载人航天工程测控通信系统探密

2008年09月27日15:44  来源:人民网-科技频道

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  人民网科技讯:又是一个金色的秋天,中国再一次迎来了神舟号飞船遨游九霄的激动人心的时刻。

  当火箭烈焰腾飞的那一瞬,当航天员出舱活动的那三十分钟,当飞船平稳而悠游地沿着既定轨道运,当图像一帧帧传送到飞控中心的大屏幕上,当飞船进行一系列姿态调整,有一条看不见的信息通道,为天地之间架起了一座桥梁。这就是测控通信系统,它支持和保障着神舟号飞船的升空、运行和回收。

  测控通信系统是航天活动中不可或缺的一环,曾经有人将它比喻成看不见的“风筝线”,从神舟五号任务开始,这个系统渐渐为人所知,那么,神舟七号飞船的测控通信系统与神舟五号、神舟六号是否一样?测控通信系统如何保障航天员出舱行走?测控通信系统又是怎样解决伴飞卫星的测控难题的?

  测控通信系统是飞船与地面之间沟通的桥梁

  在航天活动中,航天器进入太空后,测控通信系统就成为航天器与地面保持联系的唯一通道,如果这个系统不能保持正常运行,航天器就等于是人类往太空里扔的一个垃圾。系统的重要地位由此可见。在我国的载人航天工程中,承担测控通信系统总体设计的北京跟踪与通信技术研究所,通过建设航天测控网为神舟飞船架起了天地之间的沟通桥梁,让航天员在太空中能够及时与地面指挥中心保持联系。

  测控通信系统在航天任务中有两大基本作用,一是测量,一是控制。测量的主要目的是要了解航天器在空间中的位置以及工作状况,通过测量数据分析判断航天器的空间位置,同时,根据相关数据了解和掌握它的工作平台、有效载荷以及一些辅助设施、设备的工作状态。控制的主要目的有两个,一是控制航天器的运行轨迹,很多航天器都要通过多次变轨,才能到达预定的轨道;二是让航天器做人们事先设定好的一些工作,比如航天器上携带的科学仪器或设备的开机关机、获得数据的向下发送,都要通过地面控制有效地对航天器进行指控调度。

  对于载人航天工程而言,除了上面两个基本功能之外,系统还有一个更加重要的任务:神舟飞船上面有航天员,天地之间必须要有顺畅的通信联系。航天员和地面保持通话,这在系统中叫天地话音,在飞船飞行过程中,必须让航天员与地面指挥中心及相关的科研人员保持话音上的沟通联络。因为航天员在太空中做科学试验,或对飞船进行一些人工操控期间,可能需要地面的飞控人员指导他按照预定的方案完成他所要完成的工作,特别是在发生一些异常情况时,更加需要保持天地之间联络通道的畅通,以确保不会发生意外情况。

  北京跟踪与通信技术研究所的总体设计人员要通过精心的计算和巧妙的布局,把各个指控中心、测控站、测量船的各种跟踪测量和通信设备有机地结合起来,构建起能够使之发挥出最大的效能的航天测控网,设计出最佳的测控通信总体方案,为神舟飞船提供强有力的测控通信保障。

  神舟七号任务对测控通信系统的多重挑战

  神舟七号飞船飞行任务的测控通信保障与神舟六号、神舟五号飞行任务到底有哪些不同?有着什么样新的要求和特点?

  在对神舟七号任务的测控通信总体方案的要求上,提出了多项必须满足的任务要求。第一,要满足多人多天的测控通信保障,至少是三人三天,如果出现异常情况,也有可能推到四至五天;第二,要保证航天员在出舱活动时能够提供连续的测控通信覆盖,也就是说在航天员出舱活动的三十多分钟的时间里,必须保证连续的测控通信时间;第三,中继卫星系统“天链一号”卫星第一次在神舟任务中运用,需要进行大量的测试、联调工作;第四,完成伴飞卫星的测控通信任务,伴飞卫星的绕飞控制在我国是第一次,这种技术在国际上是比较先进的,具有非常重要的意义。

  为了实现神舟七号飞船的任务要求,在三年的时间里,北京跟踪通信与技术研究所的总体设计人员进行了艰苦的准备工作,设计出了满足任务要求的测控通信总体技术方案。然而,从方案到具体实施,依然面临着各种各样的严峻挑战。神舟七号飞船飞行任务测控通信系统所呈现出的特点,其实也正是系统所面临的挑战。

  首先,就规模上来说,神舟七号飞船的测控通信超过了之前的任何一次航天任务。参加任务的远洋测量船达到5艘,其中,远望五号、远望六号船是首次参加航天测控任务的新船,远望一号和远望二号船是老船,执行完此次任务后就要退役。因此,此次神舟七号任务“老中青”三代测量船共同参试,在测量船的使用规模上创造出了空前的纪录。

  另外,参加任务的测控站,国内部分基本不变,仍为5个固定测控站,两个活动测控站,但是,位于主着陆场的活动测控站将首次为测控通信系统提供支持,承担伴飞卫星的测控通信任务。国外的测控站则在神五、神六时使用的纳比米亚站、马林迪站和卡拉奇站的基础上,增加了一个智利的圣地亚哥站。

  参加任务的三个中心的设备技术状态改变也较大。为了更好地完成神舟七号飞船的测控通信任务,测控通信系统除了对一些光学、雷达设备进行技术改造之外,对东风、西安和北京三个中心也做了大量改进,尤其是北京中心,进行了计算机系统软硬件的全面升级。东风中心的支线系统进行了换代,西安中心在前期其他卫星任务中也做了相应改造。

  总体方案为神舟七号航天员出舱提供坚强保障

  神舟七号飞船发射升空,是我国载人航天工程二步一阶段的第一次任务,具有承上启下的里程碑意义。此次任务与神舟五号、神舟六号飞船相比有两大显著不同点,一是航天员的出舱行走,一是伴飞卫星的释放。这两点既是此次飞行任务的亮点,同时,也是测控通信保障的难点。

  在以前的航天任务中,测量或通信偶尔有些间断对整个任务不会是致命的影响,但这次航天员出舱的短短30分钟时间里,必须非常可靠地保证完成测量控制和通信这些功能。

  载人航天工程总体对测控通信系统提出的要求是要保证对神舟七号飞船连续三十分钟的测控通信弧段覆盖,以确保航天员在出舱前的准备阶段、实施阶段和返回阶段能够跟地面和飞船之间保持畅通的通信联络,经过总体人员的努力,预计可以达到四十七分钟的连续覆盖。

  在外行人看来,也许觉得三十分钟和四十七分钟相比并没有很大的差别,但是,如果他知道一条远洋测量船对这样一个轨道的有效覆盖段落也就是六到七分钟的时间,那他就会明白这两个数字所包含的含意究竟有多么不同了。

  为了保证四十七分钟的覆盖,系统动用了五条船,国外四个站,国内七个站,前后衔接,顺次接力才实现这个目标。尽管通过各种办法在方案上实现了连续覆盖,但就每一个点来说,仍然只能是一台设备、一套系统、一个站、一条船,难以备份,能否确保可靠,对系统总体人员来说仍然是很大的压力。

  还有将要释放一颗伴飞小卫星,能否成功测控这颗小卫星对于我国将来进一步发展空间站和空间试验室技术具有非常重要的意义。未来要建设在空间长期驻留的航天设施,就涉及到诊断、维修和维护一系列问题,释放小卫星围绕空间站飞行,可以用星上的成像设备拍摄它外部的细节,供地面指挥中心对航天器进行诊断。

  就技术层面而言,要保证伴星、飞船以及留轨舱相互之间不会发生碰撞,必须精确地完成对它们飞行轨道的测量与控制,这就牵涉到多目标测控的课题。多目标测控在我国的载人航天任务中是第一次遇到,尤其困难的是留轨舱这次改成气闸舱后上面没有安装应答机等合作目标,只能采用非合作方式进行测量。

  经过两年的刻苦攻关,科技人员最终找到了解决问题的办法,通过利用我国的光电望远镜、反射式脉冲雷达共同解决了非合作方式的测量难题,实现了多目标的测量控制和管理。

(责编:顾爽(实习))
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