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小火箭出品

本文作者：邢强博士

2017年4月20日19时41分，中国第一艘无人货运飞船天舟1号在中国海南文昌发射中心成功发射；2017年4月22日12时23分，天舟1号货运飞船与天宫2号空间实验室顺利完成自动交会对接。

有关天宫2号空间站与天舟1号货运飞船，大量媒体在这两天已经说得挺多的了，小火箭在本文不再赘述。本文，我想重点介绍一下我国已经居世界领先地位的航天测控网。神舟、天宫、天舟引世人关注，令国人骄傲，而其成功的背后，离不开历经艰辛后终于具备相当的规模和先进技术水平的中国人自己的航天测控网。

因去文昌的缘故，文章更新频率有所放缓，在此小火用几张在文昌拍摄的照片来补偿吧。

长征7号火箭带着天舟1号货运飞船拔地而起。邢强摄于2017年4月20日19点41分。

中国海南文昌发射基地旁边，面朝大海，胸怀宇宙。邢强摄于2017年4月19日中午。

海南文昌东郊拥有中国最大的天然椰树林，而文昌基地内也拥有大量椰子树。小火箭摄于文昌基地内。

2017年4月20日傍晚，文昌发射中心大楼在椰子树的陪伴下，静待长征7号火箭的发射。邢强摄。

长征7号火箭带着天舟1号货运飞船奔向太空。小火箭摄影师吴龙飞摄，小火箭出品。

回归本文的主题。航天测控网由地面测控站、海上测量船、空中测量飞机和数据中继卫星等平台组成。这些平台通过有线或无线的连接构成一个有机整体，能够对在太空中飞行的卫星、飞船、空间站的位置、速度等参数进行测算，以便让指挥中心掌握航天飞行器的情况，同时也便于上传控制指令和下载卫星数据。上图为位于德国巴伐利亚州赖斯廷的一个大天线。这是世界上最大的卫星地面站。

萌芽

回顾历史，回顾中国自己的航天发展史，小火箭发现，中国的航天测控网的布置要早于中国第一颗人造地球卫星东方红1号的发射。早在1967年，我国就开始了航天测控网的规划和建设工作。也就是说，东方红1号卫星并非是赶工之作，而是具备和现代科学试验卫星、商业卫星类似的严格规范的测控程序。

首批建成的中国航天地面测控基地分别位于渭南、喀什、闽西、厦门、长春和南宁。

公元1970年4月24日21时35分，长征1号运载火箭发射，1970年4月24日21时48分东方红1号卫星顺利入轨。这使得中国成为继苏联、美国、法国和日本之后第五个能够独立发射人造卫星的国家。值得一提的是，东方红1号的质量为173千克，超过了前四个国家各自发射的第一颗人造卫星质量的总和。

小火箭在这里要补充说一句的是：后来，4月24日成为了中华人民共和国的航天日。（2017年4月24日，是中国第2个航天日。）

1970年，中国的几个地面测控站组成的地面航天测控网使用光学测量设备、短波遥测设备、单脉冲精密跟踪雷达和多普勒测速仪对东方红1号卫星进行了长时间的测控。这也就成为了中国航天测控网的发轫之日。

当时，中国的航天测控网的水平如何呢？

小火箭在这里仅列出以下事实：自1970年4月24日，东方红1号卫星入轨后，中国的航天测控网在当年以相当高的精度成功预报了卫星飞临世界上的244个城市上空的方位和时间。

如今，东方红1号卫星依然在太空中绕着地球飞行着。为了坚持小火箭以数据说法的风格，现给出中国东方红1号人造地球卫星如今的轨道参数：

近地点：434公里，远地点：2032公里，轨道倾角：68.4°。

上图为始建于1991年的中国南山基地。该基地位于乌鲁木齐县甘沟乡，海拔2080米，距乌鲁木齐市区75公里。

具体坐标为：

北纬 43.471476 N, 东经87.178096 E 。

南山基地拥有25米射电望远镜系统、GPS数据接收系统和太阳色球望远镜等仪器等设备。这样的射电望远镜可以承接脉冲星、厘米波分子谱线和活动星系核等观测研究任务，是国际VLBI网的重要站点。

奋进

但是，上世纪70、80年代的中国航天测控网，还没有这么好的条件。

那么，在“一穷二白”的情况下，中国的航天测控网为什么还能够有这么好的测控能力呢？

小火箭认为，这要归功于中国的工程师善于用巧妙的算法来克服硬件条件不足的优点。

小火箭在这里仅举一个例子：

公元1975年11月26日，中国第一颗返回式卫星发射成功，同年11月29日，该卫星顺利返回。这使得中国成为了继美国和苏联之后第三个掌握返回式卫星的国家。

但是，当时中国并没有像美国和苏联那样拥有强大的计算机系统。而中国的第一颗返回式卫星的轨道则恰好是特别难计算的。了解那段历史的老航天人，可能还能回忆起，当时中国第一颗返回式卫星的轨道倾角为63°。

为什么选这个角度？这是由当时运载火箭的运载能力、发射场纬度、轨道特征等多种因素综合决定的。

如果阅读小火箭这篇文章的您，是一位熟悉轨道动力学的工程师或者是比较用心的相关专业的学生，会发现，63°的轨道倾角对于这样一颗卫星来说，可不太妙。按照轨道动力学来计算，可以发现，当倾角为63.4°时，轨道动力学相关方程中会出现分母除0的若干项，也就是轨道计算会出现奇异值。怎么办？改发射场？改火箭？改测控？都不成。后来工程师们硬是给出了能够避免奇异出现的算法，用数学，用智慧弥补了当时硬件的不足。这都是那些做测控的老前辈们的贡献。

（补充：少部分读者或许对轨道动力学有些陌生。小火箭在这里稍作补充。地球扁率引起椭圆长轴在轨道面内均匀转动。转动角速率用近地点幅角的变化率表示。在倾角小于63.4°或大于 116.6°时，近地点幅角均匀增加。在63.4°与116.6°之间时，均匀减小。等于63.4°或116.6°时，不转动。63.4°和116.6°称为临界倾角。苏联对倾角为63.4°的轨道进行了大量研究，其中比较出名的是莫尼亚轨道，也就是闪电轨道。这样的轨道能够让处于北半球高纬度的苏联、北欧等地也能很好地享受到通信卫星的服务。）

小火箭更不用提在上世纪80年代，中国工程师用不如咱们现在用的智能手机计算能力千分之一的4台晶体管计算机搞定了中国第一颗同步轨道卫星轨道计算的往事了。

中国西部某地的天线

航天测控网的数量和分布区域是国家综合国力的体现。上世纪80年代，美国凭借建造、购买、租用等多种方式在全球建设了21个大规模地面测控站，同时还有200多个试验站和军用站。上图是美国天基红外预警系统的重要地面站，设立在伯克利空军基地。那些圆球里面就是用于天地通讯的天线。另外注意背景中是丹佛科罗拉多的洛基山脉。

早在上世纪80年代，美国的航天测控网在地球上就仅仅剩余西伯利亚的一部分、中亚的大部分和南极洲大部这3块未覆盖区域了。

而中国那时候没有海外殖民地，也没有海外军事基地，因此中国的航天测控地面站只得以本土建设为主。虽然中国的领土比较辽阔，但终究还是有限的。

中国的航天测控队伍就是在这样的艰难条件下，用优化的算法和巧妙的思路，用不到全球8%的地表测控覆盖率，完成了像美国那样几乎拥有100%的地表测控覆盖率的国家的太空探索任务。

小火箭觉得，这个真的是很牛的。（不是因为小火箭出生在中国，也不仅仅是因为小火箭正在做弹道计算和轨道计算相关的项目，而是因为从技术本身的角度来看，当初能这么做的工程师，真的挺厉害的。）

海外

上世纪90年代，中国载人航天工程正式立项。为了提高中国航天测控网的能力，同时降低发射的测控成本（以往在发射某些卫星时，需要向南太平洋派遣远洋测量船，而如果中国能够在南太平洋拥有自己的测控地面站，则测控成本可大幅降低，具体降幅可达70%），中国决定开始进行海外测控站布局。几经计算和论证，中国选定了基里巴斯这个地方。

经过几轮谈判，基里巴斯当时同意以15年的租期租给中国一块1公顷的土地用来建设测控站并且并入中国航天测控网。但是，美国认为该测控站距离美军的马绍尔群岛导弹拦截测试基地过近，且有用于军事的可能，开始对该测控站的建设和运营工作进行抗议和阻挠，最终使得该项目不能不停止。中国也就暂时失去了在南太平洋拥有测控站的机会。

虽然在2003年，中国的海外测控站的建设遇到了挫折。不过，中国航天测控网的建设依然持续进行。以科学的名义，以人类太空探索的名义，中国的航天测控网终于开始了全球布局。上图为中国在阿根廷内乌肯的测控站正在建设的场景。

在巴基斯坦的卡拉奇，中国拥有了南亚测控站。

在纳米比亚，中国建设了非洲测控站。

纳米比亚测控站对我国的载人航天工程，尤其是神舟飞船的安全返回起到了重要的作用（尤其是神舟3号和神舟4号）。中国向纳米比亚租用了场地后，并未像其他国家那样围起高高的围栏，而是帮助当地办教育，宣传航天文化。已经有十几位纳米比亚人成长为能够参与人类太空探索事业的工程师。

上图和上上图为中国载人航天事业的功勋飞船神舟1号的返回舱。邢强摄于2017年4月。

卡拉奇和纳米比亚测控站为神舟飞船项目的成功做出了贡献。但是，在神舟4号飞船返回的过程中，中国工程师发现，在这两个海外测控站之间，依然存在着10分钟左右的测控空白区段。

通过用轨道动力学来计算，我们认为，有必要在非洲大陆的赤道附近再建设一个测控站，才能让神舟飞船的测控段消除空白区域。

嗯，是的。中国终于告别了那个用8%的测控覆盖率来完成100%测控覆盖率任务的时代，开始按照自己的需要，在全球范围布局航天测控网了。小火箭不得不说，这才是大国要做的事情！

按照轨道动力学要求，这个测控站的最佳位置为：纬度在赤道附近，经度在东经40°附近。

再综合考虑当地的电力、环境条件，中国最终选定了肯尼亚的马林迪这个港口城市。（小火箭注：这里恰好有意大利空间研究院建设的相关设施，非常方便。）

马林迪的具体坐标：

南纬3° 13′ 25″ S, 东经40° 7′ 48″ E

这个位置非常有利于添补中国航天全球测控网在纳米比亚和卡拉奇之间的空白。

马林迪的落日景象。中国在马林迪这座20万人口的港口小城使用的测控站，满员时为8名工程师，再加上10来名意大利空间研究院的工程师，这20名工程技术人员为神舟5号、神舟6号两艘载人飞船的任务的圆满完成做出了贡献。

说完了非洲，小火箭再来说说南美洲吧。

巴西的阿尔坎特拉测控站已并入中国航天测控网。

自神舟7号开始，中国启用了位于智利首都圣地亚哥市的中国航天测控网圣地亚哥测控站。

然后，小火箭再聊聊在南印度洋上的中国测控站。

凯尔盖朗群岛是位于印度洋南部一个群岛，属法国海外领地法属南方和南极领地管辖。该群岛的主岛面积为6675平方公里，被200多个小岛屿环绕，总面积7215平方公里。

主岛坐标：东经69°35′E；南纬49°15′S。

凯尔盖朗群岛在1772年被法国探险家伊夫·凯尔盖朗－特雷马克发现，1776年，英国探险家詹姆斯·库克再次来到该岛，并以凯尔盖朗之名为其命名。由于岛上一片荒凉，库克为其取别名“荒野之岛”。

凯尔盖朗群岛上没有永久居民。不过，岛上最多的时候，会有100名中国和法国的工程师进驻。

凯尔盖朗群岛航天测控站的设立使得中国终于在印度洋南部拥有了一个有力的测控支撑点。

从神舟8号飞船开始，中国的天宫1号空间实验室、空间站项目开始稳步推进。由于涉及到空间的多次交会对接任务，我们需要同时对2个甚至2个以上的空间飞行器进行测控。于是，我们就需要更多的测控网点。

按测控需要，中国在澳大利亚的当加拉建设了航天测控站。这也是中国第一次在美国的传统重要盟友的领土上设立测控站。

2016年12月，位于瑞典最靠北的城市基律纳的中国遥感卫星地面站北极站建成。中国的航天测控网正式开始向覆盖两极地区的目标迈进。（小火箭期待中国航天测控网在南极地区建站。）

遥想当年，中国仅仅能在自己本土上建设测控站，而且测量设备和计算设备都很窘迫。如今，中国的航天测控站已经分布除北美洲、南极洲之外的各大洲，测控涵盖了S波段、C波段、超短波等多个波段。

再遥想当年，中国用来计算第一颗地球同步轨道卫星的那4台晶体管计算机，当年的算力加起来不到每秒百万次，而如今，中国已经拥有了大量能够进行超大规模轨道动力学计算的超级计算机。其中，太湖之光超级计算机在2016年以每秒9.3亿亿次的计算速度成为世界上最强的计算机，打破了由美国和日本占领超级计算机王者地位长达30年之久的局面。

海洋

目前，中国不仅拥有了能够覆盖全球大部分陆地区域的陆上测控站，还拥有比较强大的海上测控力量。中国海上测量力量的主力为远望3号、远望5号和远望6号和远望7号远洋测量船。这是中国江南造船集团对祖国乃至全人类的太空探索事业做出的重大贡献。

这些测量船的具体布设海域是由航天飞行器的飞行任务决定的。比如，当年远望3号远赴南大西洋海域，就是为了在大洋上给神舟6号飞船发送返回指令。

按照测控弧段的要求，中国的远洋测控船会协同完成任务。

小火箭在这里以天宫1号为例：在天宫1号的入轨和刚性对接段，由远望5号船来执行测控任务。按轨道和星下点的布置要求，远望5号船当时就布设在日本以南的海域。而远望6号船在天宫1号任务中执行空间站第5圈的变轨测控任务，因此就要布设在新西兰以东海域。上图为停靠在法属波利尼西亚的帕皮提港口的远望6号远洋测量船。

有没有其他远望号？有的。比如上图这艘是远望2号。在神舟6号任务完成后，远望2号驶入新西兰怀特玛塔港进行补给。上图摄于2005年10月27日。远望2号在神舟5号和神舟6号载人飞船的测控任务中扮演了重要角色。该船已于2010年起不再出远海了。

另外，中国在太空的测控网络已在逐步减少壮大中。这些，限于篇幅，本文不再详述。小火箭准备日后专门为此写一个系列。

小火箭总结中国航天测控网全球布局：国内有主场站、喀什站、和田站、东风站、厦门站、青岛站、渭南站7个地面测控站；国外有卡拉奇站（巴基斯坦）、马林迪站（肯尼亚）、阿尔坎特拉站（巴西）、圣地亚哥站（智利）、内乌肯站（阿根廷）、当加拉站（澳大利亚）、纳米比亚站（纳米比亚）、奥赛盖尔站（法国）、凯尔盖朗站（法属）、基律纳北极站（瑞典）等海外地面测控站；在大洋上则有多艘远望远洋测量船。

版权声明：

本文已由邢强博士独家授权小火箭刊发，禁止非授权转载，欢迎朋友圈转发。

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