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【时代先锋】李恒年:新一代太空“牧星人”

发布时间:2015年10月21日 09:08 | 来源:中国青年报
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李恒年正在指导青年科研人员。魏杰 摄

  在浩瀚的太空中,运行着100多颗“中国星”。从升空开始,直至寿命终结,始终有一群人对这些卫星进行跟踪测量控制、故障诊断维修,他们被称为“牧星人”。

  48岁的李恒年就是一位优秀的“牧星人”。在航天测控一线工作的23年里,他曾成功抢救价值十多亿元的卫星,曾把神舟飞船返回舱落点预报精度从10公里提高到1公里,也曾为一个问题专注20年,使我国航天器机动轨道确定能力提高到世界先进水平。

  “风云”任务中的风云人物

  人们赞叹李恒年今天的成绩,然而很多人不知道,当航天测控事业的“接力棒”传到李恒年手上时,他却差点与其失之交臂。

  1992年,25岁的李恒年研究生毕业,被分配到西安卫星测控中心。人事部门一看他的履历:“本科,兰州大学数学系;研究生,国防科技大学计算机系”。懂数学、会编程,正好中心在发展BP机寻呼业务,就把他分到了寻呼台。

  身材高大、从甘肃永昌农村牧场走出来的李恒年在寻呼台干劲十足。但直到一年多后,他才从同事口中得知,别人设计的软件,服务对象是卫星;自己编写的程序,服务对象却是BP机。中心领导听说寻呼台有个编程高手,把李恒年调到测控技术部软件室,他的航天测控事业才进入预定轨道。“差一点壮志难酬了。”回忆起这段经历,他笑着说。

  1999年年底,“风云二号”气象卫星即将发射。这是一颗自旋稳定式卫星,姿态控制至关重要。简单地说,姿态控制精度越高,卫星燃料消耗越少,卫星的寿命也就越长。

  李恒年通读程序代码后发现,卫星姿态控制软件中使用的数学模型和算法已远远落后,姿态控制精度还有很大的提升空间。

  但32岁的李恒年犹豫了。这套数学模型和算法是老一辈科学家亲自审定的经典模型,是遵从权威,还是打破成规?

  他没有告诉任何人,悄悄开始了攻关。

  经过两个多月的连续奋战,李恒年建立了全新的数学模型,编写了配套姿控软件。经过反复推导验算,他确信自己编写的程序优于原方案,这才向领导作了汇报。

  没想到,这次汇报引发了轩然大波。

  一天深夜,李恒年被叫到了测控技术部会议室。卫星研制部门专家和测控中心领导面色凝重,分别端坐在会议桌两边。原来,卫星研制方始终对修改姿控方案心存疑虑,不同意作出让步。

  最后,还是在李济生院士的坚定支持下,才同意给李恒年唯一一次模拟器测试机会。模拟结果出来,新方案获胜。李恒年却差点被紧张的精神压力摧垮。这套全新的自旋式卫星姿控算法,被成功运用于“风云二号”卫星测控任务,使卫星姿态确定精度提高了30倍,变轨控制精度提高近10倍,节省星上燃料近15公斤。15公斤燃料,能够为卫星增加7年以上的能源保障,李恒年创造了新的技术奇迹。

  让濒临失效的卫星起死回生

  如果说工作的前10年让李恒年逐渐在航天测控领域找到自信,那么第二个10年则是他成果频出的时期。用他的话说,自己“全面爆发”了。

  神舟飞船返回舱落点预报是他在新世纪里的第一个“爆发点”。作为西安卫星测控中心神舟飞船返回控制及落点预报技术负责人,李恒年自1997年起就着手开展相关方案编写和软件开发工作。

  经过不懈努力,李恒年把返回舱落点预报精度控制到了10公里,完全达到了之前的规划要求。“但落点预报越准,返回舱能越早找到,航天员的安全系数就越高。”李恒年下决心要再缩小返回舱的落点预报范围。

  神舟五号任务时,李恒年把风力对返回舱的影响也写进了算法。下降到一定高度后,返回舱在风场里就像船在水中漂移,影响着落点预报精度。这个因素“就像一层窗户纸”,一捅破就能大幅提高预报精度。李恒年完善了瞬时风力修正计算落点的软件,从神舟五号任务开始,返回舱落点预报精度始终稳定在1公里以内。

  但李恒年仍不满足。在之后的任务里,他又带领团队攻克快速优选数据源等难题,开发飞船姿态新型计算软件。最终,神舟七号返回舱落点预报结果与实测只差374米。有同事说,这就好比100米比赛跑进10秒后,又把成绩提高了1毫秒,其难度可想而知。

  这样的难题李恒年不只遇到过一次。2006年10月,我国一颗遥感卫星突发故障。遥测数据显示,卫星在太空中急速翻滚,星上能源完全消失,只有阳光照射到太阳能帆板时,才有几秒钟的信号反馈。

  平时,李恒年团队承担着卫星故障诊断与排除的任务,但这样的突发情况,他们还是第一次遇到。“当时觉得储备还不够,还没有准备好当医生,病人就送来了。”李恒年说。

  当务之急是尽快确定卫星的运动状态和运动规律,预测其最佳捕获时刻,并注入控制指令使卫星停止翻滚,转入正常运行姿态,否则,造价十多亿元的卫星,将成为毫无用处的太空垃圾。

  卫星的姿态到底是什么样的?面对卫星断断续续传来的信息碎片,李恒年建模、计算、分析、再建模、再计算、再分析……他的大脑高速运转着,只有等待计算机运算的两三个小时里才会休息片刻。“我把自己逼到了绝境。”他说。

  与此同时,传回的数据显示卫星状态越来越糟,“就像病人体征越来越微弱,近乎休克”。在一片黑暗中,李恒年逐渐接近真相。透过那些零碎的遥测数据和复杂的数学模型,“他仿佛在空间中跟着卫星在旋转,在看太阳、看地球、感受卫星的受力……”终于,在20多天后的一个深夜,他终于掌握了卫星翻滚的运动规律和太阳帆板供电的周期规律,准确预测出卫星最大供电时间段。

  按照李恒年团队的建议,远望号测量船在南半球上空捕获卫星,注入遥控指令,69天的太空营救终获全胜。

  近几年,李恒年正在组织开展“数字卫星”应用研究,旨在构建高度逼真的飞行模拟系统。这意味着,以后卫星如果发生故障,测控人员只要把遥测信息输入这个平台,就能判断出卫星的姿态,并在最佳时机对它进行抢救。

  让多颗卫星在同一轨位起舞

  在李恒年23年的工作履历中,掌握多星共位控制技术绝对是浓墨重彩的一笔。

  在世界航天领域,环绕赤道上空、距地面约3.6万公里的地球静止轨道被看作是极其宝贵的资源。随着人类航天事业的发展,这条360度的圆弧显得越来越拥挤。

  按照正负0.1度分划,这条轨道上也仅有1800个轨位。截至目前,世界各国在国际电信联盟注册的静止轨道卫星已经超过了2300颗。这就意味着,必须在同一轨位上确保两颗或多颗卫星安全运行。而且,人们发现,地球静止轨道卫星并非静止不动,它会受到星球引力和太阳光压等摄动力影响,逐渐漂移,每隔一段时间都要进行轨道控制,才能维持卫星“静止”。

  在航天测控领域,多星共位控制技术是公认的难题,但李恒年却把它选定为攻关方向。“万事不避难”是这位测控专家的信条。

  他主持创立的控制理论和方法,不仅提高了静止轨道卫星控制精度,而且延长了实施轨道控制的周期;不仅设计提出了我国卫星双星共位方案,而且顺利解决了中外多星共位控制难题。

  2007年年初,我国一颗北斗卫星发射在即,而国外已有两颗卫星抢先占据了“北斗”预定的轨位。

  国家有关部门邀请李恒年等航天专家,代表中国政府同外方展开谈判。由于担心3颗卫星共位产生碰撞危险和电磁干扰,外方专家不同意中国卫星挤进来。

  这是一场艰苦的谈判。最终,李恒年设计提出的卫星共位控制方案得到了两国专家的认可。截至目前,3个国家的卫星已在同一轨位上安全运行8年多,成为国际社会和平利用太空资源的一个范例。

  李恒年很快出版了《地球静止卫星轨道与共位控制技术》专著,填补了我国在这一领域的空白。2012年,又推出了这本书的英文版。在那部几经删改的英文手稿扉页上,李恒年写下了作家路遥的一句话:“只有在无比沉重的劳动中,人才会活得更为充实。”

责任编辑:白世康
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