曲耀斌

　　在由中国宇航学会、福州大学主办的中国航天大会“青聚闽江”青年科学家论坛上，上海航天技术研究院上海卫星工程研究所副总工程师曲耀斌和中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部卫星总体主任设计师冯文婧，分别在主旨演讲中讲述了中国航天人的艰难奋斗历程。

航天人的底气，在于不放过任何一个假想故障

曲耀斌

　　我叫曲耀斌，是一名卫星总体设计师，也是数十万中国航天工作者中的一员。

　　我们这么多人投身航天事业，每一个人就像是卫星上的一颗小小的螺丝钉。那么，我们应该怎样做一颗螺丝钉？这其实是一个关乎航天学科发展和传承的大问题。

用有限的已知　去探索无限的未知

　　宇宙太广阔了，航天器在太空环境中运行，很难根据内外部条件事先开展模拟试验，去充分试错。而且，作为世界上最昂贵的承载平台，航天器的定制性很强，无法进行工业化规模生产。换句话说，我们必须用有限的已知去挑战、探索无限的未知。

　　2010年，我刚工作不久，是一名卫星姿态轨道控制系统设计师。当时，我们接到一个项目论证的任务，要打造一个全新的卫星平台，在36000公里的高度开展新技术通信试验。

　　所谓卫星平台，就是设计一颗卫星所需要的外形、能源、信息等综合形态。它需要完成两个艰难的使命。

　　一是在7天时间内完成4次精确的变轨控制，发动机的工作时长和误差不能超过1秒。在发动机剧烈工作时，卫星还需要保持接近绝对稳定的状态。任何一项失误都会消耗额外的推进剂，导致卫星无法正常入轨，甚至整个任务失败。

　　第二个难点是这颗卫星要配合新载荷开展多项任务试验，比如首次在地球静止轨道实施很多复杂的动作。

　　我花了几周时间把整套全新的控制算法写了出来。但对于一个新的卫星平台来说，需要充分摸清各个部件的细节特性，开展实时的半物理验证，并且尽可能地调试、测试各种参数。

　　那几年里，大约有1/3的时间，我和同事们都是通宵在实验室里度过的。我们开发了一套能够完全模拟卫星的软件架构，并且以10倍速率仿真且不损失任何一个进程环节的超实时系统。我们想象了尽可能多的故障情况，然后再设计卫星自主处理故障的预案。这上千个假想的故障，可能99%永远都不会发生，但往往放过了一个就可能会荒废一代人的努力。

　　2018年12月25日凌晨，通信技术试验卫星三号成功发射。耗时数月，该卫星自主完成了各种入轨及试验动作。此时，我们这支国内最年轻的高轨新平台设计师队伍已经日夜不断地耕耘了8年。

“两弹一星”　开创的系统工程方法

　　50多年前，在非常薄弱的中国基础工业体系上，为什么能够一下子绽放出集所有专业大成于一身的“两弹一星”？我认为，其中一个重要的原因，是以钱学森先生为首的团队开创了系统工程方法，这套方法沿用至今。

　　它将一个运载火箭、一颗卫星、一枚导弹分解为几十个系统、几千个部组件和上万个元器件，并逐级赋予了每个环节相应的设计和工程进度要求。这样一个责任体系，我们把它称为“两总系统”。换言之，在每一个设计层级，不同的设计师都在基于产品进行最优化的设计，最终实现整个项目的优化。反过来说，一次成功的航天任务，取决于这个庞大系统中的每一个环节、每一个产品、每一道工序，甚至每一颗螺丝钉。

　　很多人用华为手机的50倍调焦模式拍过月亮，手机一晃，就出现了月亮的画面。我们正在做的高精度、高稳定度的指向控制技术，相当于把这个镜头的视场再精确10000倍。

　　有时候，我们已经做到了极致，但跳出来换一个视角，借鉴其他非航天领域的方法，又能做到再提升、再优化。比如，我们将地面经纬仪测量原理搬到天上，将整个精度提升了20%；又借鉴了家用计算机双核计算的原理，来模拟奥运射击冠军的动态视觉，把精度又提升了30%。

　　2020年2月20日发射的新技术试验C星、D星，成功实现了国内首次星间高速激光通信。而这只是开始。随着技术的逐步深化，还会演化出很多让人意想不到的新应用。这就是航天系统工程。

这些设计永远留在了太空里

　　在上海卫星工程研究所的一楼，有一个很特别的地方，叫上海航天卫星监测中心，我们都叫它“长管”。

　　“长管”，意为长长久久地管理。在这里，365天日夜不断接收的，是经上海航天技术研究院研制、发射并且目前还在运行着的近50颗卫星的实时数据，其中有一半都已是超寿命运行的卫星。

　　我的手机24小时不能关机，因为“长管”监测的卫星中，有我们团队研制的11颗卫星。如果监测的数据出现任何异常，监测人员就会第一时间打我的电话。而我和我的团队需要马上判断是否要应急抢救、处理，因为这关系到这颗卫星的存亡。

　　在卫星运行期间，设计师们的代码年复一年孤独地运行在宇宙中。在“长管”，稳定的数据就代表着这颗卫星的存在，也代表着那些设计师曾经留下的印记。随手翻看一些老卫星的使用手册，上面有很多老院士、老专家的批注，以及他们在刚工作时编译的程序、软件。虽然航天器是有寿命的，但看着这些数据，你会发现，这些设计永远留在了航天器里，永远留在了太空里。同时，它们会经下一代之手，不断地更新重生，在新的航天器里升级，焕发新的生机。

　　2019年9月23日深夜，实践六号01星报警。这颗星是2004年9月9日发射的，报警那天已经比预计寿命超出了13年。它的有效载荷已经不再执行任务，仅有的使命是采集各个部件的数据，为下一代的高寿命航天器设计奠定基础。

　　当年研制这颗卫星的团队如今已分散在各个地方。费劲地抢救这颗卫星已经没有什么意义。但是那天晚上，我第一次在“长管”里见到那么多人重新聚集在一起。早已是厂所领导的主任设计师，亲自来画故障树；已经改做技改管理的软件设计师，重新翻出了当年的代码；而已经退居二线、在家里带着孙辈的测控设计师，和当年的技术参谋反复进行着电话沟通……所有人都不希望这颗开创了一个系列的首发卫星就此消失。

　　后来怎么样？这颗卫星至今还在轨继续正常运行。

　　正是在那一刻，看着这些年过半百的设计师穿越时间长廊，变成了年轻的样子，我仿佛也看到了我将来的模样。数十年以后，我也会继续为航天事业出力，而中国航天事业的未来，必将走向新的辉煌。

冯文婧

中国的北斗，也是世界的北斗

冯文婧

　　我与北斗的缘分，是从那个夏天开始的。2010年6月，我从哈工大毕业，来到中国空间技术研究院工作。在出租车上，司机以为我是研究载人航天的，很热情地和我聊起来。当得知我是研制北斗卫星的，他当时就问：为什么要建北斗？GPS不是挺好用吗？正是从那时起，我暗下决心，一定要研制建设好北斗卫星。

从卫星遥测遥控工作做起

　　刚开始，我主要负责卫星遥测遥控总体设计工作。

　　当时，正是“北斗二号”研制任务的高峰期，我先后接手处理了5颗卫星的上万个遥测数据。我每天的工作就是对着电脑收集、整理、分析数据，并形成一份份上百页的报告。

　　面对繁重而枯燥乏味的工作，我开始产生了自我怀疑：这与我大学学的专业有什么关系？那时，我的心里有很大的落差。

　　直到有一次，卫星飞控任务突然出了状况：太阳翼展开指令执行之后，遥测显示，太阳翼没有完全展开。

　　现场突然变得异常安静，所有人的目光都投向了我们。当时，我的脑海中闪现出很多种可能。凭借着这一年多来积累的经验，我很快排除了遥测解析错误本身的可能性，明确了问题排查的方向。

　　太阳翼展开会对卫星的姿态产生扰动，所以紧接着，我们对卫星姿态遥测变化情况进行了快速的判断，并且将它与以往多颗卫星相同事件下的遥测变化情况进行比对、分析和计算，最终得出“太阳翼已经展开到位”的结论，从而使飞行程序得以继续进行。

　　这件事情对我的触动很大，原来卫星遥测并不简单。

自主创新搭建北斗天网

　　“北斗二号”收官之后，我转战到了“北斗三号”。不同于“北斗二号”，“北斗三号”采用了全新的综合电子架构，它将以往多台单机的功能进行了高效整合，形成了卫星的“最强大脑”。

　　导航卫星最大的任务是要提供连续的、稳定的导航信号，这就要求卫星信号不能中断，或者尽可能少中断，出现中断的间隔要尽可能短。这是很有挑战的，尤其是在复杂的空间环境下。为此，我们一方面自主研发了大量国产化元器件，以保障并提高元器件的可靠性；另一方面，作为综合电子总体设计师，我们要不断地、深入地和各分系统进行沟通，挖掘、探究影响服务性能的关键要素。

　　最终，我们提出了100多项自主健康管理功能，大到卫星工作模式、控制模式的自主管理及卫星时间系统的自主管理，小到任意一台单机、任意一个电子器件的自主故障检测及快速恢复，来规避故障或失误所带来的系统中断的风险。

　　除此之外，我们的研究团队还在太空中创造性地搭建了一套北斗天网。只要有一颗卫星在中国的领空，那么其他卫星都可以通过它和地面站取得联系。即使在没有地面站支持的情况下，整个星座系统仍可以支持一定时间内的在轨自主运行。

两年半，30颗卫星例无虚发

　　2017年开始，我更多地参与到卫星的总体设计以及全周期研制过程中。

　　我们搭建了一套北斗地面试验验证系统。它相当于一套地面版的北斗系统，可以支持任意场景、任意业务功能的状态模拟及试验验证需求。

　　要在地面建设如此大规模的系统，没有任何经验可以借鉴。一方面，我们要模拟3种轨道、不同种类卫星的功能状态，并且要具备模拟全星座30颗卫星的规模；另一方面，整个系统的研制成本还不及一颗卫星研制成本的1/10，而且研制周期也只有不到一年的时间。这对我们来说是一项非常大的挑战。

　　我们团队经过了多轮系统论证和技术攻关，最终设计并实现了基于3种状态模拟器组成的地面空间段系统，按期投入了验证工作。由于这套系统可以高保真地模拟星座在轨组网状态，因此每一组卫星必须通过与这个系统的手拉手、面对面验证，才能拿到通往北斗系统的准入“签证”，运往发射场，执行发射任务。借助这个系统提前发现并解决了工程上的一些bug，为提前完成组网建设和提供可靠的服务争取了宝贵的时间。

　　一般来说，一颗卫星从开始组装到具备发射条件大概需要10个月，就像十月怀胎一样。而要在3年内完成30颗卫星发射的目标，这听上去几乎是不可能完成的任务。

　　在这个过程中，我们的团队探索出了一套卫星批产研制管理的新模式，优化了研制流程，也大幅提高了工作效率。但即便如此，加班加点、长期出差仍是我们的工作常态。

　　最终，只用了两年半的时间，30颗卫星成功发射。

北斗正在融入我们的生活

　　如今，“北斗三号”已经完成全球组网，正式提供服务。相比“北斗二号”，它增加了精密单点定位、星基增强、大容量短报文通信、全球位置报告以及国际搜救等业务，可以说是当今世界上功能最多的全球导航系统。

　　“北斗三号”的在轨服务性能也有了显著提升。经过测试，其全球范围内的定位精度实测结果在5米左右，亚太地区实测结果在2米左右，甚至更优。

　　星空布阵的同时，北斗系统也正在逐步融入我们的生活。

　　新冠肺炎疫情防控工作中，北斗高精度测量设备火线支援了武汉火神山、雷神山医院，发挥了重要作用。2020年5月，中国的珠峰测量登山队第三次成功登顶世界海拔最高的珠穆朗玛峰，这是首次以北斗数据为主开展的珠峰高程测量工作，意义非常重大。

　　某知名国产品牌手机在自主研发的手机芯片中，优先采用北斗系统来提高手机的定位精度和定位速度。北斗的地位正在不断提升，目前，全世界已有120多个国家开始使用北斗系统。

（图片由中国航天大会提供）

荐稿人：lry  2021-03-26 执行编辑：lry 2021-03-26  责任编辑：ych 2021-03-28