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中国航天:星舞九天“一线牵”

2019-12-04 17:51
中国航天:星舞九天“一线牵”

  中国布局“深空测控网”

天高地迥,觉宇宙之无穷。在这颗蓝色星球上,人类对浩渺无垠的宇宙充满好奇。随着现代航天科技的发展,人类对宇宙空间的探索能力日渐增强。中国嫦娥四号在奔月旅途中,将首次在月球背面着陆,讲述地球近邻不为人知的“另一面”的故事。

  测控系统是所有航天器飞行的“神经中枢”,航天器在发射段、上升段、变轨段、分离段、返回制动段等关键飞行段落都离不开测控通信支持,而航天测控水平则是航天界评价航天发展水平的重要标志

12日16时39分,飞行到距月面129公里处的嫦娥四号接到来自近40万公里外地球家园发出的制动指令,其动力达7500牛的制动发动机开始点火运行。约5分钟后,制动发动机顺利完成太空“刹车”任务后关闭。根据实时遥测数据监视判断,嫦娥四号已被月球重力捕获,顺利进入近月点约100公里的环月轨道飞行,为激动人心的月面软着陆时刻做好准备。

  中国的嫦娥三号发射前夕,正值美国大片《地心引力》在全球热映,电影中一名女宇航员因为一次太空中的意外事故与地球大后方失去了联系,不得不一个人面对宇宙的无垠和人类的孤独并想方设法回到地球。

对远在天边的嫦娥四号实施近月“刹车”制动如此精准,真让人叹为观止,再次彰显了中国航天测控取得的卓越成就。经过60多年发展,特别是改革开放40年来的不懈奋斗,中国已经形成了陆基海基天基一体、功能多样、规模适度的航天测控网。可以预期,在嫦娥四号接下来的月面软着陆和实施月面探测任务中,中国航天测控将继续以精彩高超的表现,演绎人类探月史上的经典传奇。

  电影的故事虽然虚构,但却形象地展示了现代航天中测控通信的重要“脐带”作用。

陆基:全球布点 协同指挥

  事实上,为了保障这条脐带的通畅,在中国航天向浩瀚宇宙进发的过程中,一张由海基测量船、国内陆基、海外陆基以及天链1号、2号组成的“深空测控网”正在逐渐完成。这些测控站点就好像是蜜蜂的复眼,地面工作人员通过这些“复眼”了解嫦娥三号运行、飞行等情况,落月后展开月地间的遥操作,控制月球车的行走动作,并为未来的深空测控提供支持。

向嫦娥四号发出太空“刹车”指令的是北京航天飞行控制中心。它是中国探月工程的大脑中枢,既是指挥调度中心、飞行控制中心,又是数据处理中心和信息交换中心。自“嫦娥”随长征三号乙运载火箭冲天而起、直上九霄那一刻开始,这个位于北京西郊一隅之地的机构就成为运筹帷幄之间、决胜数万数十万公里之外的“超级明星”。关注此次月面探测的世界各国民众纷纷把目光投向这里,屏气凝神倾听从这里发布的各种相关信息。

  遥操作“三大中心”

北京航天飞行控制中心成立于1996年,既是中国航天实现大发展的一大标志性成就,又是推动中国航天不断迈向世界先进水平的强大动力。22年来,该中心见证并参与了中国航天系列重大任务,特别是举世瞩目的探月工程实施过程中,北京航天飞行控制中心以堪称惊艳的飞行控制表现,保障了嫦娥一号、二号、三号任务取得圆满成功,护航嫦娥四号成功实现轨道修正和近月制动“刹车”,转入绕月轨道飞行。

  无论是嫦娥三号“落月”,还是月球车巡视勘察,都需要极为精确的测控控制技术做保障。

在距离北京航天飞行控制中心1000多公里外的秦岭深处,有一个名为“桥南”的小镇,这里是中国航天测控事业的发源地。1968年1月,中国航天人在这里开始创建航天测控基地,在条件极其艰苦的环境下,西安卫星测控中心日渐成型。特别值得一提的是,仅用不到1年,湘西、海南、南宁、昆明、喀什、胶东6个地面观测站就全面建成,形成了中国最初的卫星测控网络。西安卫星测控中心建设两年后,就以成功支撑“东方红一号”任务实施而名震全球。1984年4月,“东方红二号”成功发射,西安卫星测控中心及下辖各测控站连续奋战8昼夜,将该卫星定点成功。

  航天专家庞之浩告诉《中国新闻周刊》,本次任务是中国首次在地外天体实施软着陆探测,任务技术状态之新、飞控技术难度之大均前所未有。

在半个世纪发展历程中,西安卫星测控中心圆满完成了300多次重大科研和试验任务,在中国航天事业发展历史上,特别是在载人航天工程系列任务实施和北斗导航卫星系统建设过程中,写下浓墨重彩的一笔。与此同时,中国航天测控站建设不断取得突破,不仅大幅拓展在国内的布点,而且在巴基斯坦、肯尼亚、纳米比亚、智利、瑞典等国成功落地。

  据北京航天飞行控制中心总工程师周建亮介绍,此次任务飞控工作有“三高”:技术状态全新,处置能力要求高;遥操作约束复杂,飞行控制精度高;系统交互多,着陆器和巡视器两器协同程度高。针对这些难点,北京航天飞行控制中心先后突破了高精度月面视觉定位、月面巡视动态任务规划、巡视器路径规划与行走控制等六大关键技术。

海基:多船联动 移动跟踪

  这些技术和任务最终都需要来自地面的指挥,因而建设一张能够实施精确测控的深空测控网必不可少。

嫦娥四号发射10多分钟后,信号被在某海域的远望三号测量船顺利捕捉并进行跟踪遥测。约4分钟后,在距离其1100多海里外的远望七号测量船接过测控“接力棒”,继续进行跟踪遥测,准确计算相关数据并向北京航天飞行控制中心发送飞行入轨结果。至此,入轨段火箭飞行姿态及相关数据和嫦娥四号相关数据测控任务圆满完成。

  据了解,嫦娥一号共使用了6个国内测控站,以及南美、欧洲、大洋洲等海外监测站,加上海上移动的两艘远望号测控船,观测嫦娥一号的“复眼”达到十余只。

人们从新闻中可以发现,远望号测量船在大洋上进行海基测控,是中国实施航天任务特别是诸如载人航天工程和探月工程等重大航天任务的标配。的确,鉴于地球超过七成面积被大洋覆盖,海基测控是实现全天候、不间断数据计算与跟踪测量控制的必要前提。为此,中国打造了一支可靠过硬的远望号舰队。这支舰队在改革开放进程中不断发展壮大。

  嫦娥二号发射时中国已经具备了由13个测控站组成的庞大、先进的航天测控通信网。这些测控系统包括3个中心、3条测量船、6个位于国内的测控站、1个建于国外的测控站、4个天文观测站及1个国际联网测控站。

作为中国第一代综合性航天远洋测控船,远望一号于1978年交付使用,是中国航天远洋测控事业的先驱,主要担负卫星、飞船和火箭飞行器全程飞行试验测量和控制任务。1980年5月,该船赴南太平洋执行中国第一枚远程运载火箭试验任务,快速、准确捕获目标并成功打捞出数据舱。1984年,该船对中国第一颗同步通讯卫星全程进行跟踪测量。之后,该船完成或者参与完成了亚洲一号卫星、多艘神舟飞船等测控任务。截止2010年光荣退役,远望一号共圆满完成远程运载火箭、气象卫星、载人飞船等57次国家级重大科研试验任务,赢得“海上科学城”美誉。

  “嫦娥二号是嫦娥三号的先导星,承担着为嫦娥三号月面软着陆验证部分关键技术,特别是首次试验X频段深空测控技术。”庞之浩解释说,X频段深空测控试验的成功实施将使无线电传输信号频率大大提高,远距离测控通信效果更好、测量精度更准、信息容量更大,是中国迈向深空探测的重要一步。

2016年7月12日,中国第三代航天远洋测量船远望七号正式入列中国卫星海上测控部。其满载排水量近3万吨,可抗12级台风,自给力100天,能在太平洋、印度洋、大西洋南北纬60度以内的海域执行任务。它的入列,标志着中国航天远洋测控事业发展迎来新机遇,航天远洋测控能力实现了新跨越。远望七号入列仅12天之后就投入首次实战,远征太平洋,执行中国卫星移动通信系统首发星天通一号01星海上测控任务。25天后,首战告捷荣归。至此,中国自主建成了一支适应自身航天发展的海上移动测控力量。

  据了解,嫦娥三号使用地面测控系统更加先进和全面。包括启用多处天文台配合地面测控。整个测控网络的核心是位于国内的三大中心,即西昌卫星发射中心、北京航天飞行控制中心和西安卫星测控中心。它们有不同分工,分别侧重不同的测控任务。

天基:居高临下 中继接力

  西安卫星测控中心负责对分布在国内外的多个测控站、船、中继卫星组成的测控网实施管理。

嫦娥四号之所以格外引人注目,在很大程度上是因为其软着陆和探测的区域为人类探测器从来也没有达到过的月球背面。创造探月历史也意味着空前的难度,而实现地月超远距离测控当属其中之最。为此,中国在今年5月发射了先导中继卫星鹊桥并使其停靠在地月引力平衡点即拉格朗日L2点附近,进入环绕L2点的使命轨道,为即将到来的嫦娥四号月背软着陆和探测架设太空通讯链路。

  北京航天飞行控制中心是航天飞行器任务的飞行控制和遥操作中心,也是嫦娥三号任务全过程的指挥控制神经中枢,是所有测控信息的集散地。嫦娥三号在奔月之路上的各阶段数据注入与指挥控制,均与这个中心的指挥控制息息相关。

“鹊桥”号是中国首颗,也是世界首颗运行于地月拉格朗日L2点的通信卫星,作为数据中转站,它能实时把在月球背面着陆的嫦娥四号探测器发出的数据第一时间传回地球,具有重大的科学与工程意义,也是人类探索宇宙深空的一次有力尝试。实际上,以航天器在地月拉格朗日L2点实现对地月中继通信就是嫦娥四号的科学任务之一。由此可见,成功搭建“鹊桥”既是嫦娥四号得以完成科学任务的必要前提条件,又是嫦娥四号整体科学任务要实现的一大目标。随着嫦娥四号任务的实施进展,“鹊桥”搭建的通信链路即将投入实战,让我们拭目以待其精彩的表现。

  西昌卫星发射中心则主要担负发射时对火箭的测控任务,接收记录北京中心转发的卫星遥测数据并提供给卫星系统。准确判断运载火箭飞行状态,在发生故障、情况危急时立即正确分析情况并做出相应决策,保证发射段火箭与卫星的安全。

如果说“鹊桥”是一类特殊的中继卫星,为嫦娥四号量身定制,那么中国天链卫星系统则是进行航天测控的通用航天基础设施。中继卫星被称为“卫星的卫星”,是一种特殊的通信卫星,相当于把地面测控站升高到地球静止卫星的轨道高度,在天上“居高临下”观测近地空间内运行的航天器,由于其在地球同步静止轨道上运行,既能直视中、低轨道航天器,又能直视地面站,是沟通航天器与地面站的理想桥梁,高高在上的天基运行使其比地基航天测控站和海基测控船优势大增。

  “深空测控网”

自2008年天链一号中继卫星系统首发星升空到2016年底,中国实现了天链一号4星全球组网。在其后实施的神舟十一号飞船和天宫二号空间实验室飞行等任务中,得益于天链一号中继卫星系统,实现了中国载人航天的一系列重大突破:航天员与地面完成“天地通话”,首次实现“天地双向视频通话”,首次实现航天员与地面同步收看电视直播并且画面、语音清晰流畅。

  测控系统是所有航天器飞行的“神经中枢”,航天器在发射段、上升段、变轨段、分离段、返回制动段等关键飞行段落都离不开测控通信支持。而航天测控水平则是一个国家航天发展水平的重要标志,因此,中国一直在努力完善自己的测控通信网。

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  航天测控网一般由航天控制中心、分布在世界各地的若干航天测控站、海上测量船以及空中空间测控平台组成。测控站按其分布,有陆上测控站、海上测量船、空中测量飞机和跟踪与数据中继卫星四大类。

  中国从1967年开始建设自己的航天测控网,2011年神舟八号发射前,航天测控通信网进行了全面升级,由专线体制升级到网络体制,并与中继卫星系统共同参与测控组网。

  与嫦娥一号、二号不同,嫦娥三号任务的重点和难点是“两器协同控制与巡视器的遥操作”。对于应急处置能力、飞行控制精度和天地协同控制提出了更高的要求。

  为此,在三大中心之外,嫦娥三号还启用了经过改扩建的佳木斯测控站,该测控站新安装了64米口径测控天线,并同时具备三个频段通信测控功能。与已拥有35米口径测控天线的新疆喀什测控站共同构成一个深空测控网,并与三亚新型测控站形成中国航天陆基测控网“大三角”布局。

  为了提高测控精度,嫦娥三号还启用了多处天文台配合地面测控。包括云南昆明40米口径和北京密云50米口径射电望远镜,以及中科院上海天文台刚建成的65米口径射电望远镜,为嫦娥三号任务提供精确测控保障。

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