天宮與天舟的背後：中國航天測控網已傲然崛起

小火箭出品

本文作者：邢強博士

本文原題目：天宮與天舟的背後：中國航天測控網已傲然崛起

2017年4月20日19時41分，中國第一艘無人貨運飛船天舟1號在中國海南文昌發射中心成功發射；2017年4月22日12時23分，天舟1號貨運飛船與天宮2號空間實驗室順利完成自動交會對接。

有關天宮2號空間站與天舟1號貨運飛船，大量媒體在這兩天已經說得挺多的了，小火箭在本文不再贅述。本文，我想重點介紹一下我國已經居世界領先地位的航天測控網。神舟、天宮、天舟引世人關注，令國人驕傲，而其成功的背後，離不開歷經艱辛後終於具備相當的規模和先進技術水平的中國人自己的航天測控網。

因去文昌的緣故，文章更新頻率有所放緩，在此小火用幾張在文昌拍攝的照片來補償吧。

長征7號火箭帶著天舟1號貨運飛船拔地而起。邢強攝於2017年4月20日19點41分。

中國海南文昌發射基地旁邊，面朝大海，胸懷宇宙。邢強攝於2017年4月19日中午。

海南文昌東郊擁有中國最大的天然椰樹林，而文昌基地內也擁有大量椰子樹。小火箭攝於文昌基地內。

2017年4月20日傍晚，文昌發射中心大樓在椰子樹的陪伴下，靜待長征7號火箭的發射。邢強攝。

長征7號火箭帶著天舟1號貨運飛船奔向太空。小火箭攝影師吳龍飛攝，小火箭出品。

回歸本文的主題。航天測控網由地面測控站、海上測量船、空中測量飛機和數據中繼衛星等平台組成。這些平台通過有線或無線的連接構成一個有機整體，能夠對在太空中飛行的衛星、飛船、空間站的位置、速度等參數進行測算，以便讓指揮中心掌握航天飛行器的情況，同時也便於上傳控制指令和下載衛星數據。上圖為位於德國巴伐利亞州賴斯廷的一個大天線。這是世界上最大的衛星地面站。

萌芽

回顧歷史，回顧中國自己的航天發展史，小火箭發現，中國的航天測控網的布置要早於中國第一顆人造地球衛星東方紅1號的發射。早在1967年，我國就開始了航天測控網的規劃和建設工作。也就是說，東方紅1號衛星並非是趕工之作，而是具備和現代科學試驗衛星、商業衛星類似的嚴格規範的測控程序。

首批建成的中國航天地面測控基地分別位於渭南、喀什、閩西、廈門、長春和南寧。

公元1970年4月24日21時35分，長征1號運載火箭發射，1970年4月24日21時48分東方紅1號衛星順利入軌。這使得中國成為繼蘇聯、美國、法國和日本之後第五個能夠獨立發射人造衛星的國家。值得一提的是，東方紅1號的質量為173千克，超過了前四個國家各自發射的第一顆人造衛星質量的總和。

小火箭在這裡要補充說一句的是：後來，4月24日成為了中華人民共和國的航天日。（2017年4月24日，是中國第2個航天日。）

1970年，中國的幾個地面測控站組成的地面航天測控網使用光學測量設備、短波遙測設備、單脈衝精密跟蹤雷達和多普勒測速儀對東方紅1號衛星進行了長時間的測控。這也就成為了中國航天測控網的發軔之日。

當時，中國的航天測控網的水平如何呢？

小火箭在這裡僅列出以下事實：自1970年4月24日，東方紅1號衛星入軌後，中國的航天測控網在當年以相當高的精度成功預報了衛星飛臨世界上的244個城市上空的方位和時間。

如今，東方紅1號衛星依然在太空中繞著地球飛行著。為了堅持小火箭以數據說法的風格，現給出中國東方紅1號人造地球衛星如今的軌道參數：

近地點：434公里，遠地點：2032公里，軌道傾角：68.4°。

上圖為始建於1991年的中國南山基地。該基地位於烏魯木齊縣甘溝鄉，海拔2080米，距烏魯木齊市區75公里。

具體坐標為：

北緯 43.471476 N,東經87.178096 E。

南山基地擁有25米射電望遠鏡系統、GPS數據接收系統和太陽色球望遠鏡等儀器等設備。這樣的射電望遠鏡可以承接脈衝星、厘米波分子譜線和活動星系核等觀測研究任務，是國際VLBI網的重要站點。

奮進

但是，上世紀70、80年代的中國航天測控網，還沒有這麼好的條件。

那麼，在「一窮二白」的情況下，中國的航天測控網為什麼還能夠有這麼好的測控能力呢？

小火箭認為，這要歸功於中國的工程師善於用巧妙的演算法來克服硬體條件不足的優點。

小火箭在這裡僅舉一個例子：

公元1975年11月26日，中國第一顆返回式衛星發射成功，同年11月29日，該衛星順利返回。這使得中國成為了繼美國和蘇聯之後第三個掌握返回式衛星的國家。

但是，當時中國並沒有像美國和蘇聯那樣擁有強大的計算機系統。而中國的第一顆返回式衛星的軌道則恰好是特別難計算的。了解那段歷史的老航天人，可能還能回憶起，當時中國第一顆返回式衛星的軌道傾角為63°。

為什麼選這個角度？這是由當時運載火箭的運載能力、發射場緯度、軌道特徵等多種因素綜合決定的。

如果閱讀小火箭這篇文章的您，是一位熟悉軌道動力學的工程師或者是比較用心的相關專業的學生，會發現，63°的軌道傾角對於這樣一顆衛星來說，可不太妙。按照軌道動力學來計算，可以發現，當傾角為63.4°時，軌道動力學相關方程中會出現分母除0的若干項，也就是軌道計算會出現奇異值。怎麼辦？改發射場？改火箭？改測控？都不成。後來工程師們硬是給出了能夠避免奇異出現的演算法，用數學，用智慧彌補了當時硬體的不足。這都是那些做測控的老前輩們的貢獻。

（補充：少部分讀者或許對軌道動力學有些陌生。小火箭在這裡稍作補充。地球扁率引起橢圓長軸在軌道面內均勻轉動。轉動角速率用近地點幅角的變化率表示。在傾角小於63.4°或大於 116.6°時，近地點幅角均勻增加。在63.4°與116.6°之間時，均勻減小。等於63.4°或116.6°時，不轉動。63.4°和116.6°稱為臨界傾角。蘇聯對傾角為63.4°的軌道進行了大量研究，其中比較出名的是莫尼亞軌道，也就是閃電軌道。這樣的軌道能夠讓處於北半球高緯度的蘇聯、北歐等地也能很好地享受到通信衛星的服務。）

小火箭更不用提在上世紀80年代，中國工程師用不如咱們現在用的智能手機計算能力千分之一的4台晶體管計算機搞定了中國第一顆同步軌道衛星軌道計算的往事了。

中國西部某地的天線

航天測控網的數量和分布區域是國家綜合國力的體現。上世紀80年代，美國憑藉建造、購買、租用等多種方式在全球建設了21個大規模地面測控站，同時還有200多個試驗站和軍用站。上圖是美國天基紅外預警系統的重要地面站，設立在伯克利空軍基地。那些圓球裡面就是用於天地通訊的天線。另外注意背景中是丹佛科羅拉多的洛基山脈。

早在上世紀80年代，美國的航天測控網在地球上就僅僅剩餘西伯利亞的一部分、中亞的大部分和南極洲大部這3塊未覆蓋區域了。

而中國那時候沒有海外殖民地，也沒有海外軍事基地，因此中國的航天測控地面站只得以本土建設為主。雖然中國的領土比較遼闊，但終究還是有限的。

中國的航天測控隊伍就是在這樣的艱難條件下，用優化的演算法和巧妙的思路，用不到全球8%的地表測控覆蓋率，完成了像美國那樣幾乎擁有100%的地表測控覆蓋率的國家的太空探索任務。

小火箭覺得，這個真的是很牛的。（不是因為小火箭出生在中國，也不僅僅是因為小火箭正在做彈道計算和軌道計算相關的項目，而是因為從技術本身的角度來看，當初能這麼做的工程師，真的挺厲害的。）

海外

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。

雖然在2003年，中國的海外測控站的建設遇到了挫折。不過，中國航天測控網的建設依然持續進行。以科學的名義，以人類太空探索的名義，中國的航天測控網終於開始了全球布局。上圖為中國在阿根廷內烏肯的測控站正在建設的場景。

在巴基斯坦的卡拉奇，中國擁有了南亞測控站。

在納米比亞，中國建設了非洲測控站。

納米比亞測控站對我國的載人航天工程，尤其是神舟飛船的安全返回起到了重要的作用（尤其是神舟3號和神舟4號）。中國向納米比亞租用了場地後，並未像其他國家那樣圍起高高的圍欄，而是幫助當地辦教育，宣傳航天文化。已經有十幾位納米比亞人成長為能夠參與人類太空探索事業的工程師。

上圖和上上圖為中國載人航天事業的功勛飛船神舟1號的返回艙。邢強攝於2017年4月。

卡拉奇和納米比亞測控站為神舟飛船項目的成功做出了貢獻。但是，在神舟4號飛船返回的過程中，中國工程師發現，在這兩個海外測控站之間，依然存在著10分鐘左右的測控空白區段。

通過用軌道動力學來計算，我們認為，有必要在非洲大陸的赤道附近再建設一個測控站，才能讓神舟飛船的測控段消除空白區域。

嗯，是的。中國終於告別了那個用8%的測控覆蓋率來完成100%測控覆蓋率任務的時代，開始按照自己的需要，在全球範圍布局航天測控網了。小火箭不得不說，這才是大國要做的事情！

按照軌道動力學要求，這個測控站的最佳位置為：緯度在赤道附近，經度在東經40°附近。

再綜合考慮當地的電力、環境條件，中國最終選定了肯亞的馬林迪這個港口城市。（小火箭註：這裡恰好有義大利空間研究院建設的相關設施，非常方便。）

馬林迪的具體坐標：

南緯3° 13′ 25″ S, 東經40° 7′ 48″ E

這個位置非常有利於添補中國航天全球測控網在納米比亞和卡拉奇之間的空白。

馬林迪的落日景象。中國在馬林迪這座20萬人口的港口小城使用的測控站，滿員時為8名工程師，再加上10來名義大利空間研究院的工程師，這20名工程技術人員為神舟5號、神舟6號兩艘載人飛船的任務的圓滿完成做出了貢獻。

說完了非洲，小火箭再來說說南美洲吧。

巴西的阿爾坎特拉測控站已併入中國航天測控網。

自神舟7號開始，中國啟用了位於智利首都聖地亞哥市的中國航天測控網聖地亞哥測控站。

然後，小火箭再聊聊在南印度洋上的中國測控站。

凱爾蓋朗群島是位於印度洋南部一個群島，屬法國海外領地法屬南方和南極領地管轄。該群島的主島面積為6675平方公里，被200多個小島嶼環繞，總面積7215平方公里。

主島坐標：東經69°35′E；南緯49°15′S。

凱爾蓋朗群島在1772年被法國探險家伊夫·凱爾蓋朗－特雷馬克發現，1776年，英國探險家詹姆斯·庫克再次來到該島，並以凱爾蓋朗之名為其命名。由於島上一片荒涼，庫克為其取別名「荒野之島」。

凱爾蓋朗群島上沒有永久居民。不過，島上最多的時候，會有100名中國和法國的工程師進駐。

凱爾蓋朗群島航天測控站的設立使得中國終於在印度洋南部擁有了一個有力的測控支撐點。

從神舟8號飛船開始，中國的天宮1號空間實驗室、空間站項目開始穩步推進。由於涉及到空間的多次交會對接任務，我們需要同時對2個甚至2個以上的空間飛行器進行測控。於是，我們就需要更多的測控網點。

按測控需要，中國在澳大利亞的當加拉建設了航天測控站。這也是中國第一次在美國的傳統重要盟友的領土上設立測控站。

2016年12月，位於瑞典最靠北的城市基律納的中國遙感衛星地面站北極站建成。中國的航天測控網正式開始向覆蓋兩極地區的目標邁進。（小火箭期待中國航天測控網在南極地區建站。）

遙想當年，中國僅僅能在自己本土上建設測控站，而且測量設備和計算設備都很窘迫。如今，中國的航天測控站已經分布除北美洲、南極洲之外的各大洲，測控涵蓋了S波段、C波段、超短波等多個波段。

再遙想當年，中國用來計算第一顆地球同步軌道衛星的那4台晶體管計算機，當年的算力加起來不到每秒百萬次，而如今，中國已經擁有了大量能夠進行超大規模軌道動力學計算的超級計算機。其中，太湖之光超級計算機在2016年以每秒9.3億億次的計算速度成為世界上最強的計算機，打破了由美國和日本佔領超級計算機王者地位長達30年之久的局面。

海洋

目前，中國不僅擁有了能夠覆蓋全球大部分陸地區域的陸上測控站，還擁有比較強大的海上測控力量。中國海上測量力量的主力為遠望3號、遠望5號和遠望6號和遠望7號遠洋測量船。這是中國江南造船集團對祖國乃至全人類的太空探索事業做出的重大貢獻。

這些測量船的具體布設海域是由航天飛行器的飛行任務決定的。比如，當年遠望3號遠赴南大西洋海域，就是為了在大洋上給神舟6號飛船發送返回指令。

按照測控弧段的要求，中國的遠洋測控船會協同完成任務。

小火箭在這裡以天宮1號為例：在天宮1號的入軌和剛性對接段，由遠望5號船來執行測控任務。按軌道和星下點的布置要求，遠望5號船當時就布設在日本以南的海域。而遠望6號船在天宮1號任務中執行空間站第5圈的變軌測控任務，因此就要布設在紐西蘭以東海域。上圖為停靠在法屬波利尼西亞的帕皮提港口的遠望6號遠洋測量船。

有沒有其他遠望號？有的。比如上圖這艘是遠望2號。在神舟6號任務完成後，遠望2號駛入紐西蘭懷特瑪塔港進行補給。上圖攝於2005年10月27日。遠望2號在神舟5號和神舟6號載人飛船的測控任務中扮演了重要角色。該船已於2010年起不再出遠海了。

另外，中國在太空的測控網路已在逐步減少壯大中。這些，限於篇幅，本文不再詳述。小火箭準備日後專門為此寫一個系列。

小火箭總結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。

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