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刘易成:《测轨法与我国卫星轨道的选择》
2015-10-15 | 【     】【打印】【关闭

  来源刘易成. 《请历史记住他们——中国科学家与“两弹一星”》. 科学时报社. 1990 

 

  我原在中国科学院数学研究所理论物理研究室工作。19659月副所长关肇直找我,说组织决定调我参加卫星轨道研究,担任副组长(关为组长),具体主持业务工作。我想这是我为国效力的一个机会,就欣然应命。不久,我又任中国科学院651大总体组成员,直到1967年“文革”中调离。在这期间,我与同志们废寝忘食,攻坚闯关,主要成就有二:一是建立多普勒测速系统的独立测定卫星轨道的测轨方程,为发射我国第一颗卫星做到“抓得住,测得准,报得及时”提供了保障;二是参与研究将原选与地球赤道夹角为42度的卫星轨道,改为近70度夹角,省去在东北白城一带建一个新基地,在酒泉卫星发射中心就可发射实用卫星,节省了巨额资金,又争取了时间。 

  196510月至11月,中国科学院党组为落实中央1970年发射我国第一颗卫星的决定,召开了院内外120多位专家的会议,进一步论证《方案》,明确分工,落实进度。会议进行到20天时,方案论证步步深入,解决了一些问题,也暴露了一些深层次的问题。当时列出有14个方面的问题,其中涉及轨道方面的主要有2个。 

卫星升空后地面测轨定轨 

  人造卫星升空后,关键问题是对它在空间的位置和运行轨道要做到“抓得住,测得准,报得及时”。然而,我国发射卫星的地理条件比苏联、美国都差,可谓天大地小。如苏联国土跨近180度,我国则仅60度;美国全球建有地面站,条件更好。我国第一颗卫星从酒泉卫星发射中心向东偏北发射入轨后仅几分钟就飞出国境,要经过110分钟再次飞越国境时才能再看到。如果第一圈抓不住,测不准,美国设在日本的地面站就会测出我国卫星的轨道,算出它经过各地的时间,并抢先发布。这在当时就是政治上的失误;从技术上看,也是一个很大的缺陷。因此,研制适合我国“天大地小”国情的测轨定轨设备,至关重要。当时总体设计拟选用四种设备,进度上要求1968年进入现场进行联网和空载试验。在196510月会议上落实时,其中光学电影经纬仪,由光机所研制,可以交货,但使用条件苛刻,如卫星升空后,必须千里晴空,升空时间只能是早晨或黄昏,否则难以观测;有源精密雷达测量,则需星载5厘米微波应答器,当时设想由院西南电子所研制,尚未安排,电子部负责研制的雷达整机,需要投入巨额资金和人力,进度还难以保证;比相干涉仪测量,由于一些技术问题,保证进度没有把握,投资也大;多普勒测速方案,1963年地球物理所二部孙传礼等已研制成功,用于电离层研究,有一定技术基础。显然,多普勒比其他三种设备既经济又便于移动,且研制周期短。但怎样才能只用多普勒测速数据就能独立地、精确地算出满足发布公报要求的轨道参数来,当时尚无成熟的算法。方案论证会上导弹弹道测量方面的30多位专家,经过20多天的研讨,仍无定论,成为当时的一个卡脖子问题。这期间,我一直在冥思苦想,最后终于跳出了寻找几何关系的传统思想,直接从多普勒原理导出一组多站多普勒独立测轨方程,形成了打破常规的新方法,于1123日大会上提出“多普勒观测系统的工作原理及在卫星入轨后迅速、准确测定其轨道的可能性”的报告,即只要用布于适当位置上的几个多普勒站对卫星进行联合观测,用我建立的测轨方程,就能独立算出卫星的位置和运行情况的6个轨道参数来。我的报告引起与会专家的高度重视,当晚王大珩问我:“多普勒是测速,卫星位置你是怎么算出来的?”听了我的解释后他沉思着走了。第二天,他高兴地对我说:“你的这个办法能行!”会后,我们用此办法计算了3000多条模拟轨道,证明精度达到千分之二,求解的收敛性也很好,可以满足发布公报的要求。1968年我们利用应用地球物理所研制、上海科仪厂生产的多普勒跟踪测量设备和此测轨方法,实测美国发射的子午仪卫星,结果与美国公布的数据相符。这项工作历时2年多,做出主要贡献的人员有我和孙传礼、陆维明、张家祥、赵先孜、张绮霞、宫维枢、马芳烈等同志。 

少建一个发射基地 

  19657月,中央批准我国第一颗卫星总体方案,其中卫星轨道与地球赤道夹角为42度左右。这一轨道的选择是基于我国诸多条件的限制,如利用现有的酒泉中心;火箭运载能力有限,需利用地球自转速度;第一、第二级火箭能落在无人区等,尤其是基于要保证测轨的考虑。因为42度轨道的卫星一连三四圈都要飞经我国,其中第2圈更是从新疆入境,先向东北,继向东南横穿我国全境,万一第1圈测轨失败,尚可补救。但这一轨道选择并非理想,因为它不能满足实用卫星对轨道的要求。为此,《方案》提出为发射气象等实用卫星,应在“四五”计划期间在东北某地新建一个发射中心。 

  196510月会议后,我一直想能否在现有限制条件下改选高倾角轨道。后来由于模拟计算证明多普勒测轨法的可行性和优越性使我见到了希望,一个大胆的设想油然而生,即从酒泉卫星发射中心向海南岛方向发射,轨道倾角将达近70度,且计算表明卫星入轨后在我国飞行约2000公里(42度轨道才600公里),第1圈可测弧段达3000公里,测轨条件是比较好的。但是,如果万一第1圈测轨失败,卫星第2圈仅从新疆喀什上空一掠而过,很难补救。这一轨道可满足实用卫星的需求,又可提前发射实用卫星,好处大,风险也大。这一结果既使我兴奋,又使我不安,因为这样势必加重多普勒测轨的责任。这时得知钱骥和潘厚任与我有同样的想法,且适逢钱学森同志令人转告说火箭尚有余力,这就增强了我建议选用70度轨道的信心。19664月,在杨刚毅、钱骥主持的轨道会议上,我作了“从卫星测轨、回收、遥测遥控和发射安全诸方面分析比较几种可能的轨道选择及其利弊”的报告,论证了改选70度轨道的技术可行性。潘厚任论证了70度轨道可以满足实用卫星的需求。会议一致通过了改变轨道选择的建议。会后,在杨刚毅、钱骥主持下,我执笔完成了中国科学院给中央关于《我国卫星的轨道选择》的报告。对此,国防科委评价道:“这一轨道选择的好处是实在的”,并于1967410日发文,决定“卫星轨道与地球赤道的倾角:70度左右”,“发射中心:酒泉”,“发射方位:南略偏东”。后来,继我国第一颗卫星发射成功之后,又用这一轨道成功地发射和回收了实用卫星。 

  由于倾角改变为70度,使我国少建一个发射中心和与其配套的观测站网,为国家节约了成亿元的资金,又争取了时间。 

  回首往事,我个人的贡献只是沧海 一粟。然而,同志们团结在党的周围,在外有压力、内有困难的情况下,大力协同,发挥科学院多学科、综合研究的优势,靠自己的力量和创造精神,为国家作出了重大贡献,推动了我国科技事业的发展,是很值得自豪的。 

  (199012)

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