东方红卫星——多普勒测轨方案全程(2)

作者:计算机六十年 / 微信号:jsj_1952 发布日期:2018-12-04

公众号《计算机六十年》第160篇文章
卫星测轨方程要经过论证,中科院计算所接到多普勒测轨算法设计和编程任务,三室负责人张克明将任务交付张绮霞,她是1956年的计算数学训练班第一期学员,师从数学家徐献瑜,具备多年成功实践经验。她依据刘易成的方程组编制了程序,成功地逾越了所有难点。张绮霞通过数学反演找到刘易成交代模型时没有说清的一个差错,两人一起做了修改,程序在计算所的119 机上运算100 多个机时,计算了3000多条模拟轨道,精度达到2‰,求解的收敛性也很好,证明方程不仅有解,而且是孤立解,观测算法迎刃而解,多普勒测速仪独立测轨算法得到完全肯定的结论。

圆满完成多普勒测轨算法设计和编程任务的张绮霞
地面观测组还完成了一个轨道倾角选择的重要任务。在卫星方案论证会上,确定由东风基地发射卫星,送入42 度倾角的轨道,入轨后可连续跟踪三圈。能否用同一发射基地增大轨道倾角,兼顾以后发射侦察、气象等实用卫星的需要呢? 651 研究院的钱骥、潘厚任和刘易成得知运载火箭发射重量为100 公斤,推动卫星上天尚有余力,可以考虑加大轨道倾角。这时,已完成的多普勒独立测轨模拟计算数据,为改变轨道倾角提供了依据。
1966 年 3月,在卫星地面测量系统方案论证会和 4月份的卫星轨道选择会上,通过了这一论证,刘易成作了专题论证,改42度倾角为70 度倾角。潘厚任报告了新的轨道选择可以满足侦察卫星对日照条件的要求,使我国卫星轨道的总体性能得到根本改善,并可节省再建一个靶场及一套入轨点台站的投资。在杨刚毅、钱骥主持下他执笔完成上报中央的报告。国防科委对新的轨道选择非常满意,给予极高评价。

紫金山天文台为东方红卫星上天做出巨大贡献
1966 年 5月,改变卫星轨道的方案正式上报中央。1966 年 9月,紫金山天文台张家祥、陆本魁、吴连大、刘亚英组成临时任务组,研究卫星轨道改进方案。经过一个月的准备,到上海华东计算所利用X-2 计算机开展轨道方案的改进工作,推导公式、写程序、上机,经过两个月夜以继日的工作,完成了我国第一套比较完整、包括地球引力场一阶摄动的、适用光学和无线电观测资料的轨道改进方案。陈芳允和潘厚任到国防科委向马永良副局长汇报了多普勒方案的计算、分析结论,得到了国防科工委张震寰副主任审查批准。
次年,国防科委正式下文确认了轨道倾角和发射角度。1967 年3 月,国防科委组成405 专门任务组,研究制定整套测轨预报方案。编制供发射时实际使用的完整的测轨程序,包括传输、纠错等必需的前端数据预处理;还要编制使用国外卫星进行实测的程序。
405任务组成员25 人,其中天文台9 人,数学所4人,西北计算所4 人,701 工程处3 人,发射中心5 人。4 月5 日,405 组16 人在南京集合,悄悄地在鸡鸣寺古生物研究所的一栋楼房里演练和计算,使用华东计算所的X-2计算机,进行了上万次模拟轨道计算,完成了初轨计算、轨道改进和预报三个题目。

科学家们文革期间在南京古生物所悄悄进行了上万次的模拟计算
中科院数学所的陆维明说,这是最早的重大科研项目的计算机模拟分析工作,将测量、通信、数据处理、初轨计算、轨道改进等整合到一起,模拟实际发射场景,纠正轨道实测和数据传输中产生的误差,成绩重大。多普勒观测的数据量极大,每秒有十几组,在当时的技术条件下,处理十分不易。他们避开了街头的“文革”喧闹,酷热的夏天,手腕上沁出汗水;严寒的冬天,炭火盆不足以暖手,不管窗外如何光怪陆离,大家毫不分心。
是年11月,进入试算阶段,用观测美国探险者2号、27 号、29 号3 颗卫星每秒1 点的数据对比,10 秒1 点平滑后,得到满意的结果。陆维明在南京坚持工作到年底,直到任务完成。他于1958 年考入南京大学天文系,用手摇计算机做过许多力学题目。
周恩来总理为确保该项目安全,避免周边“文革”混乱干扰,特派专机将重要科研成果、人员、程序、资料从南京接运到北京。
1968 年4 月6 日,405 组集中在北京八里庄,编制用于工程的108乙和717 两种计算机上的实测程序,然后分赴发射基地和中心站调试。1968 年7 月,天文台陆本魁、顾继明等与西北计算所的三位技术人员,进入东风发射中心,由中心的王方德等编制数据传输、接收和总联程序。1969 年6 月中旬完成了实测联调任务,9 月联试成功,11 月中旬完成了717机的程序调试,和中心站进行了成功的联合演习。
数据处理程序完成后移交渭南测控基地,紫金山天文台派人前去讲解和辅导使用,这套程序与孙传礼等研制成功的多普勒接收机以及数据通信系统组合实测美国“子午仪”卫星,检验“多普勒测轨法”的可行性和正确性,也测量了苏联卫星的轨道。为获得发射时的实际操作需要摸索经验,测得的轨道参数与美国发布的数据完全吻合,大获成功。
1967 至1969 年,历经北京、酒泉、喀什、渭南、新化,经过108 乙计算机、717 计算机、X-2计算机的计算、远程联试和实测演练,强有力的总体协调很快使651 的地面系统定型,调试好的程序装入半固定存储器送到基地,等候卫星发射。
模拟检测时,所得到的人工判读数据更加完美,小组成员向651 总体组领导保证轨道计算完全可信,前期的工作艰苦卓绝,得到的回报丰硕喜人。更可贵的是他们进一步提出,增添海上观测船可大幅度提高观测精度,这个建议被采纳、实施,使用至今。
陆维明说,他参与了多普勒测轨解决方案的全程,原始创新,大攻关、大协作,给我们留下了半个世纪的记忆,学科交叉、科技融合,当前、将来都会产生不可估量的效果。
参加观测合作和发射任务的有中科院数学所、紫金山天文台、中科院计算所、华东计算所、西北计算所、701 工程处、发射中心和邮电部的科研院所与工厂。
1970 年5 月1 日,中国导弹试验基地政委栗在山率发射“东方红一号”卫星的科研人员代表,在天安门城楼受到毛泽东、周恩来等党和国家领导人的亲切接见。

提出多普勒测轨算法的刘易成助理研究员
东方红卫星的测轨预报方案和软件获得1978 年全国科学大会奖。老一辈科学家的远见卓识、果断决策和精湛业务,为我国卫星上天的测轨、算轨、预报等打下了扎实基础,计算技术奉献只是其中的一个组成部分。

2008年7月,笔者和刘易成先生在中关村原子能楼会面。

《溯源中国计算机》2015年由三联书店隆重出版,现网上有售。

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