原创《铺就中国轨道》
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朱泽蓝
每一颗卫星都有一条属于自己的轨道,每一位卫星测控专家都有一套属于自己的轨道计算方法.这种方法是个人的研究成果,更是国家的核心机密.李济生一生都在寻找各种最佳的计算方法,把卫星定轨精度从 2 公里提高到 500 米、100 米、1 米,到最后的厘米级,为中国卫星铺设了一条最精密的轨道.
1970年4月24日,我国第一颗人造地球卫星东方红一号发射成功.当人们陶醉于胜利的喜悦之时,27 岁的李济生异乎寻常的冷静. 庆功大会上,他端着当时测控部为每一名科技人员准备的饺子,但感觉难以下咽,一位老专家的问话萦绕耳际 ： “咱们的卫星虽然上天了,轨道也计算出来了,但你知道轨道精度是多少吗？”
当时,限于技术和装备水平,只是要求测控系统计算出卫星运行轨道,对轨道精度没有提出要求.
李济生把目光投向了茫茫太空.早在一年前,美国的“阿波罗”飞船已经登上了月球.60 年代末,发达国家已将各种应用类型的上百颗卫星送上了太空.人家的卫星轨道确定精度已经达到百米级,也就是说,地面计算的理论轨道与卫星在空间运行的实际轨道之间的误差,不超过 100 米.而刚刚起步的中国航天测控, 此时连 “定轨精度” 的概念都没有.
仰望太空,李济生心情沉重,不知道定轨精度,就无法验证轨道计算的正确性；没有精确的轨道数据,就无法对卫星进行有效的控制.如果不能建立一套精确计算卫星在太空运行轨道的方案,刚刚起步的中国航天事业就难以向前发展.
一个强烈的愿望,在李济生心里萌生：一定要制定出中国卫星的精密轨道计算方案！
从零起步,李济生踏上了追求中国卫星轨道精度的漫漫之路.国内没有精密定轨的先例可循,李济生只能摸着石头过河.
他从东方红一号卫星轨道数据着手,设想了一个个轨道鉴定方法,又一个个地自我否定.那些时日,戈壁滩上那间简陋的工房里,灯光几乎每天都亮到深夜,推导公式、编制软件、分析计算结果,李济生苦苦寻找确定轨道精度的方法.
一年攻关,李济生在“0”和“1”的海洋中求索,我们无法描绘出那是怎样的一种煎熬.一天,一个新的想法闪过他的脑海：能不能借用推算卫星周期误差的方法,来判断轨道误差呢？经过反复计算和论证,他开发出了用卫星轨道“预报误差”的方法来确定轨道的精度.用这种方法测定的轨道精度大约为 2~5 公里,我国卫星定轨的精度首次有了数量概念.
此后的几年里,李济生忘我地搜寻国内一切能找到的相关书籍,深钻细研,利用出差机会四处拜师求教,结合每一次发射任务分析累计资料.
1975年, 我国成功发射了第一颗返回式卫星,测控观察发现,卫星近地点高度在逐渐升高.而从理论分析,卫星受到大气阻力的影响,轨道近地点高度应该是逐渐下降.
为什么会升高？“一定是李济生的轨道计算出了问题.”有人这样议论.
是这样吗？李济生一头扎进这个谜团里.当时卫星测控中心还设在一座大山里,为获取足够数据和理论依据,李济生从北京到南京,再辗转上海,资料数据收集了一大堆.他借助一台手摇计算机,开始了不分昼夜的计算.
几个月后,谜团解开了.卫星轨道出现反常,是卫星姿态控制的喷气管产生的姿控力所致.由于只有0.7克的作用力, 人们在设计时忽略了它. 然而,就是这轻微的作用力,却使卫星轨道近地点每天升高 300 多米！
找到症结,李济生没有就此罢手.他又开发出了“按交点周期积分法”的卫星定轨方案,使我国的卫星定轨精度达到了 1 公里.
然而,李济生没有沉浸在成功的喜悦里.因为,这一卫星定轨精度还是远远落后于美、苏两个航天强国.他又给自己提出新的奋斗目标,要把卫星定轨精度提高到百米量级.
李济生知道,日月引力、大气阻力、太阳辐射压力以及地球引力等各种“摄动力”,都会对卫星运行轨道产生影响.要把卫星定轨精度提高到百米量级,就必须在弄清和解决各种“摄动力”对卫星的影响上下功夫.
李济生回到南京大学向专家教授求教.经过几个月的刻苦攻关,他不仅对“摄动力”有了深入的认识,而且针对各种“摄动力”对卫星轨道的影响,一一建立了动力学模型.1983 年,他终于研究出名为“微分轨道改进和摄动星历表计算”的定轨方案,使卫星定轨精度达到了 200 米,接近了世界先进水平.
从 20 世纪 70 年代到 80 年代的 10 年时间里,李济生相继建立了轨道计算解析法、“三轴稳定卫星姿控动力对卫星轨道摄动”的动力学模型,研究开发了新的卫星定轨系统.
到 20 世纪 80 年代中期,经过李济生和同事们的努力,我国的卫星定轨精度逐渐从公里级提高到 500 米、200 米、100 米级,卫星定轨精度不仅满足了当时国内卫星发射测控任务的需要,而且为我国航天事业发展奠定了坚实的轨道基础.
随着世界航天科技的飞速发展,李济生的目光又盯上了更远的目标.当得知美国的卫星定轨精度已经达到米级的消息后,他坐不住了.
李济生把求学的目光投向了世界航天发达国家, 发誓要把中国的精密定轨技术搞上去. 1984年,李济生终于跨进美国得克萨斯大学的空间实验室.在这里,李济生仿佛走进了知识迷宫.
一天,李济生与一位国内同行邂逅校园.那位同行问：“你准备选修什么？”李济生答：“精密定轨.”对方满含关切地劝说：“这个专业三五年都学不出名堂来,到时没有论文,拿不到学位,回到国内谁承认你？”对此,李济生只是憨厚一笑.
在进修的两年里,李济生与枯燥的阿拉伯数字日夜相伴,忘记了星期天、节假日,无暇光顾异国风情,甚至连封家信也顾不上写.两年时间,李济生掌握了别人至少用 4 年时间才能掌握的知识.导师发现了这个东方巨人的巨大潜能, 热情地劝他 “留在这里工作吧！” 李济生当即婉言谢绝:我是中国人,我的事业在中国.
回国后,李济生带领课题组研制开发新的精密定轨软件.为了集中精力,他主动辞去了软件室副主任的职务,带着两个年轻人,一干就是 4 年多.
1991 年,新的精密定轨方案在我国发射的新型卫星上获得成功,卫星定轨精度从百米提高到十米量级, 如果装备先进的测轨设备, 还可以达到1米.
1993 年,中国科学院、国防科工委、航天工业总公司联合对这一成果进行国家级鉴定,一致认为,这项成果建立了我国卫星测控精密定轨系统,技术水平处于国内领先地位,并达到了国际先进水平.
当时这项最新的成果,为我国“神舟”无人飞船发射试验中的轨道确定,奠定了重要的技术基础,为以后我国载人航天事业乃至如今的太空作战也奠定了扎实基础.
李济生还对几十年的实践经验,进行了系统梳理总结, 出版了 《人造地球卫星精密轨道确定》 一书.这本书系统讲述了精密轨道确定的原理、方法和全部动力学模型,反映了当时这个领域最新成果和发展趋势,是我国第一部卫星定轨理论和实践相结合的专著.
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