航天测控已诞生逾半个多世纪，并在航天工程的牵引和电子信息技术的推动下获得长足的发展。中国航天测控系统建设开始于1967年，在首颗人造卫星东方红一号的发射运行中发挥了重要作用。此后，以各类卫星工程、载人航天工程、探月工程等重大航天工程任务为牵引，我国航天测控实现多次技术跨越，形成独具中国特色的多功能现代化综合测控网，为我国航天事业和国民经济、科技、社会发展作出了突出贡献。
▲ 通讯中继卫星“鹊桥”示意图
越“织”越精的测控网
中国航天测控是在上世纪60年代后期为发射首颗人造卫星东方红一号而建立的。在东方红一号发射和在轨运行期间，分布在各地的地面观测站，对卫星实施精确跟踪测量，成功预报了卫星飞临世界244个城市上空的时间和方位。
早期，我国航天测控发展基本依赖于型号任务，往往是每试验一种型号就要研制一种测控设备。直到1973年，钱学森提出，要搞一个统一的航天测控网，完成各类卫星的测控任务。根据总体构想，我国测控领域专家在原有基础上研制和调整测控设备，优化布局，形成以酒泉、太原、西昌3个发射场为中心的主动段测量航区，以及卫星测控网、综合回收区、远洋测量船队、测控中心、数据处理系统等测控通信建设方案，指导我国航天测控网的建设。1984年4月,地球同步通信卫星发射并定点成功 , 标志着我国航天测控网已初步建成。
之后，我国航天测控网的规模和能力伴随重大航天工程迅速成长。在载人航天工程的牵动下，从1993年开始，我国航天测控网进行多项技术改造和技术更新，建立了陆、海基USB 测控网以及USB远程监控系统；新建了酒泉发射指控中心和北京航天指挥控制中心，改造了西安卫星测控中心，进行测量船和各测控站的设备适应性改造，最终在卫星测控网基础上建立起一个与国际接轨的、统一S频段的载人航天工程测控通信网。这个网络集测轨、遥测、遥控、通信、数据传输等功能为一体，是我国迄今为止规模最大、功能最全的测控通信网，既能满足载人航天任务的需要，又能同时为多种卫星提供测控通信支持。
为进一步提高测控通信覆盖率，我国从2007年开始先后发射4颗天链一号中继卫星，构建天基测控通信网，并成功应用于载人飞船的数据中继、测控和跟踪、空间交会对接，遥感卫星高速数据传输，航天器测控以及航空器、舰船等非航天器平台的数据中继传输，嫦娥系列探测器测控等，同时北斗卫星导航系统的建设与应用，与天链系统一起，实现了我国航天测控网由地基向天基的重要跨越。
在探月工程的牵动下，我国深空探测网初步建成，测控能力和距离不断取得新的突破。“嫦娥一号”绕月飞行中，测控通信距离首次抵达40万公里。2011年，喀什和佳木斯两个深空测控站基本建成，嫦娥二号任务将测控通信距离一举扩展到8000万公里。
2017年年底，阿根廷35米深空站建成，标志我国深空探测网基本建成，形成较为完善的深空测控能力，对月球和深空航天器的测控覆盖率达到90%以上。在嫦娥四号任务中，鹊桥中继星跨越40万公里，进入绕地月L2点的Halo轨道，突破人类月背测控通信盲区，使“嫦娥四号”成为首个月背着陆和巡视的探测器。
今年7月，我国首次火星探测任务天问一号探测器顺利发射，航天测控网能力再度升级，将为4亿公里外的火星探测器提供测控通信保障。
载人航天测控：天上地下电视电话
载人航天任务对测控通信系统的覆盖率、测量精度、数据传输速率、可靠性等均提出了很高要求。
随着载人航天工程的实施，在神舟飞船发射、首位航天员进入太空、多人多天飞行任务、首次出舱行走、天宫交会对接、天宫空间站逐步建成等一项项重大突破背后，航天测控系统功不可没，迅速发展，可靠支撑各类需求，并最终实现全球布局。
为支持载人航天，我国在原有卫星测控网的基础上，规划设计与国际标准接轨的S频段统一测控通信系统，改变以测控站为主的航天器测控方式，设立网络管理中心，对测控网实行集中监控，并负责测控资源的动态优化配置，实现对陆上、海上所有测控站的联网和统一管理调度，形成了陆、海基载人航天测控通信网。
“神舟五号”首次载人飞行任务中，航天测控网以北京为轴心，在全国8个中心城市布置了共20个监控点，在三大洋布下多个测控点，并出动测量船，全面监测“神舟五号”发射、运行、回收情况。神舟飞船运行期间，远望一号、二号、三号、四号4艘航天测控船在太平洋、大西洋等布阵，执行境外对“神舟五号”的测控与通信任务。
▲ 退役的远望一号测量船
▲ 远望三号测量船
在长二F火箭点火的一刻起，地面控制中心借助测控网开始密切关注神舟飞船在各个弧段的一举一动，其中东风、渭南和青岛3个陆地测量站负责飞船在上升段的测量，覆盖率达到100％。远望一号、二号测量船追踪入轨段，完成飞船入轨后太阳帆板展开控制、飞船轨道计算、入轨后工况处理、变轨控制和留轨段测控支持。返回段中，“远望三号”负责返回段飞船调姿、轨道舱分离、制动点火控制任务，在印度洋的“远望四号”弥补测控通信盲区。最后是着陆场的活动测量站，负责飞船再入大气层后的回收测量。
继“神五”“神六”后，“神舟七号”任务航天员要实现多人多天飞行、首次太空行走和释放伴飞小卫星等多项任务，这些都给测控通信提出新的要求。首先要满足多人多天测控通信保障，其次在航天员出舱活动的30多分钟时间里，必须提供连续的测控通信覆盖，对伴飞卫星要进行绕飞控制。与此同时，我国天基测控系统迈出第一步，数据中继卫星天链一号01星首次在神舟任务中运用。
神舟七号飞船的测控通信超过了之前的任何一次航天任务，5艘测量船创造了使用规模的空前记录。远望五号、六号测量船在此次任务中开启首秀，远望一号、二号船完成最后一次任务。所以，“神舟七号”任务也是“老中青”三代测控船共同协作的成果。
▲ 远望六号海上测量船
▲ 远望7号测量船
“神舟”计划逐渐促成我国航天测控全球布局，覆盖范围不断扩大。载人工程刚起步时，我国只有测控站和测量船，地面能看见航天员的时间十分短暂。到神舟十号任务时，我国“天链一号”已完成三星组网，建立起第一代数据中继卫星系统，实现200-1200公里轨道高度航天器测控的100%全覆盖，逐步建立起的东非肯尼亚马林迪测控站、南亚巴基斯坦卡拉奇测控站等海外测控站，海上远望系列测控船，各陆基、海基、天基测控资源构成全方位的强大天地通信和测控能力。
神舟十号任务中，首位“太空教师”王亚平开展太空授课，航天员通过质量测量、单摆运动、陀螺运动、水膜和水球等5个基础物理实验，展示了失重环境下物体运动特性、液体表面张力特性等物理现象，并通过视频通话形式与地球上的学生们进行了互动问答。40多分钟的课程中，天上、地面多点互动，效果清晰、连贯，也见证了我国航天测控能力和覆盖范围的巨大进步。
探月工程测控：指引嫦娥上蟾宫
如果说载人航天工程带动了我国航天测控网覆盖范围的拓展，那么探月工程则带动了我国航天测控网不断突破远程测控新的距离纪录。伴随着探月工程“绕”“落”“回”三步走的战略步伐，我国逐步建成深空测控网，成为世界上功能完备、全球布局的三大深空测控网之一。
立足支持重大航天工程，我国深空测控网建设起步晚、起点高。在总体设计时提出要兼顾中国月球探测和未来深空探测任务，具备测控、数传和长基线干涉测量等多种功能于一体，最大限度发挥深空测控网效能；在技术体制上与国际主流的美国宇航局、欧空局深空任务测控体制相互兼容,利于国际合作与任务交互支持等。
我国深空测控网包括位于西北喀什、东北佳木斯和位于南美洲阿根廷内乌肯省萨帕拉的3个深空站，采用了国际标准的S、X和Ka三频段，具备支持各类月球和深空探测任务的多频段遥测、遥控、数据接收和跟踪测量等功能，已形成较为完善的深空测控能力，对月球和深空航天器的测控覆盖率达到90%以上。
▲ 远望号测量船上的雷达跟踪和遥测系统
探月一期任务时，载人航天工程中建成的S频段统一测控系统（USB）可以满足地球轨道卫星测控需求，但最远距离不超过8万公里，而嫦娥一号卫星的测控距离要求支持40万公里。受经费投入和时间要求的限制，建设大口径深空测控设备的条件尚不具备，科研人员基于当时的设备基础，在地面站增配18米单收天线系统、通过技术创新提高天地链路性能，完成40万公里以远目标测控任务。
尽管采取了一些技术措施，使应用于地球轨道卫星的测控网完成了嫦娥一号任务，但要开展后续的月球和深空探测，必须建设先进的深空探测设备。为此，探月工程二期中开始建设以喀什35米深空站、佳木斯66米深空站为主的深空探测网。
2011年，喀什站和佳木斯站基本建成，而此时，2010年10月发射的嫦娥二号卫星已完成各项既定的工程和科学探测目标,并在2011年8月抵达日地拉格朗日L2点，进行新的科学探测任务。
▲ 喀什测控站
▲ 佳木斯测控站
2013年12月，嫦娥三号探测器发射升空并成功着陆于月球虹湾，开辟我国月球“巡天、观地、测月”的历史。这一过程中，喀什站和佳木斯站的深空探测设备首次利用X频段完成了探测器地月转移、环月、动力下降、月面工作段的各项测控任务，测量数据精度相比S频段提高3－5倍。
月球背面一直是地面通信和测控的禁区，因为它始终背朝地球，信号无法传递过去。2017年年底，阿根廷35米深空站建成，标志我国深空探测网全面建成。随后，2018年鹊桥中继星跨越40万公里，进入绕地月L2点的Halo轨道，搭起地面与月球背面通信的桥梁，为嫦娥四号任务奠定基础。
2019年1月，嫦娥四号探测器成功着陆于月球背面的预选着陆区——冯·卡门撞击坑，喀什测控站通过鹊桥中继星，绕过月球正面，控制“嫦娥四号”精准降落在月球背面指定位置，并开展巡视勘察，确保“嫦娥”不失联。玉兔二号巡视器踏上月球表面，着陆器拍下了“玉兔二号”在月背的第一道痕迹影像图，并把世界第一张近距离月背图传回地面。嫦娥四号探测器实现人类首次在月球背面软着陆和巡视探测，也是我国深空测控网首次全网执行测控任务。
截至今年8月，“嫦娥四号”已在月背度过了超过600个地球日，在地面团队的指挥操作下持续开展低频射电天文观测、月壳分层结构探测、月表环境探测等活动，不断丰富人类对月球的认识，取得更多的科学成就。而这背后是我国深空测控网的全网协同工作、稳定可靠运行和多频段多目标联合测控能力在支撑。
探火任务测控：四亿公里外的牵挂
2020年7月23日，我国首次火星探测任务天问一号探测器，在文昌航天发射场由长五遥四火箭发射升空。“天问一号”将经历7个月的漫漫旅程抵达火星，一次完成“绕、落、巡”3项任务。着陆器将在火星表面软着陆，并在着陆区附近开展巡视探测，同时环绕器开展为期2年的中继和遥感探测。
▲ 阿根廷深空站
相比登月需要跨越的40万公里路程，地球到火星的距离在5000万公里到4亿公里不等。除了几百倍的深远距离，本次火星探测任务要经历地火转移、绕、落、巡等多个阶段，测控距离遥远，测控弧段长，接收的信号极其微弱，同时伴随很高的频率动态变化，给深空测控带来更新、更高、更严的挑战。
作为此次深空探测任务实施的核心系统，深空测控网要完成对探测器各飞行阶段的测控定轨、状态监视、飞行控制，对着陆巡视器在火星表面探测阶段的操作控制等任务，迫切需要能力再升级，为火星探测器在茫茫“星辰大海”中测控通信保驾护航。
如何精准接收4亿公里之外的信号？由于发射信号的衰减与距离的平方成正比，相同发射功率的信号到达地球将非常微弱，而增大地面接收天线的口径，即接收面积，是提高信号信噪比的基本途径。除了已建成的三大深空测控站，正在天津武清建设的70米天线（GRAS-4）高性能接收系统和深空探测天线阵成为新一代杀手锏。
此次新建的GRAS-4天线，采用了多种新型技术，在提高天线效率的同时减少了系统噪声，提高了抗干扰能力，具备稳定接收微弱人造数据信号和感知极微弱宇宙自然天体辐射电磁波等功能。GRAS-4天线总重约2700吨，主反射面直径70米，由16圈共1328块高精度的实面板组成，面积相当于9个篮球场大小，建成后将成为亚洲最大的单口径全可动天线，大幅度提高深空探测下行数据的接收能力，为完成我国首次火星探测工程任务奠定坚实基础。
▲ 武清70米口径数据接收天线
在这次火星探测任务中，我国的数据接收模式将由单天线接收，改为多天线组阵模式——即GRAS-4天线将与北京密云站GRAS-1（50米口径）、GRAS-3（40 米口径）和云南昆明站GRAS-2（40米口径）等天线联合观测，以达到最大的接收性能指标，从而提高星地链路传输码速率，为我国获得更多的科学数据和更有显示度的科学成果提供坚实基础。
除了新建70米天线，我国已建成的喀什站的测控设备也进行了适应性改造，为任务提供强大的测控保障。喀什在原有35米天线基础上，新建3个35米口径新天线，通过天线组阵接收技术，将多个天线接收到的微弱信号汇合起来，极大增强地面系统的接收能力，为地面与星际探测器之间建立高质量、高可靠的射频信道，使喀什深空站在X频段深空任务测控通信数据接收能力达到与佳木斯深空站66米深空测控设备相当的水平，以较小的成本代价和最优的性价比，满足了深空任务的数据接收需求。这是我国首座35米深空探测天线阵，也为未来我国走向更深远的太空提供了雄厚的测控技术储备。
▲ 我国首座35米深空探测天线阵
从“东方红一号”到载人航天，从探月工程到火星探测，我国航天测控网迅速发展壮大，系统规模和测控通信能力大幅提升。随着探月工程四期和深空探测工程全面拉开序幕，载人航天和空间系统建设进程不断推进，我国航天事业正在迎来新的发展高潮，也给测控系统带来了巨大的挑战。未来的航天测控系统将面临更复杂的测控通信任务、更遥远的测控通信距离、更高的深空导航精度等诸多新的挑战，也将伴随重大航天工程不断前进，持续提升规模和性能，发展成为天地空一体化协调发展、系统高效可靠运行、可按需提供各种天地测控通信能力的大测控系统，充分发挥作为国家航天重要基础设施的积极作用和效益。
