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我國火箭測(cè)控領(lǐng)域取得重大突破！中低軌飛行遙測(cè)全程無盲區(qū)

點(diǎn)擊：  作者：航天科技一院    來源：中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 微信號(hào)  發(fā)布時(shí)間:2021-01-23 13:25:27

 

▲長(zhǎng)征八號(hào)遙一運(yùn)載火箭點(diǎn)火升空

 

2020年12月22日，長(zhǎng)征八號(hào)遙一運(yùn)載火箭成功發(fā)射，火箭院總體設(shè)計(jì)部研制的“Ka頻段高碼率天基測(cè)控系統(tǒng)”參加飛行試驗(yàn)，首次實(shí)現(xiàn)了運(yùn)載火箭飛行任務(wù)全程高速數(shù)據(jù)傳輸。作為火箭新一代測(cè)量系統(tǒng)“高速化”特征的關(guān)鍵技術(shù)，該系統(tǒng)的成功應(yīng)用，標(biāo)志著我國火箭測(cè)控領(lǐng)域取得的重大突破，我國火箭具備了高碼率全程天基測(cè)控能力，中低軌飛行測(cè)控將再無盲區(qū)。

 

聽起來很厲害的樣子……

但這到底是個(gè)啥

 

好吧，要搞清楚厲害在哪？就要先給大家解釋下什么是測(cè)控盲區(qū)。在生活中，我們用手機(jī)，在沒有“基站網(wǎng)”的地方，就會(huì)沒有信號(hào)。同理，火箭飛行過程中，也是通過相應(yīng)的“基站網(wǎng)”隔空向大家匯報(bào)自己的姿態(tài)及軌道信息。在盲區(qū)內(nèi)，火箭將暫時(shí)與地面完全失去信號(hào)聯(lián)系。大家在看火箭發(fā)射直播時(shí)，有時(shí)候會(huì)突然黑屏一段時(shí)間，這時(shí)，火箭就正在穿越測(cè)控盲區(qū)。

 

受諸多條件限制，一個(gè)國家的“基站網(wǎng)”不可能覆蓋全球，僅靠有限的地面和海洋測(cè)控滿足不了所有的航天測(cè)控需求。

 

怎么辦？往下看！

 

爭(zhēng)相研制

——高頻天基測(cè)控技術(shù)

 

為彌補(bǔ)陸地和海洋測(cè)控點(diǎn)無力觸及的測(cè)控盲區(qū)，就有了天基測(cè)控。

 

所謂天基測(cè)控，就是通過天基中繼衛(wèi)星向地面技術(shù)人員傳輸火箭飛行過程的實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)飛行中的火箭進(jìn)行全程實(shí)時(shí)測(cè)控，相當(dāng)于將手機(jī)基站建在了三萬六千公里的同步軌道。而相比傳統(tǒng)S頻段天基測(cè)控，更高效的Ka頻段天基測(cè)控技術(shù)成為世界航天強(qiáng)國爭(zhēng)相研制的新領(lǐng)域。

 

質(zhì)的飛躍

——“Ka頻段高碼率天基測(cè)控系統(tǒng)”

 

2012年，我國跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星“天鏈”系統(tǒng)全面建成，實(shí)現(xiàn)了中低軌道全軌道覆蓋。同年，火箭院加大箭上數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)研發(fā)力度，研制團(tuán)隊(duì)短短幾年時(shí)間，突破了快速散熱、窄波段跟蹤、高性能天線列陣等一系列技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了我國天基測(cè)控技術(shù)S頻段至Ka頻段的重大跨越。

 

 

▲安裝在長(zhǎng)征八號(hào)遙一運(yùn)載火箭上的“Ka頻段高碼率天基測(cè)控系統(tǒng)”產(chǎn)品

 

火箭院總體設(shè)計(jì)部1室副主任宋銳比喻說，這兩個(gè)頻段就像寬度為2米和20米的火車：

 

S頻段：

存在帶寬較窄，數(shù)據(jù)傳輸速率較低等缺點(diǎn)，無法滿足火箭全部數(shù)據(jù)回傳需求。

 

Ka頻段：

頻率在20G赫茲以上，數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到每秒上百兆，是航天測(cè)控技術(shù)的重大跨越，也是火箭研制能力提升的重要標(biāo)志。

 

Ka頻段明顯可以裝得更多，獲取的火箭數(shù)據(jù)更多，是傳統(tǒng)S頻段天基測(cè)控?cái)?shù)據(jù)傳輸能力的幾十倍甚至上百倍，并且波束寬度能夠滿足火箭飛行中動(dòng)態(tài)跟蹤需求，也因此成為高碼率天基測(cè)控的最佳選擇。

 

 

▲產(chǎn)品效果圖

 

本次在長(zhǎng)征八號(hào)遙一運(yùn)載火箭成功應(yīng)用“Ka頻段高碼率天基測(cè)控系統(tǒng)”測(cè)控全程，數(shù)據(jù)可全部獲取且遙測(cè)覆蓋率達(dá)100%，測(cè)控手段實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，我國火箭天基測(cè)控技術(shù)一舉進(jìn)入國際領(lǐng)先行列。

 

“天鏈”系統(tǒng)目前的全部衛(wèi)星，都是由火箭院抓總研制的“金牌火箭”長(zhǎng)征三號(hào)甲系列送入太空的。

 

 

▲2012年7月25日23時(shí)43分，長(zhǎng)征三號(hào)丙運(yùn)載火箭將“天鏈一號(hào)03星”順利發(fā)射升空，標(biāo)志著中國第一代中繼衛(wèi)星系統(tǒng)正式建成。

 

告別“檔期”

——軌道設(shè)計(jì)更靈活

 

一直以來，設(shè)計(jì)師在為火箭設(shè)計(jì)飛行軌道時(shí)，要根據(jù)地面遙測(cè)網(wǎng)點(diǎn)、海上測(cè)量船的覆蓋范圍設(shè)計(jì)軌道；發(fā)射窗口的選擇受海上測(cè)量船“檔期”影響，也會(huì)有一定程度的限制。

 

“Ka頻段高碼率天基測(cè)控系統(tǒng)”的成功應(yīng)用，將在不久的將來改變這一局面。隨著天基測(cè)控技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國火箭軌道設(shè)計(jì)和發(fā)射窗口的選擇將不斷掙脫地面測(cè)控保障的束縛，數(shù)據(jù)傳輸將逐步過渡到天基測(cè)控為主、地基+海基測(cè)控為輔的階段，中低軌道火箭發(fā)射軌道設(shè)計(jì)和窗口選擇將會(huì)更靈活，火箭軌道設(shè)計(jì)、發(fā)射時(shí)間的選擇不再受地面測(cè)控保障時(shí)間和空間的限制。

 

 

▲“Ka頻段高碼率天基測(cè)控系統(tǒng)”產(chǎn)品圖

 

屆時(shí)，測(cè)量船出船次數(shù)和地面站使用率將會(huì)相應(yīng)減少，能夠大幅縮減火箭發(fā)射成本，面對(duì)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的商業(yè)航天發(fā)射，將極大提升火箭在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。

 

未來可期

——測(cè)控技術(shù)邁向新征程　

 

面向重型運(yùn)載、可重復(fù)使用等任務(wù)需求，以“集成化、網(wǎng)絡(luò)化、無纜化、高速化、智能化”為主要特征的新一代測(cè)量系統(tǒng)研制工作正有序推進(jìn)，“Ka頻段高碼率天基測(cè)控系統(tǒng)”作為排頭兵，已經(jīng)率先走入工程應(yīng)用階段。

 

“Ka頻段高碼率天基測(cè)控系統(tǒng)” 在長(zhǎng)征八號(hào)遙一運(yùn)載火箭成功應(yīng)用只是一個(gè)起點(diǎn)。后續(xù)，更高碼率的天基測(cè)控系統(tǒng)將扛起我國中低軌道遙測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇笃臁．?dāng)前我國大火箭的10兆級(jí)、重型運(yùn)載火箭的50兆級(jí)箭上“高碼率天基測(cè)控系統(tǒng)”正在研發(fā)中；采用多天線切換和多星切換策略，還能實(shí)現(xiàn)多軌道需求的全程高碼率天基測(cè)控；采用天基前向鏈路功能，還可以實(shí)現(xiàn)飛行過程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)加載。這些技術(shù)升級(jí)將進(jìn)一步推動(dòng)我國天基測(cè)控和火箭研發(fā)再上新臺(tái)階。

 

文稿：王海露

圖片：宋銳 宮長(zhǎng)輝

 

作者：航天科技一院  來源： 中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院