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问路星途论文参考文献：
杨亚洲 崔岳
2018 年 4 月 24 日,第三个“中国航天日”,也是我国第一颗人造地球卫星“东方红一号”发射成功 48 年的日子.在陕西秦岭脚下的桥南镇,一场特殊的纪念活动正在进行.桥南中心小学的近百名小学生在西安卫星测控中心工作人员的带领下,参观航天测控装备博物馆,学习了解航天科普知识.
博物馆这些光荣退休的测控装备,有的看起来其貌不扬,就像一个粗笨的铁疙瘩；有的体积庞大,运行速度却不如现在的智能手机快.然而,就是靠着这些今天看起来十分落后的设备,我国老一辈航天测控人自力更生,白手起家,开始探索一条独具中国特色的巡天之路.
在 70 公里外的陕西西安,西安卫星测控中心任务指挥大厅里,另一群参观者正在饶有兴致地听工作人员讲解.大厅内整齐排列着许多现代化测控设备,这些设备高度的集成化、自动化、智能化,可以说,代表着当今中国航天测控领域的最高水平.
从博物馆到测控大厅,不可同日而语的测控设备,最直观地展现了西安卫星测控中心半个世纪以来的巨大发展变化.从靠手摇计算机和计算尺进行科技攻关 , 到现在掌握星际联网、精密定轨、组网编队、星座测控等关键技术,50 多年来,西安卫星测控中心一代代航天测控人孜孜不倦,问路星途,用忠诚和智慧、心血和汗水,努力打造出属于自己的核心竞争力,创造了一个个举世瞩目的成就,被誉为“航天测控国家队”.
独辟蹊径
航天事业是不断创新、不断攀登的事业,特别是在我国航天事业刚刚起步的时候,没有独立自主的创新能力,航天事业更是寸步难行.在西安卫星测控中心,“功勋计算机”的故事在一代代测控人中广为流传,激励着大家立足实际、积极作为,攻坚克难、创造奇迹.
在航天测控系统中,计算机是“大脑”.而控制计算中心站的计算机,不仅要承担汇集、处理、记录各卫星观测站发来的数据,还要承担繁重而复杂的控制任务.因此,它必须是运算速度快、数据通道多、存贮容量大的实时控制机.在 20 世纪 60年代末,那个被封锁的年代,我国不可能从国外引进先进的设备.因而配属给控制计算中心站的是两台由我国自行设计的晶体管 320 计算机.
1971 年 320 计算机开始投入使用.转眼到了1980 年,320 计算机在我国航天测控系统的关键岗位上已经服役了整整 10 年.由于机器诞生于动乱年代,工艺质量没有严格把关,元件失效率逐年增高,加上机器存储容量及运算速度的限制,接下来的路越走越艰难.它的生命还能维持多久,成了大家经常议论的话题.
就在这种条件下,我国首次通信卫星试验任务——“东方红二号”卫星的准备工作开始了. “东方红二号”是地球同步卫星,对其测量与控制的难度和复杂程度都高于以往任何一颗卫星.特别是计算机系统, 信息交换量大, 运算任务重, 卫星一上天,中心计算机就要一刻不停地计算.做好这些工作,对于现代的先进计算机根本不是问题,但对于当时的两台 320 计算机来说,却成了几乎不可能的任务.
320 计算机近 30 个宽 0.9 米、厚 0.6 米、高 1.8米的大柜子,占地约 180 平方米,每小时耗电 7 千瓦.它那不到 60 万字节的存储容量,根本无法存储如潮水般涌来的测量信息.运算速度只有每秒 20万次左右,计算机上没有操作系统,连键盘都没有,只有功能很简单的“管理程序”.计算机使用“机器语言”手编程序,计算机内存全部靠人工分配,软件全部穿孔在纸带上,用“光电输入机”输入.
对 320 计算机的这种低效性能,国外很多专家内行已有过不少的质疑.在 1978 年的时候,法国空间技术代表团来我国参观访问,测控中心第一次对外敞开大门,接待了这个 11 人的代表团到控制计算中心站机房参观测控设备.他们走进 320 计算机房,看到的既不是国际通用的组件,也没有大规模的集成电路,而是一大堆分离式的晶体管计算机,十分惊讶地说：“你们这么多年搞回收式卫星,用的就是这样的计算机？”
在那种情况下要完成同步卫星的测控计算任务,似乎只剩下一条路可走：购买外国生产的百万次计算机.1981 年 2 月,日本用“N-2”火箭成功发射了地球同步通信卫星“菊花三号”.为了能从日本引进较高性能的计算机,更好地借鉴发射地球同步通信卫星的成功经验,上级邀请了日本富士通公司的专家来测控中心参观并进行技术交流.
富士通公司亚洲部经理小阪先生带着几位日本专家来到测控中心,他们参观了中心的计算机房后说,想用这样的计算机完成地球同步通信卫星测控,是根本不可能的.而且借口巴黎统筹委员会的限制,拒绝让中国进口高性能的计算机.
在和日本专家进行技术交流时,日本专家多次表示,日本在卫星测控任务准备中,其应急处理软件要比正常处理软件多几倍.但是,每当我方提出一些感兴趣的具体问题时,小阪总是说“对不起,我的笔记本没带来,要想了解,请到日本去”.很明显,他们想要通过技术封锁来阻止中国航天事业的发展.
第一颗通信卫星发射之前,测控中心在计算机问题上面临的路子只有一条：在现有基础上自己干,革新、挖潜,用自力更生的精神闯出一条新路！
这条路该怎么走,测控中多次召集有关专家进行论证.当时控制计算中心还有两台 1978 年安装的由小规模组件构成的 717 计算机,虽说运算速度、存储器容量还不如 320 计算机,但工作比 320 计算机稳定.
绝境面前,测控专家郝岩独辟蹊径,大胆提出了四机并联的方案,即把两台 320 计算机和两台717 计算机加起来,捆在一起使用.更为具体一点的设想是：由 4 台计算机分门别类存储数据,解决数据量大、存储器容量小的矛盾,变单机计算为多机计算,解决工作量大、要求实时反应快与机器运算速度慢的矛盾.两台 717 计算机负责实时收信、发信,并记录各卫星测控站发来的原始数据,同时挑选必要的数据送到 320 机.两台320机负责卫星测控中各种计算工作.这好比一副重担,要一个人挑,谁都挑不动,分成两担,一人挑一担,就挑起来了.
存储器是 320 计算机稳定性可靠性的最大软肋,是故障率最高的部件,它日常发生的故障占整机故障的 80% 左右.为解决这一问题,科技人员提出了把 320 计算机工作不稳定的磁心存储体,改为当时先进的“MOS”存储体的设想.
首先,他们想到的是 320 计算机的生产厂家,经过反复论证,最后选定了江苏沙洲存储器厂.为了保证质量,他们选派一些技术骨干前往厂家,与科技人员一起进行方案和图纸设计,在生产一线监督生产, 监督质量. 由于8月中旬要执行 “遥感一号”任务,当时正在进行紧张的任务前系统联试,没有时间进行改造,胡正海等科技人员准备任务完成后再进行存储器改造的安装调试.7 月底的一天,控制计算中心宋宝卿主任把胡正海等人叫到办公室,给他们下达了进行一台 320 计算机存储器改造的命令,并且限定 3 天必须完成.
在此之前,已有两个单位的 320 计算机存储器改造,一个是由生产 320 计算机的厂家进行改造,历时两个月没有成功；另一个单位由设计 320 计算机的研究所进行改造, 历时42天才完成. 宋主任说,现在改造一台,同时还要保留老系统.如果改造成功,就能够在“遥感一号”任务实战中得到考验和验证,任务后进行第二台改造；如果改造不成功,就恢复老系统,保证圆满完成“遥感一号”任务.
胡正海和他的同事当即立下了军令状！他们与厂家的科技人员一道,连轴转攻关三天三夜,废寝忘食,反复试验,成功地从硬件方面解决了中心 4台计算机组网问题.改造后的存储器不仅容量比原来提高了一倍,稳定性也有了质的飞跃,故障基本消失.
1984 年元月中旬,军委副秘书长、国务委员兼国防部长张爱萍来到中心视察.在控制计算中心的 320 计算机机房听取汇报,当听到多年来为适应任务要求,科技人员依靠自己的力量,对机器进行了一系列革新改造,取得可喜成果的时候,老将军异常兴奋,从座位上站了起来,用拐杖捅了几下机房地板,高声地说：“了不起啊！等通信卫星发射定点以后,连人带机器都要记大功！”
1984 年 4 月 8 日晚,“东方红二号”卫星在西昌卫星发射中心顺利发射,在之后的一个多星期里,两台 320 计算机一刻不停地运转,完成了各种计算任务,随时向人们显示出星上设备的工作状况.当卫星漂移到定点位置时,320 计算机主控机立即通过 717 计算机传令有关遥控站,一束关键的电波射向漂移着的卫星,卫星立即做出刹车反应.卫星定点成功了.
不久后,日本代表团又来了.参观时他们发现机房里的计算机仍是原来的晶体管,用怀疑的口气问：“你们是不是还有没让我们看的东西？”
郝岩此时已经是测控中心副主任,他陪同代表团参观,当即毫不客气地将了对方一军：“我们就这么多家底,再没有了.我们也想用你们的,你们又不卖给我们,总想卡着我们.”对方脸上堆着尴尬的笑容,双手在胸前一摊,做出一副无可奈何的样子说：“我们想卖,巴黎统筹组织不准,我们有什么办法？”
1984 年 5 月,中心测控专家李济生随代表团去日本参加第 14 届国际空间科学学术交流会议,恰好又遇见了小阪先生,小阪先生把代表团请到富士通公司,向他们了解“东方红二号”卫星的情况.他当时好奇地问道： “你们用什么计算机完成的 ‘东方红二号’地球同步卫星测控任务？”李济生回答：“就是用你曾参观过的320计算机. ” 小阪惊讶地说：“奇迹,真是奇迹！”
随后,他又问了一些有关“东方红二号”卫星的问题,李济生忽然想起当年他在西安时的傲慢态度,答道：“对不起,我的笔记本也没带来,要问请到中国去.”
50 年多来,中心一代代航天测控人始终以尊重科学、脚踏实地的态度和敢为人先、自主创新的勇气,攻克了一个又一个技术难关,成功实现了“飞向太空、 返回地面、 同步定点、 飞船回收、 多星管理、深空探测”等八大技术跨越.每一次跨越都是中国航天测控史上一个巨大的台阶,航天测控人迈着坚实的步伐,一步步攀登世界航天科技的高峰.
天地鏖战
卫星在太空遨游,看似“高大上”,其实远不像人们想象的那样一帆风顺,太空中任何突发情况都有可能将其置于险境.西安卫星测控中心的科技工作者长年累月与卫星打交道,卫星的一举一动他们时刻牵挂在心.
卫星一旦发生异常故障,对测控人来说就是一场强度高、压力大、节奏快的“天地营救”攻坚战,他们全力以赴、攻坚克难,一次次力挽狂澜,让卫星起死回生.对他们来说,卫星就如同自己的孩子,是有生命的, 每一条曲线、 每一串数据、 每一个字符,都是卫星的语言,卫星在太空翱翔,他们在地面为卫星“保驾护航”.
在西安卫星测控中心,抢救过多少颗故障卫星可能大多数人已记不清楚, 但只要说起 “双星抢救” ,却无人不晓.虽已经过去 10 多年了,但每每提及,当时的参与者们都感到好像就是昨天的事,心中的自豪感油然而生.
2006 年 10 月 23 日的深夜,忙碌了一天的高级工程师韩忠民刚躺下不久,家里的电话突然响了.她猛地一惊,马上意识到可能是卫星出问题了,迅速冲到客厅接起电话.果不其然,是长管值班人员打来的,她所负责的我国某在轨卫星正常运行 180天后突发故障,姿态失控,太阳帆板不能持续供电,蓄电池电压耗尽,整星温度达到零下 30 摄氏度,星上各类电子器件间断供电,下行信号时有时无,地面发送的遥控指令星上基本不执行,卫星功能丧失.情况非常紧急！
挂完电话,她的心已提到了嗓子眼,一边穿衣服,一边打电话叫车,跑步冲到楼下.车还没有到,脑海里关于这颗星的点点滴滴不断浮现.对于这颗卫星,韩忠民真的是太熟悉了.她是这颗卫星的测控总体负责人,这颗星发射前和发射后早期轨道段对外技术协调、任务总体文件拟制和技术把关以及建立任务的技术状态,都是她一手完成的.
还记得发射前进行星地测控正样对接时,她就发现了卫星数管核心软件中的若干个问题,通过与研制方的积极协调,对错误进行了修正.坐在车上,韩忠民努力地梳理着工作思路,分析可能的故障原因,思考着如何尽快判明故障,找到解决问题的办法.到达单位后,便迅速投入到紧张的分析和抢救工作中.
抢救卫星与救治病人是一样的,先要搞清楚病人得的什么病,病症是什么引起的.卫星研制部门和航天测控专家紧急会商：当务之急是尽快确定卫星姿态,抓住每次几秒钟的卫星加电时间,注入控制指令, 使卫星停止翻滚, 转入正常运行姿态. 否则,造价数十亿元的卫星将成为毫无用处的太空垃圾.
正常情况下,确定卫星姿态并不难.然而发生故障后,由于星上自主喷气,主贮箱燃料耗尽,卫星处于翻滚状态,星上仪器无法直接测量卫星姿态数据,而且卫星结构复杂,为非对称形状,这种卫星姿态如何运动,国内没有遇到过,在国际航天界也是难题.
凭着对该星的熟悉了解,韩忠民通过对大量遥测数据的分析,迅速掌握了卫星自旋周期的变化规律,经过分析计算,确定是重力梯度和太阳光压对卫星自旋主轴指向带来的影响.
然而面对时断时续的海量星上遥测数据,一切现成的算法都无济于事.李恒年是这颗卫星故障运动分析联合工作小组技术组组长,他带领着团队十几号人一头扎进浩瀚的数据中.20 多个夜夜,他们建模、计算、分析、再建模、再计算、再分析,卫星状态越来越糟,头脑每时每刻在高速运转,仿佛在空间中跟着卫星在旋转.
最终,他们准确确定了失控卫星的空间姿态,建立了卫星姿态运动的数学模型,计算出了卫星实时姿态、光照条件及变化规律,推算出了最佳抢救时机.事后,李恒年对那刻骨铭心的 20 个日夜有过这样的一段描述：“没有现成的方案,只能靠分析.那是一个头脑与卫星较量的过程,是心灵认识规律前的阵痛,每一时刻都在期待着与卫星‘沟通’的曙光来临.”
掌握了病情病理,接下来就是对症下药的问题.按照之前对故障的分析判断,现场科技人员一致认为采用磁控消旋的方法就能使卫星稳定下来,但条件显然很不成熟.一方面,由于卫星姿态不稳,供电不足,星上应答机不能可靠接收地面发送的遥控指令和数据.另一方面,当时卫星正以 35s ～ 41s的周期旋转,卫星供电时断时续,下行信号时有时无,跟踪时间短且不连续,一个旋转周期只有 10秒钟左右的观测时间,而要实施磁控消旋,要求测控系统必须在这 10 秒内完成十几条指令和多个数据块的发送, 但实际发送时间至少需要30秒到40秒,发令时间远远不够.
抢救工作陷入僵局.看着时间一分一秒地过去,大家都在焦急地冥思苦想着……
韩忠民努力克制自己紧张、焦虑的心情,仔细回想着关于这颗星的每一个技术细节.突然,一件往事映入脑中.那是卫星发射前的一次技术协调会上,她发现该星的测控天线采用的是单收单发模式,数据注入后还需要再发送执行指令才能执行,当时就觉得效率太低,不利于紧急情况下快速发令、快速执行的要求,就与卫星研制方进行了反复沟通协调, 最后对方始终没能 “拧” 过她, 采纳了她的建议,将测控天线模式改为收发共用,将遥控数据的执行模式改为注入后即执行.
想到这里,她一下子豁然开朗.
“就采用磁控消旋！”她激动的差点喊出声来.看着大家疑惑的眼神, 她开始详细讲解自己的想法：“这颗星的测控天线是收发共用模式,数据注入后即可执行,只要我们利用好这每圈 10 秒的时间,快速将磁控指令注入,星上就会自动执行,连续多次注入后肯定会有效果的.”
得到现场指挥员的批准后,大家迅速行动起来,按照韩忠民的方案,应急注入磁控指令,连续尝试多次都没有成功,大家开始对她的这个方案失去了信心.
韩忠民没有放弃,她对自己的这个方案有信心,一定还是哪儿有问题.通过分析各类遥测数据,她认为可能是电源系统负载能力太弱,应答机锁定不稳,导致按照正常方式注入时卫星无法正确接收.她决定试一试,立刻动手修改遥控指令.一方面,在遥控作业中增加自动判别遥测状态的功能,确保在卫星短暂供电的最佳时段内完成注入.另一方面,将多条遥控指令编制成数据块的方式发送,这样一来,可以将发令时间由正常的 20 ～ 30 秒缩短至 8.5秒,为磁控提供 1.5 秒的有效工作时间.指令修改完毕后,再次注入,3 个数据指令包成功被卫星接收执行.上行注入通道打开,让大家立刻看到了希望.
初战告捷,科技人员持续奋战,一遍遍修改完善抢救作业,随着有效控制时间的逐步积累,控制效果开始逐步显现,卫星旋转速率减小,充电阵电流上升,自旋周期逐渐增大,最终实现了电池阵和蓄电池的联合供电,卫星工况也逐步好转.
这场战役前后持续了 69 天,到了 2006 年 12 月30 日,按照卫星测控中心的计算,远望号测量船在南半球上空捕获卫星,成功注入遥控指令 , 卫星起死回生,恢复正常,抢救工作取得成功.
其间,科技人员反复推敲、精心设计了 20 余个应急遥控作业,其中磁控抢救作业就更改了近20 个版本,先后发送遥控指令 4000 多条,完成了1500 多块数据的注入.参与抢救任务的很多科技人员感叹：“抢救经历了前所未有的挑战,想到的、没想到的问题出了个遍,其间发出的遥控指令比其他人一辈子发的都多.”有的还打趣地说：“没有参加这次抢救之前,还不知道自己这么能熬夜！”
令大家没有想到的是,这场战役刚刚结束,另一场战役又随即打响.
2007 年 2 月 3 日,刚发射不久的北斗一号 04 星又出现故障.卫星与地面失去联系,连续 17 天接收不到下行信号.当时很多业内人士都感到很悲观,认为这颗星已经彻底失控,起死回生的可能性微乎其微.
别人可以这么想,西安卫星测控中心的领导和科技人员们意见却非常坚决和一致：我们是祖国卫星的管理者,哪怕只有一丝希望,也要全力以赴,努力创造奇迹.
新的战斗又开始了.这次的抢救工作由时任中心技术部副总工程师余培军负责,他是这次任务的飞控组组长.与上一颗卫星抢救一样,先要确定卫星姿态.但这次情况又有所不同,上一颗故障星还能间接性地接收到一些微弱的下行信号,这颗星压根儿就没有下行信号,连卫星到底在哪儿都不知道,要确定姿态又谈何容易.
别无他法,余培军只能想方设法先找到卫星.抢救小组想了各种方法,进行了数十次尝试,都未如愿.这时,余培军想起了刚刚建成不久的某系统.通过积极协调,科技人员利用该系统很快找到了故障星.余培军立即抓住这一有利时机,组织人员利用雷达、光学等测量设备进行持续探测跟踪,终于准确掌握了该星的运行轨道和姿态.
紧接着,抢救小组集中力量,对故障进行了探讨分析,对卫星姿态变化规律进行了地面仿真,研究制定了具体的应急抢救方案.通过一点点的努力,终于收到卫星下传的零星信号.
接下来,遥测数据接收相对连续,这是卫星抢救的有利时机.余培军指挥抢救人员果断控制卫星北太阳帆板转至最佳光照条件位置,使卫星上的连续供电得以恢复,紧接着逐步调整星上加热器状态,控制卫星温度回升,完成了推进系统的解冻.
接下来,按照抢救方案,还要进行三次变轨控制.卫星抢救胜利在望,大家有一种黑夜过去,即将迎来黎明的感觉,紧张的心情也都稍有平复.可后续变轨过程中突如其来的问题,又再次让现场每一个人的神经紧绷起来.
第一次变轨时,由于没有时间进行卫星平台姿态测量仪标定,测量数据漂移引起的变轨姿态误差会随着变轨时间的持续而增大,不但会影响轨道控制误差,而且会消耗更多的卫星燃料,减少卫星寿命.针对这种情况,余培军提出并组织实施了利用人工进行漂移数据补偿的方法来减小卫星姿态误差.在 30 分钟的变轨过程中,共 6 次修正陀螺漂移补偿,最终将卫星姿态误差控制在正常精度.
3 月 17 日,进行第三次变轨时,由于质量特性的变化,导致点火后卫星姿态失控.在按预案实施紧急关机和转巡航的过程中,余培军突然发现卫星北帆板位置指示异常,立即组织人员进行紧急处理,果断抓住了卫星信号消失前仅 10 分钟的可测控时机,有效规避了抢救失败的风险.
经过 60 天的全力奋战,北斗一号 04 星起死回生,抢救工作又一次取得圆满成功.其间,测控系统共有 5 个部站（测控船）、3 套测控设备及千余名工程科技人员参加了抢救工作,对卫星发送遥控指令 10 余万条.
这两次抢救任务的圆满成功,既是西安卫星测控中心技术实力的集中体现,也是科技人员意志品质的集中体现.因这两次抢救任务间隔时间短,并且持续时间之长、技术难度之大、遇到的矛盾和问题之多都创历史之最.
时任测控中心主任董德义感慨地说：“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,一切都是在试验中摸索,在摸索中突破,在突破中创新,在创新中成功.”
多年来,西安卫星测控中心成功处置数百起太空险情,使 10 余颗重大故障卫星“起死回生”.
唤醒“玉兔”
“我知道,有可能熬不过这个月夜了.”“如果这一次的旅程要提前终止,我也不害怕.不管能不能修好,相信我的故障都能提供给师父们很多宝贵的信息和经验. ” “晚安, 地球. 晚安, 人类. ”……
这是 2014 年 1 月 25 日新华社以第一人称发表的“玉兔”日记.“玉兔”是中国发射的月球探测器月球车的代称.
成千上万网友在看完这篇日记后,表示“很虐心”,有的被戳中泪点,为之伤心流泪.大多数网友表示希望“玉兔”能够继续它的使命.一位微博用户写道：“我们将永远记得你在月球上看着我们.总有一天,我们将带你回家.”
2013 年 12 月 2 日,嫦娥三号探测器在中国西昌卫星发射中心由长征三号运载火箭送入太空,14日成功软着陆于月球雨海西北部.
这是中国第一个实现月球软着陆的无人登月探测器,也是 1976 年之后人类第一个软着陆月球的探测器.中国在月球着陆方面创造了一个完美的历史,相比之下,英国在 2003 年失去了“猎兔犬”2 号火星探测器,苏联在 1969 年至 1977 年有五辆月球车或火星车要么失去联络,要么着陆失败.
嫦娥三号探测器由月球软着陆探测器和月面巡视探测器组成.在任务之前,经过近 65 万网民参与,探测器被赋予了一个具有中国传统神话色彩的名字——“玉兔”.
全世界的科学家对中国这次登月都寄予厚望,希望“玉兔”会传回重要的数据资料.尤其是, “玉兔”安装有可穿透月球表面的雷达,能探测到月球地底下很深的地质情况.
12月15日, 着陆器、 巡视器分离, 并陆续开展 “观天、看地、测月”的科学探测和其他预定任务.12月 16 日,中国宣布,嫦娥三号任务获得成功.
按照设计,“玉兔”月球车将在月球表面漫步3 个月,与固定着陆器“嫦娥三号”一道进行自然资源考察,并传回数据.
“玉兔”以太阳能驱动,它在月球上持续正常工作最大的挑战在于“月夜”.每一次“月夜”会持续大约两周,在此期间,气温会下降到零下 180摄氏度. “玉兔” 顺利度过了第一个 “月夜” 的休眠.在休眠时它无法利用太阳能帆板产生能量,只能依靠放射性能源来使高精度传感器和其他设备保持完好.
2014 年 1 月 25 日,在第二次月夜休眠前,“玉兔”在月面巡视中被石块磕碰“受伤”,控制机构出现异常,不能正常行走,只能带病休眠.一时间,牵动全国成千上万人的心.而在国际上,各种质疑的声音不断,有的国外媒体已经扬言“玉兔”无法唤醒.
2014 年 2 月 10 日,“玉兔”迎来第二次月昼,本该自主苏醒的她, 并没有如期发回信号. 英国 《每日电讯报》报道说,“玉兔”出现了技术故障,是中国蓬勃发展的太空计划遭遇的少有挫折.
人们不知道“月兔”在何时能够重新正常工作,全国上下都捏着一把汗.在西安卫星测控中心,科技人员时刻关注着“玉兔”的情况,绝不放弃任何唤醒它的机会.大家都知道,嫦娥三号任务是探月工程“绕、落、回”三步走战略的关键之战,体现大国形象,事关圆梦进程.
布置在东北某地林海深处的某大口径雷达,是这次任务的主要装备之一,担负着地月转移段、动力下降段、月面工作段的遥测、遥控、数据传输等重大任务,被那里的工作人员被称为“林海天眼”.
雷达分站技术骨干张建辉和他的同事们,历经一百多个日夜的细心准备和十几个昼夜的精心实施,圆满完成了嫦娥三号任务发射测控任务.大家还来不及享受“嫦娥”成功落月、“玉兔”信步虹湾的喜悦,又开始与时间赛跑.
面对突如其来的状况和压力,他们连夜制定出10 余套应急方案,立即成立了应急指挥组、技术攻关组和保障维护组,提前完成了上百个插箱和备件的检查测试,为“唤醒玉兔”做好了充足的准备.万事俱备,只欠东风.2014 年 2 月 11 日,“玉兔”如约而至.可不管如何努力呼唤,“玉兔”却没有任何反应.
危急时刻,张建辉和技术攻关组提出的“线性渐增应急搜索方案”,却被指挥组否定.他们只好在数千组数据中继续重新搜寻规律……
23 时 45 分,突然信标指示灯亮了一下,这让黑暗中摸索人们看到希望.“有了信标信号,多普勒频率漂移就可以推算出来.” 张建辉兴奋地说.他紧紧抓住这次机会,推算出了玉兔的“频点漂移范围”,并再次修订搜索方案.指挥组经过论证,在原方案基础上,加入了修正值,岗位操作手重新配置参数.
2 月 12 日 0 时 15 分,“双捕完成！指令比对正确！”随着响亮的调度声传来.奇迹发生了,小兔子恢复意识,这一刻也注定要被载入史册,大家兴奋地跳了起来,鼓掌、拥抱,喜极而泣.
“玉兔”还活着,活着就有希望！那些着急宣布“玉兔”死讯的国外媒体,急忙改口称“玉兔号”已全面苏醒,恢复到休眠前正常的信号接收状态.
时间过得飞快,一转眼到了 2016 年 3 月 23 日,“玉兔”超期服役 748 天再次苏醒,成为月球上“活”得最久的人造探测器.世界各大国纷纷为中国航天点赞.
而在这两年时间,张建辉和他的同事们始终坚守在林海深处, 不抛弃, 不放弃, 全身心地守望着 “玉兔”.每年春节,张建辉的妻子都要从广州来东北边陲探望他.冬天大雪封山,妻子下了飞机坐火车,下了火车坐拖拉机,一路艰辛才到雷达站.虽然临近年关,可站里任务依然繁重.为了不让张建辉分心,妻子待了几天后,就留下了一张照片,悄悄地离开了.张建辉说：“我们的岗位虽然艰苦,但连着航天伟业,我们的操作看似平凡,却维系着大国尊严,再多的付出都值！”
浪漫深空
在西安卫星测控中心任务一线上,有许多默默无闻的普通科技人员.他们当中很多是“80 后” “90后”的年轻人,当事业的接力棒传到他们手中时,他们全力以赴,不辱使命,守望着祖国的星空,也守望着自己的青春.
时间进入到 21 世纪,尽管人类在科学技术上取得了巨大的成就,但仍有许多未解之谜,等待着探索.“地球如何起源”“行星和太阳系究竟又是怎样形成和演化”“人类是不是宇宙中唯一的智慧生命”为了探索这一系列的问题,人类把目光投向了更深的太空.
深空探测是指航天器脱离地球引力场,进入太阳系空间和宇宙空间的探测.这是在卫星应用和载人航天取得重大成就的基础上,向更广阔的太阳系空间进行的探索,对于人类积极开发和利用空间资源,意义重大.
过去 40 年,美国、苏联、欧洲航空局及日本等先后发射了 10 多个行星际探测器,既有发向月球的,也有发向金星、水星、火星、木星、土星、海王星和天王星等各大行星的,还有把“镜头”指向我们地球及周边环境的.通过这些深空探测活动所得到的关于太阳系的认识大大超过了人类数千年来所获得的有关知识总和的千万倍.
2000年11月, 中国发表了 《中国的航天》 白皮书,正式提出了将“开展以月球探测为主的深空探测预先研究”.2002 年 8 月 13 日,在山东青岛召开的2002 年深空探测技术与应用国际研讨会上,中国正式对外宣布将开展月球探测工程.
2004 年 1 月 23 日,中国探月一期工程——绕月探测工程正式立项,自此,中国探月工程正式启动. 2007年11月6日, 中国第一颗探月卫星—— “嫦娥一号”迈出深空探测第一步,抵达 38 万公里外的月球,最远完成了 1 个地月距离.12 月 12 日上午 10 时,庆祝我国首次月球探测工程圆满成功大会在人民大会堂举行,总书记称,我国首次月球探测工程的成功,是继人造卫星、载人航天飞行取得成功之后,我国航天事业发展的又一里程碑,实现了中华民族的千年奔月梦想,开启了中国人走向深空探索宇宙奥秘的时代.
2013 年 1 月 5 日 23 时 46 分,嫦娥二号卫星深空探测成功突破 1000 万公里,标志着中国深空探测能力得到新的跃升.这是中国航天历史上航天器飞行距离最远的一次“太空长征”.
深空探测跟航天测控一样,需要强大的地面测控系统的支持.在我国版图的东北方向,西安卫星测控中心某雷达分站,是我国深空探测的重要参试单位之一.科技人员靠着大口径的雷达天线,跟踪“嫦娥二号”到了 5000 多万公里外,就是说每秒30 万公里的电磁波,从分站的雷达发出,100 多秒后卫星才能收到.他们自豪地说,下一步,他们还要跟踪“嫦娥”到几亿公里之外.
雷达分站驻地偏僻、条件艰苦,选择到雷达分站工作,注定是选择了孤独和寂寞.分站建成以来,原则上不安排女同志前来.2012 年,几名刚毕业的女大学生主动要求到雷达分站工作,一时成为新鲜事.
1988 年出生的周爽就是其中的代表.周爽老家在辽宁绥中的一个农村家庭,在她身上,既有东北人的直爽豪气,又有农家儿女的朴实善良.2007 年,周爽考入东北大学.毕业时,父母都希望她留在大城市工作,她却来到东北边陲.
说起周爽在工作上的那股拼劲,同事们都竖起大拇指,称赞不已.为了尽快独立参加试验任务,周爽加班加点学习专业知识,有了疑惑的问题,就跟着老同志后面,反复请教.分站的雷达天线在基座地面上有 4 层,要拐来拐去经过 8 梯、近 200 级,才能到主反射面.有的时候,尽管知道不会掉下去,但有些恐高的人还是会腿发软、头发晕.初到分站第一次爬雷达天线,周爽心中也发怵,鼓足勇气,咬牙爬到顶,环顾四周,满眼林海绿,一览群山小,别有一番滋味.那年夏天,她不知跟着师父爬过多少次天线,皮肤晒成了小麦色.
有一次,上级领导来分站视察,问大家在七峰工作生活苦不苦,周爽坦诚地说：“都说七峰苦,再苦也得有人来.”简单的一句话,道出了大家的心声.分站条件艰苦,许多到过这里的人都感慨地说,“待在这里就是一种奉献.”但是周爽却不认同这句话,在她看来,越是条件艰苦恶劣,越需要怒放的生命.一次任务期间,突降暴雪,3 小时之内积雪就达 40 厘米,天线轮轨面和轮轨被掩埋.周爽和大家第一时间到达天线阵地,冒着零下 40摄氏度的严寒,三上三下 60 多米高的天线,检查天线阵面的积雪情况.风雪中,她趴在冰冷的轮轨轨道上,一点点地清除方位轮轨和俯仰挂轮上的积雪.10 个小时不间断的工作,她早已透支了所有体力.机房与天线阵地短短几十米的距离,累得连摔了三次.当看到天线工作一切正常时,再也无法控制激动的情绪,泪水夺眶而出,瞬间冻在了脸上.天分加上勤奋,周爽很快脱颖而出,在任务中能够独当一面.
与周爽一起主动要求来雷达分站的女大学生柯影,毕业于武汉大学.柯影不仅懂专业技术,还是分站的业余报道员、摄影师,什么文体活动、晚会演出,总少不了她的身影.像许多年轻女孩一样,她们青春, 她们阳光, 她们爱美, 她们也爱吃点零食.但在这片林海之中,却有着不一样的梦想和坚强.在和大家的交谈中,她们并不讳言曾遇到的困惑.在这偏僻的山林里,当好奇和新鲜褪去,平淡和乏味接踵而至,她们的内心也曾经历过一次次磨炼挣扎.周爽说她经常想家,想妈妈.柯影说她怀念自由自在的大学生活,憧憬外面的世界.
还有爱情,这个年轻人难以回避的话题.因为异地恋,柯影和大学里相恋的男友分了手.这在当前年轻人身上并不少见,但在航天事业、偏远单位的语境下,不禁让人心头隐痛.如果不是因为这心中的“航天梦”,此刻,一个女孩子在自己最美的年华,也许正和男友一起,穿着漂亮衣服,看花花绿绿的世界.在经历内心的困惑挣扎后,两个姑娘依然积极乐观.也许没有长相厮守的爱情,但有一种力量默默支持着她们,那就是祖国的深空梦.她们说,要“把爱情写在心底,把浪漫写进深空”.2013年12月2日, 上午10时58分, “嫦娥三号”经过 9 个多小时的飞行,如期抵达预定的地月转移轨道.
“林海发现目标, 距捕成功！” “林海跟踪正常,遥外测信号正常！”雷达分站测控机房响起热烈的掌声. 这些掌声, 是对一线科技人员的最好褒奖, “嫦娥”奔月的飞行轨迹里,会铭记下他们共同的名字：林海.
“林海”是雷达分站的任务代号.科技人员平均年龄只有 23.8 岁,大部分毕业于 211、985 院校,这个朝气蓬勃的团队, 首次受领实战任务, 便是 “嫦娥三号”探测器在月球表面实行软着陆.
面对挑战,这群创业者展现出了惊人的血性和担当.分站领导各项工作冲在前,带头钻地沟、牵电缆、扛设备,想方设法统筹工作、提高效率.科技人员们白天跟着厂所领导熟悉设备,晚上加班加点组织讨论训练,提升能力.大家边建设营区,边改善工作生活条件,边紧跟设备安装联试,阵地上处处热火朝天,日子过得紧张而充实.
任务中,雷达分站提前 15 分钟收到“嫦娥”遥测信号,大家严守岗位,只待测控中心调度指令.
“随扫开始” , 雷达迅速捕获 “嫦娥” , 建立通信.“数据传输正常”,林海人首次“出击”便旗开得胜.
109363.0188km,这是雷达和“嫦娥”离得最近的距离.从捕获“嫦娥”到跟踪结束的 395 分钟里,林海人紧盯跳动的屏幕,分分秒秒都在全力跟踪,条条指令发送准确无误. “嫦娥” 在林海人的指引下,向着更广袤的星空飞去.
机房里,“肩负天地连接的重担,挑起飞天奔月的大梁”“小小岗位连着航天事业、次次操作维系民族尊严”等横幅标语格外醒目.“林海人”发出的每一条指令,都饱含着他们的心血和汗水,每一次与 “嫦娥” 对话, 都聚焦了无数人的期盼和目光.护送“嫦娥”入轨,“林海人”向前跨越了一大步,这一大步,是他们探索无垠苍穹的起点.
组建以来,分站先后圆满完成了嫦娥二号再拓展试验、金星快车联合观测等任务,连续刷新国内深空测控最远纪录.
永无止境
这是一则在西安卫星测控中心广为流传的故事：著名科学家钱学森在研究某课题时,前后五易其稿,初稿长达 800 多页,第五稿只有 10 页.当钱学森把论文封进文件袋时,特意在封面写上“Final”( 最终定稿 ),又在旁边添了一行字：“Nothing is final ”( 永无止境 ).自然科学的每一次进步,都充满了辩证法.钱老勇于否定自我的科学态度,激励着西安卫星测控中心科技人员勇于探索创新,抢占发展高地.
西安卫星测控中心有一家宇航动力学国家重点实验室,他们从事的“数字卫星”目前在国际上尚属于前沿课题.实验室从几年前开始着手研发具有自主知识产权的数字卫星仿真平台,现在已经进入系统开发阶段.仿真平台的建成,将大大提高中心对卫星的管理能力.
实验室负责人李恒年说,过去的几十年,我国卫星测控系统发展很快,但使用的核心模型都是国外的.从长远来看,在信息安全、功能使用上都存在风险,只有开发国产化基础平台才能真正树立航天大国自信.
航天测控和空间应用技术是国家科技创新体系的重要组成部分,也是国际科技竞争热点领域,事关国家安全和国计民生.近年来,中心以国家安全和装备建设发展需求为牵引,积极开展应用基础研究和关键技术攻关研究.在科技人员的不断探索下,“二代导航数据分析中心”“宇航动力学精密轨道确定软件”等一批拥有自主知识产权的研究成果不断涌现,战略性、前瞻性基础研究和应用基础研究得到逐步加强,航天测控领域重大关键技术瓶颈有了新的突破.
随着航天事业的迅速发展,我国在轨卫星数量已经突破 100 多颗,以往“增星加人”的长管模式已不适应当前任务形势、不能满足测控需求.为此,中心积极进行长管自动化改造,先后对 400 多个接口进行扩充、完成 3000 多个软件模块升级、设计30 多个自动化脚本.经过不懈探索,在没有影响任何长管任务的前提下,中心实现了 75% 以上长管工作自动化,极大降低了人为操作风险.
据介绍,在航天测控软件系统平台建设方面,中心独立开发和完善了高效、可靠、功能分布的多星测控软件系统,实现了对多星数据融合处理、星座管理、天地基联合测控以及星间链路等应用的支持,大力提升了中心的综合测控能力.此外,针对高密度任务常态化的实际,中心积极优化任务软件,区分共用、专用,构建模块化框架,使任务准备时间从 2 个月缩短至半个月,有效提升了多任务测控能力.
为了实现软件自主可控,中心始终以“把登山的保险绳紧紧握在自己手中”的急迫感,深钻细研提高素质,通过任务历练强化能力,积累了丰富的软件设计经验,具备了自主研发我国所有航天器地面测控软件的能力,建立了一套拥有全部知识产权的软件系统,实现了从火箭起飞、星箭分离、卫星入轨直到寿终离轨的全过程软件自主可控.
目前,中心能同时支持多次实时发射任务,也就是说,如果我国多个发射场同时发射火箭,中心也一样能够满足各方面测控需求.
“唯创新者进,唯创新者强”.在卫星测控中心科技人员眼中,创新不分大小,哪怕是一点点创新,都很可贵.
2016年8月16日, 搭载 “力星一号” 卫星与 “墨子号”科学试验卫星的运载火箭,在酒泉卫星发射中心成功升空.“力星一号”的轨道高度只有 100多公里,是迄今为止运行轨道高度最低的人造地球卫星.而“墨子号”的轨道高度为 500 多公里.从技术上来看,“墨子号”入轨之后,“力星一号”要经过大范围轨道转移进入 100 公里高度轨道,轨道低、卫星飞行速度快,对卫星的跟踪、降轨的控制都是空前的考验.从经验上来说,我国没有发射过轨道这么低的卫星,这是在挑战航天器运行轨道极限.为此,中心科技人员连续工作两个月,相继完成了“力星一号”任务测控实施方案、风险分析等多份文件的编写,在世界上首次实现了过渡流区全球飞行,开辟了新的飞行空域！
面对新形势下任务需求和职能使命的变化,中心科研工作者继承发扬老一辈测控人的创新精神,集智攻关研发新兴技术,积极拓展新领域,努力为航天事业发展赢得先机.
2011 年 11 月 3 日, “神舟八号”与“天宫一号”成功进行我国首次空间交会对接任务.交会对接技术是人类航天史上一项具有高度风险的技术.在几百公里外的茫茫外太空,将两个高速行驶的航天器,通过地面遥控把它们连成一体,无异于几百公里外的“穿针引线”.为此,中心研究提出了很多新的控制算法和方案,解决了较长控制周期下目标航天器的轨道相位、高度和圆化等多目标协同精确控制技术难题,填补了国内技术空白,成功地支持了首次空间交会对接任务.
2012 年 6 月 18 日, “神舟九号”与“天宫一号”实现中国首次载人交会对接,使中国成为继俄罗斯和美国后,世界上第三个完全掌握空间交会对接的国家.
2016年10月17日, “神舟十一号” 和 “天宫二号”交会对接又迎来新的挑战,对接轨道比以前提高了50 多公里,与我国未来空间站运行的轨道高度基本相同.
在任务准备期间,针对以往对接过程中偶发因素多、前端数据可控性差等问题,中心大胆突破既往模式,科技人员利用整整 2 个月时间,对“天宫一号”历次交会对接任务进行全面复盘,对 40 多个小时的数据进行认真分析检查,进行了十余次的算法演算,最终掌握了历次任务数据规律特性.他们通过研发全新的交会过程中位置数据选优软件,能够实时对异常数据进行快速判断处理,增强了实时监视计算的精准度,使程序在极端异常的情况下依然能够完全受控, 确保 “天宫二号” 和 “神舟十一号”在无垠太空实现完美对接.
前些年,我国卫星变轨还停留在化学推进阶段,研究员李恒年在参加国际交流和阅读科技文献时,敏锐意识到空间电推进小推力变轨既节省燃料,又能增加有效载荷,是未来卫星控制发展的大趋势.在一没现成经验可循,二没技术支持的背景下,他亲自率领团队开展课题攻关,参加“国际深空轨道优化竞赛”.不久前,他所带领的团队在第九届“国际空间轨道设计大赛”中脱颖而出,荣获季军,取得历史上最好成绩.
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