陆海天基测控网：联通天地“护航”中国空间站

陆海天基测控网——

联通天地“护航”中国空间站

吕炳宏 解放军报记者 安普忠 王凌硕

西安卫星测控中心喀什测控站。吕 龙摄

6月5日，神舟十四号载人飞船搭乘长征二号F遥十四运载火箭发射升空，与天和核心舱完成快速自主交会对接。中国空间站第三批航天员的太空之旅正式拉开帷幕。

航天器升空后，通过测控通信系统与地面保持联系。作为我国载人航天工程的七大系统之一，测控通信系统在载人航天任务的各个阶段都发挥着极其重要的作用。

统一S波段测控系统（USB）以其高可靠性、高精度、高实时、高数据率的特点，受到各航天大国的青睐。

自中国载人航天工程立项以来，历经30年的探索与实践，我国已建成了陆、海、天基全面覆盖的统一S波段测控网，其综合性能已达到国际先进水平。

USB测控网，在人类登月工程中诞生

20世纪50年代末，苏联火箭专家科罗廖夫带领团队，将导弹改造成了一个直径58厘米、重83.6公斤的球体，然后为其装上4根鞭状天线和一些科学仪器。这是人类的第一颗人造卫星。

1957年10月4日，苏联将这颗名为“斯普特尼克一号”的人造卫星发射升空。从此，人类开启了太空探索的征程。

这颗人造卫星内部装载有两台无线电发射机，每隔0.3秒就会向地球发出信号。通过接收这些信号，地面可以测算卫星的位置信息，并进行跟踪。

卫星每天会从莫斯科上空经过2次。对于那时候的苏联人民来说，在晴朗的秋夜仰望星空，如果看到群星之中有一颗星星在移动，那一定是“斯普特尼克一号”。

遗憾的是，人类第一颗人造卫星只在天空中运行了92天，便坠入大气层烧毁了。

1961年4月，苏联又在载人航天工程上先美国一步，宇航员加加林乘坐东方1号飞船从拜科努尔发射场启航，在最大高度为301公里的轨道上绕地球一周，历时1小时48分钟。

太空竞赛第一、第二回合的接连落败，让美国把最后的“翻盘”希望寄托在了载人登月上。

水星号和双子星号载人航天任务中，美国使用的地面测控网采用了不同的波段和频率，使得飞船上设置了许多发射机和接收机，大大增加了飞船设备的重量、功耗和操作复杂性。

为了改变这种情况，美国国家航空航天局（NASA）采用了喷气推进实验室（JPL）提出的使用S波段（2000-4000兆赫）微波统一测控技术的方案。他们意在通过这种技术，打造一个将航天器的跟踪测轨、遥测、遥控和天地通信等功能合为一体的无线电测控系统。

这种“统一测控系统”将各种信息分别调制在不同频率的副载波上，并打包成一个载波后发出。接收端再对载波进行解调，然后用不同频率的滤波器对各副载波进行分解、分发，转化为语音、图像、遥测等原始信息，使其兼具测轨、遥测、遥控、数传和语音等功能。同时，该系统采用的伪随机码测距技术，可以完成距离38万公里外月球轨道的测距问题。

1966年，用于“阿波罗”登月的统一S波段测控系统（USB）正式投入使用，航天测控也由此从单一功能分散体制改进为综合多功能体制。美国在北纬40°至南纬40°的带状区域内设置了近20个USB站，共保障了数十次“阿波罗”飞行任务。后来，该测控网也参与到了其他近地卫星与地球同步轨道卫星的测控任务中。

1979年，在日内瓦召开的世界无线电管理会议正式决定以S波段作为空间业务波段，并逐步取代各国普遍使用的VHF超短波波段。从此以后，法国、欧空局等一些国家和组织决定按此建造USB测控网。

20世纪80年代中期，随着新技术、新工艺、新器件不断涌现，以法国为代表的各航天大国实现了USB测控网小型化、数字化、自动化，可采用相同频率和相同传输标准与其他国家进行兼容与联网。其软件算法和管理方式，比起昔日专为“阿波罗”任务建设的USB测控网有了长足的进步。

中国USB测控网一“战”成名

1992年，中国载人航天工程正式启动，测控通信系统的论证、设计和研制工作随即展开。通过数十年发展，我国成功建起了具有中国特色的、达到国际先进水平的统一S波段航天测控网。

为了确保神舟飞船在关键飞行段落都有测控通信支持，西安卫星测控中心在黄海附近组建了青岛测控站，在喀什、渭南、厦门等测控站加装USB测控设备，并在着陆场区等地部署了活动测控站。

如今，由东风、北京、西安三大中心，相关地面测站，和远望号测量船组成的陆海基USB测控网已初具规模。测控网在频段和体制上与国际兼容，集测轨、遥测、遥控、语音、电视等功能于一体，综合了测控和天地通信，既可支持我国载人飞船、所有中低轨卫星的测控，也可支持S频段同步轨道卫星的测控任务。

2003年10月15日9时整，在万众瞩目之下，神舟五号载人飞船在酒泉卫星发射中心发射升空。

“青岛，船箭分离！”9时许，神舟五号飞船与长征二号F运载火箭在青岛站测控弧段内完成船箭分离。1分钟后，远望1号船向飞船发出太阳能帆板展开指令，载着我国首位航天员杨利伟的神舟五号飞船顺利进入预定轨道。随着测控站、船相继展开测控，杨利伟在太空中展示国旗的瞬间通过测控网传遍千家万户。与此同时，来自各参试站、船清晰洪亮的一声声“正常”，让地面为之牵挂的所有人格外安心。

经过14圈的飞行，10月16日5时35分，北京航天飞行控制中心向飞船发送返回指令，远望3号测量船及沿途海外测控站点对飞船先后发送轨返分离、返回制动指令。飞船成功返回祖国上空。

通过测算遥测数据，北京航天飞行控制中心与西安卫星测控中心相继计算出了返回舱的预报落点。6时23分，返回舱在内蒙古四子王旗主着陆场成功着陆，仅13分钟后，搜救人员成功找到返回舱，我国首次载人航天飞行任务取得圆满成功。

牧箭揽舟，牵神舟飞船遨游太空。伴随着杨利伟代表中国首次飞天的壮举，我国USB测控网一“战”成名。

联通天地创造更多中国航天奇迹

2008年9月27日，航天员翟志刚身着“飞天”舱外航天服，从神舟七号飞船轨道舱缓缓探出身体。在全球亿万观众注视下，翟志刚接过刘伯明递来的五星红旗。茫茫太空中，国旗那一抹红格外耀眼。

与此同时，部署在地面和海上的测控站、船正在开展一场跨越万里的接力赛。由10多个地面测控站、5艘远望号测量船组成的一条规模空前的陆海基测控带，全程保障地面与飞船40多分钟的连续测控通信，翟志刚“漫步太空”的英姿才得以毫无间断地展现在全世界面前。

然而，动用如此庞大规模的陆海基测控资源对单一目标进行测控，已无法满足中国载人航天未来的需求。飞船与空间站交会对接、航天员在空间站长期驻留……这对测控系统提出了更高要求。

翟志刚返回飞船后不久，在距离地球3万6千多公里的同步轨道上，天链一号01星利用它自带的中继测控天线成功捕获飞船信号，首次向地面发送了这颗卫星接收的遥测与图像数据。

作为神舟七号任务的四大科学试验任务之一，天基数据中继把测控站从地面“搬”到了太空中。相比地面测控站，中继卫星受地球曲率影响小，仅这一颗中继卫星就能将我国对神舟七号飞船的测控覆盖能力大大提高，三颗中继卫星组网便可使对飞船的测控率达到近100%。

这是航天测控人几十年来梦寐以求的技术体系，更是我国航天测控事业未来的必经之路。

2012年，经过4年发射部署，三颗中继卫星终于组成了我国首个天基测控网。

2013年6月20日，“太空教师”王亚平在天宫一号试验舱内为全国中小学生带来了一场长达51分钟的“太空授课”；2016年10月21日晚，地面通过天链一号03星向天宫二号空间实验室成功传输电视信号，航天员景海鹏和陈冬首次收看到了天地同步播出的《新闻联播》；2021年4月29日，天和核心舱成功发射，中国空间站建设的大幕正式拉开……借助日趋完善的USB测控网，航天员天地通话、收发电子邮件的限制条件和成本越来越低，用户体验也越来越好，未来空间站内漫长的太空之旅也将更加丰富多彩。

西安卫星测控中心正高级工程师杨永安向记者介绍，空间站在轨建造期间，神舟飞船返回轨迹跨度范围发生了较大变化。此外，神舟十四号任务期间，问天、梦天实验舱相继发射，飞行乘组在轨驻留期间，将配合地面完成空间站组装建造工作，并经历9种组合体构型、5次交会对接、3次分离撤离和2次转位任务，在轨飞行任务复杂程度将成为历次任务之最……技术状态上的这些变化对测控通信系统也提出更高要求。

太空中，由多颗天链中继卫星组成的天基测控网作为主要测控手段参与到载人航天飞行任务中，并在交会对接、出舱活动等重要任务节点提供天基测控与数据中继支持。

远洋大海，有了天基测控的强力支持，远望号测量船队仅需派出一艘测量船参与到神舟十四号任务中，且在完成交会对接测控任务后便可返航，大大节约出海成本。神舟七号任务中5艘远望号测量船布阵大洋的壮观场景已经成为历史。

作为载人航天任务中的“老牌”主力，陆基USB测控设备将以其稳定可靠的性能与中继卫星互为补充，共同护航航天员的太空之旅。

让天地近在咫尺。在神舟十四号飞行乘组为期6个月的太空旅程中，中国USB测控网必将担负起联通天地的重任，创造更多中国航天奇迹。