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2008年9月25日21时10分,随着指挥员一声“点火”令下,凝聚着我国无数科技工作者的聪明智慧和辛勤汗水的神舟七号载人飞船进入太空。在顺利完成了航天员出舱等一系列创举后,9月28日17时37分,返回舱成功着陆。
神七的成功不仅标志着我国的航天科技水平已经迈上一个新台阶,也让为之奋斗多年的IT人终于长出了一口气——事实证明,我们自主研发的测控通信系统完全能够胜任这种高精尖的复杂应用考验。
看不见的风筝线
神舟七号载人航天飞行无疑是个复杂的系统工程,其中包括七大系统:航天员系统、空间应用系统、载人飞船系统、运载火箭系统、发射场系统、测控通信系统、着陆场系统。
当国家领导人与航天员进行实时视频通话时,当航天员出舱活动的图像一帧帧传送到飞控中心的大屏幕上时,当飞船按照指令进行一系列姿态调整时,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。
北京跟踪与通信技术研究所是我国载人航天工程测控通信系统的总体设计单位,于志坚是这一系统的总设计师。“测控通信系统是对火箭、飞船飞行状态进行跟踪测量并控制其运动和工作状态的专用系统。此次神七飞行,我们在原有卫星测控通信网的基础上,研制建设了符合国际标准体制的S波段统一测控通信设备,形成了由地面测控站、海上测量船及中继卫星组成的载人航天测控网。”于志坚表示,“如果把飞船看作放飞太空的风筝,那航天测控网就是牵住风筝的那根长线。”
天地沟通的桥梁
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。该系统的重要地位由此可见一斑。
测控通信系统在航天任务中有测量和控制两大基本作用。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、携带的科学仪器,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。
实现无缝连接
大家肯定都还记得2008年9月27日中共中央总书记、国家主席胡锦涛与神七航天员的实时天地通话。这些鲜活的画面和清晰的声音,离不开强大的技术支持。负责此项任务的北京跟踪与通信技术研究所通信总体室高级工程师张兵山介绍说,天地通信中有两个非常直观的部分:话音通信和图像通信。因为能够为大家提供实时的画面和声音,因而也最为公众关注。
其实,在执行神舟一号飞行任务的时候,监控通信网就已经基本建成。通过针对后续几次任务进行的扩容改造和功能完善,他们已经建成了一个我国航天领域目前传输速率最高的通信网,形成了载人航天工程的“神经”网络,把天上地下联成了一个有机的整体。
“离开通信,系统即使拥有再先进的设备,也不能有所作为。”正如张兵山所说,在我国载人航天这一宏伟工程中,通信的地位空前重要,因为载人航天工程是一个由成千上万台套设备构成的天地互联的庞大网络系统,必须构建一个陆海空一体化的立体通信网,将测控通信系统成千上万台套的设备互联沟通成为一个真正可以实现测量、控制和通信能力的规模庞大的支持保障网络。测控通信网必须要进行全球布站,也就是说,载人航天工程的测控需要到哪里,通信就会必须要跟进到哪里。
此次载人航天飞行项目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30分钟的测控通信弧段全覆盖,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保持畅通的通信联络。
据悉,一条远洋测量船对这样一个轨道的有效覆盖段落也就是6到7分钟的时间,即为了保证有效覆盖,系统动用了5条船,国外4个站,国内7个站,进行前后衔接,才顺次接力实现这个目标。
而此次神舟七号任务,根据出舱活动海上测控任务需要,特别将以往的4船方案调整为5船方案,布阵太平洋、大西洋两大洋,其中远望一号、远望二号、远望五号、远望六号等4艘船设在太平洋,远望三号设在大西洋。这样的布阵能保证航天员出舱环节与指挥中心时刻处于连线状态,而整个活动全过程也能时刻处在地面检测范围内。
规模最大的航天测控网
于志坚介绍说,我国载人航天工程测控通信系统建立了国内至今为止规模最大、功能最全、技术最先进的航天测控网。它使用符合国际电联要求的频率标准,具备天地话音、电视图像和高速数据传输等能力,能同时为30颗以上的卫星提供测控支持服务,可满足我国中低轨道卫星、载人飞船及同步卫星早期轨道支持和定点管理等多种航天器的测控需求。
张兵山补充说:“我们采用了一些高效的压缩编码技术,在信道容量受限的情况下,利用IP技术实现了高质量的图像传输,这也是载人航天工程中首次采用这种技术完成的实时图像信息的传输。从实际应用的情况看,图像传输的质量非常高。”
神七测控通信系统示意
1958年4月,中国兴建第一个运载火箭发射场。
1970年4月24日,中国第一颗人造地球卫星东方红1号发射成功。
1975年11月26日,中国首颗返回式卫星发射成功。
1979年,远望1号航天测量船建成并投入使用。
1985年,中国正式宣布将长征系列运载火箭投入国际商业发射市场。
1990年7月16日,长征2号捆绑式火箭首次在西昌发射成功,其低轨道运载能力达9.2吨,为发射载人航天器打下了基础。
1990年10月,载着两只小白鼠和其他生物的卫星升上太空,开始了中国首次携带高等动物的空间轨道飞行试验。
1992年,中国载人飞船正式列入国家计划进行研制。
1999年11月20日、2001年1月10日、2002年3月25日、2002年12月30日,中国先后4次成功发射神舟一号至四号无人飞船。
2003年10月15日,中国成功发射第一艘载人飞船神舟五号。
2005年10月12日,中国成功发射第二艘载人飞船神舟六号,并首次进行多人多天飞行试验。