看护火箭上天，这艘大船的任务在天上

　　出品|网易新闻

　　导语：2021年是我国的航天大年，随着中国航天事业的快速发展，从天问祝融到空间站初具成型，我们探索太空的脚步迈得更大、更远。而在新闻中大家总会发现：当火箭发射之前，都会有名为“远望号”的船先行出海，明明是上天的事儿，为何要用到船？这型号称国内第一、世界领先的“远望号”在航天任务中又扮演怎样的角色？

　　远望7号船圆满完成我国首次火星探测器海上测控任务 图源：新京报

　　航天测控为何要在海上？

　　每次火箭发射直播，在指挥大厅内工作人员都发出例如：火箭起飞约50秒时，听到“遥测信号正常”等各种口令，引来观众好奇。

　　其实简单地说，遥测是一种自动通信过程。

　　航天器的发射、飞行试验中，无论是变轨或空间交会等任务需要主动地调整飞行轨道、或因入轨精度及引力影响甚至规避太空垃圾等而被动调整轨道，这时都需要对飞行中的运载火箭和航天器进行跟踪测量和控制。除此之外，载人航天工程中还需进行天地之间语音通信和图像的传输。而通过遥测方式可将无法直接访问的火箭测量数据传送到测控站，从而实现对火箭的测量和控制。

　　地面测控站 图源：中国网

　　无论过去的美、苏还是如今中国的航天测控，其发展起步及遥测的第一棒都是从地面开始。地面测控站可用光电跟踪仪提供光学跟踪画面、利用跟踪雷达窄波束跟踪目标以确保火箭飞行尽在掌握。

　　受地球曲率和地面杂波、地形阻挡影响，每个地面测控站配备的光学测量与S波段等窄波段雷达的工作范围只能覆盖航天器轨道一小部分。随着运载火箭飞行轨道的延伸，对超出国土范围的航天发射全程飞行试验的测量，这就需要把原本陆上测量设备推进到离国境更远的地方——比如海上。

　　天宫一号对接测控网 图源：新华网

　　作为航天发射数量最多的美苏等国，最早在上世纪50年代末期开始利用旧远洋轮改造航天测量船、并在60年代中期开始建造专业测量船。在1967年7月18日，建设远洋综合测量船队的实施方案“718工程”确立，我国航天测量船的发展由此起步，也开启了中国航天测量网从陆地到海洋的历史性跨越。

　　40余年走来，“远望”家族繁衍几何？

　　早在1975年，我国即开始建造远望1/2号测量船，建成不久即投入到1980年的“580工程”远程运（弹）载（道）火（导）箭（弹）发射任务中，也结束了中国在陆地以外不能进行航天测量的历史。为满足我国“八五”国防重点工程以及“921”载人航天工程配套测量需求，1993年起我国第二代远洋航天测量船“远望3号”在江南造船厂开始建造，仅用2年时间便完工交付。

　　远望一号

　　远望3号交付后先后与“远望1/2号”联袂“东方红三号”“风云2号”等卫星海上测控任务，创造全球首次测量船遥控卫星的先例；又于1999年起先后执行了神州1号——神州5号飞船测控任务，实现了我国向载人航天测控的跨越；2007年“远望2/3号”两代远望再度联手助力“嫦娥”成功奔月，跟踪距离从7万米延伸到40万米，开启了我国深空探测宇宙的新时代。

　　远望3号

　　而随着21世纪我国在深空探测、载人航天、卫星密集发射等领域持续发力，2007年以远望5号为首的第三代“远望”横空出世，它与此次伴随执行神州十二号及空间站任务的远望6号及不久前执行了探月、探火工程的远望7号即是“远望”家族的最新成员。

　　图为远在太平洋执行神舟十二号载人发射任务的远望6号

　　于2016年4月交付使用的远望7号，全长约225米，宽27米，高44米，满载时排水量近3万吨，是目前仅次于俄罗斯“宇航员尤里加加林”号之后全球第二大航天测量船。较大的体型使得它的续航能力超强，达到了1.8万海里（约为3·4万公里），连续航行100余天不靠岸，相当于可以从我国的渤海湾绕行好望角一直开到波罗的海，如果摊在地球上，即相当于可绕赤道近一周。

　　作为整个船队中技术最复杂、功能最全、设备最多的一条测量船，装载着各类大型设备947套，“远望7号”比“远望6号”船足足多了一百多套，但它所配置的人数却比远望6号船减少了近40人。作为集相关领域最新技术为一身的远望7号也由此成为目前世界领先的航天测量船。

　　蹈海探天，远望号如何“乘风破浪”？

　　与陆地测控相比，海上测控本就不是“一帆风顺”的，是在地球转动、风浪引起船舶晃动、船体振动等不利因素影响下进行，不仅要捕捉高速运动的航天器，有时还对火箭、航天器实时控制，而控制时间每次 只有上百秒钟，战机稍纵即逝。第三代“远望”比前两代“远望”更广阔的活动海域，也使得海上测控中受到风浪挑战更大。

　　图源：中广军事

　　为了能让船体与如不倒翁一样屹立于洋面，第三代“远望”测量船除了通过体积较大、水动力特性优良的船体获得良好的耐波性外，还设置了两对四幅可收放式减摇鳍与一对，使得船只在18节减摇效率可达85%、10节测量航速工况时减摇效率也达30%；通过联控模式实现螺距角与发动机转速的动态匹配，当遇到海况突然变化时船舶航速增减都无需改变主机转速，船舶应急停车甚至紧急避让时都无需主机停车和换向，减少了人员操作步骤而只需调整螺距即可。即保障了主机工况稳定而便于应对各种突发情况，又提高了船舶姿态响应速度，也进一步降低了第三代“远望”号在不同海流影响下的纵摇水平。

　　第三代远望通过折叠减摇鳍（红圈处）配合变矩螺旋桨，使得它在风浪中仍可以为船上测控作业提供一个相对平稳的作业环境

　　（图源：军报记者/中国军网）

　　通过一系列减摇措施，使第三代“远望”测量船在6级风浪下仍可以让各类遥测设备获得在陆地作业样平静的环境。据报道，在神州11号海上测控任务期间，远望7号测量在经受横倾逾12°的恶劣海况下依旧保证测控任务顺利完成。

　　海上追星，还需做好哪些“热身准备”？

　　解决了船体晃动，“海上追星”需要做的即是把测控天线对准并稳定跟踪目标，但要“追星揽箭”仍需要很多做很多准备。主要有两个问题：

　　“我”在哪？

　　不同于普通船只，测量船需要掌握高精度的船姿、船位信息，才能找准地面指控中心、测量船与航天器三者的相对位置，方便将天线精准地指向航天器。现代船舶一般通过惯性导航来定位，由于惯导设备中陀存在常值误差等原因，随着设备的长时间运转，航向数据误差逐渐增大，而航天测量船每个设备对精度的要求很高，在执行任务前需要使用标校设备对航向精度进行鉴定并修正。为此远望号运用了一种古老的导航方式——星校来对当前测量船航向精度进行鉴定。

　　在缺乏参照物的大海，通过相对固定的恒星来确定方向确实是古老而靠谱；只不过相较传统的六分仪（上图），现代光电经纬仪（下图）精度更高

　　（图源：中国军网）

　　远望号在进行坐标校准时，首先会选择合适的星体；并根据当前时刻、惯导设备的经度、纬度以及高程获得在大地坐标系下所选星体相对设备的位置信息；最后通过对船姿误差的中艏摇误差、纵摇误差和横摇误差进行滤波解算既可实现对惯导设备的实时校准、增强空间目标跟踪能力。

　　如何更精准的“锁定”目标？

　　从远望1号到远望7号，尽管雷达后端不断改进，但天线都始终沿用卡塞格伦结构，这种波束聚焦集中、增益高。但随着宇航技术的发展，必然对雷达跟踪性能的要求愈来愈高，我国的航天测量雷达即从传统的S波段进一步缩窄囊括到C波段。对于窄波束高精度的雷达，仅仅数度的偏差放到的遥远的深空也会“差之千里”，因此对卡塞格伦天线仅采用陀螺稳定是不够的。

　　林立的“大锅”——卡塞格伦天线是远望号测控船的标志物，这种天线对指向精度有着较高要求

　　对此我国第三代测控船均运用了补偿前馈技术：根据测量数据推导出未来时刻的目标运动指标的数值来计算出目标运动和船摇产生的天线方位、俯仰变化的速度和加速度，给天线方位和俯仰增加一个前馈量，使雷达得以快速稳定跟踪。

　　而利用较高的天线指向精度、配合我国首创的非相干扩频模式，使远望号上的测控天线能满足多星测控、高精度测定轨和星地高精度时差测量等任务。

　　结语：

　　从远望1号到远望7号，中国测控船已经历近半个世纪的发展。尽管随着我国综合国力的提升，通过国际航天合作从而在海外建设的地面航天测控站数量也在逐步提升，而“天链”系列中继卫星的服役也使得我国航天测控“从天而降”变成可能，但在未来一段时间内，以远望7号为代表的我国测控船仍将覆盖航天测控任务的半壁江山，承担我国未来一系列的空间站、探月以及深空探测等任务，助力我国航天器飞的更高、更远。

　　参考文献：

　　[1]刘长响 王晓庆 毛亮 .我国新一代航天远洋测量船先进技术解析[J];现代舰船，2009，12