作者:高长安 庄芳 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2016/10/17 8:52:35
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中国电科54所精准测控当“红娘”来“领路”
天宫二号与神舟十一号将温柔拥吻

 

本报记者 高长安 通讯员 庄芳

10月17日,神舟十一号搭载着两名宇航员,被长征火箭送往太空。神州飞船成功进入预定轨道后,接下来就要完成与天宫二号的“太空之约”——交会对接。

“交会对接成功后,天宫二号与神州十一号组合体将在太空运行30天,完成为期一月的太空试验,然后两者分离,航天员乘坐返回舱,在着陆场重返地面。这将是我国迄今为止时间最长的载人飞行。”10月16日下午,中国电科54所所长涂天杰在接受《中国科学报》记者采访时介绍, 54所研制的通信测控系统将在神舟十一号发射段、神舟飞船与天宫交会对接段、组合体在轨运行段、返回舱着陆搜索救援段的全过程,发挥重要的通信和测控作用,为指挥员决策,为测量控制飞行器安全运行,为宇航员与地面指挥中心的天地双向沟通,提供坚实的保障。

安控系统:为宇航员生命安全系上“保险绳”

相比天宫二号, 54所参与神舟十一号飞船发射任务的安控系统增加了很重要的功能:在保障飞行安全的同时,还要确保宇航员的生命安全。“安全遥控设备是载人航天工程的最后一道安全屏障,在紧急情况下,它可以发送逃逸指令,帮助宇航员安全逃逸,为宇航员生命安全提供万无一失的保障。”该系统负责人张新社说。

据介绍,安控系统会实时向通信测控网收集飞行器的飞行弹道、状态信息、姿态数据等进行分析处理,实时判断飞行的轨迹、速度和姿态,供指挥员判断、决策。

一旦指挥员判断发射出现问题,安控系统会发送逃逸指令,逃逸塔将载着宇航员与火箭及飞船分离,从而安全降落到地面。

“在实施安控之前,要首先确保航天员的人身安全。在确保宇航员生命无虞后,安控系统才会根据指令,启动自毁装置,从而避免对地面造成严重破坏。因此,相比天宫二号,神舟十一号任务对我们设备的安全可靠性提出了更高的要求。”54所某测控系统总师高京龙说。

交会对接:要想“对得准”,必先“测得准”

“如果把天宫二号和神舟十一号比做一对恋人,那么,神舟十一号要想在太空拥抱他的新娘,就离不开我们的通信测控系统这个红娘。”54所测控系统总师陈建民说。

飞船成功升空进入预定轨道以后,与他的新娘“天宫二号”并不在一个轨道上,他们在相距上万公里的茫茫太空,相思不“相见”。互相看不见,就无从交会对接。陈建民介绍,飞船和天宫在宇宙高速飞行,要想完成交会,测控系统需要实时对飞船进行测控。测控包括测量与控制两个方面,测量就是对两个飞行器的位置、速度、飞行姿态等进行观测分析,控制指的是对飞船的飞行姿态、轨迹、速度等进行调节。

“测得准,才能控得准。54所通信测控系统通过对天宫二号和神舟十一号进行‘精确定轨’,让他们实现‘相思并相见’。我们的统一测控系统遍布全国各测控站点以及海外站点,三颗中继卫星太空高悬,通过遥测、外测,对天宫二号和神州十一号进行远距离引导,精确控制他们进入距地393公里的对接轨道。”高京龙说。

进入对接轨道后,通过测控系统发送遥控指令,神舟十一号开始他的“追妻路”。神州十一号高速追赶天宫二号,逐渐向天宫二号逼近。测控系统要精准测量、精确控制它们的飞行速度和姿态,“才会避免高速飞行之下,相吻不会变成相撞。”高京龙说, 这一对恋人在太空完成拥吻这个高难度动作,其难度就相当于在高速飞行中完成‘用线穿针眼’。这对我们的测控能力包括测控的精度提出了极高的要求。时速28000公里的前提下,我们的测控精度稍有差池,神州飞船就会错过与他的新娘会面的机会。对接的时候,精度不准,就会导致可怕的后果。

交会对接完成后,这对组合体将在太空完成30天的太空试验。整个过程中,两个飞行器的速度要保持相对静止。

太空试验:54所通信测控系统让天地之间“面对面”

“通过我们研制的设备,可以实现音、视频图像的双向传递,让航天员和地面人员进行实时图像交互,航天员在天宫内进行操作实验时,航天飞行控制中心的专家可以通过视频对其进行指导。”陈建民说。

54所通信测控系统为天地之间提供了多条通信链路。遍布各个测控站点的统一测控系统,提供天地之间的图像传输,相比天宫一号,参加此次任务的统一测控系统又增加了话音通信的功能;天地通信系统拥有20兆带宽的通信能力,在天与地之间架起一座完整、清晰、流畅的宽带通信大桥;架设在太空36000公里的三颗中继卫星组网运行,通过我们研制的地面测控站,在天与地之间打造了一条宽带、高效、可靠的通信传输天路。

“这几条链路互为备份,各具优势。中继星站得高、看得远,覆盖范围广,但是由于距地遥远,所以相对来说传输时延也略大。”高京龙说。

分布在全国各地的测控站点,传输时延小。不过,“任何一个地面站都不可能随时与飞船构成通信链路,根据飞船的飞行轨道和地面站的布站位置不同,在飞船的某个飞行圈次,一个地面站的通信时间一般在3~8分钟之间。”54所测控系统总师耿虎军说,“在地面测控站‘可视范围’下,天地之间的通信还是优先采用地面设备。”

“航天员需要在太空呆一个月之久,除了工作,如果没有其他的娱乐方式,日子将极其难熬。我们多种通信链路在满足工作需要的同时,还有很多带宽剩余,可以让宇航员在天上看电视,上网,玩手机,甚至能够与地面的亲人实现面对面交流通话。”陈建民说。

天地之间的音视频传输都是经过编码压缩的。“不管是哪种通信链路传下的图像或话音信息,都需要通过54所研制的图像解码设备进行解码,才能还原成我们在电视上看到的画面,听到的声音。”54所卫星通信系统总师李晓芳说。

多种通信链路传输海量信息,如果一股脑传输至指挥大厅,也会非常麻烦。据悉,54所在北京建设了天地通信监控中心,所有的话音和图像数据都将传输至此,经过甄选、优选之后,传输至指挥中心的大屏幕上。指挥中心下达的各种指令,也通过该中心测算后,传送到最适合执行的测控站,执行相关命令。

返回着陆:54所为搜索救援打造更高效的通信测控手段

返回舱在返回的过程中,穿过黑幛进入大气层,54所在着陆场布设的多种测控系统就会在第一时间捕捉到目标,并测算其轨迹,预测其落点,向集结待命的搜救队伍不断提供“坐标信息”。但是,当它距地很近直到落地,测控系统就不再起作用。

飞船返回时的天气状况无法准确预测,因此返回舱的落点也无法事先估算。54所在主着陆场和副着陆场都布设了多种通信手段,保证搜救任务万无一失。为提高搜救的效率,54所为此次任务专门研制了多种类型的卫星通信设备,包括机载站、车载站、便携站、固定站等各种站型。

与以往的设备相比,新设备的传输速率更高。“拿车载站来说,它的传输速度比以往提高了5倍以上,我们叫它‘超宽带传输’。”李晓芳说。

“参加此次搜救任务的直升机指挥机上,装载了54所研制的卫星通信系统,为指挥机提供远程通信保障。接收北京飞控中心汇集的落区态势信息和指挥员的调度话音,引导直升机进行目标搜索,将直升机从空中拍摄的搜索影像实时传输到北京飞控中心,都靠这套系统。”该系统总师胡小洪说。

据介绍,与以往相比,该系统采用新一代卫星通信终端,使用了新的技术体制,数据传输更可靠、效率更高。“新技术更加有效地解决了直升机旋翼对电波遮挡造成的数据丢失问题,能够把拍摄的图像完整清晰地传输到指挥中心。”胡小洪介绍。

此外,该系统业务接入采用了新的接入方式,用IP方式接入取代了以往的电路方式接入。IP方式又称为分组方式,它将传输的各种数据拆解成一个个IP包,不再需要分辨各种数据类型,接入更加简易更加灵活。

据54所无人机数据链系统负责人袁旭猛说,有三种型号无人机将首次正式参加神州十一号返回舱的搜索救援任务。这些无人机上,安装了54所研制的数据链设备。在进行测控数据传输、控制无人机安全飞行的同时,它能提供多种摄像手段,实现侦察图像的实时传输,通过54所布设的地面站,将图像传输到地面指挥所。

无人机具有飞行高度高、视野好、全天候以及航时长的优点。三型无人机都能够达到7000米以上的飞行高度,滞空时间最长达35小时。它们搭载了先进的光电侦察设备,能够全天候寻找目标。“一旦发现目标,无人机能够在空中盘旋,实时对现场环境进行监测,提供准确的位置信息,以供地面指挥所决策,引导地面人员尽快找到目标。”袁旭猛说。

“搜救能力大大提升。上次任务搜救用时一个多小时,这一次,多种高效的搜救手段将并肩作战,相信一定能更快更好地完成搜救任务。”李晓芳说。

 
 
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