中继卫星应用于航天发射的跟踪控制技术研究

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1、载人航天2010年第4期工程报告中继卫星应用于航天发射的跟踪控制技术研究吴刚1冯(1中国人民解放军63999部队丽2何伟平12北京跟踪与通信技术研究所)摘要围绕中继卫星应用于航天发射测控的跟踪控制技术，重点研究了对运载火箭的高精度指向控制计算方法，并通过对仿真发射弹道的模拟跟踪，完成了中继卫星星间天线对运载火箭高精度的跟踪指向控制计算。研究表明采用中继卫星系统可以完成对运载火箭的高精度指向跟踪任务，满足航天发射测控任务需求。关键词中继卫星航天发射跟踪控制工作模式程序跟踪理论轨迹分类号V556．8文献标识码A文章编号1674—5825

2、(2010)04—0024—061概述1．1航天发射测控网目前我国的航天发射测控网，是一种地基测控网系统，它采用地面和海上的多个光学和无线电测控站组成空间观测网络，完成航天器人轨前运载火箭的跟踪和测控任务。在较好地完成我国各类航天器从发射到人轨各阶段测控任务的同时，也暴露出覆盖率低、单站跟踪时间短、数据传输速率低、地面站通信网复杂以及运行维护费高等问题㈣。主动段运载器由于飞行高度低、范围广，每一个地基站的可见弧段短，测控时间少，需要在地球表面布设多个站才能实现连续跟踪，在海上还需要调用大量测量船完成接力跟踪，效率低，费用高，系统资源

3、存在较大的浪费。同时，数量有限的测控站也限制了航天发射的弹道设计，不利于发射任务的优化设计。1．2航天测控发展方向为解决地基测控网系统固有的不足，提高测控任务总体性能，以跟踪与数据中继卫星系统为核心的天基测控网成为目前世界各国航天测控网发展的主流方向。天基测控网通过高轨卫星具有的高覆盖率特点，建立基于中继卫星的天上测控站，实现了对各类中、低轨道航天器长时间的连续跟踪。天基测控网是一种新型的航天测控网络体系。该系统主要由位于地球同步静止轨道上的中继卫星、地面测控站和地面控制中心三部分构成。中继卫星作为中继平台主要实现地面对用户航天器的

4、测控与数据通信；地面站主要承担对中继卫星和用户航天器的测控操作；地面控制中心主要完成中继卫星和用户航天器的工程测控和业务测控任务。天基测控网与目前我国采用的地基测控网的最大区别在于，它将传统的地面测控站转移到了位于地球静止轨道的跟踪与数据中继卫星上，由于中继卫星具有高轨位置优势，因而对中低轨道航天器有较大的可观测弧段，通过弯管传输方式，大幅度提高了对航天器的测控覆盖率。一颗中继卫星可以实现对中低轨航天器大约50％的覆盖率，两颗中继卫星基本可以实现90％以上的覆盖率。’天基测控网一般采用较高的频段，以提高数据传输速率。航天发射运载器由

5、于飞行高度低，相比在轨航天器其单个地面测控站的可见范围更小，为了实现对较大飞行范围的连续跟踪必须采用多个地面站接力实现，测控流程复杂。鉴于中继卫星系统具有覆盖率高、实时性强、数传能力大、系统效费比佳等优势，将其应用于航天发射测控特别是载人航天发射测控任务中，实现运载火箭从点火起飞到星箭分离前的全程连续跟踪和测控，一般隋况下采用一颗中继卫星就可以实现对主动段较长飞行轨迹的连续跟踪测来稿日期：2010-09-15；修回日期：2010-1l一23。作者简介：吴刚(1978．05一)，男，博士，工程师，主要从事中继卫星捕获跟踪控制技术研究。

6、24工程报告载人航天2010年第4期控支持，将大大提高航天发射测控系统效率，有效保障主动段航天员的生命安全。因此，开展中继卫星系统在航天发射测控中的应用研究，对提高我国航天发射测控系统的性能，具有非常重要的现实意义。1．3中继卫星系统应用20世纪80年代美国建立起第一代跟踪与数据中继卫星系统，广泛应用于各类卫星测控和载人航天任务中，大大减少了原有的地面测控站数量，目前已经发展了第二代高级中继卫星系统131。俄罗斯、欧洲和日本也已建立或正在试验各自的中继卫星系统。下图为美国的基于中继卫星系统的航天发射运载器指挥控制系统示意图M。其飞行

7、安全控制系统由三部分组成：UHF频段的飞行终止系统，用来发送摧毁指令。箭载的S频段的发射机用来发送惯导遥测数据到地面。C频段的收发机用来跟踪运载器从起飞到跟踪不可见弧段。安控系统使用遥测和跟踪数据来确定正常飞行或终止运载器在偏离飞行轨迹和其他异常情况下的飞行。但美国的中继卫星目前还不支持传输飞行控制指令，因为地面系统对运载火箭的指令是通过UHF频段发射的，美国设想在未来系统改进后指令可以采用s或者Ka频段发射，则遥控指令就可以通过中继卫星在任何地方发出，而不需要一定在某个地面站发出，就能够对飞行控制具有很高的灵活性。2航天发射中中继

8、卫星系统测控任务分析2．1航天发射特点航天发射的理论弹道一般由主动段和被动段组成，具有飞行范围广、飞行高度变化大、火箭姿态变化大的特点，相比在轨航天器其地面站测控时间更短，使得地面测控难度加大。为了保证火箭主动段飞行安全，通常都需要多