阿尔忒弥斯计划的测控与通信
一、引言
对在轨运行的航天器进行飞行控制的系统，在我国通常称之为测控通信系统(SpaceTTCCommunicationSystem)。在美国航空航天局NASA(TheNationalAeronauticsandSpaceAdministration)管理的航天飞行任务中，测控通信功能由任务控制中心MCC(MissionControlCenter)和空间通信与导航SCAN(SpaceCommunicationsandNavigation)系统协同完成。
任务控制中心MCC是飞行控制人员聚集的地方，是航天器各个专业的专家和指挥人员工作的场所。空间通信与导航系统SCAN是任务控制中心与航天器的联系通道，其通信服务的含义是允许飞行控制人员向航天器发送指令，并接收来自航天器的下行数据；导航（或跟踪）服务是指飞行控制人员能够通过其获取的跟踪信息计算出航天器在太空飞行的轨迹。
二、NASA的空间通信与导航系统
NASA管理的空间通信与导航系统SCAN由近空间网络NSN(NearSpaceNetwork)和深空网络DSN(DeepSpaceNetwork)组成。其中NSN由位于马里兰州的戈达德航天中心管理；DSN由南加州的喷气动力实验室JPL管理。
近空间网络NSN
根据年美国国会通过的美国宇航局授权法案：“通过协助和扩大在近地轨道的商业能力……以维持在低地球轨道上长期存在的能力。”因此，在过去十多年里，NASA一直是在可行的最大范围内使用商业服务。NASA的角色从自行设计产品的购买者转变为了提供商的租用者。目前SCAN系统已发展成为一个由商业和政府拥有、承包商运营的遍布全球的空间通信基础设施。
NASA近空间网络NASA最新的近空间网络NSN
其中商业拥有的包括：
KSAT，新加坡，—支持：S/XBand—资产：9.1米
KSAT，挪威斯瓦尔巴群岛—支持：S/XBand—资产：11.3m/11.3m/13m
KSAT，南极洲Troll，—支持：S/XBand—资产：7.3m/7.3m
SANSAHartebeesthoek，南非—支持：S/XBand—资产：12m/10m
SSC基律纳，瑞典—支持：S/XBand—资产：13m/13m
SSC圣地亚哥，智利—支持：SBand—资产：9m/12m/13m
SSCSpace美国北极，阿拉斯加—支持：S/XBand—资产：5m/7.3m/11m/13m
SSCSpace美国东加拉，澳大利亚—支持：S/XBand—资产：13m
SSCSpace美国南角，夏威夷—支持：S/XBand—资产：13m/13m
政府拥有的包括：
NASA阿拉斯加卫星设施，费尔班克斯—支持：S/XBand—资产：11.3m/11m/9.1mNASA肯尼迪上行站—支持：SBand-资产：6.1mNASA庞塞德莱昂站—支持：SBand-资产：6.1m
NASA的瓦洛普斯地面站，弗吉尼亚—支持：VHF、S/XBand—资产：11m/5m
NASA的新墨西哥州白沙地面站—支持：VHF、S/KaBand—资产：18.3m
NASA的白沙综合体，新墨西哥州—支持VHF、S/KaBand—资产：11m
NASA的麦克默多地面站，南极洲—支持：S/XBand—资产：10m
费尔班克斯指挥和数据采集站（NOAA合作伙伴），阿拉斯加KSAT—康斯博格卫星服务公司
NASA—美国国家航空航天局
NOAA—国家海洋和大气管理局SANSA—南非国家航天局SSC—瑞典航天公司
年10月，NASA的戈达德航天中心将过去的近地空间网络NEN（直接对地通信网络DTE）和空间网络SN（中继网络）合并组建成新的近空间网络NSN。它包含遍布全球的近地轨道航天地面站网系统和跟踪数据中继卫星（TDRS）（地球同步轨道）系统，跟踪数据中继卫星（TDRS）可以每天24小时运行，每周7天，每年天运行。
中继卫星系统运行图NSN可为距离地球万公里以内的近空间航天器提供空间通信和跟踪服务，为客户提供遥测、指挥、地面跟踪、数据和通信服务。
第三代中继卫星功能描述可服务的任务包括：
近地轨道（LEO）
地球同步轨道（GEO）
高椭圆轨道（HEO）
绕月轨道。
深空网络DSN
深空网络DSN由美国宇航局位于南加州的喷气推进实验室JPL管理，由全球三个主要的跟踪站点组成：美国Goldstone、西班牙马德里和澳大利亚堪培拉。这三个站点在经度上相距约度，为35,公里的地球同步轨道以上的任务提供几乎连续的跟踪覆盖。每个站点都有大型可操纵的34米和70米天线，具有L、S、X和Ka波段，带有灵敏的低温接收器和大功率20kW发射器。DSN可在Now上显示与深空探索者的实时通信状态。
NASA的深空网络DSN每天24小时、每周7天、每年天运行。网络操作每月运行熟练度在95%以上，典型操作熟练度在99%以上。深空网络DSN可提供遥测、遥控、位置测量、无线电科学、射电天文学和雷达测绘等服务。可服务的任务包括：
深空任务，包括那些需要极高灵敏度的任务
月球以及距离更远的任务
火星中继操作（为火星表面的第二批客户提供服务）
拉格朗日点任务（地日和地月）和高椭圆轨道(HEO)任务
三、阿尔忒弥斯任务使用的SCAN系统
NASA的近太空网络和深空网络一起为阿尔忒弥斯任务提供通信和导航服务。它们在SLS火箭发射、猎户座离开地球、绕月球运行、安全返回地球时的不同飞行段落提供不同的服务。重点在发射期间、在前往月球之旅的不同地点，猎户座返回地球时提供通信和导航服务。
通信与导航系统的任务（一）近太空网络服务NSN
近空间网络的发射通信段（LCS）将在发射前和发射期间同时提供与猎户座和SLS火箭的连接。NSN的发射通信段由沿佛罗里达太空海岸的三个地面站组成，肯尼迪Kennedystation上行站、庞塞德莱昂站PonceDeLeon和百慕大Bermuda站。都装有S频段的6.1米天线，下行传输速率为2Mbps。
发射通信段的通信与导航站点其前两个发射站将提供火箭和地面任务控制人员之间的上行和下行通信。在上升飞行的最后阶段，第三个站百慕大站只接收SLS火箭的高速遥测和视频，而猎户座的信息将连接到数据中继卫星。三个地面站的数据将合成一个数据流然后传送给控制人员。
近空网络的导航服务一直从猎户座的近地轨道到月球轨道，以及返回时经过智利圣地亚哥和南非的哈特比斯托克地面站的上空。这些导航服务将确保猎户座在地月转移点的点火控制，接近和离开月球时的点火控制提供导航服务，为最终进入和离开月球轨道提供支持。
近空间网络还通过NASA的跟踪和数据中继卫星星座（TDRS）为阿尔特弥斯一号提供服务，该星座可以提供近连续的通信服务。TDRS位于距离地球约20英里的地方，将较低海拔高度的航天器的数据传输到地面天线。TDRS将在阿尔特弥斯I号任务的发射和近地轨道阶段发挥关键作用。从发射台开始，TDRS将与猎户座飞船和临时低温推进级（ICPS）保持连接。临时低温推进级ICPS的作用是加速猎户座飞船以克服地球引力飞往月球轨道。TDRS将继续服务，直到猎户座和ICPS离开其覆盖范围，然后由NASA的深空网络接管。在猎户座返回地球时，TDRS将从返回轨迹校正、通过太平洋溅落到太空舱的回收一直提供通信服务。返回轨道校正点火确保了猎户座在正确的时刻进入大气层，并使飞船安全着陆。
（二）深空网络服务DSN
DSN包括任务的奔月轨道点火启动、轨道修正、返回动力点火和返回轨迹修正等。这些关键点，近空间网络SNS也提供补充导航数据。通过近空网络和深空网络对猎户座飞船的联合导航，工程师们可以采用了一种称为三维多普勒跟踪的技术。使用这种方法——地球上的两个地面站（SNS和DSN网络各一个）同时跟踪猎户座，地面就可以三角确定猎户座相对于地面站的位置。
在月球轨道上，深空网络能够控制飞船进入远距离逆行轨道。远距离逆行轨道是一个高度稳定的轨道，猎户座在这个轨道上与月球绕地球运行的方向逆行或相反。
深空网络将在近空间网络的TDRS星座的协助下，在远距离逆行轨道和离轨点火、飞越返回动力点、返回过境和最终返回轨道修正期间与猎户座保持通信。
深空网络还可以一次为任务中的三个立方体卫星提供通信。立方体卫星是一种小型卫星，在SLS火箭发射时沿着猎户座的轨道部署，为科学家和工程师提供更多的研究机会。在部署后，多数立方体卫星也将通过深空网络进行通信。
四、阿尔忒弥斯任务的飞行控制
NASA管理的阿尔忒弥斯任务，其测控通信功能由位于约翰逊航天中心（JSC）的载人航天任务控制中心（MCC）通过空间通信与导航（SCAN）系统完成。
约翰逊航天任务控制中心MCC历史上曾执行过美国的阿波罗计划、航天飞机和国际空间站等任务。MCC由多个飞行控制室（FCR）组成，包括FCR-1、FCR-2和红FCR、白FCR、蓝FCR。年1月开始，将航天飞机使用的白色控制室转变为现代任务控制配置，以支持21世纪的任务，即MCC-21任务。升级后的白色控制室最终打算作为美国宇航局猎户座飞船飞往深空目的地的任务控制。
阿尔特弥斯任务飞行期间，负责任务的工程师和技术人员组成飞行控制小组，全天24小时工作，飞行控制人员不断监视乘组人员的活动，并监测航天器系统，乘组人员的健康和安全，以确保操作按计划进行。SLS火箭的发射控制由位于佛罗里达州的肯尼迪航天中心（KFC）的发射控制人员负责倒计时和发射。火箭起飞后，MCC将接管任务控制权，直到猎户座飞船的溅落。
飞行控制室有多个不同的“控制台”，分布代表执行任务的不同学科专业。每个控制台都标有一个缩写的标题来表示它们的角色，这些缩写标题也在任务控制中使用。以下是将在约翰逊的白色控制室的操作和监控团队：
飞行主任(Flight)
飞行主任领导着由飞行控制人员、研究人员和工程专家以及支持人员组成的团队，为猎户座绕月和返回的飞行做出实时决策。这个位置负责任务执行和所有指令发送，负责从SLS火箭离开发射台助推器点火直到猎户座飞船溅落在太平洋后关闭电源，并将飞船的责任移交给回收小组之间的故障排除。飞行主任位于房间中央附近，以便与其他位置进行最佳协调。
阿尔忒弥斯一号任务岗位布局这张图显示了阿尔特弥斯一号各岗位在白色飞行控制室的位置。
助推器主管(Booster)
助推器主管从发射到地月转移轨道（TLI）点火期间，监控SLS火箭的固体火箭助推器，芯级，临时低温推进级（ICPS）的性能，以确保火箭的推进系统按预期工作以将猎户座从地球轨道发送到月球轨道。
指令和数据注入主管（CDH）
在第三排，指令和数据注入官监视猎户座飞船的航天电子系统的整体状况，并管理其计算机系统、软件和数据。当宇航员从阿尔特弥斯二号开始乘坐猎户座时，CDH将负责宇航员在飞船上的显示界面。
控制主管（control）
控制主管从起飞一直到地月转移点火负责管理SLS火箭的固体火箭助推器、芯级和ICPS发动机的制导和控制。
应急、环境和消耗品主管（EECOM）
应急、环境和消耗品主管向飞行主任报告任何问题，如气体和冷却参数，并管理环境控制、生命支持和应急程序。该官员还负责综合团队应对潜在的紧急情况，如泄漏或有毒大气，或冷却损失问题。
飞行活动主管(FAO)
飞行活动主管领导制定飞行计划时间表以满足任务目标。一旦宇航员进入猎户座，还将管理飞行计划和未来乘组人员活动的实时变化的协调。
飞行动力学主管（FDO）
飞行动力学主管监测猎户座在任务中所有阶段的轨迹，包括发射，绕月球的远距离逆行轨道上，以及在上升过程中可能中止的情况下。
飞行操作理事长（FOD）
坐在房间后面的飞行操作理事会的职位是一个高级经理，他帮助在飞行控制团队和NASA的相关经理和领导之间传递信息。控制台的位置将在飞行的关键阶段被占据，包括发射、主要点火和再入段。
地面控制主管（GC）
地面控制主管负责任务控制所需要的所有系统的操作，包括任务的规划、培训、测试、执行和评估等。GC还负责通过近空间网络和深空网络维持航天器和MCC之间的通信。
制导、导航和控制主管（GNC）
制导、导航和控制主管在任务期间操作猎户座的导航和飞行控制软件。GNC负责宇宙飞船在太空中的姿态。
综合通信主管（INCO）
综合通信官负责监测猎户座所有通信系统的运行，包括任务期间的数据、遥测和视频，包括从地球向航天器发送指令所需的系统。在未来的任务中，这个职位还将监控其它航天器对猎户座的指令、乘组人员的手持无线电通信、指令加密和音频系统等。
机械和能源主管（MPO）
机械和能源主管负责猎户座的电气、机械、结构、着陆和回收系统。这些系统包括电池、太阳能阵列、室内照明、结构、热保护和降落伞等。
推进主管（PROP）
推进主管负责猎户座飞船的推进系统。这包括推进器的性能和推进剂的使用，发动机燃烧和位置控制机动，管理航天器和乘组消耗品，以及向乘组人员和服务舱提供报告。
公共事务主管（PAO）
公共事务主管提供任务评论，向公众和新闻媒体解释飞行控制操作，并协调新闻媒体和任务控制部门之间的事件。PAO还将协调新闻媒体和未来阿尔忒弥斯航班上的乘组人员之间的事件。
除了休斯顿任务控制中心的飞行控制人员，还有其他团队支持这项任务。其中位于阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔航天中心配备了一个SLS工程支持中心。从发射前倒计时开始到部署火箭ICPS上的立方体卫星结束，该团队将提供SLS各子系统评估，并作为SLS的技术权威评估发射条件数据以及其他职责。位于任务评估室的多个工程支助小组也将在任务期间全天候工作，作为航天器各个子系统或各个方面的技术权威为子系统评估、潜在问题的风险和安全评估等问题提供额外支持。
位于马歇尔中心的火箭工程支持中心五、NASA的下一代月球激光中继通信系统
宇航员通信终端示意图美国宇航局将建设下一代激光中继卫星系统，为未来的数百项任务提供持续的、覆盖全球的、高速率的通信服务。这种多光通信卫星中继系统将补充NASA的射频中继系统TDRSS目前的能力。
月球激光中继卫星系统目前，CCSDS正在开发光通信标准，使商业公司和其他政府机构能够为该网络开发额外的光中继节点和空间任务终端。利用光通信系统将显著提高数据能力。该系统内的光学终端将为用户提供高达10Gbps的中继服务，以及Gbps的中继交联和空间对地服务。此外，光通信技术的使用提供了一种更安全的数据传输方法，并为LEO、GEO、地月和地日L1/L2距离任务提供了更低的航天器成本。
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