隨著7月23日中午中國長五火箭成功發射「天問一號」火星探測器,全國航天迷無不歡欣鼓舞。聚焦的話題直接把「天問一號」燃爆,但是很多航天迷不知道,為了確保「天問一號」在7個月的地火軌道以及明年2月順利進入火星軌道測控任務,它的背後一直有張無形綿密的天網在默默的支撐,有這麼一群人甘願付出,不拋頭不露臉的幕後英雄,正為中國首次火星探測任務甘當人梯,他們就是中國深空測控網的航天測控人。
工欲善其事必先利其器,今天讓我們一起來聊聊中國的深空測控網。
名字挺神秘,其實就是航天測控網,是反映一國航天水平的重要標誌。當今世界上,雖然已多國衛星上天,但能同時自主研製並發射的國家只有:俄、美、法、日、中、英、印度和以色列8國;而具備全球深空探測能力與獨立組建深空測控網則廖若星辰,只剩下中、俄、美三家,在深空測控網面前其他國家全只能打醬油。
自人類1957年首次進入太空後,隨著探索太空腳步不斷邁進,人類已經不僅僅滿足於圍繞地球,需要以地球為基點,向外拓展與探索更大未知空間。探索距離的不斷增加,僅僅依靠地球上一點不能滿足對遙遠人造太空飛行器控制與指揮,所以俄,美率先開始建設各自深空測控網,兩國各顯神通利,各自利用自身優勢布設地面站,以其達到全球觀測、全天測控、全域指揮的目的。
美國全球地面測控站
美國的深空探測網(簡稱 DSN),充分利用自己國土兩邊大洋空間和傳統盟國良好合作關係建成以本土利福尼亞的戈爾德斯敦為中心、外加澳大利亞坎培拉和西班牙馬德裡為地面骨幹測控主站的深空探測網絡骨架,這3個站間隔120度左右,基本達到了全天24小時追蹤和測控在天人造太空飛行器的目的。
俄羅斯深空測控網
俄羅斯(前蘇聯)同樣不甘示弱,利用自身國土陸地面積遼闊、橫跨東西經度大的優勢,在東西距離1萬公裡,橫跨經度170度,南北寬4000公裡的巨大陸地國土面積上建立起龐大而綿密的衛星測控網。3個地面主站是:烏蘇里斯克、葉夫帕託裡亞、熊湖,它們一同撐起了俄羅斯的深空測控網骨幹。
大家小時候都是玩過放風箏,地面上人就是指揮者,手裡的線牽著風箏。航天測控系統好比人的大腦,測控網絡好比風箏的線,所有在軌人造太空飛行器就是超級「大風箏」。人造太空飛行器在發射、上升、軌道轉換、分離返回、制動剎車、太空姿態調整等關鍵飛行階段都需要通過測控網得到地面指令,是反映一國航天測控科技水平的重要標誌。深空測控網在民用航天能夠發揮作用,在軍事價值上自然也是價值不菲,不過本次暫不此論話題。
在軌飛行的人造太空飛行器接收的指令都是通過測控系統發布,再由測控網絡通過各種傳輸與鏈路,將指揮信息傳輸到人造太空飛行器上,按照地面指令執行相應動作。因此,把深空測控網比作控制人造太空飛行器的「神經中樞」一點不為過。
中國的深空探測網從1970年首顆人造衛星發射開始蹣跚起步,最先參考中國大地原點,以西安為基地建成首個地面測控站。隨著衛星發生數量不斷增加,陸續增建新疆喀什、雲南昆明、黑龍江佳木斯、山東青島、北京測控中心等多個站點(全部從公開媒體上查詢到信息),不斷完善國內測控網絡,為人造太空飛行器提供保駕護航。
在中國火箭發射直播中,經常能夠從畫外音中聽到 「**測控中心通報。。。」, 「衛星狀態正常,跟蹤正常」 的語音,這些都是航天測控網與測控人默默奉獻,敢為人梯的真實寫照。
隨著應用太空飛行器功能多樣、在軌任務複雜,隨之而來對測控精度要求不斷提升。特別是1992年啟動的「神州」載人航天與「天宮空間實驗室」任務後,利用國內陸地的基本測控站已無法滿足長時間,大容量的天地對話與視頻溝通功能,需要增加新的地面測控站點。為了增加天地測控與引導時間段,科技人員首先想到充分利用廣闊的公海大洋的面積,用航天測控船作為移動控制點,彌補陸地測控站控制面積和時間不足。因此,從上世紀70年代開始建造了「遠望」系列測量船,大大緩解天地測控、語音視頻的溝通時之間矛盾。
不過,受大洋的自然天氣,洋流因素影響,遠望系列測量船無法做到如陸地站的定點、定時觀測控,依舊無法做到全時段、全天域的天地溝通和測控。為此,中國創新利用天鏈衛星,作為高掛空中的「轉播臺」,進一步完善神州載人飛船和天宮實驗室項目天地測控任務,建立起中國特色的天地測控系統。
如今,隨著嫦娥探月工程、探索火星工程以及今後的更遠的深空探測項目,人造太空飛行器將距離地球越來越遠,測控精度要求越來越高。特別在探索火星項目中,地火最近距離遙遠(最近5500萬公裡),是地月距離的130多倍;在飛向火星的6~7月地火轉移軌道過程中,時時觀測與控制「天問一號,對測控精確度提出了更高要求。要做到無死角、無時漏的測控,從根本上解決這個問題,需要借鑑美、俄經驗增加陸地測控站,不過中國既沒有美國在全球軍事基地、也沒有俄羅斯橫跨歐亞大陸的巨大經度差,所以海外建站的速度相對較慢,直到本世紀初才開始逐漸加速。
為了精確測控、接收超遠距離微弱信號,深空測控主站設立受諸多自然、科技和人類生活條件限制。例如,使用大拋物面的天線(陣)便於靈敏接收信號、選擇人少地區減少生產生活對測控影響、高山山峰建站減少大氣擾動產生測控誤差等等。為此,中國首個深空探測天線陣正在喀什加緊建設中,到年底即可投入使用。
除了增加國內大型測控站同時,中國通過與友好國家政府協議租地建設和商業租賃模式,積極布設海外深空測控站,為中國深空探測夯實基礎。截止到2019年底,已在全球海外分別是巴基斯坦、肯亞、納米比亞、太平洋吉里巴斯、阿根廷內務肯、澳大利亞當加拉站(商業租賃),使得中國躋身世界深空測控網前三強。
通過不斷完善與積累,相信中國的深空測控網一定會為火星探測項目乃至將來木星、土星更遠的深空項目做出新的貢獻,感謝中國航天測控人的默默付出,他們是託舉航天事業的「負重人」!
您對中國航天城測控人的辛勤付出,有啥想說的嗎?