中国载人航天工程测控通信系统总设计师--于志坚 摘自 光明网-光明日报 中国载人航天工程测控通信系统总设计师--于志坚 　　于志坚，1960年出生，山东平度人，毕业于解放军测绘学院，硕士生导师。北京跟踪与通信技术研究所所长,中国载人航天工程测控通信系统总设计师。　　记者：测控系统工作与读者见面比较多了，但大家对整个测控系统并不是很了解。目前我国测控网的布局是怎么样的？　　于：我们国家现有的测控网有三个。第一个是原来的超短波测控网,负责我们国家中低轨道卫星的测控任务。这个网现在还有三、四个测控站在用，主要是测控今年刚打的“风云一号”卫星，大约还有两到三年的寿命。超短波测控网的频段不太标准，频率低，与电视、广播的频率差不多，相互间易形成干扰，测量精度也差一些。所以等“风云一号”任务执行完以后，也就是2004年到2005年吧，超短波测控网就淘汰了；第二个测控网是C波段测控网，主要用于同步卫星的发射和定点管理。这个网有三个站，一个在渭南，一个在厦门，还有一条测控船。后来在又建了一个由若干限动天线和遥测单收站组成的长期管理站，负责我国C波段卫星的发射和定点管理；第三个就是现在为中国载人航天工程建立起来的测控网，为S波段测控网，形成了目前我国的一个高精度测量带。这个测控网主要负责载人航天的测量任务，同时也兼顾了我国中低轨卫星和部分地球同步卫星的测控。这也是未来的主用测控网，原来超短波测量的任务都由它来取代。　　记者：载人航天测控网从什么时候开始研制　　于：1992年载人航天工程开始启动，测控系统也就开始论证、设计和研制了。　　记者：您一直在参加？　　于：对。1992年工程上马以后，我们所也新编了一个载人航天测控总体技术研究室，我就一直负责这项工作，从论证到总体方案设计以及任务实施一直都参加。　　记者：测控通信系统任务前期都需要做哪些工作　　于：前期主要分几个阶段。首先要根据任务总体要求进行方案论证，论证它的合理性、必要性和可行性。可行性主要是根据我们国家测控网的水平，考虑能不能做到，如果做不到，再返回去迭代，这就是我们的第一步。论证之后就根据任务需求，确定那些站参加，还需要增加几个站，需要配备哪些新的东西，等等，进行总体方案设计。这些工作完成之后，就进入了第三个阶段，设备研制和软件研制。这期间还有一个分系统的方案设计问题。载人航天测控网分了五个分系统：上升段、返回段、通信分系统、中心分系统、海上测量分系统，各分系统也要进行相应的方案设计。这个工作量很大，前后经历了很长时间。再一个就是软件开发，也是一项很大的工程，设计单位很多，应用软件、系统软件都要分工研制。硬件、软件都完成了，才开始集成、联调。前期调试争取把每个环节都测试到，像上升段、运行段、返回段的联调，测量船都要参加。关键弧段都是按一比一的时间走,运行段因为时间很长,可以进行压缩联调，但前期测试都要做到。分系统调试工作都正常了,进行全系统联调。　　记者：载人航天工程测控网一共有多少个测控站？　　于：载人航天工程测控网一共有十三个站，大体是这样布局的：上升段有三个站，第一个是东风，就是发射场；第二个是渭南站，在西安附近；第三个是青岛站。这三个站负责飞船在上升段的测量，覆盖率可以达到100%。其次是入轨段，有两条测量船：“远望一号”和“远望二号”。飞船入轨的时候有很多动作，如捕获地球、建立正常运行姿态、太阳帆板要展开、判断轨道是否正确等，都能够看到。青岛站在入轨后1分钟还可以看，和“远望一号”测量船可以接上。这样的话，飞船入轨以后5到6分钟的情况地面都可以看到，基本可以判断飞船入轨的高度够不够，太阳帆板动作是否正常。入轨二十分钟以后，“远望二号”船再进一步跟踪判断，看看飞船入轨运行情况，是不是有问题。第三个关键段是返回段，非常重要。因为飞船在这个弧段要进行调姿、分离和制动。这个弧段我们布置了两个测控站：一个是“远望三号”测量船，在好望角附近；另一个是纳米比亚陆上测控站，取代了原来租用法国的一个测控站。飞船返回时的调姿、分离等动作都在这两个站里完成。　　记者：返回段也是全部覆盖。　　于：对。其实返回段只有一条船测量就够了。增加纳米比亚这个站，一是为了把飞船返回制动这一弧段全部覆盖，可以多看一段时间；再一个原因是这个地区的海况不好，“好望角”被航海家称做“死亡之角”，可能一两天没问题，时间一长海况就不稳定了。我们担心这条船因为海况问题而不能执行任务，所以后来提出来在纳米比亚建一个测控站。这样的话，即便“远望三号”船有问题，我们还有一个备份。下一个弧段是飞船返回舱分离，有两个站。一个建在巴基斯坦的卡拉奇，原来是我们国家的一个活动站，现在基本上就不动了。另一个是新疆和田的一个活动站，可以接着卡拉奇站继续监测。最后就是着陆场的活动测量站，负责飞船再入大气层后的回收测量。这几个关键段都保证了,其他的运行不必盯那么久。考虑到运行段的测量间隔太久，我们又在印度洋布了一条“远望四号”测量船，保证飞船自主运行期间每一圈都能够看到。　　记者：我们在国内建测量站主要考虑哪些因素？　　于：一是根据飞船的飞行轨迹，二是在国内尽量把经度拉开，在最远的地方建测量站。西边在喀什建了一个站，出境入境都可以看。东边有青岛站，又增加了一个厦门站。这样一来，上升段三个站，加上喀什和厦门，国内五个陆上固定站，四条测量船，国外有纳米比亚和卡拉奇站，还有和田和着陆场两个活动站，一共十三个。　　记者：这么多测控站，测控的覆盖率能达到多少　　于：针对飞船运行轨道来讲，我们现在的覆盖率平均能达到14%-16%。但是关键段的覆盖率很高，像上升段我们百分之百全部覆盖了。入轨段也很关键，放了两条船。返回段放了一条船，建了纳米比亚、卡拉奇两个陆上固定站及和田活动测量站。这几个关键段都有了保证之后，在运行段放了一条“远望四号”船，每一圈都能够测到。这种覆盖主要靠陆海基测控站，包括海外的建站。美国最初载人时建站最多，达到了百分之二十几，己经很困难了。我们对如何建站的方案一开始也讨论了很长时间，基本指导思想就是：第一要确保关键段，有动作弧段的测控；第二个尽量兼顾运行段，就是提高覆盖率。这个原则在现在看来是很正确的。因为根据我们国家的国力,不可能大规模进行国外布站。　　记者：这么大的布局，我们怎么去协调控制？　　于：整个布局是分了三个中心。一个是东风指挥中心，负责上升段从发射到入轨的测控；一个是北京指挥中心，负责运行段和返回段；第三个是西安卫星测控中心，实际上是我们国家卫星测控用的。因为载人航天的测控可靠性要求很高，关键的控制计算最少要两到三个单位来计算，一个单位计算怕出现失误。俄罗斯他们就出现过把符号单位搞错的问题。所以我们把西安测控中心针对载人飞船的要求进行了一些改造，这样既可以承担卫星测控，又可以承担飞船测控。这样我们新建立了两个中心，改造了一个西安中心，可以全面控制和协调测控站的使用。　　记者：操纵这么大的一个测控网，您觉得最重要的难点在哪里？　　于：主要是对它的操作和管理。因为你拥有几台先进的设备，建几个测控站，并不等于你就拥有了一个先进的测控网。一个完整的测控网至少由两个“中心”加若干个测控站组成。　　记者：两个“中心”是针对什么说的？　　于：一个是网管中心，对所有的测控站进行管理。这包括两个方面：一是各个站把自己的设备运行情况实时发送到网管中心，从网管中心可以看到整个系统的设备工作情况；二是调度和控制各个测控站的任务。什么时候执行什么任务，要有合理的分配。比如说这一次执行载人飞船的测量，下一次是卫星任务，提前要把执行参数发送过去，相当于远程匹配和控制，也就是对测控站进行远距离操作；另一个“中心”是测控中心，也就是任务中心，是对航天器的操作，对航天器发指令。航天器状态通过遥测参数传下来，测控中心能够看到。我们这个测控网就是按照这样的总体方案进行建设。网管中心只有一个，任务中心可以有很多个。我们载人航天有一个任务中心，卫星也有一个任务中心。将来发展到第二代导航星座，卫星很多，可能有二十多颗卫星组成，都可以建立不同的任务中心，负责测控不同的任务。　　记者：我们这个测控网在国际上是处于一个什么样的水平　　于：我们这个测控网在国际上是很先进的，达到了世界先进水平。衡量一个测控网是不是很先进，有很多指标。覆盖率只是其中的一部分，但不是主要的指标。因为它不是技术性的问题，与你的资金投入有关。测控网的先进性主要指整个体系的自动化水平、网络管理水平、多任务支持水平等，这些技术指标形成一个总体指标。同样一个测控网，可以管10颗20颗星，也可以管50颗星，这样就把我们的效益发挥出来了。另外也与设备本身的精度有关系，这些我们都达到了世界先进水平。还有设备本身的自动化水平、稳定性、可靠性等，都是很重要的指标。我们国家这个测控网效率很高，可以说是有中国特色的先进测控网。　　记者：您是测控通信系统的总设计师。这几次“神舟”飞船发射过程中，哪一次对您来说最艰难？　　于：“神舟”三号飞船的发射过程中，遇到了“日凌”问题，当时我在发射场，感到压力很大。其实“日凌”问题是一种自然现象，每年的春分、秋分前后，在静止卫星星下点进入当地中午前后的一段时间里，卫星处于太阳与地球之间，地面卫通站对准卫星的同时，也对准了太阳，这时强大的太阳噪声使通信无法进行，这种现象称为“日凌中断”。正好“神舟”三号飞船发射赶在这个时间，任务前都集中精力协调这个问题。　　记者：实际上平时的通信网都存在这个问题。　　于：平时的情况不一样，中断一下无所谓。因为都知道是这个时间，提前发个预报，让大家注意一下，如果没信号可能是“日凌”中断问题。但对于我们载人飞船的这个网来说，有些站可以这么做，中断就中断了，中断完了再建立起来。但有些站是不允许中断的，比如说正好那一段时间在关键段，像返回段要及时发送遥控指令，实时判断飞船调姿、制动情况等，中断就有问题了。　　记者：当时“日凌”问题会影响哪些测量站？　　于：那时主要是“远望三号”船，处在飞船返回段测量中，看“日凌”发生的时间与“远望三号”船测控时间差多长时间，会不会中断“远望三号”船的测控。当时计算是差了约半个小时。　　记者：也就是说“日凌”发生时间离飞船到达“远望三号”船的测控区域还有半个小时。　　于：对。我从设计师这个角度上考虑，从技术分析上认为是可以的。当时在北京、发射场都组织人员计算过，推断了一下，认为问题不大，不会影响发射任务。但是从任务组织上来讲，感觉这个问题太重要了。当时提出了很多方案，是不是要推迟一天发射等等，当时我的压力非常大。后来在任务过程中，根据我们预报的时间，我又专门组织人员把“日凌”真正发生的时间、通信中断和建立的时间严格的看了一下，实际证明真正发生“日凌”的时间和我们预报的时间基本吻合，前后差了不到一分钟。通讯中断都又建立的时间也是三五分钟。　　记者：毕竟测控通信系统是飞船和地面唯一的连线，任何一个小问题都会引起大家的担心。　　于：的确是这样。“神舟”三号期间还有一件事，飞船运行初期出现了一些小的低级错误，造成很紧张的气氛。当时飞船飞行到第二圈和第四圈，喀什测控站和卡拉奇测控站接收数据都不正常。因为这两个站是连续的，一般连续两个站出现错误，可能就标志着飞船不正常了。所以我听到这个消息后很担心，就赶紧叫总体人员组织分析。遥测数据有问题，地面上不知道飞船工作正常不正常，有什么故障也说不清，后面的工作就无法进展了。　　记者：那时候刚发射完。　　于：刚发射完两个小时，其他测控站数据都拿不出来。我那时还在发射场，晚上折腾了半夜，后来发现不是飞船出问题，才稍稍松了口气。卡拉奇站地面设置有点问题，喀什站是地面机故障，倒没有造成很大的损失。但类似这类问题，在任务期间非常紧迫。因为遥测数据是飞船上天后唯一的通信方式，尤其在载人飞行的时候，飞船工作正常不正常、航天员和地面之间的联系都完全靠数据说话，作为我们总体设计师，最担心的就是这个。　　记者：测控系统在将来还面临更加艰巨的任务，您觉得我们这个测控网将来的发展方向是什么　　于：测控通信系统一开始的设计方案就是按载人状态设计的,一次投入，长期服役，所以我们这个网设计建设好了之后,至少要保持十五年不变，每次任务的改变只是根据火箭、飞船的状态调整，做一些软件上的改动。目前这个陆海基测控网对于载人航天的一期工程是够用了，但未来的发展，考虑到将来要搞空间站，进行空间交会对接，这个网就不够用了。所以空间实验室也好，空间站也好，将来必须解决的就是数据的高速实时传输，这就需要有中继卫星。现在国外像美国、俄罗斯都有中继卫星。中继卫星的系统要比海事卫星强得多，传输速度快，覆盖率高，一颗中继卫星可以达到50%，两颗中继卫星就可以达到85%，这是未来的发展方向。 人物简介： 于志坚，1960年出生，山东平度人，毕业于解放军测绘学院，硕士生导师。北京跟踪与通信技术研究所所长,中国载人航天工程测控通信系统总设计师。 于志坚：心系飞天路 翻开中国载人航天工程测控通信系统总设计师于志坚的履历，各种奖励琳琅满目：国家科技进步特等奖1项、部委级科技进步一等奖4项、二等奖14项；荣立二等功1次，三等功1次……今天，这份履历上又添上了一笔：一等功荣立者。 作为载人航天工程七大系统总设计师中最年轻的“少帅”，他率领一支能征善战的科技队伍，创建起技术先进性能稳定的新一代S频段航天测控网，为“神舟”飞船遨游太空立下了汗马功劳。 思路决定出路 今年45岁的于志坚，是北京跟踪与通信技术研究所的所长，20多年来长期奋战在我国航天测控通信任务的第一线。 1992年，载人航天工程正式启动，当时任第二研究室副主任的于志坚被任命为测控通信系统的副总设计师，负责这个系统总体方案的设计论证工作。 航天器好比是风筝，测控通信系统遍布国内外的测控站和分布三大洋的远洋测量船就是牵住风筝的那一根线，地面的控制系统就像放风筝的人，通过这条看不见的线对航天器的高低等各种状态进行实时控制。因为有航天员的存在，载人航天工程的测控通信系统比起过去各种型号卫星的测控通信系统有很大的不同，要求更难也更高。 那时候，围绕载人航天测控通信网的建设究竟应该走什么道路，争论非常激烈。于志坚和他的同事们创新地提出，发展S频段统一测控通信系统。 这个系统改变了以测控站为主对航天器进行测控的原有方式，通过设立网络管理中心，对测控网实行集中监控，并负责测控资源的动态优化配置，实现了测控站的联网和统一管理调度。通过“大中心，小测站”建设思路的实施，提高了对航天器监视和控制的实时性和可靠性。同时还采用符合国际电联要求的频率标准，实现了天地话音、电视图像和高速数据传输等满足载人航天测控要求的能力。 笔下千钧 为了让载人航天测控通信系统达到最大的效费比，找出一种最佳的布站方案，在测控站船数量最少的情况下，满足载人航天对测控通信系统高实时、高覆盖、高速率、高可靠的“四高”要求，于志坚对此可说是绞尽了脑汁。 在载人航天活动中，美国在全球布下了20多个载人航天测控站，仅每年的操作管理费就要消耗掉3．5亿美元。俄罗斯则从堪察加半岛到克里米亚半岛布了15个主要测控站，另外还有11艘测量船参加任务。这些中国显然都做不到。 “要织就我们中国人自己的‘飞天网’，必须另辟蹊径。”于志坚和同事们经过反复计算和比较，提出了“立足中国国情，确保关键段，兼顾其他段”的方案设计原则。 所谓关键段，一是上升段，二是返回段。因为这两个段是最容易发生故障的段，测控网必须在这两个段保障百分之百的覆盖。从世界地图上看，上升段和返回段的飞船运行轨迹就像一个“八”字，为了把这个“八”字的两笔包住，于志坚和同事们几乎每天都用小圆圈在图上比划来比划去，力争用最少最合理的“圆圈”作到最完美的衔接与覆盖。 最终，于志坚他们选择了综合效果最佳的测控通信系统4船9站3中心的布站方式，并在后来改进确定下来，成为我国规模适度，布局合理的新一代的综合性航天测控通信系统，为国家节约了近亿元的经费。 创新无止境 和于志坚交谈，你会发现他是一个思路异常清晰，思维极其缜密的人。他语速很快，但条理清晰，见解独特。他的确是一个在科研和管理上都非常有想法的人。他时常要求所里的总体设计人员时刻跟进科技前沿，自己也在不停地探索着测控通信的新方式新手段。 “神舟”一号任务前，要将设计在纸上的4船9站3中心方案变为切实可行的具有实际操作性的技术，必须把飞船和由成千上万台测控设备组成的测控网联接起来，使天地之间的各条链路畅通无阻。 根据以往的经验，作为这样一个大型的全新系统，联接、调试直到完全沟通、正常运转，怎么也得花费一年的时间。于志坚带领几个年轻科技人员，论证设计了一种经济而又完备的测控系统模拟仿真体系，三四个月时间整个测控通信系统就完全联起来了！ 在首次载人航天飞行任务临近发射前几天，位于南太平洋的远望二号测量船由于热带气旋造成的恶劣海况的影响，建议推迟发射计划，作为系统总师，他一方面认真分析船位调整方案，同时与气象专家进行深入讨论，经过反复的分析论证，提出了对船位进行适当调整后按计划执行任务的技术意见，保证了首次载人航天飞行任务按计划顺利实施。 在于志坚和同事们的努力下，首次载人航天飞行被业内人士誉为“一次近乎完美的飞行”。 (李华泽　李筱梅 《人民日报》) 于志坚：载人航天测控通信系统总设计师 于志坚是位年轻的“老”总师。论“老”，那是因为资格老，他最初的各个阶段就加入了载人航天工程，当时的职务是测控通信系统的副总设计师；说年轻，是因为身为专业硕士的他今年只有43岁，在七大系统的总师中属“少年”。“老”“少”总师于志坚满脸书生气，几句话就把测控通信系统的工作解释得生动明白。“可以用放风筝来打个比方，”于志坚说，“航天器相当于风筝，靠测控渠道来传递信息，如果线断了，恐怕风筝在哪儿都不知道。而地面的控制中心就像放风筝的人，对风筝的高啊低啊等等状态进行控制。”从字面上解释，测控通信系统就是测量、控制和通信。从火箭一点火开始测控系统就要开始忙碌，一直工作到飞船结束任务返回为止。他们的测控对象不仅有运载火箭、飞船，还有航天员和其他一些载荷。像测量，不仅要对目标的轨道等外表运动的特性进行测量，包括遥测参数、航天员的心理参数和载荷参数等等。而控制，就是根据测量到的信息，判断目标状态是否正常，如果一切正常进行，就按照程序发出规定指令；一旦发生异常情况，就要迅速判断并进行控制，比如说万一上升时火箭发生故障，危及航天员生命安全，测控通信系统就会紧急发出逃逸的指令。于志坚说，在载人航天领域，通信的概念已经远远拓宽。原来卫星发射时就有通信，一般指的是地面通信系统测控站、测控船等等把信息发到指挥中心，中心再把指令通过测控站发到卫星上去。而载人航天除了这些任务，还增加了天地语音通话和电视图像的功能，使航天员和地面可以“面对面”地交流。要实现天地的沟通，首先要建一张航天测控通信网。建“天网”的重任，落在了年轻的总师于志坚和他率领的团队身上。于志坚自己给这任务总结了“四高”：高实时、高覆盖、高速率、高可靠。难度之大，前所未有。于志坚他们首先研究了美、俄的建网模式。美国早就建立起一张专用的载人航天测控网。它利用自己的政治经济大国的优势地位，在全球布下20多个测控站，只要是它觉得理想的地方，基本上是想布就布。但这样一个庞大的网，操作管理非常复杂，经费投入也相当多，于志坚说，据估算，仅每年的操作管理费就要消耗掉3．5亿美元。俄罗斯建网的特点，是充分利用了当时前苏联较宽的经度覆盖和较高的纬度优势。于志坚说：“美国模式和俄罗斯模式都不能照搬，我们定下的方案设计原则是：根据中国的国情，确保关键段，兼顾其他段。”哪些是关键段？于志坚说，一个是上升段，一个是返回段，必须百分之百确保。因为从以前各国的经验来看，出事往往在这两个阶段较多。另外，飞船每绕地球一圈需时90分钟左右，每一圈都要求与航天员有通话时间，这一点也要在设计布站时考虑进去。从普通A4纸大小的世界地图上看，这两段的运行轨迹就像一个“八”字，为了把这“八”字的两笔包住，于志坚他们几乎每天用小圆圈在图上比划来比划去，力争用最少最合理的“圆圈”做到最完美的衔接与覆盖。最终，他们仅仅用了五个国内固定站、一个临时站、四艘测量船和两个半的国外站点，就成功完成了布网。于志坚有几分骄傲地补充说，他们建起的这个新型测控网，还有几大特点：一是采取了国际标准，可以随时实现国际联网。二是选用了高效率的透明传输方式，测控点就像网管，即时转发信息，地面的指挥中心和航天器之间的沟通像高速公路一样，完全透明，没有任何障碍。三是网络结构更优化，由集中式变为分布式，即把多项功能分布在机器上分工合作，能够满足任务需求；第四点也是最大的一个优点是可扩展性，它可以根据任务增加，随时连上更多的计算机。这就像高速公路新开出入口一样方便，还不会影响系统建设和稳定。因此，这套网络系统不但能满足载人航天的要求，还可以支持卫星发射等其他的后续航天任务，做到“一网打尽”。“神五”发射前夕，于志坚说，自己是“既激动又紧张”，我们大家在一起拼搏奋斗，也尝了不少的酸甜苦辣，现在终于要实现载人飞行当然很激动；同时也很紧张，因为虽然充分准备，也进行了多次演练，但毕竟载人升空是第一次，总有些压力。于志坚说，这次的感觉和“神舟”一号发射时差不多，开始都有些担心，但飞船上天绕了几圈，根本没问题，一下子踏实了，于志坚笑着说。