□ 本刊特約記者 林利栓 李筱梅

在神舟八號(hào)飛船與天宮一號(hào)的交會(huì)對(duì)接任務(wù)中，其動(dòng)作主要依靠測(cè)控通信系統(tǒng)來(lái)實(shí)施與完成。要實(shí)現(xiàn)距地面343千米高空軌道中高速運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)飛行器安全對(duì)接，測(cè)控通信系統(tǒng)面臨哪些難點(diǎn)？

中國(guó)載人航天工程測(cè)控通信系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師謝京穩(wěn)在接受記者采訪時(shí)介紹了測(cè)控通信系統(tǒng)面臨多項(xiàng)難題：

①軌道控制精度要求高，使中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性面臨挑戰(zhàn)。由于存在多次變軌，且變軌之間的間隔圈次只有3～5圈，短時(shí)間里要對(duì)變軌情況進(jìn)行精確計(jì)算，根據(jù)軌道參數(shù)計(jì)算出下一次變軌的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，再把這些數(shù)據(jù)發(fā)送到飛船上，進(jìn)行下一次軌道控制，不容許出現(xiàn)任何閃失。而軌道測(cè)量精度是與測(cè)量時(shí)間成正比的，測(cè)的時(shí)間越長(zhǎng)，測(cè)量精度就越高，時(shí)間越短，精度就越低。

②測(cè)控通信系統(tǒng)首次對(duì)太空中兩個(gè)目標(biāo)同時(shí)進(jìn)行管理，缺乏應(yīng)對(duì)意外情況的經(jīng)驗(yàn)。此次交會(huì)對(duì)接任務(wù)，是中國(guó)首次對(duì)太空中飛行的兩個(gè)目標(biāo)同時(shí)進(jìn)行管理，一方面要對(duì)一個(gè)獨(dú)立的目標(biāo)控制好，另一方面要搞好兩個(gè)目標(biāo)的協(xié)同性，同時(shí)協(xié)調(diào)好天地基的測(cè)控資源對(duì)它們進(jìn)行跟蹤測(cè)控管理，在應(yīng)對(duì)一些意外情況時(shí)將會(huì)面臨經(jīng)驗(yàn)缺乏的難題。

③空間碎片對(duì)飛行器安全構(gòu)成威脅，做好對(duì)空間碎片的預(yù)警和規(guī)避存在一定困難。目前，太空中的空間碎片問(wèn)題，對(duì)航天飛行器的安全構(gòu)成了較大威脅，已經(jīng)成為世界各航天大國(guó)關(guān)注的一個(gè)重要問(wèn)題。測(cè)控通信系統(tǒng)做了大量工作，對(duì)一些較大尺寸的碎片可以做到及時(shí)預(yù)警，但對(duì)較小空間碎片如何有效監(jiān)控，以確保飛行器的安全，還是一大挑戰(zhàn)。

④任務(wù)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定性與可靠性提出嚴(yán)峻考驗(yàn)。以往的神舟飛船任務(wù)只有3～5天，最多7天就能結(jié)束。而從天宮一號(hào)發(fā)射到交會(huì)對(duì)接任務(wù)結(jié)束，共持續(xù)兩個(gè)多月。時(shí)間的延長(zhǎng)，對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性是個(gè)很大的挑戰(zhàn)。尤其是目前這套系統(tǒng)是全新的，地面設(shè)備、地面網(wǎng)、協(xié)議很多都是新的。在一些關(guān)鍵弧段，對(duì)于遍布全球、多達(dá)數(shù)千臺(tái)套的測(cè)控設(shè)備來(lái)說(shuō)，很難保證一個(gè)地方都不出問(wèn)題。

⑤太陽(yáng)活動(dòng)峰年的來(lái)臨，對(duì)測(cè)控通信鏈路和定軌預(yù)報(bào)精度帶來(lái)潛在影響。交會(huì)對(duì)接任務(wù)時(shí)，正值第24個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)峰年的來(lái)臨，據(jù)世界各國(guó)科研機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，2011年可能出現(xiàn)個(gè)別較大太陽(yáng)風(fēng)暴。太陽(yáng)風(fēng)暴會(huì)使大氣密度模型誤差增大，對(duì)定軌預(yù)報(bào)精度產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時(shí)還將導(dǎo)致測(cè)控鏈路中斷、電子設(shè)備失效。目前，國(guó)際上關(guān)于太陽(yáng)活動(dòng)的預(yù)報(bào)只限于“有沒(méi)有”，但具體強(qiáng)度有多大，預(yù)報(bào)不了。

⑥交會(huì)對(duì)接及后續(xù)載人航天任務(wù)，對(duì)測(cè)控通信系統(tǒng)如何提高軟性實(shí)力，發(fā)揮最大效能提出了挑戰(zhàn)。以載人航天需求為主建設(shè)起來(lái)的測(cè)控通信系統(tǒng)發(fā)展到目前這個(gè)階段，從硬件上來(lái)說(shuō)，已經(jīng)達(dá)到了世界領(lǐng)先水平，沒(méi)有太大的發(fā)展空間，關(guān)鍵考驗(yàn)的是軟性實(shí)力，比如系統(tǒng)的效率、精度、可靠性和穩(wěn)定性等，這是載人航天工程及其他重點(diǎn)航天項(xiàng)目今后對(duì)測(cè)控通信系統(tǒng)提出的最大的挑戰(zhàn)。

為何要設(shè)4個(gè)停泊點(diǎn)？

遠(yuǎn)望號(hào)海上測(cè)量船

神舟八號(hào)飛船與天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器的首次交會(huì)對(duì)接進(jìn)入自主導(dǎo)引段后，從5千米、400米、140米到30米，前后共設(shè)置了4個(gè)停泊點(diǎn)，神舟八號(hào)在每一個(gè)停泊點(diǎn)都要做短暫的停留。那么，為何要設(shè)置這4個(gè)停泊點(diǎn)？

北京跟蹤與通信技術(shù)研究所的青年航天測(cè)控專家王瑞軍說(shuō)：“之所以設(shè)置這4個(gè)停泊點(diǎn)，其目的就是為了降低風(fēng)險(xiǎn)。每一個(gè)停泊點(diǎn)的設(shè)置都為判斷兩個(gè)飛行器的運(yùn)行狀況留出了時(shí)間，只有一切正常才往下一步走，可以最大限度地降低風(fēng)險(xiǎn)。

“因?yàn)檫@是第一次實(shí)施空間交會(huì)對(duì)接，所以非常謹(jǐn)慎，像俄羅斯現(xiàn)在就沒(méi)有這樣復(fù)雜的過(guò)程。美國(guó)在對(duì)接時(shí)也有停泊的過(guò)程，但不像我們有這樣多的環(huán)節(jié)。我們首先要確保兩個(gè)飛行器的安全。

“在這4個(gè)停泊點(diǎn)中，5千米處的停泊是最重要的一個(gè)，這是一個(gè)相對(duì)安全的距離。再一個(gè)是最后30米的這個(gè)停泊點(diǎn)，也很關(guān)鍵，就像踢足球時(shí)的臨門(mén)一腳。通過(guò)多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)工作，硬把兩個(gè)飛行器拉過(guò)來(lái)，接合到一起，這個(gè)點(diǎn)應(yīng)該說(shuō)是技術(shù)含量最高的。”

“在經(jīng)過(guò)了4次停泊之后，在東風(fēng)站的上空，神舟八號(hào)飛船與天宮一號(hào)開(kāi)始接觸，直到在太平洋中部遠(yuǎn)望三號(hào)測(cè)量船的上空鎖緊。這中間還有一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，像自主測(cè)量、自主導(dǎo)航和計(jì)算等，對(duì)接機(jī)構(gòu)要鎖緊，鎖緊后，自主交會(huì)對(duì)接的相關(guān)設(shè)備要關(guān)機(jī)，像激光雷達(dá)、微波雷達(dá)、空空通信機(jī)、自主計(jì)算程序等。之后神舟八號(hào)還要在天宮一號(hào)的控制下進(jìn)行組合飛行。”

王瑞軍介紹說(shuō)，在對(duì)接之前的一段時(shí)間里，兩個(gè)飛行器都處于失控狀態(tài)，鎖緊之后，天宮一號(hào)要啟動(dòng)控制程序，消除之前軌道運(yùn)行的偏差，保持飛行姿態(tài)，同時(shí)，停止一些設(shè)備的運(yùn)行。在第12天時(shí)，還要進(jìn)行第二次交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)。對(duì)接后組合體再飛行兩天，然后，再分離，神舟八號(hào)撤離天宮一號(hào)，啟動(dòng)返回著陸場(chǎng)的程序。天宮一號(hào)則進(jìn)行升軌控制，進(jìn)入自主運(yùn)行。

地面測(cè)控中心

碰撞預(yù)警：為天宮和神舟當(dāng)好“太空警衛(wèi)”

為天宮一號(hào)和神舟八號(hào)當(dāng)好“太空警衛(wèi)”，是碰撞預(yù)警工作的使命。與以往載人航天飛行任務(wù)相比，交會(huì)對(duì)接任務(wù)具有任務(wù)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、頻繁變軌機(jī)動(dòng)、多目標(biāo)聯(lián)合碰撞預(yù)警、時(shí)效性要求更高、空間態(tài)勢(shì)更加復(fù)雜等特點(diǎn)。為確保天宮和神舟在軌運(yùn)行期間絕對(duì)安全，首次將空間碎片的預(yù)警及規(guī)避工作納入測(cè)控通信系統(tǒng)工作范圍，碰撞預(yù)警團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)深入分析、充分論證，提出一套具有中國(guó)特色的碰撞預(yù)警判據(jù)與門(mén)限規(guī)范，采用接近距離與碰撞概率結(jié)合判決的方式，按照威脅程度設(shè)置黃色門(mén)限與紅色門(mén)限，保證在交會(huì)對(duì)接任務(wù)期間，既不漏報(bào)高碰撞風(fēng)險(xiǎn)接近事件，也避免了頻繁發(fā)出虛警信息，干擾交會(huì)對(duì)接任務(wù)正常執(zhí)行。他們還針對(duì)任務(wù)特點(diǎn)，首次建立了飛控中心與預(yù)警中心的高效互動(dòng)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了碰撞預(yù)警分析中心與北京航天飛控中心之間目標(biāo)軌道信息、空間態(tài)勢(shì)信息、碰撞預(yù)警信息、避碰軌控策略等信息的實(shí)時(shí)交互。

為確保預(yù)警工作的順利實(shí)施，持續(xù)開(kāi)展了相關(guān)目標(biāo)普查、潛在危險(xiǎn)目標(biāo)篩選等一系列技術(shù)準(zhǔn)備，自主建立了潛在危險(xiǎn)目標(biāo)的編目軌道，有力地保證了天宮和神舟在太空安全暢游。

隨著人類航天活動(dòng)的廣泛開(kāi)展，環(huán)繞地球軌道的空間目標(biāo)（包括航天器、箭體殘骸以及空間碎片）數(shù)量呈不斷增加的趨勢(shì)，空間目標(biāo)相互之間發(fā)生直接碰撞的事情時(shí)有發(fā)生。由于空間目標(biāo)的高速運(yùn)動(dòng)，尺度在厘米量級(jí)碎片的撞擊，就將對(duì)航天器造成致命性的損傷，空間碰撞已經(jīng)成為航天器安全的重要威脅之一，及時(shí)對(duì)重要航天器可能發(fā)生的空間碰撞發(fā)出碰撞預(yù)警，是避免空間碰撞的重要措施。

上個(gè)世紀(jì)80年代至90年代開(kāi)始，美國(guó)就把碰撞預(yù)警和碰撞規(guī)避納入航天飛機(jī)、國(guó)際空間站飛行管理程序，并在國(guó)際空間站/航天飛機(jī)飛行過(guò)程中，多次為躲避空間碰撞威脅，進(jìn)行過(guò)機(jī)動(dòng)規(guī)避操作。目前，航天器碰撞預(yù)警正受到國(guó)際社會(huì)越來(lái)越廣泛的關(guān)注，2009年2月美國(guó)銥星與俄羅斯衛(wèi)星的碰撞事件，進(jìn)一步凸顯出空間目標(biāo)碰撞預(yù)警的重要性，世界各航天大國(guó)都在積極發(fā)展本國(guó)空間碰撞預(yù)警與規(guī)避技術(shù)，并持續(xù)開(kāi)展相關(guān)預(yù)警工作。

根據(jù)中國(guó)載人航天工程建設(shè)發(fā)展目標(biāo)，從2011年開(kāi)始，中國(guó)將逐步實(shí)施交會(huì)對(duì)接、空間實(shí)驗(yàn)室以及載人空間站等任務(wù)，相比一期工程的單艘飛船任務(wù)，控制更加復(fù)雜、實(shí)施難度更大，特別是目標(biāo)飛行器、空間實(shí)驗(yàn)室、空間站等航天器將保持長(zhǎng)期在軌飛行，受空間目標(biāo)碰撞的威脅大大增加，這些都對(duì)空間目標(biāo)碰撞預(yù)警提出了新的、更高的要求。

為何要對(duì)神舟八號(hào)實(shí)施5次軌道控制？

神舟八號(hào)飛船發(fā)射升空后，在與天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器交會(huì)對(duì)接前，要經(jīng)歷5次軌道控制，實(shí)施遠(yuǎn)距離導(dǎo)引，最終處于天宮一號(hào)后下方約52千米處。這一測(cè)控方案究竟是如何設(shè)計(jì)，又是怎樣實(shí)施的呢？中國(guó)載人航天工程測(cè)控通信系統(tǒng)上升段主任設(shè)計(jì)師盧立常對(duì)此給出了具體答案。

盧立常解釋說(shuō)，神舟八號(hào)飛船發(fā)射的窗口時(shí)間是根據(jù)天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器的運(yùn)行軌道參數(shù)來(lái)決定的。在神舟八號(hào)發(fā)射之前，地面飛控中心先要對(duì)天宮一號(hào)實(shí)施調(diào)相控制，使它進(jìn)入距地面343千米的圓軌道等待神舟八號(hào)飛船。飛船發(fā)射前一天，通過(guò)地面飛控中心的控制，使天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器的姿態(tài)調(diào)整為尾部發(fā)動(dòng)機(jī)朝前，對(duì)接機(jī)構(gòu)朝后，迎接從后面追上來(lái)的神舟八號(hào)飛船。

據(jù)介紹，神舟八號(hào)飛船發(fā)射升空后，之所以要實(shí)施遠(yuǎn)距離導(dǎo)引，其目的就是為了以合理的位置和速度來(lái)與天宮一號(hào)實(shí)施交會(huì)對(duì)接。在這一導(dǎo)引過(guò)程中，要通過(guò)不斷調(diào)整，讓神舟八號(hào)飛船與天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器處于相同的軌道面，達(dá)到同心共圓的目的。然后才能使其以相對(duì)合理的相對(duì)速度，保證交會(huì)對(duì)接的正常進(jìn)行。

“有一點(diǎn)需要指出的是，調(diào)整到合理的位置后，在實(shí)施交會(huì)對(duì)接時(shí)，一定要保證使其處于一個(gè)相對(duì)可測(cè)控時(shí)間較長(zhǎng)的弧段來(lái)進(jìn)行?！北R立常說(shuō)，“正是綜合考慮到這些因素和要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了對(duì)神舟八號(hào)飛船5次變軌的方案。第一次變軌是第5圈的遠(yuǎn)地點(diǎn)變軌，抬升軌道高度，之后是第13圈調(diào)整軌道傾角，第16圈近地點(diǎn)變軌抬高遠(yuǎn)地點(diǎn)，第16圈變軌是將前幾次的誤差進(jìn)行一次綜合修正，第5次變軌是為進(jìn)一步圓化軌道。通過(guò)這5次軌道控制，最終使飛船滿足與天宮一號(hào)進(jìn)行對(duì)接的各項(xiàng)要求。至此，就完成了地面導(dǎo)引階段，在智利圣地亞哥站上空切換到神舟八號(hào)的自主導(dǎo)引階段。”