科学|好书·推荐丨深情“远望”，护送“天问”访“荧惑”
远望号船队完成我国首次火星探测海上测控任务
7月23日 ， 我国在海南文昌航天发射场用长征五号遥四运载火箭实施首次火星探测任务 。 这次“天问一号”任务 ， 远望船队精锐尽出 。 远望5号、6号和7号三艘航天测量船助力“天问”飞向火星 。
这次任务 ， 测量船队面临测控难度大、搭接跟踪要求高、窗口期时间短等诸多挑战 ， 特别是测量船首次使用新频段测控雷达参试 ， 任务前设备技术状态无法得到完全验证 ， 测控难度和风险挑战非同寻常 。
在持续不断的风浪中 ， 3艘远望号船连续跟踪目标飞行器近30分钟 ， 为火箭一二级分离、二级一次关机、二级二次启动、二级二次关机、器箭分离等关键动作提供测控支持 。 3艘测量船在有限的时间内 ， 发现目标及时 ， 跟踪连续稳定 ， 遥测、数传数据获取完整 ， 圆满完成了火箭、环绕器的海上测控任务 。
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航天测量船——天眼通 ， 强大的测控能力
“远望”号航天测量船是一座海上活动测控站 ， 在辽阔的海洋上对各类航天飞行器进行跟踪、测量和控制 。 测控系统包括无线电测量控制设备、船姿船位测量系统以及实时数据处理与监视显示系统 。 它包括脉冲雷达、C 频段统一测控系统和 S 频段统一测控系统、遥测设备等 ， 这些设备为“远望”号航天测量船提供了高超的跟踪测控航天器的能力 。
根据我国目前发射场的布局和航天器发射飞行任务测控需求 ， “远望”号航天测量船主要承担运载火箭飞离国内测控站覆盖范围后运载火箭飞行关键弧段（如三级二次点火、航天器和运载火箭分离前后等）外弹道测量和遥测、卫星入轨后遥测监视、航天器飞行关键弧段（如太阳能帆板展开、变轨、载人航天器制动返回等）的轨道测量和遥测遥控 。 “远望”号航天测量船配置的众多天线设备 ， 犹如敏锐的天眼 ， 将我国各类航天器的发射和飞行动向尽收眼底 。
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卫星发射上升段示意图（至星箭分离）
测控原理和流程
航天测控是指测控站与航天器双向传输测距、遥测、遥控、话音、图像、通信等信息 ， 包括测量、控制和通信三个组成部分 。
“远望”号上的无线电跟踪测量设备、光学测量设备等通过全船计算机网络连接起来 ， 通过通信系统与陆上测控站、飞行指挥控制中心构成统一的测控网 ， 对飞行试验中的目标进行跟踪测量 ， 获取目标的位置参数、遥测参数 ， 对航天器实施控制和数据注入 ， 支持其正常运行 。 以下是其测控工作的示意图 。
航天测控时 ， 位于陆地的指挥控制中心与航行在大海上的航天测量船通过空中的通信卫星连接成一个网络 ， 通过这个通信网络可以传输相关的控制指令 ， 对飞船的有关状态信息进行交互；同时测量船依靠船上的测控设备可直接对航行海域测控范围内的飞船进行测量和控制 。
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航天测控示意图
上升段测控
航天器要想进入太空 ， 必须用运载器（如多级火箭）携带入轨 。 卫星入轨前 ， 火箭动作多 ， 飞行要求高 ， 海上测控直接关系到卫星能否正常进入预定轨道 。 航天器装在运载火箭顶部的整流罩内 ， 火箭从发射场垂直起飞 ， 按预定程序转弯 ， 一级一级地接力推进 ， 待加速到所需轨道高度和轨道速度后 ， 星箭分离 ， 航天器进入轨道 。
从火箭发射到航天器入轨 ， 此阶段的特点是有动力飞行 ， 通过轨道测量和下行火箭遥测判断火箭工作是否正常 。 在测量时如果发现火箭飞出安全轨道 ， 要择机发送遥控指令将火箭炸毁 ， 以免火箭落地时殃及地面人员和物产 。 由于火箭上升段飞行有很大的风险 ， 故障概率很高 ， 所以该段的测控十分重要 ， 其测控覆盖率一般要求100% 。
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火箭助推卫星分离过程示意图
运行段测控
星箭分离后 ， 测控网要对航天器初步轨道进行测量以确定其是否准确入轨 ， 此时卫星要进行许多重要工作 ， 如消除星箭分离对姿态的影响、建立正常工作模式、打开太阳能帆板等 ， 因此在测控网布局时一般要安排几分钟以上的测控 。
运行段是指航天器无动力正常飞行阶段 。 此时的测控主要是两大部分：一部分是对航天器平台的测控；一部分是对有效载荷的测控 ， 若为载人航天时 ， 还要与航天员交互通话 。
卫星经过中国北京的时间是上午10点30分 ， 则入轨后的轨道面永远对准太阳 ， 以后卫星经过北京时一直是上午10点30分 。 这种极轨卫星每天共转14～15圈 ， 再考虑其他因素 ， 相当于相邻两圈轨迹间距约26度 ， 运行段在国内可安排4个测控站 ， 既可兼顾东西经度覆盖 ， 也可兼顾南北纬度接力 。 由于太阳同步轨道卫星每圈都经过地球北极和南极 ， 如在此布设测控站 ， 则利用率最高 ， 例如挪威等国在北极设有测控站 。
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摄动
一个天体绕另一个天体沿轨道运行时 ， 由于受到天体形状、重力不均匀、其他天体的吸引（如日、月引力）或其他因素的影响 ， 天体的运动会偏离原来的轨道 ， 这种偏离的现象称为摄动 。
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天宫二号火箭发射过程示意图
返回段测控
返回式卫星、载人飞船在完成任务后要返回地面 ， 为降低再入返回轨道时的气动加热 ， 需要进行离轨制动 ， 以降低飞行速度和方向 ， 使之进入返回轨道 ， 最终降落到地面 。
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卫星从发射至返回段全过程示意图
本文内容摘自《航天测量船(国之重器:舰船科普丛书)》
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【科学|好书·推荐丨深情“远望”，护送“天问”访“荧惑”】
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