小火箭聊美國軍用與民用的天基衛星測控系統

小火箭出品

本文作者：邢強博士

本文共4585字，41圖。預計閱讀時間：20分鐘。

有關獵鷹系列運載火箭的技術細節，3年來，咱們已經進行了大量探討和分析。

小火箭準備和大家一起聊一下運載火箭和洲際彈道導彈相關的基礎設施建設。

今天，咱們從天基測控系統說起。

小火箭總結過中國航天測控網全球布局：國內有主場站、喀什站、和田站、東風站、廈門站、青島站、渭南站7個地面測控站；國外有卡拉奇站（巴基斯坦）、馬林迪站（肯亞）、阿爾坎特拉站（巴西）、聖地亞哥站（智利）、內烏肯站（阿根廷）、當加拉站（澳大利亞）、納米比亞站（納米比亞）、奧賽蓋爾站（法國）、凱爾蓋朗站（法屬）、基律納北極站（瑞典）等海外地面測控站；在大洋上則有多艘遠望遠洋測量船。

小火箭在公號文章《天宮與天舟的背後：中國航天測控網已傲然崛起》中已經和大家聊過了中國遍布全球的航天地面測控網。

因此，本文小火箭將以美國的測控網為研究對象，並且不以地面測控網為主，而是更加註重對美國天基測控網的分析。

誕生

說起測控，大家的第一印象或許會是碩大無比的地面天線。

比如這座建設在澳大利亞帕克斯觀測站的巨大天線就曾經為人類的第一次登月活動提供支持。當年阿波羅11號飛船的信號就是通過澳大利亞的這座天線接收的。

小火箭風格：

這個天線的具體坐標為：

南緯32°59′52″S 東經148°15′48″E

美國的全球深空測控網路主要由三處呈120°分布的深空通信設施構成（正好三等分了地球）：一處在美國加利福尼亞州的戈爾德斯通，身處巴斯托市附近的莫哈維沙漠；一處位於西班牙馬德里附近；另一處在澳大利亞的堪培拉附近。

上圖為位於加利福尼亞的天線。

這樣的布置能夠努力爭取做到全球覆蓋。

上圖為位於西班牙馬德里的美國全球深空測控網的天線。

但是，在全球布置測控站的想法雖然美好，但是成本是極高的。這不僅僅是經濟層面的考慮，還有政治和外交層面的因素。

上世紀90年代，中國載人航天工程正式立項。為了提高中國航天測控網的能力，同時降低發射的測控成本（以往在發射某些衛星時，需要向南太平洋派遣遠洋測量船，而如果中國能夠在南太平洋擁有自己的測控地面站，則測控成本可大幅降低，具體降幅可達70%），中國決定開始進行海外測控站布局。幾經計算和論證，中國選定了吉里巴斯這個地方。

經過幾輪談判，吉里巴斯當時同意以15年的租期租給中國一塊1公頃的土地用來建設測控站並且併入中國航天測控網。

但是，美國認為該測控站距離美軍的馬紹爾群島導彈攔截測試基地過近，且有用于軍事的可能，開始對該測控站的建設和運營工作進行抗議和阻撓，最終使得該項目不能不停止。中國也就暫時失去了在南太平洋擁有測控站的機會。

從成本的角度來考慮，美國布置在全球的15個規模較大的測控中心建設成本巨大，而運營維護的成本在幾十年的積累中越來越高。

於是，出於實現真正的對全球低軌飛行器的不間斷覆蓋和運營方面的考慮，工程師們給出了一個設想：

把測控的節點放到太空去。擁有制高點，同時不受國界局限的天基測控相對於地基測控的優勢是天生的。

初試

協調世界時1983年4月4日18點30分00秒，挑戰者號太空梭從美國佛羅里達州的卡納維拉爾角發射場第39A發射工位拔地而起。

這是挑戰者號太空梭首次執行太空任務。

同時，這也是乘坐太空梭進入太空的宇航員第一次攜帶噴氣背包出艙執行太空行走任務。

這就是1983年4月份，挑戰者號太空梭正在釋放的衛星。

這顆衛星是美國天基跟蹤和數據中繼系列衛星的首星。

按計劃，該衛星將會在地球同步軌道上運行，為地球近地軌道的航天飛行器提供測控服務。

咦？那麼問題來了：

挑戰者號太空梭飛行的軌道高度是比較低的（近地點288.1公里，遠地點294.9公里），如何能夠把這顆衛星送到距離地面3.6萬公里的同步軌道上呢？

小火箭曾經在小火箭經典導彈與運載火箭系列文章中答應了大家要講一下軌道相關的事情，並且以質子運載火箭發射地球同步軌道衛星給出了算例。

在本文，為了對比需要，小火箭再次給出用質子火箭發射地球同步軌道衛星的過程：

基本上，要想把衛星（或者其他載荷）送到地球同步軌道上的話，需要12步（小火箭給出的這個算例以從拜科努爾基地發射的質子-M運載火箭為基準）：

火箭發射；

上面級分離；

上面級第1次點火；

進入一個距離地面173千米，傾角為51.5°的停泊圓軌道（此時，研製質子火箭基礎級的兄弟們可以慶祝了）；

上面級第2次點火，開始變軌；

進入一個近地點295千米，遠地點6000千米，傾角為51.0°的橢圓軌道；

拋掉微風上面級的外掛貯箱；（做軌道設計的同學，要注意，微風上面級的外掛貯箱的拋棄對後續軌道的計算有重要影響，計算和複核軌道數據的時候，要加以考慮。）

上面級第3次和第4次點火，再次變軌，進入轉移軌道；

和風上面級的外掛貯箱進入一個近地點361千米，遠地點14930千米，傾角50.8°的臨時軌道；

轉移軌道參數：近地點475千米，遠地點65044千米，軌道傾角50.5°；

上面級第5次點火，終於進入目標軌道；

釋放載荷，該算例中，衛星在東經135.8°的赤道上方。

眾所周知，通常衛星變軌採用的是霍夫曼變軌技術：

上圖是霍夫曼變軌技術的經典示意圖：綠色的1號軌道為高度較低的圓軌道，紅色的3號軌道是較高的圓軌道。衛星從1號軌道某處點火加速，就會形成一個橢圓轉移軌道（黃色的2號軌道）。在2號軌道的遠地點處再次點火，衛星就會進入3號圓軌道了。

這種由德國物理學家瓦爾特·霍夫曼在1925年提出的變軌方法多年以來一直被幾乎所有的衛星和深空探測器所沿用。

挑戰者號太空梭發射美國天基測控衛星的首星的時候，原本也是計劃這樣做的：

先點火加速，進入一個長長扁扁的橢圓軌道，然後在遠地點第二次點火，進入地球同步軌道這個圓圓的地方。

一切準備妥當後，他們準備釋放衛星了。經過4小時17分鐘的太空行走+出艙活動，他們成功地把衛星扔到了一條近地軌道上。

美國首顆天基測控衛星上面有兩台固體火箭發動機，她們會依次點火，分別實現近地軌道點火加速和橢圓軌道遠地點點火入軌的任務要求。

第一次點火很順利，宇航員目送衛星進入橢圓軌道。但是，第二次點火，衛星沒點成功。

這下子壞了，衛星入軌失敗。

4名宇航員在1983年4月9日帶著無比遺憾的心情駕駛太空梭軌道飛行器再入大氣層，著陸在愛德華茲空軍基地。

就像小火箭在《兩次奔月！一顆傳奇廢棄衛星的自我救贖之路》公號文章中寫到的那樣，工程師們不會就這樣輕易放棄一顆衛星的。

34位自告奮勇的彈道和軌道工程師集中在戈達德太空中心，他們共同想辦法來拯救這顆迷路的天基測控衛星。

功夫不負有心人。34位工程師遠程控制衛星，在將近100天的時間裡，進行了足足39次變軌，把天基測控系統的首星硬是從大橢圓軌道上修正到了地球同步軌道上。

公元1984年11月26日，NASA美國宇航局授予這34位工程師戈達德獎章，這是戈達德太空中心的最高榮譽。

這顆代號為TDRS-1的美國首顆天基測控衛星入軌後，表現不凡。（TDRS是跟蹤和數據中繼衛星的縮寫。）

在該星的幫助下，人類首次實現了北極與南極的無線電通話。

從此以後，地球上距離赤道最遠的地方也能夠和人口稠密地區進行實時通訊了。

上圖為南極阿蒙森斯科特科考站。

小火箭風格：

南緯89°59′51.19″S 東經139°16′22.41″E

嗯！差一點點就是南緯90°00′00″了。要不是因為漂移的話，這個科考站恰好就是建在南極點上的。

爆炸

協調世界時公元1986年1月28日16點38分00秒，挑戰者號太空梭帶著第2顆天基測控衛星TDRS-2從卡納維拉爾角發射場第39B發射工位升空。

然而，這一回，戈達德的工程師們也沒能挽回局面：

挑戰者號太空梭升空73秒後，突然爆炸。

這一炸，改變了人類軍事與商業航天發射的格局（美國從市場佔有率的95%以上跌至36%，而後來者居上的歐空局，憑藉阿麗亞娜系列運載火箭，贏得了60%的全球火箭發射的市場佔有率。）

變軌

1986年的那次爆炸沒能動搖美國工程師構建天基測控網的決心。

他們的目標是要讓以往的地基測控的15.35%的覆蓋率躍升為天基系統的85.3%的覆蓋率，能夠對所有軌道高度在195公里到12000公里之間的飛行器進行實時測控。

協調世界時公元1988年9月29日15點37分00秒，發現號太空梭帶著第3顆天基測控衛星TDRS-3在卡納維拉爾角發射場第39B工位發射升空。

TDRS-3天基測控衛星從釋放到入軌，整個過程非常順利。

這是該星剛剛離開發現號太空梭時的樣子，還未展開。

對於熱衷於欣賞和研究太空的小火箭好友來說，在這裡可以向這顆衛星由衷地表達一下謝意了。

TDRS-3天基測控衛星（跟蹤和數據中繼衛星03星）在上世紀90年代和21世紀初期的主要任務，就是負責康普頓伽馬射線太空望遠鏡和大名鼎鼎的哈勃太空望遠鏡的信號傳輸！

這是美國天基測控和數據中繼衛星星座中，第2顆成功入軌的。而此時，太空探索活動異常活躍，這顆衛星也就忙壞了（95%的有效利用率，在上世紀90年代的幾年，達到了99%的利用率。）

TDRS-3衛星為了滿足多種任務的需求，不得不在太空中，在地球同步軌道上閃轉騰挪，到處奔波。

1988年，她剛剛入軌的時候，定點在西經151°上空。也就是在東太平洋的上空，與阿拉斯加州的中部地區在一條經線上。

待了沒多久，在1988年年底到1990年期間，TDRS-3天基測控衛星就跑到了西經171°重新定點了。這裡還是太平洋上空，不過比之前要靠西一些，與白令海峽在同一條經線上。

1990年，TDRS-3天基測控衛星再次變軌，定點在西經174°上空。

待了1年，1991年，TDRS-3天基測控衛星大幅度變軌，定點在西經62°上空，跑到了南美洲的巴西上方。

3年後，TDRS-3再次變軌，於1994年回到了西經171°上方。

1995年，TDRS-3衛星非常給力地做了超級變軌機動，自己跑到了東經85°上方。這是印度洋上空。她在這個位置停留了14年。

2009年，TDRS-3衛星做了或許是她生前的最後一次變軌，到了西經49°上空。

組網

1989年3月13日，TDRS-4天基測控衛星搭乘發現號太空梭成功升空。

隨著TDRS-4天基測控星的入軌，美國趕在1990年之前擁有了初步的天基測控網。

1991年8月2日，協調世界時15點02分，亞特蘭蒂斯號太空梭升空，隨後將TDRS-5天基測控衛星送入軌道。

1993年1月13日，奮進號太空梭將TDRS-6天基測控衛星送入軌道。

1995年7月13日，發現號太空梭把TDRS-7天基測控衛星送入預定軌道。

測控

至此，美國第一代天基測控衛星7顆星，有6顆衛星進入預定軌道。TDRS-2星隨挑戰者號太空梭爆炸，未能入軌。

這6顆天基測控衛星覆蓋了全球86%的面積，以高於以往地面測控站與遠洋測量船6倍的速率提供著高帶寬和高可靠性的測控和數據中繼服務。

Ku波段和S波段，這個天基測控星座通吃。

天基測控和數據中繼系統雖然不像重型獵鷹火箭那樣引人注目，但是作為太空系統的重要基礎設施，不可不察。

協調世界時公元2010年12月8日，SpaceX公司的獵鷹9號運載火箭1.0版本首次試射龍飛船的時候，全程都在依靠美國天基測控星座的技術支持。

版權聲明：

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