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 专家详解首次交会对接测控系统 

测控总设计师钱卫平:高风险怎样实现高可靠?

本报记者  余建斌

2011年11月03日06:09    来源:人民网-《人民日报》     手机看新闻分享到

  制图:宋 嵩
  资料来源:中国卫星海上测控部

  交会对接任务,重点在飞控,关键在飞控,难点也在飞控——测控通信系统要控制一个全新的航天器天宫一号,第一次实施高密度、高精度的频繁轨道控制,第一次实施真正意义上的双目标协同飞控。

  挑战何在?难点何在?载人航天工程测控通信系统总设计师钱卫平接受本报记者专访。

  

  测控系统贯穿交会对接全过程

  记者:测控通信系统在交会对接中扮演什么角色?

  钱卫平:测控系统是载人航天工程八大系统之一,主要承担运载火箭、天宫一号目标飞行器、神舟八号飞船从发射到在轨运行、交会对接、组合运行,直至最后飞船返回地球全过程的参数测量和控制,完成对飞行器状态的监视和对飞行器的所有在轨的飞行控制。

  “准确进入轨道,精确交会对接,稳定组合运行,安全撤离返回”,是对这次交会对接全过程的描述,测控系统的作用贯穿始终。

  由于交会对接的特殊使命,我们要实现比以往更加精确的轨道测量和预报。此外,为了未来建设空间站,实现长期有人在轨驻守的目标,我们还要建立新的飞行控制模式。

  记者:就此次交会对接任务而言,测控系统具备什么特点?

  钱卫平:有五大特点:第一个特点是实现双目标自主可靠测控。从神一到神七,主要是对一艘飞船进行测量和控制,这次同时实现对天宫一号和神舟八号两个目标的精确测控和自主管理。

  第二个特点是要支持实现交会对接这个载人航天新任务。交会对接过程中,需要给两个目标提供精确的轨道数据,特别是要给在后面追赶的神舟八号提供天宫一号的精确轨道,这也就是所谓“远距离导引”任务——通过数次飞行控制,确保神舟八号准确进入到能满足飞船和目标飞行器自主交会的范围内。

  第三个特点是此次飞行控制密度和难度前所未有。对神八远距离导引过程中,在20多圈飞行中要实现多次变轨控制。在实现交会对接后,还要控制组合体的运行。

  以前是对一个8吨重的飞行目标进行控制,这次是对两个8吨多重的目标组成的一个更大目标进行控制,跟以前有很大的不同。

  第四个特点是要实现安全运行。我们把空间碎片的监测预警、碰撞规避正式纳入到测控任务当中。

  第五个特点是高可靠和高覆盖。实现交会对接以及对将来有人长期在轨活动的支持,都需要非常高的可靠性,需要我们提供不间断的、长期的测量控制和通信服务。

  几百公里高度的浩瀚太空中,预报精度要达到几百米

  记者:这次测控通信面临的难点和风险在哪里?

  钱卫平:一是技术跨度大。交会对接及后续空间站任务需要我们掌握多目标协同飞控,高精度远距离导引,以及未来空间站在轨对接组装等一系列关键技术,飞控的技术跨度非常大,难度非常高。

  二是飞控精度要求高,且环环相扣。在首次交会对接过程中,最短的控制间隔仅3圈,需要完成目标飞行器的调相控制和飞船远距离导引控制,控制的过程非常复杂,风险大,对控制技术精度提出了极高的要求。

  三是故障及应急模式复杂。首次交会对接任务的应急模式多达472种,应急决策处置的时间也非常紧。在自主导引段,在神舟八号距离天宫一号5公里、400米、140米、30米时,分别要进行几分钟的停泊,地面测控系统要在这个停泊时间内决定是否继续实施对接。

  此外,交会对接过程中由于两目标相对距离很近,发生碰撞的风险概率高。一旦有风险,地面需要快速决策,并实施应急的规避控制。地面这种实时准确判断各系统的工作状态,并快速决策处置的能力,直接影响任务的成败。

  记者:您最担心的风险是什么?

  钱卫平:对测控系统来说,压力特别大的是远距离导引。神舟八号抵达天宫一号下后方52公里这个位置,需要测控系统来不断引导和调整神舟八号的轨道,而且这个过程时间非常紧。

  重要的是,对一个在轨飞行的航天器来说,测控系统必须要把轨道测准,并预报若干小时以后的轨道。对我们来说,几百公里高的浩瀚太空中,要达到几百米的预报精度太难了。

  记者:针对这些风险,有哪些测控方面的创新与突破?

  钱卫平:应该说,我们做了大量的工作,其中短弧段的定轨精度是一个很大的突破。所谓短弧段就是利用比较少的数据精确地确定轨道。

  这次交会对接任务,由于一天内要进行多次飞行控制,而且每次控制的时间间隔很短,这样需要在有限的时间内利用有限的数据,精确地确定轨道。为此,我们做了大量的工作。

  另外,我们利用“陆基、海基、天基”联合的测控通信系统来完成交会对接段的任务。陆上测控站、海上航天测量船、天上的中继卫星,互相传递着测控的接力棒。

  测控覆盖率已跨越提升至70%

  记者:在神舟八号和天宫一号自主交会对接阶段,测控系统是不是可以暂时“休息”?

  钱卫平:实际上,我们测控通信系统无处不在。交会对接整个过程,所有的轨道参数和飞行器的工作状态,都需要通过测控系统的测量、传输处理,显示给指挥人员。

  自主交会对接过程中间有停泊段,判断飞行器当时的状态适应不适应继续进行交会对接。这时,获得信息和进行判断,都由测控通信系统来完成。

  实际上,飞行器的自主交会,是指相对距离、速度等控制量是由它自主计算,然后实施控制。但飞船所有的工作程序都是由地面测控系统事先按计划注入。一旦自主控制超时,飞船就失去自主能力,地面就要干预。

  这对天地协同的应急控制带来考验,如果出现问题,天地计划要实时更新,并且要在最短的时间内完成。

  记者:天链卫星的正式“加盟”带来了什么?

  钱卫平:由于天链一号01星和02星的加入,我国第一次正式有了一个比较完整的“天基、地基、海基”联合的测控通信系统,来执行这样一个重大航天任务。我们的测控覆盖率从原来的百分之十几提高到了70%,这是一个比较大的跨越。

  神七执行出舱任务时,我们只有40分钟的测控弧段。也就是说,航天员如果40分钟内出不了舱,就出了我们测控系统的控制区域。之后即使他出了舱,全国人民也不会看到他出舱的情景,不会看到五星红旗飘扬的场景。

  现在70%的覆盖率,意味着我们可以把所有的重要活动全部安排在这些弧段里完成,大大提高了对航天任务的支持能力——这是我们搞测控的人几十年梦寐以求的。

(责任编辑:马丽)

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