運(yùn)籌帷幄 控馭九霄—專訪“北斗”運(yùn)控系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師周建華

本刊特約記者 孫寶忱 本刊記者 徐菁

周建華總設(shè)計(jì)師

“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由六大系統(tǒng)組成，分別是衛(wèi)星系統(tǒng)、火箭系統(tǒng)、發(fā)射場系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、運(yùn)控系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)，其中，運(yùn)控系統(tǒng)是“北斗”獨(dú)有的。2012年，兩次以“一箭雙星”方式發(fā)射了“北斗”衛(wèi)星，那么，每次發(fā)射的兩顆衛(wèi)星如何加入到導(dǎo)航星座中？這對“北斗”運(yùn)控系統(tǒng)帶來了哪些新的課題？為此，本刊記者對“北斗”運(yùn)控系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師周建華進(jìn)行了專訪。

記者：對“北斗”運(yùn)控系統(tǒng)來說，兩顆衛(wèi)星同時(shí)入網(wǎng)與以往一顆衛(wèi)星入網(wǎng)有沒有什么區(qū)別？

周總：“北斗”雙星同時(shí)發(fā)射并且入網(wǎng)，對運(yùn)控系統(tǒng)來說變化不是太大，運(yùn)控系統(tǒng)是針對整個導(dǎo)航星座設(shè)計(jì)的，能夠同時(shí)對星座的所有衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤測量與運(yùn)行控制。在通常情況下，一顆衛(wèi)星在入網(wǎng)之前，我們會對該衛(wèi)星的一些物理參數(shù)進(jìn)行評價(jià)，對不穩(wěn)定的參數(shù)需要重新標(biāo)定，標(biāo)定完成之后衛(wèi)星才能入網(wǎng)。對于雙星發(fā)射來說，盡管就標(biāo)定技術(shù)本身而言沒有差異，但是流程上有一些改變，系統(tǒng)軟件也作了修改，因?yàn)樵谌刖W(wǎng)之前我們不知道兩顆衛(wèi)星的狀態(tài)，所以系統(tǒng)軟件必須分別對衛(wèi)星姿態(tài)進(jìn)行分析，以便確定兩顆星入網(wǎng)時(shí)的定軌方案，并優(yōu)化定軌參數(shù)。

記者：與以往單星入網(wǎng)相比，雙星入網(wǎng)在時(shí)間安排上會不會更長？

周總：一般入網(wǎng)流程是在軌測試后的5～10天。如果兩顆衛(wèi)星先后入軌的話，一共得花20天左右的時(shí)間。這是不可取的，只能是兩顆衛(wèi)星同時(shí)入網(wǎng)。因此，我們圍繞5～10天的流程把設(shè)備調(diào)試好，軟件能同時(shí)分析兩顆衛(wèi)星的入網(wǎng)過程。只要在兩顆衛(wèi)星入網(wǎng)之前完成任務(wù)的調(diào)配，做好軌道參數(shù)的優(yōu)化，標(biāo)定好系統(tǒng)誤差，準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，在5～10天內(nèi)使兩顆衛(wèi)星入網(wǎng)是不成問題的。

記者：衛(wèi)星在入網(wǎng)前必須進(jìn)行在軌測試，雙星上天的在軌測試會不會比以往的更復(fù)雜？需要多長時(shí)間才能完成在軌測試？

周總：兩顆衛(wèi)星的在軌測試與一顆衛(wèi)星的在軌測試相比有一定差別。由于地面運(yùn)控設(shè)備不能對兩顆衛(wèi)星同時(shí)進(jìn)行測試，而且只有在中圓軌道衛(wèi)星過境時(shí)才能觀測，因此在任務(wù)的組織和調(diào)度方面比以往更復(fù)雜，工作量更大。目前，在軌測試時(shí)間大概是20天，對衛(wèi)星性能進(jìn)行綜合測試與評價(jià)。2007年發(fā)射第一顆中圓軌道衛(wèi)星時(shí)尚未構(gòu)成星座，而2012年發(fā)射的兩批中圓軌道衛(wèi)星是在區(qū)域組網(wǎng)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，其在軌測試和入網(wǎng)還存在一定的不確定性。從這個意義上說，運(yùn)控設(shè)備也是首次正式跟蹤測量中圓軌道衛(wèi)星，在運(yùn)行控制過程中可能會遇到未曾出現(xiàn)過的問題。

記者：為了應(yīng)對運(yùn)控過程中可能出現(xiàn)的新問題，是否制定了相應(yīng)的預(yù)案，并作了充分準(zhǔn)備？

周總：目前，“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)提供服務(wù)，新發(fā)射的衛(wèi)星是在系統(tǒng)運(yùn)行服務(wù)過程中入網(wǎng)，一旦衛(wèi)星入網(wǎng)時(shí)出現(xiàn)問題就會影響整個系統(tǒng)的服務(wù)，所以我們制定了幾十種預(yù)案。若衛(wèi)星組網(wǎng)過程中性能指標(biāo)達(dá)不到要求，則將其分離出來，按照預(yù)案做相應(yīng)的分析和試驗(yàn)。

記者：隨著組網(wǎng)衛(wèi)星數(shù)量的增加，肯定也會有在軌衛(wèi)星出現(xiàn)問題的情況，衛(wèi)星數(shù)量越多，出現(xiàn)問題的概率也就越大，為了保證整個星座的正常運(yùn)行，運(yùn)控的難度會不會更大？

周總：是的。一方面，為了保障導(dǎo)航定位系統(tǒng)性能指標(biāo)，星座衛(wèi)星數(shù)量是越多越好；另一方面，衛(wèi)星數(shù)量越多，發(fā)生故障的可能性越大，運(yùn)控系統(tǒng)的壓力也就越大，若3顆衛(wèi)星同時(shí)出現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)就不能夠提供正常服務(wù)。例如，衛(wèi)星在空間環(huán)境下會偶然發(fā)生單粒子事件，導(dǎo)致衛(wèi)星無法正常工作，盡管我們事先做好了軌控計(jì)劃，但卻難于預(yù)測單粒子事件，當(dāng)然，兩顆衛(wèi)星同時(shí)出現(xiàn)單粒子事件的概率很小。另外，當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入地影期間時(shí)，對其的運(yùn)控策略也會有一些改變，尤其是傾斜地球同步軌道衛(wèi)星是兩兩備份的，存在動偏轉(zhuǎn)到零偏問題，這需要采取特殊的運(yùn)行控制策略。在星座正常運(yùn)行的情況下，“北斗”系統(tǒng)提供用戶導(dǎo)航定位精度高，可以同GPS系統(tǒng)相媲美。

測試中的“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星（南勇/攝）

搭載兩顆“北斗”衛(wèi)星的長征－3B火箭即將發(fā)射（南勇/攝）

記者：對目前的“北斗”星座來說，2012年發(fā)射的中圓軌道衛(wèi)星是首次入網(wǎng)，這對星座本身有何意義？

周總：中圓軌道衛(wèi)星數(shù)量多以后覆蓋面更大，但2012年只發(fā)射入網(wǎng)了4顆中圓軌道衛(wèi)星，所以衛(wèi)星數(shù)量相對較少，尚不能主導(dǎo)區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)整體性提升，其目的在于向全球?qū)Ш较到y(tǒng)過渡，這是有意義的。當(dāng)然，在中圓軌道衛(wèi)星過境期間，用戶導(dǎo)航定位精度將有一定程度提高。當(dāng)星座中的中圓軌道衛(wèi)星數(shù)量達(dá)到8顆時(shí)，其區(qū)域覆蓋性能將會有明顯改善，確保實(shí)時(shí)有一顆以上中圓軌道衛(wèi)星過境。

記者：未來我國大運(yùn)載研發(fā)成功之后，可能實(shí)現(xiàn)“一箭多星”發(fā)射，運(yùn)控系統(tǒng)是否能做到更多衛(wèi)星同時(shí)組網(wǎng)？

周總：根據(jù)任務(wù)要求，建設(shè)“北斗”全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將采用大型運(yùn)載火箭進(jìn)行“一箭多星”發(fā)射。運(yùn)控系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)多顆衛(wèi)星同時(shí)組網(wǎng)方面是沒有問題的。在“北斗”地面運(yùn)控系統(tǒng)研發(fā)階段，就首先考慮到了這一點(diǎn)，將同時(shí)對多顆衛(wèi)星復(fù)雜系統(tǒng)的控制與管理作為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了攻關(guān)研究。目前，我們已經(jīng)具備這方面的能力，不存在技術(shù)瓶頸問題。當(dāng)然，在具體實(shí)施過程中，還要針對一些細(xì)節(jié)問題，采取相應(yīng)措施，以確保多星同時(shí)組網(wǎng)任務(wù)順利完成。