摘要：探空火箭广泛应用于中高层大气立体剖面探测、微重力等科学实验，是临近空间实地探测的唯一工具。本文介绍了探空火箭发展的概况及国内外卫星导航系统在探空火箭上的应用现状，指出了北斗卫星导航系统的优势并提出了相关的应用方案。

关键词：探空火箭；北斗定位系统；跟踪定位；应用

0 引言

探空火箭即用于探空的火箭，是一种在近地空间进行探测和科学试验的火箭，利用火箭进行近地空间环境探测和近地空间资源利用的技术即是探空技术[ ]。探空火箭飞行高度是40–300km，介于探空气球与卫星之间，是临近空间唯一的实地探测工具。

探空火箭通常为无控火箭，具有结构简单、成本低、研制周期短、发射灵活等特点，其用途大致可以分为三大类：一是空间探测研究，如高层大气结构和动态特性的研究，气象学、地球物理学、天体物理学、高能物理学、空间生物学等许多领域，尤其是适用于临时观察短时间出现的如极光、日食、太阳爆发等某些特殊自然现象；二是空间技术实验，包括运载火箭的制导控制、连接分离，结构材料、动力装置、再入系统等航天飞行器的仪器设备性能飞行实验；三是微重力科学实验，在卫星上进行的微重力科学试验造价昂贵，而气球、落塔的微重力水平低，微重力时间短，气球的微重力时间仅为30s[ ]，100m的落塔的微重力时间仅为3.5s，探空火箭能提供几到十几分钟的微重力有效时间，比卫星成本低、比气球和落塔的微重力时间长，是一种比较理想的微重力试验平台。

北斗卫星导航系统我国独立建设的具有自主知识产权的卫星导航系统，目前已发射导航卫星16颗，2012年12月27日正式向亚太地区提供服务。本文介绍了探空火箭的发展现状，分析了国内外卫星导航系统在探空火箭中的应用，阐述了北斗卫星导航系统在探空火箭应用中的优势并提出了相关应用方案。

1 探空火箭的发展现状

自从上世纪50年代第一枚探空火箭发射升空以来，火箭探空在美国、苏联、欧洲、日本、印度、巴西等世界各地普遍得到了重视，研制了各种不同的探空火箭系列，进行卫星和气球所不能及的空间环境探测，为空间探测和空间技术提供了一种特殊的实验手段。与卫星这样的造价昂贵、结构复杂、风险高的实验平台不同，探空火箭的低成本，高可靠性等特点使其得到了普遍应用。数据显示，NASA在1959年到1976年的8年时间里，利用国内的24个国外的13个发射场共发射探空火箭1912枚，20世纪70年代每年发射70到80枚。近年来美国发射的探空火箭数量仍然居世界之首，每年发射40-60枚。欧洲和日本则是利用探空火箭时行独具特色的研究，每年发射数枚。日本主要利用探空火箭进行赤道区高层大气、电离层和天文学的研究，欧洲则主要利用探空火箭进行微重力科学实验研究。

中国的探空火箭起步于1958年，在早期的几种型的研究、试验性探空的基础上，第一枚实用探空火箭在1960年9月首次升空[ ]。在上世纪先后研制了19种不同的探空火箭，包括气象火箭、取样火箭及研究、试验火箭共计约260枚，飞行高度最大达312公里。由于各种原因，中国的探空火箭在20世纪80年代滑向低谷，90年代只有4枚探空火箭发射。2008年开始的国家大科学工程“子午工程”，主要用于监测和了解中国上空空间环境的区域特征和空间环境的全球变化规律，为火箭探空事业提供有利支撑，是重振火箭探空事业重要的一步，火箭主要采用中国航天科技集团公司四院研制的“天鹰”3号和“天鹰”4号火箭。

图1“天鹰”3号整装待发

2 国内外卫星导航系统在探空火箭中应用现状及前景

探空火箭通常采用雷达进行跟踪定位，这种定位方式具有体积庞大、地面设备昂贵的特点。随着1994年世界上第一枚搭载GPS设备的探空火箭升空实验后，GPS在探空火箭上的应用得到了普遍的应用和研究。在探空火箭飞行的整个过程中，GPS能为探空火箭提供诸多有用信息。在整个飞行过程中，GPS能够实时提供探空火箭及有效载荷的位置及速度信息，经过事后处理，可以获得高精度的轨道信息；GPS还能为探空火箭提供精确的时间信息，该信息不仅能够为箭上的其它设备提供时间基准，进行时钟同步，还能为相关科学实验的关键环节记录时间，用于后续的分析；除此之外，还有许多基于GPS的其它应用，如美国的科学家利用对GPS载波周跳的探测，反演探空火箭的自旋，并取得了一定的成果[ ]。

虽然GPS应用于探空火箭能提供很多实用的数据，但探空火箭高动态、强震动、强宇宙辐射的特性对GPS也提出了严格的要求。令人遗憾的是，根据美国国防部的规定，市场能流通的GPS接收机必须对使用的高度和速度进行限制[ ]，这些限制是：高度小于60,000 feet（约18000m），速度小于515m/s，加速度小于4g及加加速度小于20m/s3[ ]，显然在这些限制条件下，市场上的GPS不能满足探空火箭的要求。在此背景下，德国、巴西等国的科学家对已有开发平台进行软件和硬件的改造，软件上主要是增加多谱勒频移的搜索空间，硬件上主要对天线和处理器进行改造，如德国的科学家在探空火箭上同安装了三个天线：在头锥上安装一个螺旋天线，用于在上升段接收信号；在箭体的相对两侧各安装一个平面天线，通过一个功率合成器将来自两个平面的天线信号进行合并后提供给接收机，用于火箭的飞行阶段及下降阶段，该种方案已经得到了实验验证。

中国的探空火箭主要是应用GPS进行跟踪定位，如子午工程应用的“天鹰”三号探空火箭，GPS主要用于鲲鹏一号探空仪位置的测量[ ]。为了降低的成本，提高发射效率，在海燕A型气象探空仪的发射过程中，省去了雷达跟踪装置，首次利用GPS技术进行高空风场测量[ ]，该方案利用GPS对探空仪进行位置测量，通过遥测装置把位置信息和大气温度、湿度、密度等信息实时传送给地面接收站。

3 探空火箭的需求及基于北斗的解决方案

随着中国北斗卫星导航系统的建设并投入运行，基于北斗卫星导航系统的探空火箭跟踪定位也进行了初步的实验。与GPS相比，北斗接收机不仅能够得到探空火箭的轨迹信息，还能利用北斗的短报文功能进行探测载荷和地面间的通信。为了降低探空火箭的发射成本，提高发射的便利性，结合北斗卫星导航系统的特点，设计了如下图的基于北斗的应用方案，该方案的主要特点有：

图2北斗在探火箭中的应用方案

（1） 利用北斗的高精度定位功能对火箭的轨迹进行测量，并记录每一位置的精度时刻。传统基于雷达的测量方法一般需要两个以上的地面站，造价昂贵，体积庞大，需要付出很大的人力和物力。利用北斗进行定位能够得到与雷达相近甚至更高的定位精度，适合探空火箭商用化的发展趋势。

（2） 利用短报文进行载荷和地面间的通信，省去地面遥测站的支持。传统的探空火箭利用分布在不同位置的遥测装置保持与探空火箭的实时通信，这对于实时性要求并不迫切的科学实验来说，只要能够得完整的数据就能达到要求，该方案把测量得到的数据存储在存储设备上，利用北斗的短报文功能把火箭的落点信息传送给用户，再对火箭进行回收和分析。

（3） 该方案采用三天线方案，在上升阶段用头部的螺旋天线，下降阶段切换到箭体两侧相对分布的两个天线，以此增加可见卫星的数量，提高定位的连续性和精度。

（4） 该方案具有全球全天候工作的特点，去除了传统方案对复杂地面设备的严格要求。

4 结语

探空火箭是一种重要的科学实验手段，随着“子午工程”等一些重大科学工程的进行，对探空火箭的需求也越来越多。北斗卫星导航系统是中国具有自主知识产权的卫星导航系统，开展北斗在探空火箭上的应用研究不仅能够大大降低探空火箭发射的成本，还为北斗卫星导航系统开拓了更多的应用空间。

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作者简介：
吴春俊，男，1986年生，硕士研究生，中国科学院国家空间科学中心助理工程师，主要从事探空火箭相关技术研究工作，邮箱：chunjunwu@gmail.com.