交會對接任務中的測控通信

□ 本刊特約記者 林利栓 李筱梅

在神舟八號飛船與天宮一號的交會對接任務中，其動作主要依靠測控通信系統來實施與完成。要實現距地面343千米高空軌道中高速運動的兩個飛行器安全對接，測控通信系統面臨哪些難點？

中國載人航天工程測控通信系統副總設計師謝京穩在接受記者采訪時介紹了測控通信系統面臨多項難題：

①軌道控制精度要求高，使中長期預報準確性面臨挑戰。由于存在多次變軌，且變軌之間的間隔圈次只有3～5圈，短時間里要對變軌情況進行精確計算，根據軌道參數計算出下一次變軌的各項數據，再把這些數據發送到飛船上，進行下一次軌道控制，不容許出現任何閃失。而軌道測量精度是與測量時間成正比的，測的時間越長，測量精度就越高，時間越短，精度就越低。

②測控通信系統首次對太空中兩個目標同時進行管理，缺乏應對意外情況的經驗。此次交會對接任務，是中國首次對太空中飛行的兩個目標同時進行管理，一方面要對一個獨立的目標控制好，另一方面要搞好兩個目標的協同性，同時協調好天地基的測控資源對它們進行跟蹤測控管理，在應對一些意外情況時將會面臨經驗缺乏的難題。

③空間碎片對飛行器安全構成威脅，做好對空間碎片的預警和規避存在一定困難。目前，太空中的空間碎片問題，對航天飛行器的安全構成了較大威脅，已經成為世界各航天大國關注的一個重要問題。測控通信系統做了大量工作，對一些較大尺寸的碎片可以做到及時預警，但對較小空間碎片如何有效監控，以確保飛行器的安全，還是一大挑戰。

④任務持續時間長，對設備的穩定性與可靠性提出嚴峻考驗。以往的神舟飛船任務只有3～5天，最多7天就能結束。而從天宮一號發射到交會對接任務結束，共持續兩個多月。時間的延長，對測控系統的穩定性是個很大的挑戰。尤其是目前這套系統是全新的，地面設備、地面網、協議很多都是新的。在一些關鍵弧段，對于遍布全球、多達數千臺套的測控設備來說，很難保證一個地方都不出問題。

⑤太陽活動峰年的來臨，對測控通信鏈路和定軌預報精度帶來潛在影響。交會對接任務時，正值第24個太陽活動峰年的來臨，據世界各國科研機構預測，2011年可能出現個別較大太陽風暴。太陽風暴會使大氣密度模型誤差增大，對定軌預報精度產生影響，嚴重時還將導致測控鏈路中斷、電子設備失效。目前，國際上關于太陽活動的預報只限于“有沒有”，但具體強度有多大，預報不了。

⑥交會對接及后續載人航天任務，對測控通信系統如何提高軟性實力，發揮最大效能提出了挑戰。以載人航天需求為主建設起來的測控通信系統發展到目前這個階段，從硬件上來說，已經達到了世界領先水平，沒有太大的發展空間，關鍵考驗的是軟性實力，比如系統的效率、精度、可靠性和穩定性等，這是載人航天工程及其他重點航天項目今后對測控通信系統提出的最大的挑戰。

為何要設4個停泊點？

遠望號海上測量船

神舟八號飛船與天宮一號目標飛行器的首次交會對接進入自主導引段后，從5千米、400米、140米到30米，前后共設置了4個停泊點，神舟八號在每一個停泊點都要做短暫的停留。那么，為何要設置這4個停泊點？

北京跟蹤與通信技術研究所的青年航天測控專家王瑞軍說：“之所以設置這4個停泊點，其目的就是為了降低風險。每一個停泊點的設置都為判斷兩個飛行器的運行狀況留出了時間，只有一切正常才往下一步走，可以最大限度地降低風險。

“因為這是第一次實施空間交會對接，所以非常謹慎，像俄羅斯現在就沒有這樣復雜的過程。美國在對接時也有停泊的過程，但不像我們有這樣多的環節。我們首先要確保兩個飛行器的安全。

“在這4個停泊點中，5千米處的停泊是最重要的一個，這是一個相對安全的距離。再一個是最后30米的這個停泊點，也很關鍵，就像踢足球時的臨門一腳。通過多個發動機同時工作，硬把兩個飛行器拉過來，接合到一起，這個點應該說是技術含量最高的。”

“在經過了4次停泊之后，在東風站的上空，神舟八號飛船與天宮一號開始接觸，直到在太平洋中部遠望三號測量船的上空鎖緊。這中間還有一個非常復雜的過程，像自主測量、自主導航和計算等，對接機構要鎖緊，鎖緊后，自主交會對接的相關設備要關機，像激光雷達、微波雷達、空空通信機、自主計算程序等。之后神舟八號還要在天宮一號的控制下進行組合飛行。”

王瑞軍介紹說，在對接之前的一段時間里，兩個飛行器都處于失控狀態，鎖緊之后，天宮一號要啟動控制程序，消除之前軌道運行的偏差，保持飛行姿態，同時，停止一些設備的運行。在第12天時，還要進行第二次交會對接試驗。對接后組合體再飛行兩天，然后，再分離，神舟八號撤離天宮一號，啟動返回著陸場的程序。天宮一號則進行升軌控制，進入自主運行。

地面測控中心

碰撞預警：為天宮和神舟當好“太空警衛”

為天宮一號和神舟八號當好“太空警衛”，是碰撞預警工作的使命。與以往載人航天飛行任務相比，交會對接任務具有任務持續時間長、頻繁變軌機動、多目標聯合碰撞預警、時效性要求更高、空間態勢更加復雜等特點。為確保天宮和神舟在軌運行期間絕對安全，首次將空間碎片的預警及規避工作納入測控通信系統工作范圍，碰撞預警團隊經過深入分析、充分論證，提出一套具有中國特色的碰撞預警判據與門限規范，采用接近距離與碰撞概率結合判決的方式，按照威脅程度設置黃色門限與紅色門限，保證在交會對接任務期間，既不漏報高碰撞風險接近事件，也避免了頻繁發出虛警信息，干擾交會對接任務正常執行。他們還針對任務特點，首次建立了飛控中心與預警中心的高效互動機制，實現了碰撞預警分析中心與北京航天飛控中心之間目標軌道信息、空間態勢信息、碰撞預警信息、避碰軌控策略等信息的實時交互。

為確保預警工作的順利實施，持續開展了相關目標普查、潛在危險目標篩選等一系列技術準備，自主建立了潛在危險目標的編目軌道，有力地保證了天宮和神舟在太空安全暢游。

隨著人類航天活動的廣泛開展，環繞地球軌道的空間目標（包括航天器、箭體殘骸以及空間碎片）數量呈不斷增加的趨勢，空間目標相互之間發生直接碰撞的事情時有發生。由于空間目標的高速運動，尺度在厘米量級碎片的撞擊，就將對航天器造成致命性的損傷，空間碰撞已經成為航天器安全的重要威脅之一，及時對重要航天器可能發生的空間碰撞發出碰撞預警，是避免空間碰撞的重要措施。

上個世紀80年代至90年代開始，美國就把碰撞預警和碰撞規避納入航天飛機、國際空間站飛行管理程序，并在國際空間站/航天飛機飛行過程中，多次為躲避空間碰撞威脅，進行過機動規避操作。目前，航天器碰撞預警正受到國際社會越來越廣泛的關注，2009年2月美國銥星與俄羅斯衛星的碰撞事件，進一步凸顯出空間目標碰撞預警的重要性，世界各航天大國都在積極發展本國空間碰撞預警與規避技術，并持續開展相關預警工作。

根據中國載人航天工程建設發展目標，從2011年開始，中國將逐步實施交會對接、空間實驗室以及載人空間站等任務，相比一期工程的單艘飛船任務，控制更加復雜、實施難度更大，特別是目標飛行器、空間實驗室、空間站等航天器將保持長期在軌飛行，受空間目標碰撞的威脅大大增加，這些都對空間目標碰撞預警提出了新的、更高的要求。

為何要對神舟八號實施5次軌道控制？

神舟八號飛船發射升空后，在與天宮一號目標飛行器交會對接前，要經歷5次軌道控制，實施遠距離導引，最終處于天宮一號后下方約52千米處。這一測控方案究竟是如何設計，又是怎樣實施的呢？中國載人航天工程測控通信系統上升段主任設計師盧立常對此給出了具體答案。

盧立常解釋說，神舟八號飛船發射的窗口時間是根據天宮一號目標飛行器的運行軌道參數來決定的。在神舟八號發射之前，地面飛控中心先要對天宮一號實施調相控制，使它進入距地面343千米的圓軌道等待神舟八號飛船。飛船發射前一天，通過地面飛控中心的控制，使天宮一號目標飛行器的姿態調整為尾部發動機朝前，對接機構朝后，迎接從后面追上來的神舟八號飛船。

據介紹，神舟八號飛船發射升空后，之所以要實施遠距離導引，其目的就是為了以合理的位置和速度來與天宮一號實施交會對接。在這一導引過程中，要通過不斷調整，讓神舟八號飛船與天宮一號目標飛行器處于相同的軌道面，達到同心共圓的目的。然后才能使其以相對合理的相對速度，保證交會對接的正常進行。

“有一點需要指出的是，調整到合理的位置后，在實施交會對接時，一定要保證使其處于一個相對可測控時間較長的弧段來進行。”盧立常說，“正是綜合考慮到這些因素和要求，我們設計了對神舟八號飛船5次變軌的方案。第一次變軌是第5圈的遠地點變軌，抬升軌道高度，之后是第13圈調整軌道傾角，第16圈近地點變軌抬高遠地點，第16圈變軌是將前幾次的誤差進行一次綜合修正，第5次變軌是為進一步圓化軌道。通過這5次軌道控制，最終使飛船滿足與天宮一號進行對接的各項要求。至此，就完成了地面導引階段，在智利圣地亞哥站上空切換到神舟八號的自主導引階段。”