摘要：探空火箭廣泛應(yīng)用于中高層大氣立體剖面探測、微重力等科學(xué)實驗，是臨近空間實地探測的唯一工具。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行探測和科學(xué)試驗的火箭，利用火箭進行近地空間環(huán)境探測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地探測工具。

探空火箭通常為無控火箭，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、研制周期短、發(fā)射靈活等特點，其用途大致可以分為三大類：一是空間探測研究，如高層大氣結(jié)構(gòu)和動態(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，尤其是適用于臨時觀察短時間出現(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)實驗，包括運載火箭的制導(dǎo)控制、連接分離，結(jié)構(gòu)材料、動力裝置、再入系統(tǒng)等航天飛行器的儀器設(shè)備性能飛行實驗；三是微重力科學(xué)實驗，在衛(wèi)星上進行的微重力科學(xué)試驗造價昂貴，而氣球、落塔的微重力水平低，微重力時間短，氣球的微重力時間僅為30s[ ]，100m的落塔的微重力時間僅為3.5s，探空火箭能提供幾到十幾分鐘的微重力有效時間，比衛(wèi)星成本低、比氣球和落塔的微重力時間長，是一種比較理想的微重力試驗平臺。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)我國獨立建設(shè)的具有自主知識產(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，進行衛(wèi)星和氣球所不能及的空間環(huán)境探測，為空間探測和空間技術(shù)提供了一種特殊的實驗手段。與衛(wèi)星這樣的造價昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、風險高的實驗平臺不同，探空火箭的低成本，高可靠性等特點使其得到了普遍應(yīng)用。數(shù)據(jù)顯示，NASA在1959年到1976年的8年時間里，利用國內(nèi)的24個國外的13個發(fā)射場共發(fā)射探空火箭1912枚，20世紀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行獨具特色的研究，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行微重力科學(xué)實驗研究。

中國的探空火箭起步于1958年，在早期的幾種型的研究、試驗性探空的基礎(chǔ)上，第一枚實用探空火箭在1960年9月首次升空[ ]。在上世紀先后研制了19種不同的探空火箭，包括氣象火箭、取樣火箭及研究、試驗火箭共計約260枚，飛行高度最大達312公里。由于各種原因，中國的探空火箭在20世紀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公司四院研制的“天鷹”3號和“天鷹”4號火箭。

圖1“天鷹”3號整裝待發(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進行跟蹤定位，這種定位方式具有體積龐大、地面設(shè)備昂貴的特點。隨著1994年世界上第一枚搭載GPS設(shè)備的探空火箭升空實驗后，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過程中，GPS能為探空火箭提供諸多有用信息。在整個飛行過程中，GPS能夠?qū)崟r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間信息，該信息不僅能夠為箭上的其它設(shè)備提供時間基準，進行時鐘同步，還能為相關(guān)科學(xué)實驗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)記錄時間，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GPS載波周跳的探測，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用的數(shù)據(jù)，但探空火箭高動態(tài)、強震動、強宇宙輻射的特性對GPS也提出了嚴格的要求。令人遺憾的是，根據(jù)美國國防部的規(guī)定，市場能流通的GPS接收機必須對使用的高度和速度進行限制[ ]，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)家對已有開發(fā)平臺進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，硬件上主要對天線和處理器進行改造，如德國的科學(xué)家在探空火箭上同安裝了三個天線：在頭錐上安裝一個螺旋天線，用于在上升段接收信號；在箭體的相對兩側(cè)各安裝一個平面天線，通過一個功率合成器將來自兩個平面的天線信號進行合并后提供給接收機，用于火箭的飛行階段及下降階段，該種方案已經(jīng)得到了實驗驗證。

中國的探空火箭主要是應(yīng)用GPS進行跟蹤定位，如子午工程應(yīng)用的“天鷹”三號探空火箭，GPS主要用于鯤鵬一號探空儀位置的測量[ ]。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，省去了雷達跟蹤裝置，首次利用GPS技術(shù)進行高空風場測量[ ]，該方案利用GPS對探空儀進行位置測量，通過遙測裝置把位置信息和大氣溫度、濕度、密度等信息實時傳送給地面接收站。

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行了初步的實驗。與GPS相比，北斗接收機不僅能夠得到探空火箭的軌跡信息，還能利用北斗的短報文功能進行探測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，設(shè)計了如下圖的基于北斗的應(yīng)用方案，該方案的主要特點有：

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火箭的軌跡進行測量，并記錄每一位置的精度時刻。傳統(tǒng)基于雷達的測量方法一般需要兩個以上的地面站，造價昂貴，體積龐大，需要付出很大的人力和物力。利用北斗進行定位能夠得到與雷達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。

（2） 利用短報文進行載荷和地面間的通信，省去地面遙測站的支持。傳統(tǒng)的探空火箭利用分布在不同位置的遙測裝置保持與探空火箭的實時通信，這對于實時性要求并不迫切的科學(xué)實驗來說，只要能夠得完整的數(shù)據(jù)就能達到要求，該方案把測量得到的數(shù)據(jù)存儲在存儲設(shè)備上，利用北斗的短報文功能把火箭的落點信息傳送給用戶，再對火箭進行回收和分析。

（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)相對分布的兩個天線，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，去除了傳統(tǒng)方案對復(fù)雜地面設(shè)備的嚴格要求。

4 結(jié)語

探空火箭是一種重要的科學(xué)實驗手段，隨著“子午工程”等一些重大科學(xué)工程的進行，對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。

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作者簡介：
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.