四川在线记者 宁宁
11月15日晚，天舟八号货运飞船搭乘长征七号遥九运载火箭，在海南文昌成功发射，为早先一步到中国空间站的神舟十九号航天员乘组“快递”上新太空物资。随着“包裹”被签收，中国载人航天工程2024年发射任务圆满收官。
载人飞船、货运飞船等航天器发射、升空，在茫茫太空遨游，航天器如何与地面联系？这离不开航天测控通信系统，它是航天器升空后与地面联系的唯一纽带，就像放风筝的风筝线，因此也被大家称为航天器的“生命线”。
这些发射任务中，中国电子科技集团公司第十研究所（简称“中国电科十所”）牵头研制的陆海天基测控通信系统，构建了新一代综合化测控体系，负责对飞船、空间站等飞行器进行轨道测量、遥测遥控和数据传输。简单来说，我们在电视机前看到的空间站传输回来的高清图像、天地通话、太空授课、交会对接等画面，就是靠这一体系来实现。
同时，中国电科十所还采用自主研发的“基带池”新技术体制，打造新一代天基测控通信系统地面终端站，构建起共享、通用的大规模信号信息处理平台，对传统方法有着颠覆性改变。
飞船与地面的通信主要依靠分布于我国广袤大地上的各个大型地面测控站，一起对飞船等飞行器进行位置测量、控制、监测状态等。中国电科十所供图
编织严密的立体测控网，中继卫星系统发挥核心作用
飞船与地面的通信主要依靠分布于我国广袤大地上的各个大型地面测控站，一起对飞船等飞行器进行位置测量、控制、监测状态等。“广域部站是为了尽可能实现大面积的信号覆盖。”中国电科十所地面终端站副总师曾富华说。
实现覆盖并非易事。飞船在距离地球400千米轨道上运动，大概每隔1个半小时就绕地球一圈。当飞船不在这些测控站范围内时，就是通信盲区。此前，往往通过提前在海洋上部署远望号测控船，来提高通信覆盖能力。“但这种传统方式获得的综合覆盖能力很有限，考虑到所有综合手段后，测控覆盖率也只有百分之十几。”曾富华说，随着我国载人航天任务常态化进行，出海带来的人力物力开销也很大。
还有别的办法来覆盖通信盲区吗？答案是有，依靠中继卫星建立通信。它距离地面近4万公里，站得高、看得远，3颗就能实现对飞船的全时覆盖。围绕中继卫星系统这一核心，中国电科十所编织了一张严密的立体测控网，对“天舟八号”等航天器的测控覆盖率达到100%。
具体来看，中继卫星系统主要分为中继卫星、地面终端站、运管中心三部分。其中，中继卫星负责把信号收集起来，并转发给地面终端站，地面终端站接收信号后进行分析、处理，将信号“翻译”出来，再将需要的内容传输给飞船。这一过程中，中继卫星犹如一个弯管，建立起地面终端站和飞船之间的通信链接。通过这条通信链路，就能实现地面对飞船的遥控、遥测、测距、飞行状态监视等。
“这条通信链路还是一条低时延的‘高速公路’，带宽达到数百兆比特每秒，传输时延只有几百毫秒。”曾富华介绍，通过“高速公路”，地面管控人员还能实时看到飞船内外的高清图像，实时掌握飞船的状态，并在交会对接中也能看到全过程的实时高清图像。
中继卫星系统这么好，很多用户都想用。比如，卫星上有很多天线，典型的空间站上有若干条链路，神舟飞船上去后也会增加通信链路需求，系统还会兼顾其他对地观测卫星的数据回传等任务。“可以说，该系统是一个多用户、多速率服务系统，能同时服务多个飞行器。”曾富华说。
聚焦信号池化处理，打造新一代地面终端站
接收到中继卫星传来的信号后，地面终端站还要进行处理。目前，中国电科十所负责了第二代中继卫星系统所有地面系统终端的研制，采用“基带池”技术，打造新一代天基测控通信系统地面终端站。
在曾富华看来，这是一套具有通用性、权威性、认可度的标准技术体系，不光让系统处理能力更强、服务用户数量更大，还赋予系统规模弹性可伸缩、业务软件可定义的新质能力，推动我国的中继卫星系统达到了新高度。
测控通信系统由天线、信道和基带3部分组成，传统设备采用“井”式架构、执行特定任务，“井”与“井”之间信号壁垒大、难打通。相比之下，新一代地面终端站则是“池”式开放架构，采用通用信号处理平台+软件功能化的建设方式，实现“硬件平台通用、软件定义功能、任务动态部署、能力长期演进”。
“平台具有弹性伸缩能力，也就是多任务信号放在一个‘池’里同时处理。”曾富华进一步解释，好比智能手机在一个平台上运行多个App，不同信号形式、工作模式、技术体制的功能可以同时或分时使用，“较传统方法设备少了，建设成本也更低。”
其中，打造通用的硬件平台是关键一环，挑战不小。
既然是通用，就要跳出传统方法中用一套设备实现一个功能，考虑在一个平台实现多个功能。“这个平台面向信号层面，可以看作是信号处理领域的计算机体系。”曾富华说，但不同的是，信号处理算法十分复杂，对实时性要求更高，节奏要更快。
他提到一个细节，对飞行器测量，一般是通过信号时延来确定飞行器的位置和速度。但测控系统本身有时延，因此需要固定飞行器的时延。但采用“基带池”新技术进行池化处理后，这一时延很难固定下来。
最初，团队采取将时延全部测出来的办法。“这相当于定制时延，与通用的意图相悖。”曾富华说，团队随后展开大量实验，设计了一种动态修正方法，并将这种方法设计成标准的服务，提高了时延校准精度，让精度缩小到数百皮秒级别，即10的负10次方秒。
硬件之外，还要实现软件定义功能，有一个前提是，要构建起池的“操作系统”。简而言之，打造一个环境，实现软硬件接耦，从而软件才能运行起来。这一任务挑战同样很大。“我们依靠既有基础和优势，进行不断优化改进，投入了团队差不多三分之一的人来做。”曾富华说。
与传统方法执行既定任务有着大区别的是，新技术还能实现任务动态执行。“也就是在既定任务不受影响的情况下，增加更多的新任务。”曾富华说，这里的难点在于容易出现资源碎片化现象，因此新系统要把资源更加有效地利用起来。
这一现象不难理解，譬如一个团队中，几人关系比较好，经常在小组任务中会凑在一起做，团队中一两人不免会落单。“新系统通过降低成员之间的‘亲和度’，让资源充分‘融’起来，在全网自行按需分配计算资源，从而达到使用效率最大化。”曾富华说。
当下，多用户、多业务实现在同一平台上以软件化的形式部署。多功能共用一个平台，不仅避免了建设不同的专用硬件，后续想要加入新功能，只需要升级软件，系统的综合使用效率也得到大幅提高。
曾富华强调，这不是一个项目，而是从零到一构建起一个体系。面向未来，也要像中继卫星一样，站得更高、看得更远。“将来中继卫星服务的对象或将是现在的两倍以上，要着眼于系统能力的长期演进，发挥更大的作用。”
背后故事：顶着巨大压力，仅用两年完成研制
新一代天基测控通信系统的研制中，整体项目团队七八十人，仅用两年就完成了如此复杂系统的研发且采用了全新的技术体制。“当时挑战巨大，不仅是技术，还有心理层面，大家都非常不容易。”曾富华说。
整个项目分为方案、研制、外场试验验证以及任务运行维护4个阶段。曾富华记忆犹新的是，在起始的方案阶段，团队在采用先进技术还是相对保守的方案之间进行激烈讨论，起码不下10次。“项目周期很短，整个体系、每个环节又都采用颠覆性的全新技术，能否按时完成交付是个问题。”曾富华说，来回讨论中，项目组展现出了十足魄力与自信，认为要从打造系统技术能力长远出发，努力追求卓越、不断创新，建设一套技术领先的系统。
这个老中青结合的团队，年龄虽然有差距，但迸发出的激情让曾富华很动容。项目研制阶段正好在疫情时期，有一段时间大家只能封闭在家里。“那时候，团队成员主动要求在所里封闭，加班加点确保项目进度。”
在外场阶段，新系统有个指标精度要求特别高，团队采用无人机验证，但无人机悬停精度很难达到，技术人员在恶劣的户外环境下，不分昼夜，连续三天反复验证，终于达到了系统要求。
新系统刚投用后不久，迎来神舟飞船发射。曾富华回忆，当时大家很紧张，盯着直播画面一动不动，“全国人民都在看，一丁点差错都不能有。”现在神舟十九号、天舟八号发射上天，新系统使用至今做到了万无一失，团队感到很自豪。再看发射，他们早已不紧张。
名词解释：
广域部站：通俗来讲就是在更广范围内部署大型测控站。
