交会对接任务中的测控通信

□ 本刊特约记者 林利栓 李筱梅

在神舟八号飞船与天宫一号的交会对接任务中，其动作主要依靠测控通信系统来实施与完成。要实现距地面343千米高空轨道中高速运动的两个飞行器安全对接，测控通信系统面临哪些难点？

中国载人航天工程测控通信系统副总设计师谢京稳在接受记者采访时介绍了测控通信系统面临多项难题：

①轨道控制精度要求高，使中长期预报准确性面临挑战。由于存在多次变轨，且变轨之间的间隔圈次只有3～5圈，短时间里要对变轨情况进行精确计算，根据轨道参数计算出下一次变轨的各项数据，再把这些数据发送到飞船上，进行下一次轨道控制，不容许出现任何闪失。而轨道测量精度是与测量时间成正比的，测的时间越长，测量精度就越高，时间越短，精度就越低。

②测控通信系统首次对太空中两个目标同时进行管理，缺乏应对意外情况的经验。此次交会对接任务，是中国首次对太空中飞行的两个目标同时进行管理，一方面要对一个独立的目标控制好，另一方面要搞好两个目标的协同性，同时协调好天地基的测控资源对它们进行跟踪测控管理，在应对一些意外情况时将会面临经验缺乏的难题。

③空间碎片对飞行器安全构成威胁，做好对空间碎片的预警和规避存在一定困难。目前，太空中的空间碎片问题，对航天飞行器的安全构成了较大威胁，已经成为世界各航天大国关注的一个重要问题。测控通信系统做了大量工作，对一些较大尺寸的碎片可以做到及时预警，但对较小空间碎片如何有效监控，以确保飞行器的安全，还是一大挑战。

④任务持续时间长，对设备的稳定性与可靠性提出严峻考验。以往的神舟飞船任务只有3～5天，最多7天就能结束。而从天宫一号发射到交会对接任务结束，共持续两个多月。时间的延长，对测控系统的稳定性是个很大的挑战。尤其是目前这套系统是全新的，地面设备、地面网、协议很多都是新的。在一些关键弧段，对于遍布全球、多达数千台套的测控设备来说，很难保证一个地方都不出问题。

⑤太阳活动峰年的来临，对测控通信链路和定轨预报精度带来潜在影响。交会对接任务时，正值第24个太阳活动峰年的来临，据世界各国科研机构预测，2011年可能出现个别较大太阳风暴。太阳风暴会使大气密度模型误差增大，对定轨预报精度产生影响，严重时还将导致测控链路中断、电子设备失效。目前，国际上关于太阳活动的预报只限于“有没有”，但具体强度有多大，预报不了。

⑥交会对接及后续载人航天任务，对测控通信系统如何提高软性实力，发挥最大效能提出了挑战。以载人航天需求为主建设起来的测控通信系统发展到目前这个阶段，从硬件上来说，已经达到了世界领先水平，没有太大的发展空间，关键考验的是软性实力，比如系统的效率、精度、可靠性和稳定性等，这是载人航天工程及其他重点航天项目今后对测控通信系统提出的最大的挑战。

为何要设4个停泊点？

远望号海上测量船

神舟八号飞船与天宫一号目标飞行器的首次交会对接进入自主导引段后，从5千米、400米、140米到30米，前后共设置了4个停泊点，神舟八号在每一个停泊点都要做短暂的停留。那么，为何要设置这4个停泊点？

北京跟踪与通信技术研究所的青年航天测控专家王瑞军说：“之所以设置这4个停泊点，其目的就是为了降低风险。每一个停泊点的设置都为判断两个飞行器的运行状况留出了时间，只有一切正常才往下一步走，可以最大限度地降低风险。

“因为这是第一次实施空间交会对接，所以非常谨慎，像俄罗斯现在就没有这样复杂的过程。美国在对接时也有停泊的过程，但不像我们有这样多的环节。我们首先要确保两个飞行器的安全。

“在这4个停泊点中，5千米处的停泊是最重要的一个，这是一个相对安全的距离。再一个是最后30米的这个停泊点，也很关键，就像踢足球时的临门一脚。通过多个发动机同时工作，硬把两个飞行器拉过来，接合到一起，这个点应该说是技术含量最高的。”

“在经过了4次停泊之后，在东风站的上空，神舟八号飞船与天宫一号开始接触，直到在太平洋中部远望三号测量船的上空锁紧。这中间还有一个非常复杂的过程，像自主测量、自主导航和计算等，对接机构要锁紧，锁紧后，自主交会对接的相关设备要关机，像激光雷达、微波雷达、空空通信机、自主计算程序等。之后神舟八号还要在天宫一号的控制下进行组合飞行。”

王瑞军介绍说，在对接之前的一段时间里，两个飞行器都处于失控状态，锁紧之后，天宫一号要启动控制程序，消除之前轨道运行的偏差，保持飞行姿态，同时，停止一些设备的运行。在第12天时，还要进行第二次交会对接试验。对接后组合体再飞行两天，然后，再分离，神舟八号撤离天宫一号，启动返回着陆场的程序。天宫一号则进行升轨控制，进入自主运行。

地面测控中心

碰撞预警：为天宫和神舟当好“太空警卫”

为天宫一号和神舟八号当好“太空警卫”，是碰撞预警工作的使命。与以往载人航天飞行任务相比，交会对接任务具有任务持续时间长、频繁变轨机动、多目标联合碰撞预警、时效性要求更高、空间态势更加复杂等特点。为确保天宫和神舟在轨运行期间绝对安全，首次将空间碎片的预警及规避工作纳入测控通信系统工作范围，碰撞预警团队经过深入分析、充分论证，提出一套具有中国特色的碰撞预警判据与门限规范，采用接近距离与碰撞概率结合判决的方式，按照威胁程度设置黄色门限与红色门限，保证在交会对接任务期间，既不漏报高碰撞风险接近事件，也避免了频繁发出虚警信息，干扰交会对接任务正常执行。他们还针对任务特点，首次建立了飞控中心与预警中心的高效互动机制，实现了碰撞预警分析中心与北京航天飞控中心之间目标轨道信息、空间态势信息、碰撞预警信息、避碰轨控策略等信息的实时交互。

为确保预警工作的顺利实施，持续开展了相关目标普查、潜在危险目标筛选等一系列技术准备，自主建立了潜在危险目标的编目轨道，有力地保证了天宫和神舟在太空安全畅游。

随着人类航天活动的广泛开展，环绕地球轨道的空间目标（包括航天器、箭体残骸以及空间碎片）数量呈不断增加的趋势，空间目标相互之间发生直接碰撞的事情时有发生。由于空间目标的高速运动，尺度在厘米量级碎片的撞击，就将对航天器造成致命性的损伤，空间碰撞已经成为航天器安全的重要威胁之一，及时对重要航天器可能发生的空间碰撞发出碰撞预警，是避免空间碰撞的重要措施。

上个世纪80年代至90年代开始，美国就把碰撞预警和碰撞规避纳入航天飞机、国际空间站飞行管理程序，并在国际空间站/航天飞机飞行过程中，多次为躲避空间碰撞威胁，进行过机动规避操作。目前，航天器碰撞预警正受到国际社会越来越广泛的关注，2009年2月美国铱星与俄罗斯卫星的碰撞事件，进一步凸显出空间目标碰撞预警的重要性，世界各航天大国都在积极发展本国空间碰撞预警与规避技术，并持续开展相关预警工作。

根据中国载人航天工程建设发展目标，从2011年开始，中国将逐步实施交会对接、空间实验室以及载人空间站等任务，相比一期工程的单艘飞船任务，控制更加复杂、实施难度更大，特别是目标飞行器、空间实验室、空间站等航天器将保持长期在轨飞行，受空间目标碰撞的威胁大大增加，这些都对空间目标碰撞预警提出了新的、更高的要求。

为何要对神舟八号实施5次轨道控制？

神舟八号飞船发射升空后，在与天宫一号目标飞行器交会对接前，要经历5次轨道控制，实施远距离导引，最终处于天宫一号后下方约52千米处。这一测控方案究竟是如何设计，又是怎样实施的呢？中国载人航天工程测控通信系统上升段主任设计师卢立常对此给出了具体答案。

卢立常解释说，神舟八号飞船发射的窗口时间是根据天宫一号目标飞行器的运行轨道参数来决定的。在神舟八号发射之前，地面飞控中心先要对天宫一号实施调相控制，使它进入距地面343千米的圆轨道等待神舟八号飞船。飞船发射前一天，通过地面飞控中心的控制，使天宫一号目标飞行器的姿态调整为尾部发动机朝前，对接机构朝后，迎接从后面追上来的神舟八号飞船。

据介绍，神舟八号飞船发射升空后，之所以要实施远距离导引，其目的就是为了以合理的位置和速度来与天宫一号实施交会对接。在这一导引过程中，要通过不断调整，让神舟八号飞船与天宫一号目标飞行器处于相同的轨道面，达到同心共圆的目的。然后才能使其以相对合理的相对速度，保证交会对接的正常进行。

“有一点需要指出的是，调整到合理的位置后，在实施交会对接时，一定要保证使其处于一个相对可测控时间较长的弧段来进行。”卢立常说，“正是综合考虑到这些因素和要求，我们设计了对神舟八号飞船5次变轨的方案。第一次变轨是第5圈的远地点变轨，抬升轨道高度，之后是第13圈调整轨道倾角，第16圈近地点变轨抬高远地点，第16圈变轨是将前几次的误差进行一次综合修正，第5次变轨是为进一步圆化轨道。通过这5次轨道控制，最终使飞船满足与天宫一号进行对接的各项要求。至此，就完成了地面导引阶段，在智利圣地亚哥站上空切换到神舟八号的自主导引阶段。”