中国航天器定轨精度国际领先 达到厘米级!

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导读: 新华网消息:这是祖国航天测控的发祥地,她四十余载披荆斩棘,一路凯歌;这是编织天网放牧群星的开拓者,她肩负国家使命而勇攀高峰,瞄准世界一流而奔腾向前;这是追星牧舟飞天揽月的主力军,她以驰骋天宇的自信和勇创一流的豪情,铺就了一条条纵横苍穹的“中国轨道”,奏响了一曲曲决胜太空的巡天凯歌。 航天器是如何进入了预定轨道?仪器仪表如何工作正常?如何使其定点成功以及如何使其在预定地区顺利着陆等等,都是个宏伟而复杂的过程,这其中既有航天器的自主控制,又有航天测控网的鼎力支持。特别是关键控制信息,都是在测控网
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新华网消息:这是祖国航天测控的发祥地,她四十余载披荆斩棘,一路凯歌;这是编织天网放牧群星的开拓者,她肩负国家使命而勇攀高峰,瞄准世界一流而奔腾向前;这是追星牧舟飞天揽月的主力军,她以驰骋天宇的自信和勇创一流的豪情,铺就了一条条纵横苍穹的“中国轨道”,奏响了一曲曲决胜太空的巡天凯歌。


航天器是如何进入了预定轨道?仪器仪表如何工作正常?如何使其定点成功以及如何使其在预定地区顺利着陆等等,都是个宏伟而复杂的过程,这其中既有航天器的自主控制,又有航天测控网的鼎力支持。特别是关键控制信息,都是在测控网获取了航天器的状态信息后,依据目标参数由航天测控网计算、生成控制信息并发送给航天器的。到目前为止,还没有一种航天器在航行的各阶段都能脱离航天测控网的支持而自主完成全部航天任务。


我国航天器上的设备和对航天器进行跟踪测轨、姿态确定、计算和发送指令的地面设备就组成了一张无形的“天网 ”,而这张“天网”就是闻名于世的中国航天测控网,西安卫星测控中心就是中国测控网的掌控中枢之一。


测控网布局日臻完善


形成了独具中国特色的航天测控网布局


航天测控网由测控中心、若干测控站、通信链路和测控软件等组成。在世界航天领域,美国俄罗斯都是在全球布网,对航天器进行全时段测控。由于国家疆域条件等诸多因素限制,我国测控网覆盖率还不到这些国家的五分之一。


测控网的功能,一般都是面向多类型、多数量航天器设计的,由配置在测控网节点中的测控通信系统和测控软件有机地结合起来实现的。针对各类航天器对测控网的需求,测控网的格局也需要不断的变化。


进入新时期,随着我国航天发射任务愈加频繁,在太空运行的“中国星”越来越多。西安测控中心面对严峻考验,不断提高测控效益,完善航天测控网格局。


峥嵘四十余载,我国航天测控网从无到有,由繁至精,从起始的单一频段发展到独具中国特色的多功能、现代化综合测控网。测控手段不断优化,计算机运算能力,由原来的每秒几万次跃升到现在的每秒数千亿次。圆满地完成了从近地轨道卫星到地球静止轨道卫星、从卫星到飞船的航天测控任务,而且具备了与国际联网共享测控资源的能力。


不同类型航天器的轨道组成是不同的。为完成对航天器的测量与控制,航天测控站的布局受到航天器各段轨道、天线宽度、测量体制等因素的制约,测控站的科学布设能够有效的解决对航天器各段轨道的覆盖问题,尤其是对发射轨道段和返回轨道段的关键点必须百分之百覆盖。


为提高测控覆盖率,西安测控中心对最初的航天测控网格局做了相应调整,在原有的固定测控站的同时,兼顾发展了活动测控站。填补了测控网在对不同型号卫星实施测控任务时的盲区,有效地提高了测控网的机动灵活性。


二十世纪末,我国载人航天工程扬帆起航。在这个国家级特大型系统工程中,西安中心担负双重任务,既要和北京指控中心一起牵引神舟遨游太空,同时还要拥抱神舟安全回“家”。测控人又一次以敢上九天揽月的壮志豪情,义无反顾地冲在了圆梦太空的最前沿,执着地追寻飞天梦的每一时刻。中心建成了集测控、通信、搜索救援回收和气象保障于一体的新型着陆场系统,确保了神舟系列飞船在各类复杂环境下回收任务的圆满完成,使我国顺利跨入世界航天科技大国行列。


测控技术五大跨越


茫茫太空树中国航天历史丰碑


打开电视机,会看到经通信卫星传送的画面和消息;看天气预报,会有气象台根据气象卫星观测到的气象资料所作的天气预报,这些日常生活必须可少的元素不胜枚举,看似简单的背后却与航天科学技术密不可分,西安卫星测控中心就是将航天科技理论变为现实的操控手。


中心刚组建时,大多科技人员对航天测控知识知之甚少,甚至不知计算机为何物。面对全新的领域和艰苦的条件,测控人在摸索中干、在实践中学,经过一年多的艰苦跋涉,成功编制出我国第一颗人造卫星——“东方红一号”的测量技术方案。1970年4月24日,东方红一号在大漠戈壁腾空而起。分布在祖国各地的七个地面观测站,对卫星实施精确跟踪测量,如同七颗闪亮的星星,拱卫着蓝天里这颗“争气星”,跨过长城泰山、掠过黄河长江,成功预报了卫星飞临世界244个城市上空的时间和方位。


送卫星上天不易,让卫星返回更难。返回是发射的逆过程,返回技术是航天技术的重要组成部分。返回卫星从运行轨道到返回地面,一般需要经过4个阶段返回舱才能够安全着陆。当时,只有前苏联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。中心科技人员面对回收软件编写中上万个步骤才能解的方程式,几个人一组,经常通宵达旦算上半个月,草稿纸装满几麻袋,终于研制出卫星回收控制计算方案,成功解决了“临界倾角”的难题。1975年11月29日,中心回收部队万里驰骋,将我国发射的第一颗返回式卫星收入“囊”中。这一壮举,使我国成为继苏、美之后第三个掌握卫星回收技术的国家,而且是唯一一个首次回收就取得成功的国家。


1984年,我国首次发射地球同步通信卫星“东方红二号”,中心广大科技人员精心测控,使卫星准确定点在36000公里的赤道上空,结束了我国长期租用国外通信卫星的历史,也使我国成为世界上第五个掌握地球同步卫星测控定点技术的国家。


20世纪80年代中叶,全国改革开放逐步深化,我国要发展载人航天技术也被纳入了国家制定的计划中。从1987年春到1991年底,航天领域的专家进行了四年多的概念研究,于1992年初正式组织了载人航天工程的技术、经济可行性论证。专家们的结论是:中国完全有能力搞载人航天工程。


1999年11月21日,在没有任何技术和经验借鉴的情况下,测控人自主摸索,精测妙控,仅靠“十八勇士”首次成功回收了神舟一号无人飞船。之后的神舟二号、神舟三号、神舟四号任务,测控人一路挥戈扬鞭,不断创新屡战屡胜。我国7次发射“神舟”号宇宙飞船,西安中心一次又一次出色完成测控和回收飞船任务,使我国顺利跨入世界航天科技大国行列。


近年来,西安中心实现了测控技术“飞向太空、返回地面、同步定点、飞船回收、多星管理”五大跨越,精密定轨、多星管理等测控关键技术已跻身世界先进行列。先后圆满完成了数百次科研试验任务,执行实时测控任务能力实现了由原来几年一次、一年几次到现在一年十几次,卫星长期管理能力由原来管理几颗星到现在几十颗星的跃升。


目前,中心承担着我国近数十颗卫星的长期管理任务,为汶川抗震救灾、北京奥运会、国庆安保提供了高质量的卫星保障服务,在国民经济和国防建设中发挥了重要的作用。在茫茫宇宙树起了中国航天的历史丰碑。测控人把一条条纵横多姿的“中国轨道”闪耀在璀璨的太空!


以科技创新为突破口


中心测控模式发生重大转变


近年来,我国航天发射任务日益密集,面对测控技术空前复杂,测控资源空前紧张的严峻挑战,中心以创新试验组织管理模式为突破口,打响提升测控能力第一仗。


创建中心透明遥控组织指挥模式。中心以往采用的以测控站为主对航天器进行测控的方式,难以适应高密度任务冲击,测控精度、运算速度和自动化水平急需提高。经过艰辛探索,建立起航天器透明遥控模式,这一新型测控模式除具有传统测控功能外,还可以直接远程监视、控制各测控站设备,并对测控数据自动进行分析运算。透明模式应用于测控实践以来,卫星姿态、轨道和转速等多项高难度控制的速度、精度得到显著提升。


开发“陆基测控网多任务管理中心”系统。面对日益紧张的测控资源和全天时运转的测控设备,统一调配资源,中心向管理要效益,在盘活现有资源上下功夫。建设基测控网多任务管理中心,所有测控资源统一由网管中心科学管理调配,依靠系统自动生成的资源最优分配策略,充分发挥测控网最大使用效益。同时,优化设备任务状态切换程序,使单套测控设备切换时间大幅缩短。


嫦娥工程任务实施前夕,西安中心自主研发的《奔月航天器精密轨道计算技术系统》,受到国内权威专家一致好评,称赞该系统实现了我国航天器轨道确定技术由“地球轨道”到“月球轨道”的跨越。


精密轨道是对航天器实施有效控制的基础,中心瞄准精密轨道确定这一前沿领域奋力开拓。按照紧跟前沿、着眼长远、立足当前的创新思路,先后攻克航天器轨道确定、轨道控制、轨道维持等关键核心技术,轨道确定和控制精度达到了国际先进水平,实现了定轨精度从最初的公里级、米级到厘米级的跨越。


返回式航天器落点预报精度,是航天领域又一关键技术。在”神舟”号系列飞船前4次飞行任务中,地面对返回舱落点预报精度大约为数公里量级,这相对于返回舱一万多公里航程来说,误差是可以接受的。但中心的科技人员并没有满足。通过近百次的仿真分析,并结合分析前飞行任务测量数据,使返回方案的分析预报精度在后续任务中达到最佳。乘势而上,精益求精,最终在神舟七号任务中创造了近百米的精密落点预报佳绩。


卫星运行太空并不是一帆风顺,常常会充满风险,排除故障卫星更是惊心动魄。中心科技人员曾连续奋战、集智攻关,历时数昼夜精心排障,使两颗濒临绝境的卫星恢复“健康”,为国家挽回数十亿元经济损失,创造了在轨航天器诊断维修奇迹。


为保证每一颗太空“中国星”的安危,中心在提升应急测控能力方面不遗余力。整理下发《试验质量问题警示录》和《测控装备常见故障汇编》,制定《卫星应急处置预案》、《在轨航天器应急处置工作规范》。改变卫星长管模式,减少指挥层次,利用任务间隙,进行系统联试、信息联调、应急处置模拟演练和专业化训练考核,对软硬件状态设置、信息传输通道、各种方案预案进行反复验证和推演论证,确保了异常情况下处置的及时性和有效性。中心在轨航天器异常处置能力不断拓展,先后圆满完成了载人航天飞行空间安全预警、俄美卫星相撞碎片监视跟踪等航天应急保障任务。


近年来,我国在轨卫星逐渐从试验型走向应用型,卫星数量日益增多。为提高卫星管理和应急测控信息化水平,基地研发出卫星遥测参数自动监视预警系统、卫星异常处置综合数据库、应急处理决策专家系统和多星管理自动化系统,实现了卫星长期管理由初期“单星经验型”到现在“多星智能型”转变,大大推进我国航天测控向智能化水平迈进。


人才济济贵如金


测控群星共筑共和国航天路


在40多年的建设和发展中,西安卫星测控中心的科技人才队伍和试验技术建设取得了长足发展,构建了科研与试验相结合的科技创新机制,形成了老、中、青三代科技骨干相结合的技术干部队伍。这支队伍及其拥有的技术水平,为实现我国航天事业的未来发展奠定了坚实的技术和人才基础。


黄金累千,不如一贤。组建40多年来,西安卫星测控中心涌现出一大批先进集体和典型人物,中心科技部副部长余培军就是杰出代表,他多次参加并完成了卫星、飞船测控任务,获国家科技进步特等奖1项、部委级科技进步一等奖2项、二等奖8项、三等奖2项。1995年入选国家百千万人才工程第一、二层次,先后荣立一等功二次、二等功二次, 2000年获国家政府特别津贴, 2004年获中国科协“求是”杰出青年实用工程奖, 2008年当选为第十一届全国人大代表,并成为国务院直接连线专家。


他带领课题组建立了以航天器控制语言为核心的中心遥控模式,使我国航天器遥控技术达到了世界先进水平;攻克了测控资源自动分配算法,建成了国内第一个测控网多任务管理中心,实现了测控设备的统一分配、科学利用和远程监控;创新同步卫星高精度测控管理技术,有效节省了卫星燃料,延长了卫星寿命,为我国航天测控事业的信息化发展做出了杰出贡献。


一花独放不是春,百花齐放春满园。2001年,轨道室副主任王家松远赴大洋彼岸攻读博士。在国外求学时,王家松受命主持研发“并行高精度轨道计算系统”。当时课程十分紧张,而高精度轨道软件开发又属于核心机密,学术刊物上也是只字片语。凭着对祖国的无限忠诚,对本职工作的无比热爱,王家松刻苦钻研,顽强拼搏,以聪明才智,先后查阅各种资料3000余种,记录笔记100余万字,最终攻克这一技术难题,独立研制出一套高精度卫星轨道定轨软件。在2003年欧洲空间局组织的卫星轨道计算竞赛中,他还利用自己研制的定轨软件计算出了卫星轨道精度达2—3厘米的世界记录,远远超过了欧洲空间中心和德、法、美等国多家知名轨道计算中心,名列各国之首。在欧洲空间操作中心组织的“环境卫星”轨道竞赛中,他研发的定轨软件一举夺冠,在国际宇航界引起轰动。


博士学业完成后,他放弃国外许诺的优厚待遇回到祖国。他带领“嫦娥一号”轨道计算工程小组展开攻关,相继破解航天测控网和天文测轨网联合定轨等五大技术难题,在国内率先研制出了具有自主知识产权的“环月轨道段精密定轨软件”。他研发的“奔月航天器轨道计算系统”在四次中欧联测任务中得到了成功应用和检验,于2006年通过了“嫦娥工程”总指挥、总设计师和首席科学家们的评审和验收,获得了好评。2005年到2006年,他参加了探月轨道综合测定轨技术与验证项目,将航天测控触角首次延伸到了遥远的月球,为我国未来深空探测计划迈出了坚实一步。


“青春筑成通天路,壮志凌云翱苍穹。威力化作天罗网,追星揽箭牧舟行。”一批默默无闻的“牧星人”,在新世纪探索宇宙、征服太空的征程中,更加信心百倍地瞄准了世界航天测控技术的最前沿,瞄准了更为深邃的宇宙空间,豪情满怀、励精图治铸就中国航天测控事业的辉煌明天。


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