在以重大科學產出為己任的國家空間科學中心,有這樣一群仰望星空、銳意進取、無私奉獻的工程技術團隊,他們來自中國科學院復雜航天系統電子信息技術重點實驗室。
自2013年獲批成立至今,中國科學院復雜航天系統電子信息技術重點實驗室(簡稱復雜航天重點實驗室)已走過五個年頭。五年來,復雜航天重點實驗室始終面向復雜航天系統發展趨勢和任務需求,在努力打造國內一流、國際知名科研平臺、人才平臺和學術交流平臺的同時,多項創新技術成果為我國空間科學、國防和民用航天領域多項重大型號任務提供了強有力的智能化航天電子信息關鍵技術支撐。
六十年輝煌創業路 與中國航天事業共成長
復雜航天重點實驗室的前身是中科院空間中心一部,該部門六十年來一直與空間中心共同發展,創造了中國航天發展史上很多輝煌的第一次:
“東方紅一號”
研制了我國首顆人造衛星的多普勒測速定軌系統,為我國航天測控系統建設奠定了技術基礎,1978年獲全國科學大會獎。
“實踐五號”
在1999年發射的“實踐五號”科學試驗衛星上,國內首次在軌應用并驗證了1553B總線技術、基于國際空間數據委員會(CCSDS)的數據管理技術,開創了我國有效載荷標準化管理的先河,為載人航天的正式應用奠定了基礎;研制了我國首套遙科學實驗系統,成功支持了中科院力學所胡文瑞院士主導的空間微重力流體遙科學實驗;國內首次開展了太陽同步軌道上的大規模單粒子效應試驗研究,為我國航天電子器件防護技術的發展作出了重要貢獻。
載人航天工程
在神舟飛船上首次成功在軌實現了當時國內最高碼速率(8.448Mbps)和RS信道編碼的數傳通信系統;突破了基于1553B總線的分布式數據管理系統等多項達到國際先進水平的新技術,首次在國內航天器上采用國際空間數據系統咨詢委員會(CCSDS)高級在軌系統(AOS)數據標準,圓滿實現了神舟系列飛船的有效載荷公用設備分系統任務。
探測1號、二號衛星
在探測1號、二號衛星中,采用在線監測、多策略控制等技術,實現了星上有效載荷的自主管理;針對多次穿越內外輻射帶的惡劣空間環境,采用了主被動相結合的系統防護技術,實現了有效載荷數管系統長期在軌無故障運行;采用測試控制語言(controlfile),在國內首次實現了有效載荷集成測試與在軌運控流程的自動控制,支持自動指令編碼、組幀上行、參數判斷和異常處理,實現了天地大回路衛星的運控自動管理。
探月工程
在探月工程嫦娥系列衛星中,突破了在體積、重量、功耗嚴苛條件下的系統可重構、可復用技術,圓滿支持了嫦娥系列衛星多種類復雜有效載荷的集成和數據管理。
瞄準航天強國目標 開啟創新驅動發展新征程
縱觀全世界的空間探索活動,有近1/3是開展空間科學研究的,而我國空間科學才剛剛起步,面臨激烈的國際競爭。“空間科學衛星任務只有第一、沒有第二,具有重大前沿性,這就對各項原創性的關鍵技術提出了更高要求。”復雜航天重點實驗室副主任、仿真室主任楊震告訴《科學新聞》。
為此,復雜航天重點實驗室瞄準國家戰略需求,大力加強基礎研究,圍繞星上信息處理技術、分布式空間系統技術、復雜系統仿真技術等主要研究方向,組織多個創新小分隊,持續開展關鍵技術攻關。
“萬戶”芯片攻關群體
為實現航天電子信息核心芯片的自主可控,以安軍社副主任為首的“萬戶”芯片攻關群體多年埋頭苦干,克服重重難關,成功研發了具有自主知識產權的“萬戶”系列星上高性能計算機SOC芯片(WH1770、WH2770)和微控制器MCU芯片(WH1771、WH2771),該芯片以“龍芯”為基片,實現了1553B總線、Spacewire總線、CAN總線、ADOC接口、PCM、PPC、PWM等功能的高密度數字單片集成,有效打破了國外封鎖,目前在軌飛行應用的萬戶芯片數量已突破百片,實現了真正的“中國芯”。
“Σ團隊”——空間科學任務分析與設計團隊
作為總體性的研究機構,空間中心需要負責論證很多具有原始創新性的空間科學任務,遴選出技術成熟度比較高、科學意義重大、經費可控的項目來組織實施,“在這個過程中就需要很多系統工程方面的支持,所以我們打造了‘Σ團隊’——空間科學任務分析與設計團隊,來支持重大項目論證。”楊震說,“我們的理想是匯聚全國之智、引領科學創意、成就空間夢想。”
其中以鄭建華研究員、李明濤研究員為帶頭人的軌道動力學研究團隊,在國內率先開展了星際超級公路、借力飛行、小推力、太陽帆等多項先進的深空節能軌道設計技術研究,研制了具有自主知識產權的拉格朗日點節能軌道設計、借力飛行等軟件,在“嫦娥二號”日地拉格朗日點拓展試驗任務中得到驗證,連續三次獲得全國軌道設計競賽冠軍;自主提出的地磁天文組合自主導航算法經衛星實測數據驗證定位精度達到百米量級。
空間分布式探測重點培育方向
圍繞宇宙黑暗時代等重大科學目標和國家戰略需求,由鄧麗、武林、周莉、王竹剛等一群年輕人組成的“分布式空間系統重點培育方向”創新小組提出了非共面基線大視場成像算法、空間物理場立體探測、分布式被動微波高分辨對地觀測等多項創新性的空間分布式探測機理與處理方法,突破了線性編隊三維觀測基線設計優化、小尺度立體探測編隊分離部署與構型控制、星間測距、時間同步、通信一體化、星間相對姿態測量與協同控制等多項關鍵技術,成功應用于嫦娥四號中繼星搭載月球軌道編隊超長波天文觀測微衛星任務中,其中基于月球圓軌道線性呼吸編隊的超長波天文干涉成像探測方案由于其創新性和重大科學意義已入選空間科學先導專項背景型號項目。
瞄準定量輻射的虛擬現實技術創新小組
瞄準虛擬現實從視覺仿真向定量輻射延伸發展的技術趨勢,孟新研究員為首的創新小組提出了“數字靶場”概念,突破了一系列基于高精度三維建模和全鏈路定量輻射計算的光學成像仿真關鍵技術,經星地同步比對試驗驗證技術指標達到了國內領先水平,構建起了連接虛擬世界與真實世界的“橋梁”,和定量化標定虛擬世界的“尺子”。
星上高可靠高性能并行處理科研團隊
卞春江研究員帶領一群80后的年輕人敢啃硬骨頭,數年如一日不懈攻關,攻克了面向復雜目標檢測算法的星上實時并行處理芯片設計和面向多路海量圖像數據處理的高性能實時處理系統設計難題,處理算法軟件具備在軌完全重構功能,圓滿完成了高可靠長壽命信息處理載荷研制,在國家重大型號任務中得到在軌應用驗證。
先進空間測量技術創新群體
圍繞先進空間測量技術方向,涌現出翟光杰、李保權、劉雪峰等為首的一批銳意進取的創新群體,突破了時間分辨單光子多維光譜成像方法、微像素質心定位、X射線嵌套聚焦、柔性碳纖維伸桿等一系列核心技術,基于這些創新技術研制的光譜儀、納型高精度星敏感器、11層拋物面嵌套聚焦鏡等部件技術指標達到國際先進水平。
仰望星空無私奉獻 我們的征途是星辰大海
“雖然我們不是科學家,但希望通過系統工程的工作和關鍵技術支持,能支撐科學家實現他們的夢想,這是我們最大的心愿。”楊震樸實的話語,令人動容。
正是憑借著這種無私的服務與奉獻精神,一批卓越的科研工作人員數年如一日,為空間科學發展無怨無悔地貢獻著力量。
2018年5月21日,我國嫦娥四號中繼通信衛星“鵲橋號”和搭載的兩顆微衛星(龍江一號、龍江二號)在西昌衛星發射中心成功發射升空。
龍江一號、龍江二號攜帶超長波干涉儀有效載荷,其目標是在軌驗證超長波干涉測量關鍵技術。肩負重任的超長波干涉儀設計是由空間中心所承擔,而其背后則是來之不易的機遇和一群有理想、肯奉獻的年輕隊伍。
超長波射電觀測是目前已知的唯一直接觀測宇宙黑暗時代的手段,該波段也是電磁頻譜中最后一個空白,這一研究具有極其重要的價值。由于地球電離層的影響和地球的射頻干擾,30MHz以下的超長波探測在地面和地球軌道都很難開展,歷史研究表明月球軌道是最佳觀測位置,但月球軌道一直是一項稀缺資源。國際主要研究機構雖提出多個任務概念,但均未實現。
正是由于任務的重要性、前沿性和挑戰性,當得知嫦娥四號中繼通信衛星有搭載機會時,空間中心載荷團隊和哈爾濱工業大學衛星團隊積極果斷地抓住了這次難得的機會,力爭在超長波射電研究領域跨出具有劃時代意義的第一步。
沒有經費,風險自負,是載荷團隊首先需要面臨的挑戰。還不止如此,研制周期短、技術約束多更是讓很多人望而卻步。
從初樣到正樣,常規的衛星任務周期需要3年,而該任務不到1年半。搭載的微衛星分配的重量不超過50kg,載荷重量僅3.4kg。這小小的3.4kg包含了載荷的探測天線、數據處理單元、雙星通信測距和時間同步單元等等。
面對巨大的挑戰,非但沒有讓載荷團隊畏懼退縮,反而更激發了成員們勇往直前的斗志。隨即,復雜航天重點實驗室、微波遙感技術重點實驗室共同成立了一支“超能隊伍”:在時任空間中心主任吳季、復雜航天重點實驗室副主任安軍社等組成“跨室協作指揮組”的引領下,團隊成員迅速組成“沖鋒小分隊”“突擊小分隊”“保障小分隊”投入緊張的戰斗中。
從載荷設計、投產到開展戶外試驗,再到配合衛星總體聯試……載荷團隊硬是靠著自己的摸索,攻克了一個又一個的技術難題。
2018年5月21日清晨,龍江一號、龍江二號隨著中繼星順利升空。遺憾的是龍江一號在奔往月球的轉移軌道中失去聯系,幸運的是龍江二號順利進入預定目標軌道,運行正常。
5月26日,龍江二號有效載荷首次加電開機,各項遙測參數均正常。5月29日,第一階段天線展開成功,有效載荷開始進行在軌測試,初步獲取了月球軌道不同位置的頻譜數據。數據分析表明,月球有效遮擋了來自于地球的射頻干擾,為1-30MHz宇宙射電信號探測提供了理想的電磁環境。
談及這支團隊,楊震的話語中難掩驕傲:團隊里年輕的“80后”耐得住寂寞、不計較個人得失的奉獻精神以及參與國際競爭、搶占國際前沿的擔當讓他倍感自豪。
“等待是為了厚積薄發”這句話用在載荷團隊身上可謂再合適不過。如今,這群具有使命感和大局意識的最可愛的空間科學人已開始投入新的戰斗中:有效載荷將執行第二階段天線展開任務,并開展各類掩月探測實驗,進一步驗證有效載荷關鍵技術,為未來探索宇宙黑暗時期奠定堅實的基礎。■