測控通信：為手動交會對接保駕護航
中國電科
“神舟五號飛天時，我們說‘楊利偉駕駛著飛船’。其實這是不準確的，應該是楊利偉‘乘坐’著飛船。這次神舟九號，航天員要手動完成飛船與天宮的交會對接，這才是真正的‘駕駛’著飛船。”中國電子科技集團公司研究員級高級工程師、測控通信專家陳建民說。
航天員在‘駕駛’飛船實施交會對接的過程中，要看著電視圖像，根據實時傳輸的數據，如距離、高度、軸線差別、相對速度等，讓兩個航天器一點點逼近，根據仔細計算決定速度變化方案，完成交會對接。航天員手動操作時掌握的信息源自哪里呢？這就要靠神舟九號的測控與通信系統來完成。
“就是對火箭、飛船進行遙控、通信以及聽診！”中國電子科技集團公司科研人員趙曉虎這樣形容測控通信系統的功能。“遙控，就是控制飛船的運行；聽診，就是測量飛船在整個過程中的軌道運行參數，包括飛船空間距離、角度、速度、運行軌跡等在內的重要數據；而通信，則是保障飛船與地面指控中心之間各種數據、指揮調度、天地通信話音和視頻等信息的順利傳輸。”這些測控通信設備的設立，就像一張密實的蜘蛛網，實現了天與地、指揮中心與各個地面站點以及海上測控站點之間的有效連接和協同控制。
空間精度：誤差不超過1毫米
“要想成功交會對接，需要通過天地之間的遙測，高精度定軌，必須知道“天宮”一號的倉口在哪兒，“神舟”九號的倉口在哪，要對準，誤差不超過1毫米。這就對中國電科負責的地面監測站提出了極高的要求。”陳建民說。
太空中的“天宮”一號目標飛行器和“神舟”九號飛船都是高速運行的，時速達到28000公里以上。在對接過程中，一個很小的誤差，也會讓飛船拋向離目標飛行器很遠的地方，或者，期待的“接吻”會變成可怕的“追尾”。
飛船在宇宙高速飛行，要求精度極高，地面監測站需要實時對飛船進行測控。 “地面站會不斷發射、接收電波，通過計算飛行器距地球距離和電波傳輸速度對飛行器位置進行測量。神七成功發射后，我們對地面站測控設備進行了一次大改造，現在的設備速度更快、測量精度更高，而且一臺計算機可以完成以前9個機柜才能完成的工作。為了適應此次航天任務有天宮一號、神舟九號兩艘飛行器這一特殊性，我們的地面站測控系統實現了同時對這兩個目標進行測控。”陳建民介紹。
時間精度：3170年不能差一秒
“時間對于測控系統來說是非常嚴格的，由于飛船的速度非常高，大家都知道，低宇宙速度是每秒7.8公里，也就是說，7.8公里/秒才能離開地球。在這個高度上維系它的運行至少要達到8公里/秒左右，軌道越高，它的速度就越高，也就是相當于一小時是2.8萬公里，這個速度是非常快的。也就是說，差之毫厘，失之千里，絕對是不過分的。”陳建民說。
整個測控網，需要把整個時間同步到一個時鐘上，這就相當于日常的對表。這個表的精度有多高呢？是10的11次方。大約相當于3170年不能差一秒。
中國電子科技集團公司負責為神九提供“時統設備”。就像打仗的時候，指揮員總是要求大家“對表”，這就要求有一個統一的時間，確定一個時間之后，要求大家是同步的。如何做到時間的統一，由時統設備“做主”。
天地通訊：“鄉間小路”變成了“高速公路”
航天員在手動操作實施交會對接過程中看到電視圖像，聽到來自地面的聲音，這主要得益于通信系統的暢通無阻。飛行器、地面測控站點、指揮控制中心在天地之間搭建了一張無形的天地通信網絡，通過這個網絡可以實現各種通信測控數據、指揮調度、通信話音和視頻等信息的順利傳輸。
“過去，宇航員看不到地面的圖像，而現在，天地之間、各地面站之間的通訊系統實現了網絡化連接，邁入互聯互通新時代。”中國電子科技集團公司高級工程師楊志國說。神九任務采用中繼衛星空——空——地傳輸鏈路，有了足夠的傳輸帶寬，大大提高了視頻通話的質量。采用中繼衛星進行通信和測控，不但對飛船覆蓋時間更長，而且數據傳輸更快、更有效。以往的幾次任務，都是通過S頻段進行數據傳輸，而中繼衛星采用更高的頻段實現圖像、聲音的上傳下達。在承接任務時，中國電子科技集團公司主動把通訊設備設計指標提高一倍，而在研制、測試設備過程中，又把設計指標提高一倍，實現了設備性能翻兩番的跨越。
“這么說吧，如果把以往的通信比作“鄉間小路”，那現在的通信就是一條雙向“高速公路”，可以更快、更多地完成天地間的信息傳達。同時，采用更高頻段的信息傳輸質量有很大提高，現在傳輸的畫面可以媲美高清電視畫面，聲音清晰程度超過日常電話通話質量。”楊志國風趣地打了個比方。
在神舟九號與天宮一號對接過程中，每秒的數據都很重要，這就要求傳輸網絡要絕對可靠。中國電子科技集團公司高級工程師盧華斌說：“民用的IP網絡在進行數據傳輸的時候，會出現‘丟包’的現象，即數據丟失，只是一般發現不了罷了，而這樣的事情絕對不能在飛船飛天后發生，因為這樣就會導致指令不對或是連接中斷，所以‘丟包率’必須為零。”此次神九飛天過程中，網絡設備、線路都有備份，并且是“熱備份”，即兩條網絡同時“工作”，確保數據傳輸萬無一失。
航天員在‘駕駛’飛船實施交會對接的過程中，要看著電視圖像，根據實時傳輸的數據，如距離、高度、軸線差別、相對速度等，讓兩個航天器一點點逼近，根據仔細計算決定速度變化方案，完成交會對接。航天員手動操作時掌握的信息源自哪里呢？這就要靠神舟九號的測控與通信系統來完成。
“就是對火箭、飛船進行遙控、通信以及聽診！”中國電子科技集團公司科研人員趙曉虎這樣形容測控通信系統的功能。“遙控，就是控制飛船的運行；聽診，就是測量飛船在整個過程中的軌道運行參數，包括飛船空間距離、角度、速度、運行軌跡等在內的重要數據；而通信，則是保障飛船與地面指控中心之間各種數據、指揮調度、天地通信話音和視頻等信息的順利傳輸。”這些測控通信設備的設立，就像一張密實的蜘蛛網，實現了天與地、指揮中心與各個地面站點以及海上測控站點之間的有效連接和協同控制。
空間精度：誤差不超過1毫米
“要想成功交會對接，需要通過天地之間的遙測，高精度定軌，必須知道“天宮”一號的倉口在哪兒，“神舟”九號的倉口在哪，要對準，誤差不超過1毫米。這就對中國電科負責的地面監測站提出了極高的要求。”陳建民說。
太空中的“天宮”一號目標飛行器和“神舟”九號飛船都是高速運行的，時速達到28000公里以上。在對接過程中，一個很小的誤差，也會讓飛船拋向離目標飛行器很遠的地方，或者，期待的“接吻”會變成可怕的“追尾”。
飛船在宇宙高速飛行，要求精度極高，地面監測站需要實時對飛船進行測控。 “地面站會不斷發射、接收電波，通過計算飛行器距地球距離和電波傳輸速度對飛行器位置進行測量。神七成功發射后，我們對地面站測控設備進行了一次大改造，現在的設備速度更快、測量精度更高，而且一臺計算機可以完成以前9個機柜才能完成的工作。為了適應此次航天任務有天宮一號、神舟九號兩艘飛行器這一特殊性，我們的地面站測控系統實現了同時對這兩個目標進行測控。”陳建民介紹。
時間精度：3170年不能差一秒
“時間對于測控系統來說是非常嚴格的，由于飛船的速度非常高，大家都知道，低宇宙速度是每秒7.8公里，也就是說，7.8公里/秒才能離開地球。在這個高度上維系它的運行至少要達到8公里/秒左右，軌道越高，它的速度就越高，也就是相當于一小時是2.8萬公里，這個速度是非常快的。也就是說，差之毫厘，失之千里，絕對是不過分的。”陳建民說。
整個測控網，需要把整個時間同步到一個時鐘上，這就相當于日常的對表。這個表的精度有多高呢？是10的11次方。大約相當于3170年不能差一秒。
中國電子科技集團公司負責為神九提供“時統設備”。就像打仗的時候，指揮員總是要求大家“對表”，這就要求有一個統一的時間，確定一個時間之后，要求大家是同步的。如何做到時間的統一，由時統設備“做主”。
天地通訊：“鄉間小路”變成了“高速公路”
航天員在手動操作實施交會對接過程中看到電視圖像，聽到來自地面的聲音，這主要得益于通信系統的暢通無阻。飛行器、地面測控站點、指揮控制中心在天地之間搭建了一張無形的天地通信網絡，通過這個網絡可以實現各種通信測控數據、指揮調度、通信話音和視頻等信息的順利傳輸。
“過去，宇航員看不到地面的圖像，而現在，天地之間、各地面站之間的通訊系統實現了網絡化連接，邁入互聯互通新時代。”中國電子科技集團公司高級工程師楊志國說。神九任務采用中繼衛星空——空——地傳輸鏈路，有了足夠的傳輸帶寬，大大提高了視頻通話的質量。采用中繼衛星進行通信和測控，不但對飛船覆蓋時間更長，而且數據傳輸更快、更有效。以往的幾次任務，都是通過S頻段進行數據傳輸，而中繼衛星采用更高的頻段實現圖像、聲音的上傳下達。在承接任務時，中國電子科技集團公司主動把通訊設備設計指標提高一倍，而在研制、測試設備過程中，又把設計指標提高一倍，實現了設備性能翻兩番的跨越。
“這么說吧，如果把以往的通信比作“鄉間小路”，那現在的通信就是一條雙向“高速公路”，可以更快、更多地完成天地間的信息傳達。同時，采用更高頻段的信息傳輸質量有很大提高，現在傳輸的畫面可以媲美高清電視畫面，聲音清晰程度超過日常電話通話質量。”楊志國風趣地打了個比方。
在神舟九號與天宮一號對接過程中，每秒的數據都很重要，這就要求傳輸網絡要絕對可靠。中國電子科技集團公司高級工程師盧華斌說：“民用的IP網絡在進行數據傳輸的時候，會出現‘丟包’的現象，即數據丟失，只是一般發現不了罷了，而這樣的事情絕對不能在飛船飛天后發生，因為這樣就會導致指令不對或是連接中斷，所以‘丟包率’必須為零。”此次神九飛天過程中，網絡設備、線路都有備份，并且是“熱備份”，即兩條網絡同時“工作”，確保數據傳輸萬無一失。