太空“牧星人”——记中国科学院院士、西安卫星测控中心总工程师李济生（上篇）

第1版(要闻)
专栏：

　　太空“牧星人”
——记中国科学院院士、西安卫星测控中心总工程师李济生（上篇）
新华社记者奚启新新华社通讯员苏扩善本报记者贾西平
卫星发射好比是一场戏的序幕，卫星测控则是剧情的展开。如果没有测控，卫星就是断了线的“风筝”。
　　——一位航天专家的话
古城西安，有一个闻名世界的航天测控机构——中国西安卫星测控中心。
　　聚集在这里的一大批优秀科技工作者，三十多年如一日艰苦创业，开拓创新，使中国的航天测控技术达到了世界先进水平。
　　中国科学院院士、西安卫星测控中心总工程师李济生，就是这个集体中的杰出代表。
　　从零开始追赶
　　中国的航天测控事业是从零开始的。
　　60年代后期，为了发射我国第一颗人造地球卫星——“东方红一号”，在秦岭脚下的一座山村里，成立了我国最早的卫星测控机构。刚从南京大学天文系毕业的李济生成为其中的一员。
　　那时，在航天领域苏联和美国已远远走在了前面。1957年10月4日，苏联发射了人类第一颗人造地球卫星；美国紧追其后，3个月后也发射了一颗人造地球卫星。
　　而中国刚刚起步，缺乏专业人才和先进装备。李济生学的是天文，而从事卫星轨道计算离不开软件设计，可他在大学没学过软件设计；软件设计要和计算机打交道，可他连计算机都没见过。
　　那时，测控中心只有两台计算机，不可能提供很多机时用来学习。李济生翻阅计算机操作使用手册，反复揣摩一个又一个的数学公式是怎样变换为测控程序的，然后学着编程。在那些日子里，他像着了魔似的，没日没夜地吸吮着计算机和航天测控的知识。1969年春节，同事们都回家过年去了，他还待在偏僻的山村里，钻研测控程序的编写。
　　就这样，经过一年多的努力，他和同事们终于编制成功“东方红一号”卫星轨道计算、轨道预报、数据处理等一整套测控方案。其中，李济生编写的程序大多一次通过。
　　1970年4月24日，我国第一颗卫星成功发射，西安卫星测控中心准确预报了卫星飞临世界244个城市上空的时间和方位。
　　1975年，我国准备发射返回式卫星。当时，只有苏联和美国掌握了卫星回收技术，而且是经过了多次失败后才成功的。中国能否首战告捷，航天测控十分关键。这时，一个意外的难题出现了。
　　由于运载火箭推力等因素的限制，我国第一颗返回式卫星的轨道倾角设定在63度。而传统的卫星轨道计算公式存在一个63.4度的“临界倾角”奇点问题：即卫星轨道面与赤道面的夹角处于63.4度时，运算公式中的分母就是“0”，导致无法计算。
　　63和63.4，太接近了！卫星发射一旦出现入轨偏差，接近“临界倾角”，卫星的运行轨道无法计算，或计算时出现很大误差，卫星就不能准确回收。
　　中心领导发出动员令，要求大家开动脑筋，寻找解决的办法。
　　李济生想，既然卫星的轨道倾角无法改变，只有寻找新的计算方法。他埋头在一个个的数学公式里，反复推导、分析、计算，终于在卫星发射前，研究出了一个新的轨道计算方案，避开了“临界倾角”这个难题。
　　1975年11月26日，我国第一颗返回式卫星发射升空，3天后成功返回地面。中国航天实现了历史性跨越，成为世界上第三个掌握了卫星回收技术的国家。
　　正当世界为中国航天技术的进步感到震惊时，我国又开始了向新的目标冲击——研制地球同步轨道通信卫星。
　　测控地球同步轨道卫星的技术十分复杂，需要高性能计算机。美、苏等国测控这种卫星时，装备的是当时最先进的、运算速度每秒百万次以上的高性能计算机。而西安卫星测控中心只有4台晶体管计算机，加在一起的运算速度也只有几十万次／秒，总内存量不如一台普通的286微机。
　　西安卫星测控中心决心立足现有计算机测控通信卫星。一天，航天测控专家、原测控中心主任郝岩把李济生等人找来，提出用软件来弥补硬件的不足，也就是用科学的测控计划、灵巧的总联程序、精细的软件设计，来弥补计算机处理速度不够和内存不足的缺陷，并从宏观上谈了构想。
　　李济生要做的工作，就好比用100张床安排500个人睡觉，而且要保证每个人随时都有一个床。这不仅需要惊人的勇气和顽强的毅力，更需要超人的智慧。李济生废寝忘食，把全部心智都用在了解这道难题上。几个月下来，他的两眼深深凹陷了，原本瘦弱的身体更瘦弱了。
　　李济生成功设计了一个非常实用又非常灵巧的调度系统，将测控软件分成常驻程序和非常驻程序两种类型，按测控计划的不同需求，任意组合和自由调度，从而在现有的计算机上，满足了通信卫星的测控需要。
　　1984年4月8日，我国第一颗地球同步轨道通信卫星发射升空，8天后成功定点在125度赤道上空。中国航天又一次实现了历史性跨越。李济生设计的测控软件，也因此被称为中国卫星测控史上的“经典之作”。
　　敢于超越“两强”
　　李济生说，他从事航天测控工作30多年，主要做了两件事，一件是卫星测控应用软件的设计和开发，另一件就是卫星轨道的精密定轨。
　　航天测控专家、现任测控中心主任陈严彬说，一个科技工作者能够脚踏实地、锲而不舍追求一个远大目标，是最可贵的。
　　早在大家为我国成功发射第一颗卫星而欢庆时，李济生就望着神秘的苍穹在想，这颗卫星的轨道精度是多少？
　　当时，限于技术和装备水平，只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。
　　精确测定卫星轨道是卫星测控工作的基础。测定卫星轨道的精度越高，对卫星进行有效控制的质量就越高。中国的航天测控技术要追赶世界先进水平，一定要建立高精度的卫星轨道确定系统。
　　精密定轨没有先例可循，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。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。1975年，他又开发出了“按交点周期积分法”的卫星定轨方案。这一新的卫星定轨方法，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落后于美、苏两个航天强国。他又给自己提出了新的奋斗目标，要把卫星定轨精度从1公里提高到百米量级。
　　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”对卫星轨道的影响上下功夫。
　　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，而且把各种“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。
　　1984年，李济生进入大洋彼岸某大学空间实验室进修，他想通过这次进修学习精密定轨最新技术，把卫星定轨精度从百米再提高一个量级，使中国的精密定轨技术跨入世界先进行列。
　　两年后，李济生回到西安卫星测控中心，开始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，带着两位年轻人，一干就是4年多，终于喜结硕果。
　　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。
　　这一最新成果，为我国“神舟号”无人飞船发射试验中的轨道确定，奠定了重要的技术基础。
　　李济生还把几十年的实践和经验，编著出版了《人造卫星精密轨道确定》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，反映了当代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。现在，这部专著已成为大学有关专业和航天测控人员必学的教材。
　　李济生以其30余年锲而不舍的追求，实现了我国卫星精密定轨技术从千米级、百米级、十米级、米级，一次次的超越。
　　创造“中国模式”
　　科学的本质就是创新，要不断有所发现，有所发明。
　　300多年前，一只落地的苹果，启发牛顿发现万有引力的灵感。1975年，我国一颗在太空中运行的返回式科学试验卫星，却出现了“苹果上天”的怪事。
　　这颗卫星以椭圆轨道绕地球运行。在大气阻力的作用下，按预定的理论轨道计算，卫星的近地点高度应该每天降低93米，可西安卫星测控中心测量的结果是每天反而升高了340米。
　　李济生想，卫星轨道的近地点没有按常规逐步降低而是逐步升高，其中肯定有一个规律性的东西在起作用。
　　这是什么呢？李济生连续几天彻夜不眠。大气阻力应该使卫星轨道近地点高度降低，而现在是升高，是否存在某种大于大气阻力的推力在起作用？
　　李济生意识到，卫星近地点升高是星上姿控动力对轨道影响的结果。但这仅仅是判断，是否正确，需要科学论证。
　　李济生只身上了火车，直奔北京研制返回式卫星的某研究所，实地考察卫星的姿控喷管是怎么安装的，喷气推力是多少，对卫星轨道的影响有多大。研制人员告诉他，喷气的推力很小，只有0.7克重的力，不会对轨道产生影响。
　　李济生进行了认真而细致的计算，认为正是这0.7克重的力，造成了卫星近地点升高。
　　为了进一步证明计算结果的正确性，李济生又马不停蹄地来到上海研制“长空一号”卫星的某研究所。连续十几天计算，再一次证明李济生的判断是正确的。
　　谜团解开了，李济生首次发现了三轴稳定卫星姿态控制动力对卫星轨道的摄动影响，并在此基础上，研制出了“姿控动力对卫星轨道摄动的动力学模型”，填补了我国动力学模型的一项空白。
　　随着卫星发射次数增多，西安卫星测控中心的测控任务日趋繁重。到1977年，我国已发射了6颗卫星。这时，李济生又在思考着一个新的问题。
　　自进行卫星测控以来，每发射一颗新型号卫星，就要研制开发一套测控软件。每研制一套测控软件，二三十人要忙上大半年。这样，一年发射一颗或者两颗卫星尚能应付，一年发射几颗或者十几颗卫星怎么办？而且，软件工程人员各自按自己的习惯编写程序，没有统一的标准，别人看不懂，出了问题不好查，可靠性难以保证。
　　李济生暗暗琢磨，能否设计一套在各种型号卫星上通用的测控软件。他找来历次发射卫星的测控资料，进行比较分析，发现不同型号的卫星，虽然测控过程有长有短，测控事件有多有少，但一些基本的东西是相同的。比如，卫星轨道计算，都要使用雷达测得的数据，那么，就可以把各种型号卫星测控都要使用的软件固定下来；在测控过程中，各种型号的卫星，大部分测控事件的性质是相同的，那么，可以把每个测控事件都编成一个相对独立的、上下接口标准的功能模块，通过一定的调度程序，使其构成不同的功能组合，满足不同型号卫星的测控需求。
　　随着思路的不断清晰，一个完整的方案慢慢浮现出来。他大胆地提出了将卫星测控程序模块化、通用化、标准化和“模块自动调度”的设计思想。这一想法得到了中心领导的大力支持。经过中心软件编制人员的共同努力，历时240多天，一个新的测控软件诞生了。过去需要二三十人半年干的活，现在几个人半个月就完成了，而且可靠性和应变能力大大提高。李济生的这一创新成果，使我国卫星测控软件设计思想实现了根本性变革。
　　在欧洲和美国，一颗在太空中运行的卫星，通常都由一套独立的地面测控系统来管理。这种管理模式可靠性强，但投资大。我国开始也走这种路子，然而，当需要管理的卫星越来越多时，面对有限的财力，这种模式就不适合中国国情了。必须建立具有中国特色的航天测控管理模式，用一个测控网管理多颗卫星。这个任务又交给了李济生。
　　李济生心里很清楚，尽管多年前自己研制开发的“模块化自动调度”系统，已具有了多星管理的雏形，但今天要研制开发的“一网管多星”，决不是当年那个软件系统的升级，而是要在否定自己的基础上，在更高的起点上构建新的体系。
　　“一网管多星”的关键，就是如何在一台计算机上建立不同的时间系统，即在同一时刻，既可以完成待发射卫星的准备、模拟任务，又不打乱在轨运行的卫星建立的时间系统。李济生创造性地提出了“卫星时”概念，在不改变计算机硬件运行的统一标准时间下，通过软件设计，为每一颗卫星建立各自独立的时间系统，把时间切成“片片”，成功解决了这个难题。在大家的共同努力下，新的测控管理系统终于研制成功，一个测控网可以同时管理10颗卫星了。
　　“一网管多星”测控模式的诞生，是我国航天测控史上具有划时代意义的创举。今天，这个测控管理系统又有了新的发展，我国的航天测控网对卫星的管理，已不受数量的限制，只要需要，可以同时管理10颗、20颗、30颗……卫星。（附图片）
李济生院士在思考“东方红三号”卫星在空间姿态稳定的程序控制。邵良敏摄