬件設計、測試性設計、可計量性設計等方法和信息複用；以最佳效費比為原則，科學權衡确定機内測試設備（built．in—test equipment，BITE）、自動測試設備（automatic test equipment，ATE）、外部測試設備（external test equipment，ETE）等的組合方案。

基于并行工程和系統工程思想，構建了測試資源配置體系結構，旨在為開展大規模測試資源配置提供系統化策略形成機制。首先，對測試資源配置體系結構4個組成部分的功能進行了描述，對可用的現有成熟技術進行了綜述，證明了測試資源配置體系結構的可行性。然後，給出了面向維修體制的測試資源配置問題層次化并行建模技術、标準化技術、信息集成與管理技術3項測試資源優化配置關鍵技術。最後，給出了航天測控系統測試資源優化配置平台設計案例，驗證了相關方法的正确性。

測試資源配置體系結構如圖2所示，包括測試資源配置相關信息描述、測試資源配置問題建模、測試資源配置方案評價、測試資源配置方案優化4個部分，信息為問題建模、方案評價、方案優化提供輸入，模型是方案評價與優化的基礎，通過方案評價可以識别測試資源配置缺陷，方案優化則彌補缺陷或者選擇更優機内測試設備、機外測試設備、手動測試設備等的權衡配置方式。每次方案優化後均需要對問題進行重新建模，反複叠代，直至獲得滿足要求的高效費比測試資源配置結果。

系統新發展

從地面上對航天器跟蹤測量和控制，往往需要在很大範圍内布置相當數目的測控站，疆域較小的國家不具備這種條件。為了解決這一困難,國際間的協作十分必要,為此需要使各國測控系統的頻率和體制統一起來。70年代初期，美國發射“阿波羅”号登月載人飛船時，開始應用S波段（2吉赫頻段）統一系統并經實踐證明了這種系統的優越性。現在美國的地面測控網已逐步改建,采用S波段統一系統作為主要的測控手段。西歐和日本也采用了頻段相同而體制類似的系統，并且已應用到不同類型的衛星和航天器上。各國的測控頻率和體制的統一，有利于互相利用。這是航天測控系統的發展趨勢。

對于較低軌道的衛星或其他航天器來說，一個地面測控站的跟蹤範圍畢竟有限，而設置測控站的數目又受到種種限制，不能無限增加。為了擴大跟蹤範圍，将測控站搬到同步定點衛星上，從35800公裡的高空來觀測低軌道衛星是解決這一困難的一個辦法。1983年 5月美國利用航天飛機發射的一顆跟蹤與數據中繼衛星（TDRS）是實現這個設想的第一步。兩顆定點在赤道上空，經度相隔約 140°的跟蹤與數據中繼衛星和一個相應的地面控制接收站組成跟蹤與數據中繼衛星系統（TDRSS）。這種系統将能對多顆低軌衛星進行全球性不間斷的跟蹤、測控和數據中繼。從測控的角度來看，系統的工作原理和微波統一測控系統類似。測控點站仍設在地面（但減少到一個），而兩顆跟蹤與數據中繼衛星實際上是起了将測控信号轉接和擴大到全球範圍的作用。

安全分析

随着我國航天事業的快速發展，我國發射的航天器數量也越來越多，對航天器的測控也成為了其安全可靠運行的重要保障。對于航天測控來說，逐步的邁向高精度、全天候的方向，測控系統本身的安全也變得日益重要。航天測控系統應當不斷的提高其生存能力，才能更好的為我國航天事業的發展提供技術保證，因此應當加強對航天測控系統的安全分析與研究。

系統安全與生存能力、空間信息保障能力的提升将成為維護國家安全的關鍵。我國測控系統雖然已經建成了功能較為完備、長期運行穩定、滿足測控任務要求的測控網，但還存在試驗組織模式亟待改進、設備标準化程度不高、自動化運行功能不完善等問題。而且計算機病毒、自然災害、戰争威脅等正在成為主要的不安全因素，測控網所面臨的安全問題日漸突出。

系統内部安全隐患

1)試驗組織方面的隐患

當前，試驗部隊在實時測控任務中一直沿用傳統指揮模式，近年來随着我國航天試驗高密度、多型号任務并行常态化，該模式逐漸暴露出與形勢發展不相适應的缺陷，給試驗安全帶來隐患。傳統指揮模式存在的主要問題是：

①指揮層級多，命令傳輸不夠及時；

②信息化技術未得到充分利用；

③測控資源運行管理功能不完善；

④占用人力資源多，不夠精簡高效；

⑤作戰信息支援模式缺少實踐檢驗。

2)設備安全隐患

我國現有的測控設備與系統和國外先進水平相比，無論在設計理念、元器件水平、工藝流程、軟件應用、維護管理等方面都還存在較大差距。存在的主要問題是：

①一體化、通用化程度不高；②自動化功能不完善；③設備維護社會化保障機制不健全；④備品備件管理不規範。

3)信息安全隐患

現代戰争的特點決定了信息獲取方式的多樣性，因此航天測控系統必須不斷提高自身的安全等級。測控系統中的信息安全包括：數據處理分析（即有數據效性檢驗）、數據存儲、信息傳輸、保密管理等方面内容。測控系統在這些方面存在的主要問題是：

①數據處理分析過程中的安全隐患，目前影響測控精度和數據處理安全的主要因素有：測量數據的系統誤差，測量過程中産生的随機誤差，設備故障、數據記錄判讀過程異常，周圍環境突發性變化、幹擾及誤操作等産生的異常值等。

②數據存儲中的安全隐患，其存在的安全隐患主要有：基于現有存儲技術的數據集中、共享實現困難；測控數據備份技術發展滞後，自動化程度低；數據存儲安全措施不完善等。

③信息傳輸中的安全隐患心。它主要來自以下幾個方面：一是沒有采用身份識别或訪問控制等措施，緻使用戶信息的安全得不到保障；二是操作系統本身存在漏洞，一旦接入網絡，計算機很容易就會被感染病毒；三是網絡上的病毒侵入計算機，導緻計算機運行遲鈍、死機，更有甚者系統癱瘓，無法運行；四是網絡黑客利用電腦本身存在的漏洞完成密碼探測，進而盜取機密文件或是攻擊系統。

4)保密管理方面的安全隐患

此方面的安全隐患突出表現在電子文檔的管理方面：

①加密手段相對落後，傳輸過程不安全；

②文件傳播範圍廣，存在較大随意性。

系統外部安全隐患

1)國外建站的風險

由于地球的球形和自旋，建在地球表面利用直線傳播微波鍊路工作的測控站，對中、低軌道航天器的跟蹤弧段短且圈次少。國土面積有限的國家能合理建站的數量很少，海上大量使用測量船代價太高。由2顆工作衛星和1個地面終端站構成的數據中繼衛星系統對1 200 km以下航天器的測控仍有一定盲區。因此進行國外建站就顯得尤為重要。但是，國外建站同樣有不可回避的負面影響。如：低空無線電鍊路易受到人為射頻幹擾；高功率微波武器足以堵塞、損傷甚至燒毀微波前端；可能經此輸入僞造的指令和記錄後重放的指令，使地面測控網更容易遭到硬摧毀。

2)國際聯網的風險

國際聯網必須采用國際通用标準，特别是CCSDS。但是，貫徹CCSDS建議也會帶來某些負面作用，測控信道、數據格式、傳輸協議完全是公開的，給信息安全性（尤其是遙控指令）造成一定威脅。同時由于國際聯網的存在，給了國外一個物理接口，系統容易遭到網絡的軟攻擊，特别是“黑客”和“病毒”攻擊。

3)自然災害的影響

航天任務測控通信和任務操作主要由任務中心、地面測控站、運行管理中心和通信網聯合完成，一旦由于地震、風暴、火災、雷電以及其他嚴重自然災害等不可抗拒的原因導緻以上某些單元受損，将對在軌飛行的航天員安全以及對大量在軌航天器的控制和正常工作造成重大影響。國外主要航天測控中心均是以固定式來設計，主要航天大國均采用建立多個備份航天測控中心的方式，來提高地面測控系統的生存能力和測控支持能力。

4)戰争威脅

科學技術高度發達的今天，傳統的戰争模式已成為記憶，現代的戰争比的是科技實力，戰争威脅的形式主要體現在以下幾個方面：

①物理摧毀威脅，物理摧毀分為“軟”殺傷和“硬”殺傷。前者傾向于攻擊、破壞甚至控制網絡傳感器、通信數據鍊和指揮決策工具。而硬殺傷的目的是摧毀網絡中的關鍵節點，重點是傳感器系統。目前，任務中心和測站多以固定式為主，不具備機動能力。若遭到攻擊将導緻測控系統癱瘓或測控覆蓋率降低。

②電磁幹擾威脅，電磁幹擾對測控系統的威脅不亞于物理摧毀，目前雖然配備了一定數量的擴頻測控系統，但擴頻方式單一，沒有混合擴頻測控系統，再加上标準統一測控系統還不具備擴頻抗幹擾能力。因此，在抗幹擾方面的安全隐患将在一定時期内長期存在。