摘要：探空火箭廣泛應(yīng)用于中高層大氣立體剖面探測(cè)、微重力等科學(xué)實(shí)驗(yàn)，是臨近空間實(shí)地探測(cè)的唯一工具。本文介紹了探空火箭發(fā)展的概況及國內(nèi)外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在探空火箭上的應(yīng)用現(xiàn)狀，指出了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)并提出了相關(guān)的應(yīng)用方案。

關(guān)鍵詞：探空火箭；北斗定位系統(tǒng)；跟蹤定位；應(yīng)用

0 引言

探空火箭即用于探空的火箭，是一種在近地空間進(jìn)行探測(cè)和科學(xué)試驗(yàn)的火箭，利用火箭進(jìn)行近地空間環(huán)境探測(cè)和近地空間資源利用的技術(shù)即是探空技術(shù)[ ]。探空火箭飛行高度是40–300km，介于探空氣球與衛(wèi)星之間，是臨近空間唯一的實(shí)地探測(cè)工具。

探空火箭通常為無控火箭，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、研制周期短、發(fā)射靈活等特點(diǎn)，其用途大致可以分為三大類：一是空間探測(cè)研究，如高層大氣結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)特性的研究，氣象學(xué)、地球物理學(xué)、天體物理學(xué)、高能物理學(xué)、空間生物學(xué)等許多領(lǐng)域，尤其是適用于臨時(shí)觀察短時(shí)間出現(xiàn)的如極光、日食、太陽爆發(fā)等某些特殊自然現(xiàn)象；二是空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)，包括運(yùn)載火箭的制導(dǎo)控制、連接分離，結(jié)構(gòu)材料、動(dòng)力裝置、再入系統(tǒng)等航天飛行器的儀器設(shè)備性能飛行實(shí)驗(yàn)；三是微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)，在衛(wèi)星上進(jìn)行的微重力科學(xué)試驗(yàn)造價(jià)昂貴，而氣球、落塔的微重力水平低，微重力時(shí)間短，氣球的微重力時(shí)間僅為30s[ ]，100m的落塔的微重力時(shí)間僅為3.5s，探空火箭能提供幾到十幾分鐘的微重力有效時(shí)間，比衛(wèi)星成本低、比氣球和落塔的微重力時(shí)間長(zhǎng)，是一種比較理想的微重力試驗(yàn)平臺(tái)。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)我國獨(dú)立建設(shè)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，目前已發(fā)射導(dǎo)航衛(wèi)星16顆，2012年12月27日正式向亞太地區(qū)提供服務(wù)。本文介紹了探空火箭的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了國內(nèi)外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在探空火箭中的應(yīng)用，闡述了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在探空火箭應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)并提出了相關(guān)應(yīng)用方案。

1 探空火箭的發(fā)展現(xiàn)狀

自從上世紀(jì)50年代第一枚探空火箭發(fā)射升空以來，火箭探空在美國、蘇聯(lián)、歐洲、日本、印度、巴西等世界各地普遍得到了重視，研制了各種不同的探空火箭系列，進(jìn)行衛(wèi)星和氣球所不能及的空間環(huán)境探測(cè)，為空間探測(cè)和空間技術(shù)提供了一種特殊的實(shí)驗(yàn)手段。與衛(wèi)星這樣的造價(jià)昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、風(fēng)險(xiǎn)高的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不同，探空火箭的低成本，高可靠性等特點(diǎn)使其得到了普遍應(yīng)用。數(shù)據(jù)顯示，NASA在1959年到1976年的8年時(shí)間里，利用國內(nèi)的24個(gè)國外的13個(gè)發(fā)射場(chǎng)共發(fā)射探空火箭1912枚，20世紀(jì)70年代每年發(fā)射70到80枚。近年來美國發(fā)射的探空火箭數(shù)量仍然居世界之首，每年發(fā)射40-60枚。歐洲和日本則是利用探空火箭時(shí)行獨(dú)具特色的研究，每年發(fā)射數(shù)枚。日本主要利用探空火箭進(jìn)行赤道區(qū)高層大氣、電離層和天文學(xué)的研究，歐洲則主要利用探空火箭進(jìn)行微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。

中國的探空火箭起步于1958年，在早期的幾種型的研究、試驗(yàn)性探空的基礎(chǔ)上，第一枚實(shí)用探空火箭在1960年9月首次升空[ ]。在上世紀(jì)先后研制了19種不同的探空火箭，包括氣象火箭、取樣火箭及研究、試驗(yàn)火箭共計(jì)約260枚，飛行高度最大達(dá)312公里。由于各種原因，中國的探空火箭在20世紀(jì)80年代滑向低谷，90年代只有4枚探空火箭發(fā)射。2008年開始的國家大科學(xué)工程“子午工程”，主要用于監(jiān)測(cè)和了解中國上空空間環(huán)境的區(qū)域特征和空間環(huán)境的全球變化規(guī)律，為火箭探空事業(yè)提供有利支撐，是重振火箭探空事業(yè)重要的一步，火箭主要采用中國航天科技集團(tuán)公司四院研制的“天鷹”3號(hào)和“天鷹”4號(hào)火箭。

圖1“天鷹”3號(hào)整裝待發(fā)

2 國內(nèi)外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在探空火箭中應(yīng)用現(xiàn)狀及前景

探空火箭通常采用雷達(dá)進(jìn)行跟蹤定位，這種定位方式具有體積龐大、地面設(shè)備昂貴的特點(diǎn)。隨著1994年世界上第一枚搭載GPS設(shè)備的探空火箭升空實(shí)驗(yàn)后，GPS在探空火箭上的應(yīng)用得到了普遍的應(yīng)用和研究。在探空火箭飛行的整個(gè)過程中，GPS能為探空火箭提供諸多有用信息。在整個(gè)飛行過程中，GPS能夠?qū)崟r(shí)提供探空火箭及有效載荷的位置及速度信息，經(jīng)過事后處理，可以獲得高精度的軌道信息；GPS還能為探空火箭提供精確的時(shí)間信息，該信息不僅能夠?yàn)榧系钠渌O(shè)備提供時(shí)間基準(zhǔn)，進(jìn)行時(shí)鐘同步，還能為相關(guān)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)記錄時(shí)間，用于后續(xù)的分析；除此之外，還有許多基于GPS的其它應(yīng)用，如美國的科學(xué)家利用對(duì)GPS載波周跳的探測(cè)，反演探空火箭的自旋，并取得了一定的成果[ ]。

雖然GPS應(yīng)用于探空火箭能提供很多實(shí)用的數(shù)據(jù)，但探空火箭高動(dòng)態(tài)、強(qiáng)震動(dòng)、強(qiáng)宇宙輻射的特性對(duì)GPS也提出了嚴(yán)格的要求。令人遺憾的是，根據(jù)美國國防部的規(guī)定，市場(chǎng)能流通的GPS接收機(jī)必須對(duì)使用的高度和速度進(jìn)行限制[ ]，這些限制是：高度小于60,000 feet（約18000m），速度小于515m/s，加速度小于4g及加加速度小于20m/s3[ ]，顯然在這些限制條件下，市場(chǎng)上的GPS不能滿足探空火箭的要求。在此背景下，德國、巴西等國的科學(xué)家對(duì)已有開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行軟件和硬件的改造，軟件上主要是增加多譜勒頻移的搜索空間，硬件上主要對(duì)天線和處理器進(jìn)行改造，如德國的科學(xué)家在探空火箭上同安裝了三個(gè)天線：在頭錐上安裝一個(gè)螺旋天線，用于在上升段接收信號(hào)；在箭體的相對(duì)兩側(cè)各安裝一個(gè)平面天線，通過一個(gè)功率合成器將來自兩個(gè)平面的天線信號(hào)進(jìn)行合并后提供給接收機(jī)，用于火箭的飛行階段及下降階段，該種方案已經(jīng)得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

中國的探空火箭主要是應(yīng)用GPS進(jìn)行跟蹤定位，如子午工程應(yīng)用的“天鷹”三號(hào)探空火箭，GPS主要用于鯤鵬一號(hào)探空儀位置的測(cè)量[ ]。為了降低的成本，提高發(fā)射效率，在海燕A型氣象探空儀的發(fā)射過程中，省去了雷達(dá)跟蹤裝置，首次利用GPS技術(shù)進(jìn)行高空風(fēng)場(chǎng)測(cè)量[ ]，該方案利用GPS對(duì)探空儀進(jìn)行位置測(cè)量，通過遙測(cè)裝置把位置信息和大氣溫度、濕度、密度等信息實(shí)時(shí)傳送給地面接收站。

3 探空火箭的需求及基于北斗的解決方案

隨著中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)并投入運(yùn)行，基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的探空火箭跟蹤定位也進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)。與GPS相比，北斗接收機(jī)不僅能夠得到探空火箭的軌跡信息，還能利用北斗的短報(bào)文功能進(jìn)行探測(cè)載荷和地面間的通信。為了降低探空火箭的發(fā)射成本，提高發(fā)射的便利性，結(jié)合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了如下圖的基于北斗的應(yīng)用方案，該方案的主要特點(diǎn)有：

圖2北斗在探火箭中的應(yīng)用方案

（1） 利用北斗的高精度定位功能對(duì)火箭的軌跡進(jìn)行測(cè)量，并記錄每一位置的精度時(shí)刻。傳統(tǒng)基于雷達(dá)的測(cè)量方法一般需要兩個(gè)以上的地面站，造價(jià)昂貴，體積龐大，需要付出很大的人力和物力。利用北斗進(jìn)行定位能夠得到與雷達(dá)相近甚至更高的定位精度，適合探空火箭商用化的發(fā)展趨勢(shì)。

（2） 利用短報(bào)文進(jìn)行載荷和地面間的通信，省去地面遙測(cè)站的支持。傳統(tǒng)的探空火箭利用分布在不同位置的遙測(cè)裝置保持與探空火箭的實(shí)時(shí)通信，這對(duì)于實(shí)時(shí)性要求并不迫切的科學(xué)實(shí)驗(yàn)來說，只要能夠得完整的數(shù)據(jù)就能達(dá)到要求，該方案把測(cè)量得到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)設(shè)備上，利用北斗的短報(bào)文功能把火箭的落點(diǎn)信息傳送給用戶，再對(duì)火箭進(jìn)行回收和分析。

（3） 該方案采用三天線方案，在上升階段用頭部的螺旋天線，下降階段切換到箭體兩側(cè)相對(duì)分布的兩個(gè)天線，以此增加可見衛(wèi)星的數(shù)量，提高定位的連續(xù)性和精度。

（4） 該方案具有全球全天候工作的特點(diǎn)，去除了傳統(tǒng)方案對(duì)復(fù)雜地面設(shè)備的嚴(yán)格要求。

4 結(jié)語

探空火箭是一種重要的科學(xué)實(shí)驗(yàn)手段，隨著“子午工程”等一些重大科學(xué)工程的進(jìn)行，對(duì)探空火箭的需求也越來越多。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，開展北斗在探空火箭上的應(yīng)用研究不僅能夠大大降低探空火箭發(fā)射的成本，還為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)開拓了更多的應(yīng)用空間。

參考文獻(xiàn)：
[[1]] 姜秀杰，劉波，于世強(qiáng)，石惠. 探空火箭的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用趨勢(shì)[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2009,27(23): 101-110.
[[1]] Jiang Xiujie, Sun Huixian, Chen Xiaomin,et al. Electric control system for microgravity fluid experiment on SZ-4 spaceship[J]. ActaAstronautica, 2006,58:38-43.
[[1]] 李大耀，李林藩. 20世紀(jì)的中國火箭探空[J]. 中國航天. 2001,4:16-18.
[[1]] M. Garc?´a-Ferna´ndez, M. Markgraf, O. Montenbruck.Spin rate estimation of sounding rockets using GPS wind-up. GPS Solut(2008) 12:155-161.
[[1]] M. Markgraf, O. Montenbruck, S. Leung.A flexible GPS tracking system for sub-orbital and space vehicles[C].9th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, Saint Petersburg, 27-29 May, 2002.
[[1]] Francisco Mota, Glauberto Albuquerque, TúllioRapôso.A GPS receiver for use in sounding rockets[C]. 20th ESA Symposium on European Rocket and Balloon Programmes and Related Research.Hyère, France, 22–26 May 2011.
[[1]] 劉成，姜秀杰. 空間環(huán)境之火箭探測(cè). 現(xiàn)代物理知識(shí). 2012, 143(5):25-28.
[[1]] 史東波，韋峰，張宇，王連忠等. 子午工程氣象火箭探空儀及其探測(cè)結(jié)果. 空間科學(xué)學(xué)報(bào). 2011, 31(4):492-497.

作者簡(jiǎn)介：
吳春俊，男，1986年生，碩士研究生，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心助理工程師，主要從事探空火箭相關(guān)技術(shù)研究工作，郵箱：chunjunwu@gmail.com.