卫星起死回生 西安卫星测控中心创奇迹

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前不久,他们临危受命,鏖战100多天,把我国两颗出现严重故障的失控卫星抢救成功,创造了中国航天测控史上的伟大奇迹。


他们,就是1967年6月23日从秦岭脚下开始征战、如今矗立在世界航天测控领域前列的中国西安卫星测控中心。


40年来,他们自主创新,精测妙控,将一次次成功镌刻在浩瀚的太空。


让太空失控卫星起死回生


创新是航天测控的灵魂。


从卫星飞向太空到返回地面,从距地球36000公里的赤道上空实现卫星同步定点到确保载人飞船安全回收,从独创的多星管理到成功抢救失控卫星,每一次跨越的背后,都写着两个绚丽的大字:创新。


去年10月的一个夜晚,我国一颗在轨运行卫星突然发生严重故障,卫星姿态失控,在太空翻滚,并与地面基本失去联系。


中心立即组织30余位专家展开抢救。面对太空中翻滚的卫星,第一步要确定其姿态,这在正常情况下并不难。然而,由于卫星发生故障,过去的方案和技术手段已不能使用。他们另辟蹊径,提出一种全新定姿办法,在极其困难的条件下,利用断断续续获得的零星数据,确定了失控卫星的姿态。


接着要掌握卫星姿态的变化规律,找出最佳抢救时机。卫星姿态变化受空间磁场、高空大气、重力梯度等诸多因素影响,在国际航天领域,这是个令许多专家犯怵的技术难题。对中国航天测控人来说,也是重大新课题。


在那些紧张的日子里,专家们创造性地提出了一种可以利用数据进行不断修正的姿态预测方案。经反复仿真模拟、技术验证,终于准确预测出12月上旬是最佳抢救时机,错过这个战机,卫星就可能永久地失控,成为太空垃圾。


然而,这个千辛万苦获得的最佳抢救时机,每次可供利用的控制窗口只有10秒。按传统方式实施抢救,发送指令和数据的时间至少需要30秒。新困难又摆在面前。


又是几个不眠之夜。最终,他们通过调整指令结构、创新判别方式、改进程序设计等途径,把遥控发令时间缩短到8秒以内。随着一条条指令的发送、一块块数据的注入,失控69天的卫星,在中国航天测控人的手中终于起死回生,恢复正常运行。


祸不单行。就在这颗卫星抢救成功后不久,又有一颗在轨运行的卫星,因为出现故障与地面失去联系。他们征尘未洗,又投入了新的战斗,先后解决了卫星姿态预报、窄波束天线条件下的测控实施、小推力轨道机动等三大技术难题,最终使卫星成功定点。


西安卫星测控中心的专家说:“在卫星抢救过程中,遇到的这些技术难题和最后采用的抢救方案,都是教科书上没有的。”中心主任董德义深有感触地说:“这两颗卫星的抢救难度非常大,如果在10年前,即使想到了现在的抢救思路,当时也不具备把思路变成现实的技术条件。”


中国航天测控事业经过几代航天测控人的不懈努力,到上世纪末期,中心已具备对运行在近地轨道、太阳同步轨道、地球同步轨道等多类航天器的测控能力,为中国航天测控技术的进一步发展奠定了坚实基础。


近10年来,他们在国内首创设计了以航天器控制语言为核心的中心遥控模式,将指令发送间隔由1秒缩短到0.3秒,实现了卫星控制由测站遥控指令链模式到中心遥控作业工作模式的跨越,满足了对航天器高效、规范、灵活、准确的上行控制要求,提高了我国测控网的多星测控能力,为实施卫星抢救提供了技术基础。


他们自主创新提出了测控资源最优分配策略与算法,建成了我国第一个测控网多任务管理中心,实现了测控资源的统一分配和测控设备的远程监控,测控设备切换时间从40分钟缩短到8分钟,测控网使用效率提高1倍以上。在卫星抢救过程中,他们及时调度参试设备,增加了测控覆盖率,保证了每天8至12圈次的测控弧段,为抢救工作提供了有力的技术支持平台。


他们利用新的研究成果,对中心的体系结构进行了调整、扩充及改造,新研制了6大类数百万行测控软件,具备同时支持3个发射场发射的卫星早期测控任务的能力,满足40颗以上在轨卫星的长期管理需求,航天测控技术步入世界先进水平。


他们独立研发的精密定轨系统,融合了国际先进的大气密度模型,能综合应用各类测量数据,将定轨精度提高到米级。建立了近地轨道周期变率预测模型,成功应用于返回卫星的回收控制。


他们自主创新的超同步转移轨道卫星四次变轨技术、同步卫星双星共位技术和高精度位置保持技术,有效节省了卫星燃料、延长了卫星寿命,使轨道控制精度由数百米提高到几十米,实现了我国同步卫星测量与控制技术的跨越式发展。


他们改进了用于确定自旋卫星姿态的算法,将转移轨道段姿态确定的时间由1小时缩短到30分钟,将同步轨道段定姿精度提高到0.03度以内,使定姿精度达到国际先进水平,提高了气象卫星和探测卫星的应用效能。


这一系列航天测控核心技术的突破,满足了我国航天事业不断发展的需要。


看不见的丰碑在这里树起


航天测控是航天工程的重要组成部分。它通过测控网,对航天器进行跟踪、测量和控制;是反映一个国家综合科技实力的重要标志之一。


我国的航天测控,由于受到诸多条件限制,测控网覆盖率还不到发达国家的五分之一。在我们起步时,他们已远远走在了前面。不在同一起跑线上还想超越,那是何等地艰难!


最初的卫星测控中心,是伴随我国第一颗人造地球卫星发射而组建起来的。当时大多数科技人员对航天测控知识知之甚少。轨道计算、软件设计都要从头学起。就在这种条件下,他们勇于拼搏,刻苦攻关,经过一年多努力奋斗,终于编制成“东方红一号”卫星轨道计算、轨道预报、数据处理等一整套测控方案。1970年4月24日,我国第一颗卫星成功发射后,他们准确预报了卫星飞临世界244个城市上空的时间和方位。


1975年,我国发射返回式卫星。送卫星上天不易,让卫星返回更难。当时,只有前苏联和美国掌握了卫星回收技术,而且是经过多次失败后才取得成功的。我国能否首战告捷,航天测控十分关键。这时,一个意外的难题出现了。由于运载火箭推力等因素的限制,我国第一颗返回式卫星的轨道倾角设定在63度。而传统的卫星轨道计算公式存在一个63.4度的“临界倾角”奇点问题:即卫星轨道面与赤道面的夹角处于63.4度时,运算公式中的分母就是“0”,导致无法计算。


63和63.4,太接近了!卫星发射一旦出现入轨偏差,接近“临界倾角”,卫星的运行轨道就无法计算,或计算时出现很大误差,卫星就不能准确回收。怎么办?中心轨道室科技人员经过反复讨论研究,认为既然卫星的轨道倾角无法改变,那就改变计算方法。于是,他们夜以继日,反复推导、分析、计算,终于在卫星发射前,找到新的轨道计算方案,避开了“临界倾角”这个难题。


1984年,我国发射第一颗地球同步轨道通信卫星。测控这种卫星的技术十分复杂,而且需要高性能计算机。美国等发达国家测控这种卫星时,用的是运算速度每秒百万次以上的高性能计算机。而西安卫星测控中心那时只有4台晶体管计算机,加在一起运算速度也只有几十万次/秒,总内存量不如一台286微机。严格说,这种设备不具备执行任务能力。但他们用软件弥补硬件的不足,即用科学的测控计划、灵巧的总联程序、精细的软件设计,来弥补计算机处理速度不够和内存不足的缺陷。经过反复试验,他们通过4台计算机并联,应用新的测控方案和测控软件,确保了测控任务的圆满完成。不久,国外航天专家到中心参观,看到这4台落后的计算机,怎么也不相信,用这样的设备能实现对通信卫星的测控,认为中心把先进的计算机藏起来了。许多年后,人们还忘不了这件事,称赞这4台计算机为“功勋计算机”。


1992年,载人航天工程启动。西安卫星测控中心承担和完成了六次神舟飞船的测控回收任务。


最令人难忘的是神舟五号飞船的回收。2003年10月16日,返回中的飞船进入“黑障区”。这时,飞船与大气层剧烈磨擦产生电磁屏蔽,与地面通信暂时中断。飞船出“黑障区”时,回波信号剧烈起伏,前置雷达站跟踪目标不稳,若此时不能及时捕获目标,就无法得到引导数据,从而影响各种控制指令的发送。关键时刻,中心果断实施“光学引导”,使雷达及时锁定了目标,并测下了飞船每个瞬间的方位、姿态和速度。返回舱打开降落伞,空中搜救分队与飞船返回舱几乎同时着陆,迎接航天英雄杨利伟胜利归来,中华民族千年飞天梦想圆满实现。


临战前改变方案是兵家大忌。神舟六号飞船返回前夕,为确保返回安全,指挥部决定将着陆地点东移9公里。这意味着用两个多月完成的回收搜救方案要重做,而当时离回收只有短短几天了。他们制定新方案,突击演练,终于在规定时间,建立了新的搜救状态。神舟六号返回虽在夜间,中心首次用新的光学记录设备,在飞船未出“黑障区”时就准确捕获目标,并对飞船返回进行了实时拍摄,搜救人员仅用12分钟就赶到落点现场,向世界展示了我国高超的航天器返回控制能力。


中心目前已具备同时执行2颗卫星实时测控和1颗卫星任务准备的能力;可同期管理40颗以上在轨卫星的能力。


该中心40年拼搏奋斗,实现了航天测控“飞向太空、返回地面、同步定点、飞船回收、多星管理”五大跨越,圆满完成了6次“神舟”飞船、100余颗卫星的发射测控、回收和在轨管理任务,为我国航天事业树起一座座不朽的丰碑。


谁是中国“牧星人”


“科研出成果,任务打胜仗,人才是基础”。中心党委书记张胜勤对此深有体会。他说:“40年来,西安卫星测控中心能创造出如此众多的航天测控奇迹,一个重要原因,就是因为拥有一支高素质的航天测控领军人才。”


中心组建初期,一群肩负国家使命的热血才俊,开始在浩瀚的太空描绘一幅幅蓝图。


中科院院士、原中心总工程师李济生是这个群体中的突出代表。他主要从事卫星轨道的精密定轨工作。我国第一颗卫星发射成功后,大家都在欢庆,他却望着神秘的苍穹在想,这颗卫星的轨道精度是多少?原来,限于当时的技术和设备水平,只要求他们计算出卫星运行轨道,对精度没提出要求。而精确测定卫星轨道是卫星测控的基础。测定轨道的精度越高,对卫星进行控制的质量就越高。李济生立志,一定要建立高精度的卫星轨道确定系统。从那一刻起,他开始了30多年的不懈求索,测定的轨道精度,从几公里级———千米级———百米级———十米级———米级,永不满足。


巫致中的工作是用科学的语言编制一套“信息流程”,将卫星和地面联成一条测控回路,使地面的指令能发到卫星上,卫星上的信息能传到地面,实现人对卫星的精确测量和及时控制。他从第一颗卫星到第一颗返回式卫星、第一颗地 球同步轨道卫星,编制了一个又一个的“信息流程”,每一次都是艰难地突破和创新的跨越。1987年夏,他作为航天测控系统的代表,被邀请到北戴河并受到***同志亲切接见。


担任过全国政协委员的祁思禹,是中心技术部的高级工程师。1967年,他接受了返回式卫星测控和回收方案的编程任务。1975年11月26日,第一颗返回式卫星顺利升空,按计划3天后回收,可卫星在飞行中突然出现异常,有人建议提前回收。现场指挥钱学森说:“把祁思禹叫来。”钱学森问他:“有人主张今天就回收,北京在等待答复。”祁思禹胸有成竹地回答:“依我们的计算结果,可以按计划回收。”钱学森一锤定音:“向北京报告,第三天回收。”卫星按计划回收,取得圆满成功。庆功会上,钱学森把一杯红葡萄酒端给祁思禹说:“祝贺你,人民的功臣!”


近年中心党委又实施人才战略工程,培养和造就新一代领军人才,形成了研究型、工程型、操作型三级人才梯队,实现了高层次科技人才的新老更替,拥有了新一代青年人才方阵。


中心技术部副总工程师余培军,已参加了30多次卫星和飞船测控任务,取得了10多项高等级科研成果。其中7项填补国内空白,6项属于关键技术。在今年2月一颗卫星抢救过程中,余培军准确判断出卫星发生故障时的运行姿态,并针对可能出现的数十种状态制定了不同预案,为抢救成功奠定了基础。大年初三凌晨,突然出现的卫星信号被成功捕捉,中心立即发送指令,调整星上太阳能帆板,五天后,卫星恢复正常供电。抢救工作按预案进行,在预定第一次变轨的前一天,余培军和专家们发现,头天为变轨进行准备的天线展开影响了卫星的结构,如不立即采取措施,卫星可能再次失控,他果断提出,提前一天对卫星实施变轨。所剩时间已经不多。抢救指挥部立即召开紧急会议,一致同意采纳余培军的建议。半个小时后,指令发送到了卫星上,变轨成功,卫星得救了。


软件室高级工程师李恒年今年刚过40,在执行神舟五号载人飞行任务前,他对神舟一号到四号的实际测量数据,进行了复杂的分析建模,创造性地提出了返回舱气象风修正落点预报方法,经近百次仿真测算,成功地将飞船返回舱的预报落点,由10公里的精度提高到1公里以内。在抢救某颗失控卫星时,不少人认为已经没救了,而他和同事们却从测控数据中出现的一个小细节,看到一丝曙光,果断提出了抢救方案并取得成功。


39岁的轨道室副主任、研究员王家松,从2000年至今,默默研制和开发具有超前性的高精度轨道软件计算系统。其间,他曾去国外读博。在欧洲空间操作中心组织的“环境卫星”轨道竞赛中,他研发的定轨软件径向精度达到2—3厘米,一举夺冠。国际宇航界许多资深科学家由衷赞叹:“中国人真不简单!”而他结合国家“嫦娥工程”研发的具有自主知识产权的“环月轨道段精密定轨软件”,定轨误差达到世界先进水平。


这只是中国“牧星人”的缩影,这支英雄群体创造了我国航天测控事业的一个个辉煌。(科技日报/周伟孙海霞于莘明)



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