1 现代卫星测控功能及组成

　　卫星测控的主要任务是对卫星从发射入轨到长期在轨运行，对其进行全面有效的跟踪测量与控制，包括对卫星进行跟踪、测轨、星历计算、轨道预报和保持及对卫星平台和有效载荷的参数、工作状态进行监视和控制。卫星测控通常采用S、C频段，由跟踪测轨、遥测、遥控与通信等功能单元组成，分为空间段和地面段。空间段又称星载测控分系统或跟踪遥测指令分系统(TT&C)，包括遥控终端、遥测终端、测控数据应答机、天线及星载GPS 等部分。地面段包括测控站和测控中心，如图1、2 所示。

　　空间段向地面段实时发送遥测信号，同时接收地面段的遥控指令或自主调整工作参数，使卫星工作在最佳状态。主要任务有以下几个。

　　(1 )协同地面段或者自主地对卫星进行跟踪、测轨、姿态测定、以及轨道的短期和长期预报；

　　(2 )实时的或延时的将卫星平台以及有效载荷的工作参数传给地面段，使地面段了解卫星的工作状态；

　　(3 )接收地面段发送的上行遥控开关指令或注入数据，经处理后分发到星上相应设备以实现开关控制或数据更新；

　　(4 )自主地或在地面段上行时统信号的校正下，生成星上时统信号，以协调星上设备的工作；

　　(5 )向地基测控站提供引导信标信号；

　　(6 )卫星向地面测控站发送星载GPS接收机信息，作为卫星定轨的辅助手段。

　　地面段接收卫星的遥测信息，监视卫星的工作情况，并向空间段发送遥控指令。

　　地面段按不同的职能又分为工程测控和业务测控两部分。工程测控是对卫星轨道、姿态的长期保持和控制以及对卫星平台工作状态的长期监视、管理等；业务测控是对卫星有效载荷的长期运行管理。

　　P r o t e u s 平台的测控系统遵从空间数据系统咨询委员会(CCSDS)关于频率分配的规定，采用S 频段；数据传输率：上行为4kbit/s，下行为10～613kbit/s；射频采用两种调制体制：遥测用QPSK，遥控用PM/BPSK。测控系统在平台中央计算机发生故障的情况下，也能自行解码并直接执行遥控命令。平台用GPS接收机定轨并接收GPS 的时统信号。

　　“资源一号卫星”首次在卫星上采用星载数据管理系统和S波段统一测控系统。

　　2 现代卫星测控技术

　　随着卫星通信事业的不断发展，大量的卫星的升空，特别是卫星星座系统的出现，利用我国现有的C频段和S 频段两大地面骨干测控网，远远不能解决航天事业的发展对测控精度、测控覆盖能力、高数据率提出的新要求。

　　目前国外提高卫星测控能力的措施主要有以下几个。

　　提高卫星的自主测控能力：卫星采用采用的技术有自主导航、软件无线电、光电仪器等技术，从而减轻地面测控网的负担。

　　采用较高的测控频率：继S、C频段成为统一载波测控频段后，Ka 等高频段也将加入测控行列，具有提高测控速率、减小天线尺寸、更强的抗干扰能力等特点。

　　采用C D M A 扩频测控技术：Globalstar、Aries 和Odyssey 以及美国的跟踪与数据中继卫星系统T D R S S 中都应用了C D M A 技术。CDMA技术可以将扩频技术和加密技术结合，实现对卫星通信和遥测信息的加密，提高卫星的安全性和抗干扰能力。

　　测控网络互连：将已经建立的专业测控网，如美国NASA 局的卫星跟踪与数据采集网STADAN、深空网DSN等，互连为一个开放式的大测控网络，实现测控资源的共享。

　　开发已有系统的功能：全球星定位系统GPS 及俄罗斯GLONASS 提供了新型“星基”卫星测控资源。利用空间运行的导航卫星测距、测速信息，并采用若干相关技术(例如GPS 差分、载波相位测量、GLONASS兼容接收、高动态信号快捕、窄相关以及动态解模糊等)之后，即可实现对中、低轨道卫星航天器的高精度定轨，这种测量同样不受地面测控站地理布局的限制。

　　3 现代卫星测控体制

　　测控系统是地面测控网、星载测控设备的集合。目前国内外对航天进行的测控基本体制有地基测控、天基测控、自主测控以及组合测控体制。

　　　3.1 地基测控

　　最早采用的测控体制。测控设备以及数据处理集中于地面，测控精度高。但其布站受限，测控覆盖率低，一般不超过15%。

　　　3.2 天基测控

　　由于地面测控站在中低轨卫星的测控中存在观测弧段短、维护费用高、利用率低等缺点，国际上测控体制开始从地基向天基过渡，以提高测控覆盖率。1983 年4 月，美国国家航空航天局(NASA)建成跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)。TDRS中继卫星相当于把地面上的测控站移到了3 5 7 8 6 k m 高度的地球静止轨道，两颗TDRS 卫星和地面上单个测控终端站所组成的TDRSS系统，可以实现对轨道高度约2 0 0 k m 的飞行器8 5 % 覆盖， 对所有轨道高度约1200~12000km 近地轨道飞行器可实现1 0 0 %的连续跟踪覆盖。目前美国、俄罗斯、欧洲航天局均建立了各自的天基测控网，我国的TDRS 也在建设中。天基测控的优点是可对3 6 0 0 0 k m 高度以下的卫星实行全天候、全天时的测控，并通过TDRS 可以实现卫星与地面网的双向通信。其不足之处是，对于卫星的上升段和返回段不能进行测控和通信；TDRS本身也离不开地面跟踪站的测控和支持。这种测控体制已在美国航天飞机的测控中被多次应用。

　　3.3 自主测控

　　　深空探测和星际航行的卫星，其测控需要实现高度的自主，轨道的测量和航向的控制主要由卫星自身完成。一些微小卫星亦采用自主测控的体制。这种测控体制由卫星自身的设备进行其轨道测量、姿态测量和相应的制。如英国萨瑞大学U o S A T微卫星平台系统就采用GPS 进行轨道和姿态的自主测量和控制。自主测控的特点是不依靠地面支持； 测控覆盖率高；实时性高。其缺点是无法应对卫星故障，卫星遥测遥控数据的传输仍需地面网支持。

　　3.4 组合测控

　　为了保证对卫星测控的实时性和可靠性，在目前的卫星测控中，大多采用两种测控体制的组合：如地基测控和天基测控的组合；地基测控和自主测控的组合；无线测控和激光测控以及惯导控制的组合等。组合测控体制弥补了单一测控体制的不足，提升了测控的性能。组合测控的优势是可以达到全程测控覆盖，以及两种或多种单一测控体制的优势互补。

　　现代卫星多采用一箭多星发射方式，且相互协作组网工作，使测控具有过境时间短、多颗星同时过境的特点，因此现代卫星的测控模式要求采用一种高效、低费的测控模式。新的测控体制必须具有多星同时测控和卫星长期管理、测控费用低廉、覆盖率高的特点。从这一点上看，建立天基测控网是一种有效的解决途径，虽然技术难度较大，一次性投资高，但是能从根本上解决现代卫星的测控问题。

　　4 现代卫星的运载和发射技术

　　　运载火箭是由多级火箭组成的，能够把人造地球卫星、载人飞船、航天站或空间探测器等有效载荷送入预定轨道的一种航天运输工具。

　　根据地理环境不同，现代卫星的运载发射可以分为从地面固定发射场发射、在空中发射、从海上平台发射等3 种方式。

　　(1)地面发射：此方式受地理环境因素制约很大。美国的肯尼迪航天发射中心、欧洲的库鲁航天发射中心(设在南美洲东北海岸)、前苏联(乌克兰)的拜科努尔发射中心、中国的西昌、酒泉、太原发射中心都是比较著名的发射站。

　　(2)空中发射：1986年美国轨道科学公司首先提出了从空中发射火箭的设想。1990 年4 月5 日，美国首次用改装的B-52 轰炸机进行了“飞马座”火箭发射试验，取得了成功。俄罗斯在这个领域的研究处于领先地位，计划于2006 年进行首次空中卫星发射。

　　(3)海上发射：通过建立海上移动运载型火箭发射场或利用浮动式石油钻井平台，在移动平台的甲板上安装发射台实现。1999 年10 月19日，乌克兰在海上平台首次发射天顶3 号运载火箭，成功的将美国一颗直播电视卫星送入预定轨道。海上发射可选择最佳的赤道水域，以获得最大的地球自转速度，从而提高火箭的运载能力。方案有悬浮发射、平台发射和船载发射。

　　(4 )地下发射：过去的“发射井”， 原理与地面发射相同。现代概念的地下发射是日本一家公司在2 0世纪90 年代提出来，其原理是利用压缩空气从地下深处将运载火箭弹射出去。当运载火箭推出地表后，立即点火发射升空。其优越性在于，不用燃烧推进剂就可使运载火箭获得很高的压缩初速度，从而减少了火箭的自重，大大节省能源，比如发射H-II运载火箭，若采用地下发射方式就比用地面发射方式搭载量多35%。估计本世纪末下世纪初可以实现。

　　现代卫星发展的一个趋势是卫星小型化。目前小卫星发射技术，有一箭多星、航天飞机发射，以及从具有卫星分配器功能的主卫星上入轨等方式。

　　(1 )目前国际上一箭多星的发射常用两种方式。第一种是把几颗卫星一次送入一个相同的轨道或几乎相同的轨道上；第二种是分次分批释放卫星，使每一颗卫星分别进入不同的轨道。一箭多星发射具有发射成本较低的特点，但发射窗口取决于主星；

　　(2 )航天飞机运送低轨道航天器比较合理，可重复使用，但费用昂贵；

　　(3 )利用多星分配器发射技术难度大；

　　(4)小火箭发射灵活机动，是比较合理的小卫星运载工具。到现在为止，世界