[科普中国]-测控通信系统

测控通信系统(communication system for tracking, telemetry and command)是指为导弹、航天器飞行试验传输测控数据、话音、图像及提供标准时间，频率信号等信息的专用通信系统。

简介测控通信系统(communication system for tracking, telemetry and command)是指为导弹、航天器飞行试验传输测控数据、话音、图像及提供标准时间，频率信号等信息的专用通信系统1。

组成测控通信系统由数据通信、指挥通信、时间频率统一系统、图像通信、保密通信、电话通信，通信网络管理系统及通信传输信道组成。

数据通信系统用于传输测控网中的各种数据和指令。

指挥通信系统用于试验任务时各级指挥控制中心之间、指挥控制中心与所属测控站之间，测控站与所属参试设备诸岗位之间的指挥通信(包括指挥调度系统和专用指挥电话系统等)。

时间频率系统为测控系统提供标准时间信号和标准频率基准信号，使测控系统在要求的时间同步精度条件下协调工作。

图像通信系统用于发射场及航天器内实况图像信息的采集，处理、传输和显示。

保密通信系统按要求对测控通信信息进行加密处理，确保信息安全。

电话通信系统用于试验单位内及相互间的通信联络。

通信网络管理系统用于各级通信管理人员对所属通信网实施自动化监控管理。

通信传输信道(如卫星通信、光纤、微波、超短波、短波及电缆信道等)与通信终端设备按一定的通信规约组成综合信息传输平台、将各级指挥控制中心、发射场、测控站及参试设备按实验任务的要求有机地联系在一起，组成导弹、航天器测控通信系统2。

国外载人航天测控通信系统概况美国载人航天测控网( MSFN )于1958~1971年间投资近5亿美元建成，具有跟踪、遥测、遥控功能,后增加了通信和电视,支持了水星、双子星和阿波罗计划。水星计划时包括16个站, 9个设在国外(含两艘测量船) ,跟踪使用C和S频段雷达,上下行话音设备采用主备两套超高频。双子星座网计划时测站增加至21个,并将飞行计算中心和控制中心合一建立休斯顿载人航天指控中心。阿波罗网的变化主要是采用USB站,全球建立了近20个站(测量船、测量飞机和三个深空站)。在跟踪与数据中继卫星系统投入使用后,美国关闭了其大部分地面站。

前苏联的载人航天测控网包括加里宁格勒飞行控制中心和加里茨恩飞行控制中心,通信方面采用卫星通信和中继卫星系统。包括上升段发射场和航区的多个测控站,运行段使用了沿国土均匀分布的7个测控站。站内设备有多功能测控设备、遥测设备、雷达、通信设备、卫通、中继卫星终端、计算机和标校设备等,具有测轨、遥测、遥控、通信和电视传输等功能。在70～80年代有11艘测量船。

除美国和前苏联建设了规模庞大的载人航天测控通信系统,其它一些国家和航天组织也分别建立了自己的航天测控通信网,包括测控中心和全球分布的若干测控站2。

我国载人航天测控通信系统在载人航天测控通信系统的论证设计中,始终坚持了“立足我国国情,低投入高效益”的设计思路。系统以陆海基测控网作为基本测控通信手段,充分利用现有的首区、航区光学设备和无线电设备;新建陆地固定测控站和活动站,建设、完善测量船队; 新建飞行任务指挥和控制统一的任务指挥控制中心,改造利用西安卫星测控中心; 新建天地通信系统、数字数据通信网等通信分系统。这些分系统有机结合,优化设计布局,组成了我国新一代具有中国特色的、达到国际先进水平的S频段航天测控网。

（1）S频段统一测控系统

S频段航天测控网的设计与建设工作历时约7年,由测控和通信共用信道造成的电磁兼容设计和天地接口设计及信息的透明传输方式是设计的重点和难点,测控通信系统在系统方案设计初期就着手S波段测控网的频率设计,规划了载人航天工程整个S频段工作频率和副载波频率,专门设计了一套电磁兼容试验设备,编写并会签了天地接口控制文件以控制天地设备的质量,保证了天地大回路的正常操作。

（2）任务指挥控制中心

任务指挥控制中心是地面指挥控制的中枢,负责飞船发射段和整个运行段以及返回段的指挥控制任务,由计算机系统、指挥监控系统和通信系统组成。为了满足工程的大数据量、高可靠、强实时性要求,中心设计时采用了基于GIGASwitch /FDDI网络的功能分布式计算机系统,这种体系结构是对以往采用的集中式结构的重大突破; 系统中通过中心级备份、双网备份、双工备份、多CPU备份和信道备份等实现了多层次的备份冗余体制,确保了系统的高可靠性; 实现了高速率、高并行的通信控制处理技术,外线通道近百路; 采用帧中继协议和CISCO公司的HDLC协议,为我国测控网与国外相关网络的互联、互通开辟了新的技术途径。

（3）通信分系统

通信分系统论证阶段开展了卫星通信网的技术体制、天地超短波通信和数字电视通信技术体制、高速数据传输的复接与同步技术以及天地短波超视距传输等问题的攻关。载人航天的通信系统是我国航天史上迄今规模最大、覆盖面最广、技术最先进、通信容量最高、业务量最大,实时性最强、可靠性最高、效益最佳、时间同步精度最高和应用前景最广阔的通信系统。它成功组织了覆盖整个国土和三大洋的通信网络,在网络中采用了卫星通信(含海事卫星通信)、光纤传输电路等多种手段。提供了质量优良、通信方向最多、速率高达2M的通信电路,使试验通信的组网规模、技术先进性和运行效益等方面达到最佳;首次在试验任务中采用全网数据同步传输技术,使我国航天通信系统在技术上跨上了一个新台阶,在系统的综合性能上实现了质的飞跃; 首次采用了DDN、帧中继、SDH等先进传输系统,在航天通信网中提供了数据迂回和电路自愈功能,有效地提高了通信系统的可靠性。

（4）脉冲雷达网测控通信系统还通过新研制多套脉冲测量雷达、对老的雷达进行技术改造等方式充分利用脉冲雷达网,提高入轨段、在轨运行段和返回段的外弹道测量的可靠性。这些新研制或进行较大技术改造的脉冲雷达,都成功参试完成了试验任务,特别是在返回段,我国第一次研制的相控阵测量雷达,在目标特性和返回轨道特性不清楚的困难条件下成功地捕获目标,并圆满完成了跟踪测量任务,为我国返回目标测量提供了非常宝贵的经验,填补了该领域的空白。

（5）测控软件

与硬件系统建设相应,测控通信系统自始自终坚持按照软件工程化的要求进行测控软件系统的建设。软件系统分析与设计在总体技术方案中就明确规定测控软件开发方法要采用结构化方法,包括结构化分析、结构化设计、结构化编程和结构化测试;在测控软件开发中积极推进、并贯彻执行软件研制的有关国家标准,明确测控软件的开发规范,并将载人航天测控软件开发过程划分为软件总体技术设计(软件系统分析与设计)、需求分析、概要设计、详细设计、编码及单元测试、部件测试、配置测试、系统测试和软件维护等阶段; 选择适合任务的实时测控系统使用的软件开发工具和数据库管理系统,开发了windows NT环境下性能与覆盖分析工具——NPCA。载人航天测控软件的开发在实时测控软件开发史上实现了多项创新1。

载人空间站工程测控通信系统发展思路为圆满完成空间站工程测控通信任务，测控通信系统需要在充分继承交会对接任务测控通信系统成果的基础上创新测控模式，在确保完成空间站测控通信任务的同时，构建适合未来发展的新测控体系。

（1）建立天地基相融合的测控模式

在前期载人航天飞行任务中，主要依靠陆海基测控设备完成测控通信任务。交会对接任务中，中继卫星系统开始正式参加任务，并发挥了重要作用。“天链一号”3颗中继卫星业已部署完毕，初步形成了覆盖全球的天基测控网。

天基测控具有覆盖率高、数据传输率高以及测定轨精度高等优势。虽然天基测控已经在交会对接任务中得到初步应用，并取得显著成效，但我们在利用天基测控为载人航天任务提供测控支持方面还不够成熟和完善，还需要深入研究天基测控的优点，使其更好地为空间站任务提供测控支持。天基测控手段主要依靠我国逐步建立完善的中继卫星系统和卫星导航系统。

（2）测控数传一体化发展思路

在交会对接任务中，利用S频段测控设备能够实现速率为2Mbit/s的数据接收；空间站任务提出了几百兆量级的数据传输需求。在信息化和网络化的社会，测控与数传越来越不可分，需要深入研究和探讨测控通信与数据传输一体化的发展模式。

（3）基于网络的天地一体化设计

空间站与地面之间有大量的信息进行交换，空间站有各类数据和用户节点，地面除测控通信中心、测控站外，也有许多用户需要与空间站进行交互，因此需要研究和设计基于网络的天地一体化信息传输体系。空间站任务的测控通信链路可分为低速信道和高速信道。低速信道主要传输遥测、遥控、话音等可靠性要求高、实时性强的数据，可采用经过多次任务验证的成熟协议；而高速信道主要传输音视频、文件、试验数据等，为更好地支持端到端信息传输，其协议体系应具有很好的灵活性和扩展性，以适应未来网络体系结构扩展和业务种类扩展3。

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所