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几公里之外如何抓住一只“苍蝇”?

2017-09-15 08:51 来源:
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半导体所  邓兆扬 

  一只苍蝇,它从你的周围飞到几公里之外,你能够抓住它吗?请想一想有什么办法? 

  这是比喻一件很难做到的事。47年前,中国科学院在制定我国第一颗人造卫星研制方案时,就是用这个比喻来要求研制工作的高水平和高难度的! 

  咱们回到当时的情景,张劲夫同志(原中国科学院副院长、党组书记)在“中国第一颗人造卫星是怎样上天的”一文中这样写道:“发射卫星最重要的是地面跟踪测轨问题。赵九章所长说过,试想一颗几米尺度的卫星送上轨道后,就像几公里之外的一只苍蝇,如果不能紧紧抓住,如何去找它?因此,发射卫星,首先要把卫星运行规律、轨道计算、测量、预报以及跟踪站的布设等搞得一清二楚。科学院理当把此任务承担起来,先走一步。” 

  经过多方面技术论证后,总体要求“上得去、抓得住、测得准,报得及时,听得到、看得见”。 

  当时科学院组织了许多研究所和部门,分工完成各项任务。它是绝密级任务,其代号为“651”,我有幸参加了其中一项星上设备——“10公分微波信标机”的研制。它与“抓得住、测得准,报得及时”密切相关。 

  中学物理讲过,地球上运动的物体达到第一宇宙速度时,就会离开地面做绕球心的圆周运动。大于第一而小于第二宇宙速度时,就会以地球的球心为焦点做椭圆轨迹运动。发射卫星后所形成的这种轨迹就是卫星运行的轨道,我们的任务就是要在卫星发射入轨后,用无线电的手段,尽快抓住卫星,报出它的入轨参数,这就是地面跟踪测轨问题。只要有了运行轨道的初始参数,整个轨道运行的规律,就可以推算出来,这是经典力学,已经解决的问题。 

  这个任务是包括地面各接收站点和星上设备组成的系统来完成的。现在看看,信标机的用途,为什么需要它? 

  10公分微波信标机”又叫“雷达信标机”,随卫星上天以后,不断发出10公分波长的连续微波信号,地面的雷达就会搜寻并接收到此信号,从而知道它的频率,以及由星体运行的速度所决定的频率变化。这个频率变化很重要,就是所谓“多普勒移”。犹如一辆高速列车迎面开来,其汽笛声随之靠近时,会渐变为尖叫声(频率变高);反之远去时,又会尖叫渐小,变成常态声(频率渐低)。列车开得越快,这个频率变化越大;反之越小。这个现象是多普勒最先发现的,故称“多普勒效应”。其频率变化,称为“多普勒移”。因此可以从多普勒移的大小,知道卫星运行的快慢。当一台雷达接收到卫星运行的多普勒移时,只能知道有卫星存在于附近,但不知它在何处?因此报不出位置来,轨迹也无从谈起。要解决这个问题,中科院的科学家提出了独到的方法,这就是“多站多普勒独立测轨的方案”。 

  试想,如果不是一台雷达接收机,而是在卫星经过的路段两旁相当距离,各设一台雷达接收机,它们同时但独立地检测卫星运行的即时多普勒频移,就会得到与所布设位置有关的两个移量。这两个量,其实都是矢量,因为它们都不正对着卫星迎面而来,与其必然有一个夹角,角度的影响必然使移量变化。雷达位置变化,夹角随之变化,因此与雷达接收机布点的位置有关。我们的科学家解决了从多台接收机所出现的各自即时的矢量数据中,推算出卫星位置来的关系式。这是一个动态过程,要求多处数据的及时运算和处理,从而初略确定星体的即时位置。沿途都这样做,原则上就可以知道运行速度和轨迹来。如果要跟踪的话,就应该在卫星经过的路段两旁,不同位置无论远近,都设检测点。这样,总会有捕捉到的卫星的机会,一条初始轨迹就有可能画出来。这是否就意味着抓住了卫星? 

  然而,进一步的问题又出来了。多普勒雷达既然要去发现目标,它的波束就不能太窄。犹如要在黑暗中用手电筒照蚊子,你要把光束调大,搜索的空间才大,才容易发现飞着的蚊子。反之就不容易发现目标。也就是说,雷达的搜索面积与测量的精确度是矛盾的。换句话说,就是方便了就测不好,要测好就不方便。一旦不方便,就要花时间去搜索,目标很容易就溜跑了。所以,还是保留方便性为好。留下的准确性,只好另想办法。 

  能不能用两台波束不同的雷达,相互配合,取长补短来完成任务呢?答案是肯定的。就窄波束雷达而言,他的定位精度高,为了提高灵敏度,可以不是接收对雷达波的反射信号(很弱),而是在星体上再装一台接收机,专门接收窄波束雷达发出的信号,然后加以放大,再发射出较强的同频信号来,这样灵敏度就随它的放大能力而提高。从而提高接收的及时性和可靠性。这样改进后的雷达,就叫雷达应答机。它的缺点是不易发现目标,然而与信标机结合起来,一个做引导,一个做定位,就不两全其美了吗?所以,列出的星上设备中,就有雷达信标机与雷达应答机同时出现,原因就在此。在“五星红旗迎风飘扬”电视剧中,在发射前的例行监测中,出现了“应答机,收不到信号”的险情吗?幸好后来排除了故障,否则,信标机再好也是徒劳的。据说当时非常紧张,上报到周总理,请求是否改期发射?可见这两个设备的重要性,因为如果抓不住,报不出轨道来,发射上天的卫星,就会成为太空垃圾,而宣告失败。 

  就微波信标机而言,它不需要接收雷达发射的信号,而是本身就固定发射一个较反射波强很多的信号,所以很容易被引导雷达发现,将其大体方位信息告诉跟踪雷达,由跟踪雷达完成精确跟踪的目的。 

  因为要精确测量多普勒移,所以信标机与接收机的频率都要高精度和高稳定地工作,10公分波段有利于通过大气的传输窗口,微波移的绝对值要比低频段大,使分辨力获益。经过与其他设备的配合,地面计算机综合地对多站信息的运算处理,就会得到初始轨道的具体参数。从而达到及时预报的目的。一切其它设备,才能有效运作,成为卫星得以正常工作的前提。 

  下面是东方红一号卫星的内、外部结构以及微波信标机的外形及应用。 

 

东方红一号卫星的外形图 

  中部腰带处排列着多个矩形窗口,就是雷达信标机与雷达应答机的天线口 

    

我国第一颗人造卫星“东方红一号”1970424日发射成功 

               “东方红一号”在组装      卫星外貌      基地发射架整装待发

     

                  “东一”内部结构     微波信标机    “实践1号”卫星 

     

  19704242135分用“长征一号”运载火箭(CZ-1)载着“东方红一号”卫星从中国西北酒泉卫星发射中心发射升空,2148分进入预定轨道。 卫星上天后不久,就被地面的跟踪台站抓住了。起飞后1416秒,东风计控中心计算出了卫星的初轨......在“抓得住、测得准,报得及时”方面,“微波信标机”在系统中做出了重要贡献,圆满完成了预定任务。 

  由于微波信标机的工作出色,研制组的代表,应邀上天安门城楼与党和国家领导人一起参加大会。这是当时对该任务的最高奖励。 

  19713月发射的“实践一号”科学卫星,其中的“微波信标机”,仍沿用上交五台正样机中的另一台。这是经过一年的存储之后,仍然能够长期有效工作。再次检验和证明了该机的重复性和高可靠性! 

  1986年“东方红一号卫星总体”获国家科技进步特等奖,“微波信标机”是星上性能与可靠性甚优的关键部件,是国际上第一个上天的“固体微波源”。 

  中科院特将“微波信标机”作为单列项目载入军工史册。 

  2009 11 月,凤凰网介绍中国科学院在“文革”的艰苦阶段,仍在为祖国科学事业做出巨大贡献的报道中,就选用了“微波信标机”作为视频画面之一,至今为人们称颂。