测控系统总设计师解读嫦娥首次奔月
我们的太空2019-10-24 15:56
12年前的今天，我国首次月球探测工程嫦娥一号卫星在西昌卫星发射中心成功发射。卫星到达环月轨道后，经过约1年半的探测，获取了月球表面三维立体影像、完成了月球表面有用元素的含量和物质类型的分布特点分析，开展了月壤厚度和地月空间环境探测，于2009年3月1日按照预定计划受控撞月。嫦娥一号任务的圆满成功，标志着我国探索浩瀚宇宙的步伐开始迈向月球和更远的深空，实现了我国航天领域迈向深空探测历史性的突破，是我国航天史上一次具有里程碑意义的重大任务。
▲图1 长征三号甲运载火箭发射嫦娥一号1 嫦娥一号任务概况
1.1 探月工程
2004年，我国正式开始实施月球探测工程，月球探测工程又称为“嫦娥工程”，包括“绕”、“落”、“回”，即绕月探测、月球软着陆和巡视勘察、自动采样返回三个阶段。目前，我国已通过嫦娥一号实现了绕月探测、通过嫦娥三号实现了软着陆巡视勘察，通过嫦娥四号实现了人类首次月球背面的软着陆巡视勘察，自动采样返回探测任务也将按计划有序推进，届时我国将具备地外天体环绕、着陆和采样返回探测的工程经验，为开展更远深空的探测活动奠定坚实的技术基础。
▲图2 探月工程“绕”、“落”、“回”1.2 嫦娥一号任务
嫦娥一号卫星于2007年10月24日18时05分由长征三号甲运载火箭送入轨道周期约为16h、倾角31°、近地点200km、远地点高度51000km的大椭圆地球轨道。星箭分离后，卫星经过近14天的飞行、10次变轨后，进入高度为200km的绕月探测使命轨道，开始科学探测活动。嫦娥一号飞行过程见图3所示。任务期间，8台科学载荷开展了全局性、普查性的月球遥感探测。任务取得圆满成功后，于2009年3月1日受控撞月。
▲图3 嫦娥一号卫星飞行轨道示意图
▲图4 嫦娥一号任务获取的120m分辨率全嫦娥一号任务由探测器系统、运载火箭系统、发射场系统、测控系统和地面应用系统组成。测控系统是绕月探测工程的一个重要组成部分，负责长征三号甲运载火箭发射和嫦娥一号卫星整个飞行任务期间的轨道测量、遥测监视、遥控操作、飞行控制以及嫦娥一号卫星探测应用期间任务计划的实施与操作管理等任务，并通过高精度的测定轨，为地面应用系统科学探测数据的处理提供轨道数据保障。
2 嫦娥一号任务中的测控系统
2.1 月球和深空测控的几道门槛
此前，我国的大部分卫星距离地面在4.2万千米以内，个别卫星离地面最远距离就8万千米，属于“近程”测控的范围。在绕月探测工程中，嫦娥一号卫星距离地面最远可达40万千米，是地球同步卫星距地面距离的10倍以上，属于“远程”测控范围。远程测控给现有的航天测控网带来了极大的挑战。与“近程”测控相比，深空远程测控需要跨过五道门槛。
1) 遥远的距离挑战探测距离极限
随着航天技术的不断发展，深空探测的范围不断扩展。太阳系内各行星和月球距离地球的通信距离及传输时延见表1所示。
由表1可知，冥王星距离地球最远距离为7.5351×109km，比一颗地球同步轨道卫星的通信距离(36000km)大0.2×106倍，即信号衰减要增加106.4dB。火星比一颗地球同步轨道卫星的通信距离大1.11472×103倍，即信号衰减要增加80.943dB。月球距地球最大距离为0.4055×106km,比一颗地球同步轨道卫星的通信距离大21.26倍，即通信信号衰减增加21.03dB。由此可见深空测控的信号衰减非常大，到达卫星的信号和到达地面的信号都非常微弱，如何弥补深空测控带来的巨大距离衰减是深空测控系统面临的困难之一。通常采取的手段是增加地面发射功率，增加地面接收天线口径。地面发射功率增加一倍只能获得3dB的好处，地面站天线口径增加一倍能获得6dB的好处。
2) 无线电波传输时间耗时巨大
与“近程”测控相比，深空通信单程的时间延迟也大大增加。地球到月球的单程通信时延为1.35s，地球到火星的单程通信时延为22.294min，地球到冥王星的单程通信时延大于6h58min。这使得一切希望遥测遥控实时响应的想法都变得不再现实。对于地月距离，勉强可以采用准实时的方式控制航天器和有效载荷。但对于更遥远的深空，只能通过提高数据传输和接收的可靠性来确保遥控、遥测业务的顺利实施。
3) 信息传输速率受限
月球和深空探测器对科学数据传输速率的要求不断提高，但由于巨大的传输损耗，同时受到能源、重量等条件约束，很难通过较大的功率和天线口径实现高速数据传输，基于无线电手段只能在中、低速状态率下工作。为了提高数据传输速率，必须不断研究新技术以提高通信链路性能，目前光通信技术是其中一个研究热点。
4) 高精度导航困难
近地卫星可以使用的高精度导航手段（如GPS导航技术）在目前月球和深空测控中均无法使用，只能依靠传统的多普勒测量和距离测量手段。
多普勒和距离测量都是沿地面站到探测器径向方向的，通过增加横向角位置测量量能够有效提高导航精度，目前主要是通过采用差分VLBI等测量技术来实现。20世纪90年代美国深空网达到的VLBI测角精度为5nrad，对应火星的测距误差为2.06km，对应冥王星的测距误差为37.68km。
5) 长时间连续跟踪
目前，月球和深空探测都立足于地面建设的深空测控站实现对探测器的连续跟踪测量。受到地球自转影响，单个深空站可连续跟踪测量的时间通常为8h-10.5h，通过全球等间隔120°布站，能够实现对月球和深空探测器100%的测控覆盖。
2.2 测控系统组成
面对上述难题，针对我国航天测控系统当时所处的现状，航天测控科技工作者首次提出了利用“USB＋VLBI（甚长基线干涉测量技术的简称）”联合测轨的方法，提高定轨精度。
首先，是提高USB测控系统的能力。天线的口径和探测距离成正比，增大天线口径可以增加探测距离。因此在USB测控系统中的两个站新建了18m口径大天线，改善了以往用于地球卫星天线的信道余量，提高了测量精度，增强了系统可靠性，使地面站作用距离从地球范围延伸到月球范围。
其次，是在航天测控领域引入射电天文测量技术。为了进一步满足深空高精度测定轨的要求，科技工作者又想到了天文测量技术。天文测量使用的射电望远镜能够接收遥远星系的射电源发出的宽带微波辐射信号。射电望远镜是由大口径天线、低噪声接收机和宽带记录装置组成的无线电接收系统。单个射电望远镜无法实现测轨、定轨，必须把两个以上的射电望远镜组合起来。
其基本原理是，通过设在不同位置的天线，接收同一无线电信号，计算信号到达两个天线的时间差，确定射电源相对于两个天线的角度。通过三个不在一条直线上的天线，就可以确定射电源所在的方向。这种测量方法称为甚长基线干涉测量技术，简称为VLBI。
嫦娥一号任务的测控系统以我国现有的S频段航天测控网为主，辅以甚长基线干涉仪（VLBI）天文测量系统，主要包括北京航天飞行控制中心、西安卫星测控中心、厦门站、喀什站（12m+18m）、青岛站（10m+18m）；布置在太平洋海域指定位置的远望2号、远望3号航天测量船；用于嫦娥一号任务轨道测量的VLBI测轨分系统包括上海VLBI中心和北京密云50m、上海佘山25m、云南昆明40m、乌鲁木齐南山25m 4个VLBI测量站，如图4所示。通过统一的时间系统、通信和数据传输系统将所有参加嫦娥一号任务的测控站点联成一个有机的整体。北京航天飞行控制中心是嫦娥一号任务的飞行控制中心。
为了进一步提高测控覆盖率和系统可靠性，形成了以地面站为主的测控方案，使“嫦娥一号”卫星的测控覆盖率达到了98%以上。
▲图5 喀什测控站参加嫦娥一号任务的12m
▲图6 参加嫦娥一号任务的远望3号航天测2.3 测控系统的主要工作
嫦娥一号任务中，地面测控站主要通过S频段双向测控链路完成对卫星的测距、测速、遥测和遥控任务。
地面测控站对嫦娥一号卫星测控使用S频段统一测控系统。统一测控系统是指一个载波上调制若干测控信号，以完成多种功能的综合测控系统，它可以利用一个载波实现诸如测距、测速、遥测、遥控等多项功能，能够有效缓解射频拥挤，最大限度利用射频资源，简化卫星射频设备数量、体积和功耗，是目前地面测控站对航天器进行无线电测控的主要手段。统一载波体制原理见下图所示：
▲图7 载波统一测控体制上行信号结构示
▲图8 载波统一测控体制下行信号结构示1) 无线电跟踪导航
无线电跟踪导航是指地面利用卫星发出的无线电信号跟踪卫星，并利用接收到的无线电信号延迟时间和多普勒频率变化确定卫星距离地面的距离和速度，从而确定卫星飞行位置和速度，计算出与卫星飞行轨道的偏差，引导卫星沿着正确的轨道飞行。
无线电定位的原理很简单，无线电波和声波一样，通过测量传播的时间确定距离和位置。这一点可从生活中的经历感悟到，比如我们对着远方的山谷大声呼喊时，能够感觉到经过一个短暂的延迟后听到山谷返回的声音。这个短暂延迟就是声波传播到达对面山谷以后反射的声波，再经过传播到达我们耳中花费的时间。如果能够精确测得声波传播时间差的话，该时间差乘以声音传播速度(340m/s)就可算出我们距离山谷的往返距离，从而得到我们与山谷之间的距离。无线电定位原理与声音定位原理类似，只不过声波换成了无线电波。由于无线电波传播速度为30万千米/秒，远远大于为340 m/s声音传播速度，几乎是声音传播速度的90万倍，因此，无线电定位通常用于远距离定位。
对嫦娥一号测速的基本原理是基于无线电信号在空间传播时的多普勒效应。当卫星向测控站接近时，无线电信号波长变短、频率变高；当卫星原理测控站时，无线电信号波长变长、频率变低，这种效应称为多普勒效应。当采用单向非相干多普勒测速时，通常采用以下公式计算单程多普勒值：
2) 无线电遥测和遥控
在嫦娥一号卫星发射入轨至绕地飞行的调相轨道段、奔向月球的奔月轨道段、捕获月球段以及绕月运行期间，地面需要及时了解卫星各星载设备的工作状态，评估其飞行姿态是否正确，设备工作是否正常。这些反映卫星设备工作状态和卫星飞行状态的信息统称为卫星遥测信息。通过卫星上的数据采集系统将遥测信息收集整理并调制成可以传输的2200MHz射频信号传回到地面，地面接收卫星的遥测信息并解调恢复出卫星遥测信息，就能够及时了解和掌握卫星工作状态和飞行状态。这个过程称之为无线电遥测。
无线电遥控是指通过无线电手段，实现远距离控制卫星，从而改变卫星设备工作状态和飞行状态。通常情况下，在完成对卫星跟踪的基础上，地面站天线对准卫星，将地面生成的遥控指令或注入数据调制成中频信号，再将中频变成2000MHz以上的射频频率发射出去。太空中的卫星接收到地面发来的遥控信号，并将遥控信号解调译码，还原成可执行的指令或可存储的注入数据，卫星执行机构(如发动机、太阳帆板、姿态控制机构等)按照遥控指令或注入数据改变卫星工作状态和飞行状态。
可以说，无线电遥测是地面了解掌握卫星状态的先决条件，无线电遥控是地面采取远距离控制卫星的必要手段。无线电遥测和遥控是掌控深空卫星的无形之手。
3) 地面测控网
地面测控网是完成卫星无线电跟踪导航、无线电遥测、无线电遥控的地面综合电子系统。由于地球曲率的影响，以频率2000MHz以上无线电波传播为基础的测控系统，用一个地面测控站不可能实现对卫星进行全程跟踪和测控，需要用分布在陆地和海洋上不同地点的多个地面测控站和测量船“接力”才能完成测控任务。地面测控网由多个地面站、测量船、测控中心以及用于相互间沟通的通信系统构成。
地面测控站、测量船直接对卫星实施无线电跟踪测轨、遥测信号接收、发送遥控指令和注入数据。测控中心对各测控站、测量船进行任务管理，将测量数据汇集，对遥测信息进行还原、显示；对测轨数据进行分析处理，确定卫星轨道，并预报卫星将来的位置和速度，用于对卫星进行导航；根据遥测处理和导航信息，确定采取的控制措施，生成遥控指令和注入数据，并向相关测控站、测量船传送；向各测控站传送时间统一勤务信号，实现地面测控网内部的时间统一。
通信系统完成测控中心与各测控站、测量船之间的数据、图像、语音传输。通信系统采用有线和无线和卫星通信等多种手段，专用于测控网。
4) VLBI测量
射电望远镜是指能够接收遥远河外星系射电源(如类星体)飞出的宽带微波辐射信号的无线电接收装置。并不是通常概念下的光学望远镜。射电望远镜包括大口径天线、低噪声接收机和宽带记录装置。
VLBI(Very Long Baseline Interferometry )是甚长基线干涉测量的英文缩写。VLBI是一种射电干涉技术，它通过无线电波干涉的方法，将间隔数百乃至数千公里长度基线两端的口径较小的射电望远镜，合成为巨大的综合孔径望远镜，其等效直径为望远镜之间的最长基线长度。通过延长基线，VLBI能获得极高的分辨率，是目前分辨率最高的天文观测技术。
VLBI系统最早用于天文观测，主要用来对射电星的研究。
位于长基线两端的两测量站同时接收来自射电源（类星体）的类似白噪声信号，经放大、超外差接收、数字化、时间标计后记录到记录器，通过相关处理记录信号得到信号的同一波前到达两测量站的时间延迟τg,从而得到射电源相对基线的角位置。
射电星离我们非常遥远，其发出的信号类似高斯白噪声信号，可以认为到达地球的信号为平面波，即到达长基线两端测量站的信号为平面波。设同一发射时刻信号到达两测量站的时延差为τg，则射电星相对于基线的角位置β和时延差之间的关系有
这里c 为光速，B是两站之间的基线矢量，是信源方向上的单位矢量。因而，有了基线长度和方向的先验知识，我们就可以从几何延迟中推导出信源位置的一个角度分量。所测角度的精度不但取决于VLBI延迟测量的精确度，而且还依赖于测站时钟偏差、测量设备和媒介的差分延迟以及基线方向误差的校准精度。
由于VLBI 基线较长（一般为几千公里），两测量站使用独立的时钟，同一般无线电干涉仪不同的是，两站接收到的信号不直接进行相关，而是分别记录到各自的记录器上。观测结束后，再将记录器送到数据处理中心，进行数据回放和相关处理，从而得到延迟值τg。
VLBI系统中，射电源的能量非常低，一般小于1Jy（1Jy＝10-26WHz-1m-2），因此在每个测量站需要大口径的天线、低噪声接收机和宽带记录设备。VLBI 在天文学上的应用可以用来测量射电源的位置，在测量精度方面，还没有其他手段能与之相比。在大地测量方面可以用来测量站址坐标或地壳移动等，同样能够取得相当高度精度。
根据VLBI的基本原理，利用长基线两端的两测量站可以确定深空航天器的角位置，在航天器距离较远的情况下，认为航天器信号到达两测量站时是平面波。
VLBI测量系统包括乌鲁木齐25m天线、北京50m天线、昆明40m天线和上海25m天线四副射电望远镜组成，乌鲁木齐至上海的基线长度为3249km，乌鲁木齐至昆明的基线长度为2477km，昆明至上海的基线长度为1920km。该系统利用嫦娥一号卫星的下行S/X信标，实现对卫星角位置的高精度干涉测量。
VLBI作为天文测量系统在数据传输和数据处理方面采用的是事后处理方式，大约在进行测量两周后方能提供处理结果。为了在地月转移阶段发挥轨道测量中的作用，对VLBI的信息传输和数据处理系统进行了改造，将其升级为准实时测量系统，升级后的系统可以在对目标进行测量后10min内，将测量处理结果传送到任务操作中心。
准实时工作模式主要在地月转移阶段使用，在嫦娥一号卫星环月后进入科学探测阶段，VLBI系统将仍然采用事后处理工作模式。在准实时工作模式下，由于数据传输量和时间的限制，VLBI的信息采集和各项修正会受到一定影响，因此，测量精度较事后工作模式有所下降，但能够满足地月转移阶段的测量要求。
2.4 嫦娥一号任务实现的测控技术突破
嫦娥一号任务是在缺乏深空测控设施的情况下，立足我国现有条件，将天文测量技术应用到航天工程中，形成了S频段航天测控网和甚长基线干涉测量相互补充的综合测量系统，即将S频段航天测控网的测距、测速能力和甚长基线干涉测量的高精度测角能力结合起来，建立了我国探月任务的测定轨系统，以最小的经济投入，解决了我国绕月探测工程的测定轨关键技术。在以下深空测控关键技术领域实现了突破：
1) 多体制联合测控技术
在我国航天领域首次实现了国内测控网、VLBI天文测量与国外测控站三位一体的联合测控模式，首次实现了完整的国际空间数据咨询委员会标准定义的地面信息传输管理模式，使卫星测控覆盖率达到98%以上。
▲图10 嫦娥一号任务地月转移段测控覆盖
▲图11 嫦娥一号任务环月段测控覆盖示意2) 月球卫星精密定轨技术
在我国缺乏深空测控设施的条件下，坚持科学集成，多部门协作，运用系统工程方法，建立了USB-VLBI综合定轨系统，实现了调相轨道几十米量级，转移轨道公里量级，环月段百米量级的精密定轨结果。
▲图12 USB+VLBI联合测定轨原理示意图3) 高精度测量技术
USB设备通过采用新的窄带测量技术，使其测速精度从厘米量级提高到毫米量级，达到目前国际同类设备先进水平。VLBI观测网通过技术改造，突破了射电天文原有的事后处理工作模式，实现了准实时工作，开拓了新的应用领域。
▲图13 地月转移段USB测量数据残差示意
▲图14 地月转移段VLBI数据定轨残差示意3 展望
嫦娥一号任务已经过去的近12年，但经过这次任务，使我国的测控能力和性能向深空迈进了一大步。如今，我国已经建成了全球布局的深空测控网，研制了35m和66m大口径天线，深空测控能力进一步提高，具备了向更远深空挺进的技术能力。为了实现航天强国的伟大目标，在我国探月工程完成后，还将实施月球科研站、以火星、小行星探测为代表的深空探测等重大航天工程，相信不久的将来，中国人必将会在深空探测领域取得更加辉煌的成就，为人类探索宇宙起源、寻求第二家园添砖加瓦。
来源 | 我们的太空
作者 | 李海涛、李赞
编辑 | 王远航
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