中国卫星数仅次于美，不过这方面还与其差距很大

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有关猎鹰系列运载火箭的技术细节，3年来，咱们已经进行了大量探讨和分析。

小火箭准备和大家一起聊一下运载火箭和洲际弹道导弹相关的基础设施建设。

今天，咱们从天基测控系统说起。

小火箭总结过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。

小火箭在公号文章《天宫与天舟的背后：中国航天测控网已傲然崛起》中已经和大家聊过了中国遍布全球的航天地面测控网。

因此，本文小火箭将以美国的测控网为研究对象，并且不以地面测控网为主，而是更加注重对美国天基测控网的分析。

诞生

说起测控，大家的第一印象或许会是硕大无比的地面天线。

比如这座建设在澳大利亚帕克斯观测站的巨大天线就曾经为人类的第一次登月活动提供支持。当年阿波罗11号飞船的信号就是通过澳大利亚的这座天线接收的。

小火箭风格：

这个天线的具体坐标为：

南纬32°59′52″S 东经148°15′48″E

美国的全球深空测控网络主要由三处呈120°分布的深空通信设施构成（正好三等分了地球）：一处在美国加利福尼亚州的戈尔德斯通，身处巴斯托市附近的莫哈维沙漠；一处位于西班牙马德里附近；另一处在澳大利亚的堪培拉附近。

上图为位于加利福尼亚的天线。

这样的布置能够努力争取做到全球覆盖。

上图为位于西班牙马德里的美国全球深空测控网的天线。

但是，在全球布置测控站的想法虽然美好，但是成本是极高的。这不仅仅是经济层面的考虑，还有政治和外交层面的因素。

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。

从成本的角度来考虑，美国布置在全球的15个规模较大的测控中心建设成本巨大，而运营维护的成本在几十年的积累中越来越高。

于是，出于实现真正的对全球低轨飞行器的不间断覆盖和运营方面的考虑，工程师们给出了一个设想：

把测控的节点放到太空去。拥有制高点，同时不受国界局限的天基测控相对于地基测控的优势是天生的。

初试

协调世界时1983年4月4日18点30分00秒，挑战者号航天飞机从美国佛罗里达州的卡纳维拉尔角发射场第39A发射工位拔地而起。

这是挑战者号航天飞机首次执行太空任务。

同时，这也是乘坐航天飞机进入太空的宇航员第一次携带喷气背包出舱执行太空行走任务。

这就是1983年4月份，挑战者号航天飞机正在释放的卫星。

这颗卫星是美国天基跟踪和数据中继系列卫星的首星。

按计划，该卫星将会在地球同步轨道上运行，为地球近地轨道的航天飞行器提供测控服务。

咦？那么问题来了：

挑战者号航天飞机飞行的轨道高度是比较低的（近地点288.1公里，远地点294.9公里），如何能够把这颗卫星送到距离地面3.6万公里的同步轨道上呢？

小火箭曾经在小火箭经典导弹与运载火箭系列文章中答应了大家要讲一下轨道相关的事情，并且以质子运载火箭发射地球同步轨道卫星给出了算例。

在本文，为了对比需要，小火箭再次给出用质子火箭发射地球同步轨道卫星的过程：

基本上，要想把卫星（或者其他载荷）送到地球同步轨道上的话，需要12步（小火箭给出的这个算例以从拜科努尔基地发射的质子-M运载火箭为基准）：

火箭发射；

上面级分离；

上面级第1次点火；

进入一个距离地面173千米，倾角为51.5°的停泊圆轨道（此时，研制质子火箭基础级的兄弟们可以庆祝了）；

上面级第2次点火，开始变轨；

进入一个近地点295千米，远地点6000千米，倾角为51.0°的椭圆轨道；

抛掉微风上面级的外挂贮箱；（做轨道设计的同学，要注意，微风上面级的外挂贮箱的抛弃对后续轨道的计算有重要影响，计算和复核轨道数据的时候，要加以考虑。）

上面级第3次和第4次点火，再次变轨，进入转移轨道；

和风上面级的外挂贮箱进入一个近地点361千米，远地点14930千米，倾角50.8°的临时轨道；

转移轨道参数：近地点475千米，远地点65044千米，轨道倾角50.5°；

上面级第5次点火，终于进入目标轨道；

释放载荷，该算例中，卫星在东经135.8°的赤道上方。

众所周知，通常卫星变轨采用的是霍夫曼变轨技术：

上图是霍夫曼变轨技术的经典示意图：绿色的1号轨道为高度较低的圆轨道，红色的3号轨道是较高的圆轨道。卫星从1号轨道某处点火加速，就会形成一个椭圆转移轨道（黄色的2号轨道）。在2号轨道的远地点处再次点火，卫星就会进入3号圆轨道了。

这种由德国物理学家瓦尔特·霍夫曼在1925年提出的变轨方法多年以来一直被几乎所有的卫星和深空探测器所沿用。

挑战者号航天飞机发射美国天基测控卫星的首星的时候，原本也是计划这样做的：

先点火加速，进入一个长长扁扁的椭圆轨道，然后在远地点第二次点火，进入地球同步轨道这个圆圆的地方。

一切准备妥当后，他们准备释放卫星了。经过4小时17分钟的太空行走+出舱活动，他们成功地把卫星扔到了一条近地轨道上。

美国首颗天基测控卫星上面有两台固体火箭发动机，她们会依次点火，分别实现近地轨道点火加速和椭圆轨道远地点点火入轨的任务要求。

第一次点火很顺利，宇航员目送卫星进入椭圆轨道。但是，第二次点火，卫星没点成功。

这下子坏了，卫星入轨失败。

4名宇航员在1983年4月9日带着无比遗憾的心情驾驶航天飞机轨道飞行器再入大气层，着陆在爱德华兹空军基地。

就像小火箭在《两次奔月！一颗传奇废弃卫星的自我救赎之路》公号文章中写到的那样，工程师们不会就这样轻易放弃一颗卫星的。

34位自告奋勇的弹道和轨道工程师集中在戈达德太空中心，他们共同想办法来拯救这颗迷路的天基测控卫星。

功夫不负有心人。34位工程师远程控制卫星，在将近100天的时间里，进行了足足39次变轨，把天基测控系统的首星硬是从大椭圆轨道上修正到了地球同步轨道上。

公元1984年11月26日，NASA美国宇航局授予这34位工程师戈达德奖章，这是戈达德太空中心的最高荣誉。

这颗代号为TDRS-1的美国首颗天基测控卫星入轨后，表现不凡。（TDRS是跟踪和数据中继卫星的缩写。）

在该星的帮助下，人类首次实现了北极与南极的无线电通话。

从此以后，地球上距离赤道最远的地方也能够和人口稠密地区进行实时通讯了。

上图为南极阿蒙森斯科特科考站。

小火箭风格：

南纬89°59′51.19″S 东经139°16′22.41″E

嗯！差一点点就是南纬90°00′00″了。要不是因为漂移的话，这个科考站恰好就是建在南极点上的。

爆炸

协调世界时公元1986年1月28日16点38分00秒，挑战者号航天飞机带着第2颗天基测控卫星TDRS-2从卡纳维拉尔角发射场第39B发射工位升空。

然而，这一回，戈达德的工程师们也没能挽回局面：

挑战者号航天飞机升空73秒后，突然爆炸。

这一炸，改变了人类军事与商业航天发射的格局（美国从市场占有率的95%以上跌至36%，而后来者居上的欧空局，凭借阿丽亚娜系列运载火箭，赢得了60%的全球火箭发射的市场占有率。）

变轨

1986年的那次爆炸没能动摇美国工程师构建天基测控网的决心。

他们的目标是要让以往的地基测控的15.35%的覆盖率跃升为天基系统的85.3%的覆盖率，能够对所有轨道高度在195公里到12000公里之间的飞行器进行实时测控。

协调世界时公元1988年9月29日15点37分00秒，发现号航天飞机带着第3颗天基测控卫星TDRS-3在卡纳维拉尔角发射场第39B工位发射升空。

TDRS-3天基测控卫星从释放到入轨，整个过程非常顺利。

这是该星刚刚离开发现号航天飞机时的样子，还未展开。

对于热衷于欣赏和研究太空的小火箭好友来说，在这里可以向这颗卫星由衷地表达一下谢意了。

TDRS-3天基测控卫星（跟踪和数据中继卫星03星）在上世纪90年代和21世纪初期的主要任务，就是负责康普顿伽马射线太空望远镜和大名鼎鼎的哈勃太空望远镜的信号传输！

这是美国天基测控和数据中继卫星星座中，第2颗成功入轨的。而此时，太空探索活动异常活跃，这颗卫星也就忙坏了（95%的有效利用率，在上世纪90年代的几年，达到了99%的利用率。）

TDRS-3卫星为了满足多种任务的需求，不得不在太空中，在地球同步轨道上闪转腾挪，到处奔波。

1988年，她刚刚入轨的时候，定点在西经151°上空。也就是在东太平洋的上空，与阿拉斯加州的中部地区在一条经线上。

待了没多久，在1988年年底到1990年期间，TDRS-3天基测控卫星就跑到了西经171°重新定点了。这里还是太平洋上空，不过比之前要靠西一些，与白令海峡在同一条经线上。

1990年，TDRS-3天基测控卫星再次变轨，定点在西经174°上空。

待了1年，1991年，TDRS-3天基测控卫星大幅度变轨，定点在西经62°上空，跑到了南美洲的巴西上方。

3年后，TDRS-3再次变轨，于1994年回到了西经171°上方。

1995年，TDRS-3卫星非常给力地做了超级变轨机动，自己跑到了东经85°上方。这是印度洋上空。她在这个位置停留了14年。

2009年，TDRS-3卫星做了或许是她生前的最后一次变轨，到了西经49°上空。

组网

1989年3月13日，TDRS-4天基测控卫星搭乘发现号航天飞机成功升空。

随着TDRS-4天基测控星的入轨，美国赶在1990年之前拥有了初步的天基测控网。

1991年8月2日，协调世界时15点02分，亚特兰蒂斯号航天飞机升空，随后将TDRS-5天基测控卫星送入轨道。

1993年1月13日，奋进号航天飞机将TDRS-6天基测控卫星送入轨道。

1995年7月13日，发现号航天飞机把TDRS-7天基测控卫星送入预定轨道。

测控

至此，美国第一代天基测控卫星7颗星，有6颗卫星进入预定轨道。TDRS-2星随挑战者号航天飞机爆炸，未能入轨。

这6颗天基测控卫星覆盖了全球86%的面积，以高于以往地面测控站与远洋测量船6倍的速率提供着高带宽和高可靠性的测控和数据中继服务。

Ku波段和S波段，这个天基测控星座通吃。

天基测控和数据中继系统虽然不像重型猎鹰火箭那样引人注目，但是作为太空系统的重要基础设施，不可不察。

协调世界时公元2010年12月8日，SpaceX公司的猎鹰9号运载火箭1.0版本首次试射龙飞船的时候，全程都在依靠美国天基测控星座的技术支持。

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