中國電科十所牽頭研制的陸海天基測控通信系統(tǒng)。中國電科十所供圖

　　11月15日晚，天舟八號貨運飛船搭乘長征七號遙九運載火箭，在海南文昌成功發(fā)射，為早一步到中國空間站的神舟十九號航天員乘組“快遞”上新太空物資。隨著“包裹”被簽收，中國載人航天工程2024年發(fā)射任務圓滿收官。

　　載人飛船、貨運飛船等航天器發(fā)射、升空，在茫茫太空遨游，航天器如何與地面聯(lián)系？這離不開航天測控通信系統(tǒng)，它是航天器升空后與地面聯(lián)系的唯一紐帶，就像放風箏的風箏線，因此也被大家稱為航天器的“生命線”。

　　這些發(fā)射任務中，中國電子科技集團公司第十研究所（以下簡稱“中國電科十所”）牽頭研制的陸海天基測控通信系統(tǒng)，構建了新一代綜合化測控體系，負責對飛船、空間站等飛行器進行軌道測量、遙測遙控和數據傳輸。簡單來說，我們在電視機前看到的空間站傳輸回來的高清圖像、天地通話、太空授課、交會對接等畫面，就是靠這一體系來實現(xiàn)。

　　同時，中國電科十所還采用自主研發(fā)的“基帶池”新技術體制，打造新一代天基測控通信系統(tǒng)地面終端站，構建起共享、通用的大規(guī)模信號信息處理平臺，對傳統(tǒng)方法有著顛覆性改變。

　　編織嚴密的立體測控網，中繼衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)揮核心作用

　　飛船與地面的通信主要依靠分布于我國廣袤大地上的各個大型地面測控站，一起對飛船等飛行器進行位置測量、控制、監(jiān)測狀態(tài)等。“廣域部站是為了盡可能實現(xiàn)大面積的信號覆蓋?！敝袊娍剖孛娼K端站副總師曾富華說。

　　實現(xiàn)覆蓋并非易事。飛船在距離地球400千米軌道上低高速運動，大概每隔一個半小時就繞地球一圈。當飛船不在這些測控站范圍內時，就是通信盲區(qū)。此前，往往通過提前在海洋上部署遠望號測量船，來提高通信覆蓋能力?！暗@種傳統(tǒng)方式獲得的綜合覆蓋能力很有限，考慮所有綜合手段后，測控覆蓋率也只有百分之十幾。”曾富華說，隨著我國載人航天任務常態(tài)化進行，出海帶來的人力物力成本也很大。

　　還有別的辦法覆蓋通信盲區(qū)嗎？答案是有，依靠中繼衛(wèi)星建立通信。它距離地面約4萬公里，站得高、看得遠，3顆就能實現(xiàn)對飛船的全時覆蓋。圍繞中繼衛(wèi)星系統(tǒng)這一核心，中國電科十所編織了一張嚴密的立體測控網，對天舟八號等航天器的測控覆蓋率達到100%。

　　具體來看，中繼星系統(tǒng)主要分為中繼衛(wèi)星、地面終端站、運管中心三部分。其中，中繼衛(wèi)星負責把信號收集起來，并轉發(fā)給地面終端站，地面終端站接收信號后進行分析、處理，將信號“翻譯”出來，再將需要的內容傳輸給飛船。這一過程中，中繼衛(wèi)星猶如一個彎管，建立起地面終端站和飛船之間的通信鏈接。通過這條通信鏈路，就能實現(xiàn)地面對飛船的遙控、遙測、測距、飛行狀態(tài)監(jiān)視等。

　　“這條通信鏈路還是一條低時延的‘高速公路’，帶寬達到數百兆比特每秒，傳輸時延只有幾百毫秒。”曾富華介紹，通過“高速公路”，地面管控人員還能實時看到飛船內外的高清圖像，實時掌握飛船的狀態(tài)，并在交會對接中也能看到全過程的實時高清圖像。

　　中繼衛(wèi)星系統(tǒng)這么好，很多用戶都想用。比如，衛(wèi)星上有很多天線，典型的空間站上有若干條鏈路，神舟飛船上去后也會增加通信鏈路需求，系統(tǒng)還會兼顧其他對地觀測衛(wèi)星的數據回傳等任務?！翱梢哉f，該系統(tǒng)是一個多用戶、多速率服務系統(tǒng)，能同時服務多個飛行器。”曾富華說。

　　聚焦信號池化處理，打造新一代地面終端站

　　接收到中繼衛(wèi)星傳來的信號后，地面終端站還要進行處理。目前，中國電科十所負責了第二代中繼衛(wèi)星系統(tǒng)所有地面系統(tǒng)終端的研制，并采用“基帶池”技術，打造新一代天基測控通信系統(tǒng)地面終端站。

　　在曾富華看來，這是一套具有通用性、權威性、認可度的標準技術體系，不光讓系統(tǒng)處理能力更強、服務用戶數量更大，還賦予系統(tǒng)規(guī)模彈性可伸縮、業(yè)務軟件可定義的新質能力，推動我國的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)達到了新高度。

　　測控通信系統(tǒng)由天線、信道和基帶三部分組成，傳統(tǒng)設備采用“井”式架構、執(zhí)行特定任務，“井”與“井”之間信號壁壘大、難打通。相比之下，新一代地面終端站則是“池”式開放架構，采用通用信號處理平臺+軟件功能化的建設方式，實現(xiàn)“硬件平臺通用、軟件定義功能、任務動態(tài)部署、能力長期演進”。

　　“平臺具有彈性伸縮能力，也就是多任務信號放在一個‘池’里同時處理?！痹蝗A進一步解釋，好比智能手機在一個平臺上運行多個App，不同信號形式、工作模式、技術體制的功能可以同時或分時使用，“較傳統(tǒng)方法設備少了，建設成本也更低?！?/p>

　　其中，打造通用的硬件平臺是關鍵一環(huán)，挑戰(zhàn)不小。

　　既然是通用，就要跳出傳統(tǒng)方法中用一套設備實現(xiàn)一個功能，考慮在一個平臺實現(xiàn)多個功能?！斑@個平臺面向信號層面，可以看作是信號處理領域的計算機體系?！痹蝗A說，但不同的是，信號處理算法十分復雜，對實時性要求更高，節(jié)奏要更快。

　　他提到一個細節(jié)，對飛行器測量，一般是通過信號時延來確定飛行器的位置和速度。但測控系統(tǒng)本身有時延，因此需要固定飛行器的時延。但采用“基帶池”新技術進行池化處理后，這一時延很難固定下來。

　　最初，團隊采取將時延全部測出來的辦法?！斑@相當于定制時延，與通用的意圖相悖。”曾富華說，團隊隨后展開大量實驗，設計了一種動態(tài)修正方法，并將這種方法設計成標準的服務，提高了時延校準精度，讓精度縮小到數百皮秒級別，即10的負10次方秒。

　　硬件之外，還要實現(xiàn)軟件定義功能，有一個前提是，要構建起池的“操作系統(tǒng)”。簡而言之，打造一個環(huán)境，實現(xiàn)軟硬件接耦，從而軟件才能運行起來。這一任務挑戰(zhàn)同樣很大。“我們依靠既有基礎和優(yōu)勢，進行不斷優(yōu)化改進，投入了團隊差不多三分之一的人來做。”曾富華說。

　　與傳統(tǒng)方法執(zhí)行既定任務有著大區(qū)別的是，新技術還能實現(xiàn)任務動態(tài)執(zhí)行?！耙簿褪窃诩榷ㄈ蝿詹皇苡绊懙那闆r下，增加更多的新任務?！痹蝗A說，這里的難點在于容易出現(xiàn)資源碎片化現(xiàn)象，因此新系統(tǒng)要把資源更加有效地利用起來。

　　這一現(xiàn)象不難理解，譬如一個團隊中，幾人關系比較好，經常在小組任務中會湊在一起做，團隊中一兩人不免會落單。“新系統(tǒng)通過降低成員之間的‘親和度’，讓資源充分‘融’起來，在全網自行按需分配計算資源，從而達到使用效率最大化。”曾富華說。

　　當下，多用戶、多業(yè)務實現(xiàn)在同一平臺上以軟件化的形式部署。多功能共用一個平臺，不僅避免了建設不同的專用硬件，后續(xù)想要加入新功能，只需要升級軟件，系統(tǒng)的綜合使用效率也得到大幅提高。

　　曾富華強調，這不是一個項目，而是從零到一構建起一個體系。面向未來，也要像中繼衛(wèi)星一樣，站得更高、看得更遠。“將來中繼衛(wèi)星服務的對象或將是現(xiàn)在的兩倍以上，要著眼于系統(tǒng)能力的長期演進，發(fā)揮更大的作用?！?/p>

　　背后故事

　　頂著巨大壓力僅用兩年完成研制

　　在新一代天基測控通信系統(tǒng)的研制中，整個項目團隊七八十人，僅用兩年就完成了如此復雜系統(tǒng)的研發(fā)且采用了全新的技術體制?！爱敃r挑戰(zhàn)巨大，不僅是技術，還有心理層面，大家都非常不容易?！痹蝗A說。

　　整個項目分為方案、研制、外場試驗驗證以及任務運行維護4個階段。曾富華記憶猶新的是，在起始的方案階段，團隊在采用先進技術還是相對保守的方案之間進行激烈討論，起碼不下10次。“項目周期很短，整個體系、每個環(huán)節(jié)又都采用顛覆性的全新技術，能否按時完成交付是個問題?！痹蝗A說，來回討論中，項目組展現(xiàn)出了十足魄力與自信，認為要從打造系統(tǒng)技術能力長遠出發(fā)，努力追求卓越、不斷創(chuàng)新，建設一套技術領先的系統(tǒng)。

　　這個老中青結合的團隊，年齡雖然有差距，但迸發(fā)出的激情讓曾富華很感動。項目研制階段正好在疫情時期，有一段時間大家只能封閉在家里。“那時候，團隊成員主動要求在所里封閉，加班加點確保項目進度?！?/p>

　　在外場階段，新系統(tǒng)有個指標精度要求特別高，團隊采用無人機驗證，但無人機懸停精度很難達到，技術人員在惡劣的戶外環(huán)境下，不分晝夜，連續(xù)三天反復驗證，終于達到了系統(tǒng)要求。

　　新系統(tǒng)剛投用不久，迎來神舟飛船發(fā)射。曾富華回憶，當時大家很緊張，盯著直播畫面一動不動，“全國人民都在看，一丁點兒差錯都不能有?！爆F(xiàn)在神舟十九號、天舟八號發(fā)射上天，新系統(tǒng)使用至今做到了萬無一失，團隊感到很自豪。再看發(fā)射，他們早已不緊張。

□四川日報全媒體記者 寧寧

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