日前，嫦娥一号将第一批原始图像数据传回地面，约在本月26日我们就可以看到嫦娥一号拍摄的第一张月球照片。
北京航天飞行控制中心，工作人员紧张而有节奏地忙碌着。自从离开西昌卫星发射中心，嫦娥一号便离开了我们的视线，然而测控中心的工作人员始终与它保持着密切的联系。就像风筝一样，不管“嫦娥”飞到哪里、走得多远，始终有一根无形的线在掌控着它。
航天测控是一股神奇的力量，它引导着所有的航天器始终按照自己的轨道飞行，偶尔偏离轨道，也能很快“迷途知返”；一旦发生故障，还能得到及时抢救和精心照料；即使意外失控陨落，人们也能及早预知，防患于未然。
在嫦娥一号实施的整个过程中，测控系统像一张百密无疏的天网，始终掌管着“嫦娥”的一举一动。许多人称之为“‘嫦娥’保护神”。
40万公里一线牵
要做好“嫦娥”的保护神可不是一件容易的事情。
测控系统是绕月探测工程的一个重要组成部分，负责长征三号运载火箭发射和嫦娥一号卫星整个飞行任务期间的轨道测量、遥测监视、遥控操作和飞行控制，以及嫦娥一号卫星探测应用期间任务计划的实施与操作管理，并通过高精度的测定轨，为地面应用系统科学探测数据的处理提供轨道数据保障。
这样庞大的工程要在距离地球几十万公里的绕月卫星上完成，难度可想而知。绕月探测工程测控系统副总设计师董光亮告诉我们：“以往，我国的绝大部分卫星距离地面在4.2万公里以内，个别卫星离地面最远距离也不过8万公里，属于近程范围。而在绕月探测工程中，嫦娥一号卫星距离地面最远可达40万公里，这给现有的航天测控网带来了极大的挑战。”
由于距离遥远，许多问题接踵而至。首要的问题就是无线电波传输耗时巨大，而且无线电信号衰减非常大。董光亮说：“无线电波以每秒30万公里的光速传播，测控信号需要1.35秒才能从地球到达月球，这对于准确测控来说就显得太慢了；另外，测控距离增加一倍，信号强度就只剩下四分之一。如何弥补远距离带来的巨大衰减是测控通信面临的又一个困难。巨大的无线电信号衰减带来的直接影响就是信息传输速率受到极大的限制，为满足远距离通信误码率的要求，必须降低通信信息的传输速率；另一方面，实现高精度导航非常困难。深空测控主要依靠传统的多普勒测速和距离测量手段，随着目标距离的增大，角度测量误差所引起的导航误差也很大。”
早在试验阶段，科研人员便发现，由于实在太远，天线根本无法接收到信号。中国绕月探测工程总指挥栾恩杰回忆说：“地面最高的卫星是3.6万公里，但月球离地球38万公里，嫦娥一号的信号传到地球时将会以百倍速度下降。当时天线能量提高不了，地面就不能预演，工程进行了一年多，实在做不下去了。”
最后解放军总装备部在青岛和新疆喀什站分别建了两个大天线，直径从12米加到18米。“可接收的信息余量大了一点，但到底行不行还是没底。”栾恩杰说，“最后利用法国卫星来检测，才发现测控能力可以完成对嫦娥一号的跟踪和测量。”
“为了应对信号衰减问题，我们研究制定了30多种传输、编码方式，在满足精度的情况下，尽量满足速度。”北京航天指挥控制中心主任朱民才说，“为完成好这次任务，中心制定了全套飞控实施方案，方案一共做了20多个，加起来多达4800多页。”
测轨、定轨彰显技术创新
10月24日18：05，嫦娥一号从西昌卫星发射中心升空；
10月25日，卫星首次变轨；10月31日，卫星变轨奔月；
11月4日18时，卫星飞至距地面高度38万公里处，以每秒300多米的速度飞向月球捕获点；
11月5日11时，卫星实施第一次近月制动，距地面高度约为39万公里；
11月6日，卫星第二次制动；
11月7日，卫星第三次近月制动，进入环月工作轨道……
在这个嫦娥一号的奔月日程表里，每一步都不容小觑。我们如何遥测40万公里之外的卫星动态，如何将指令在最短的时间内传达给“嫦娥”，测轨、定轨都是难题。
最让研制人员紧张的是，不只是有测轨、定轨技术上的难关亟待攻破，还有轨道控制可靠性要求非常高。在绕月探测工程中，轨道控制次数多，条件苛刻，并且，由于地—月—卫星时空关系的限制，在地球飞往月球的途中只有单次机会实施轨控，轨道控制只能成功不能失败。
面对深空测控的难题，针对我国航天测控系统的现状，北京跟踪与通信技术研究所的科技人员首次提出了利用“USB＋VLBI”联合测轨的方法，提高定轨精度。
首先，提高USB测控系统的能力。天线的口径和探测距离成正比，增大天线口径可以增加探测距离。因此在USB测控系统中增建了18米单收天线，改善了原有设备系统的性能，使地面站作用距离从地球范围延伸到月球范围。
其次，在航天测控领域引入天文测量技术。为了进一步满足深空测控的要求，科技工作者又想到了天文测量技术。天文测量使用的射电望远镜能够接收遥远星系的射电源发出的宽带微波辐射信号。虽然也叫“望远镜”，但射电望远镜并不是通常概念下的光学望远镜。它是由大口径天线、低噪声接收机和宽带记录装置组成的无线电接收系统。
但是，单个射电望远镜无法实现测轨、定轨，必须将两个以上的射电望远镜组合起来。其基本原理是，通过设在不同位置的天线，接收同一无线电信号，计算信号到达两个天线的时间差，确定射电源相对于两个天线的角度。通过三个不在一条直线上的天线，就可以确定射电源所在的方向。这种测量方法称为甚长基线干涉测量技术，简称为VLBI。它通过无线电波干涉的方法，将间隔数百乃至数千公里的口径较小的射电望远镜合成为巨大的综合口径望远镜，两个望远镜之间的距离称为基线，基线越长，VLBI就能获得更高的分辨率，是目前分辨率最高的天文观测技术。
VLBI系统一直用于天文观测，主要应用于对射电星的研究，利用这一原理，可以通过射电望远镜接收卫星上发出的无线电信号，确定深空中卫星的角位置，并对与卫星邻近的标校星同时观测，可以进一步提高对卫星角位置测量的精度。
USB+VLBI方案是以我国S频段航天测控网为主，辅以中国科学院的VLBI天文测量系统，突破了VLBI系统原有的“事后处理”的天文观测模式，实现了准实时处理，解决了“嫦娥”卫星远程测控和高精度测轨、定轨的难题。
将天文测量技术与航天测控相结合，是嫦娥一号整个测控过程中非常关键的技术创新。董光亮将之总结为“最小的经济投入，解决了我国绕月探测工程的测定轨关键技术”，是“集成创新取得的成功”。
国际合作布下“恢恢天网”
尽管有了集成创新的法宝，但是需要解决的技术难题并没有减少。
很快研制人员们面临新的问题：目前，深空探测都立足于地面建设测控站来实现对探测器的连续跟踪测量。由于地球的自转，单个地面站可连续跟踪测量深空探测器弧段最多只能达到15小时，为了增加对探测器的跟踪测量时间，需要在全球布站或开展国际合作。
最后，研制人员们选择了开展国际合作的方法，通过联网使用欧洲航天局以及智利的地面站，形成绕月探测工程“国内测控站（船）+国外测控站”的全球布站测控方案，使嫦娥一号卫星的测控覆盖率达到了98%%以上。这在我国航天测控史上是开创性的一步。
北京航天飞行控制中心副总工程师周建亮说：“欧空局参与了嫦娥一号卫星的测控合作，这为中国航天测控以后对外合作走出了一条新路。”据他介绍，嫦娥一号在地月转移过程中，欧空局所属的库鲁站、新诺舍站的测站为中国提供了服务，这是它们第一次参加中国航天的测控合作，也是一次真正意义上的国际合作，因为欧空局提供了测站、设备和全部操作人员，欧空局与北京航天飞行控制中心进行的各种信息交换遵循国际标准协议进行。
11月1日12时至15时，北京飞控中心与欧空局所属的空间操作中心、新诺舍站、马斯帕拉马斯站及库鲁站实现联网。新诺舍站、马斯帕拉马斯站开始对嫦娥一号卫星进行了试验性跟踪。通过新诺舍站，北京飞控中心接收了嫦娥一号卫星的遥测数据；通过马斯帕拉马斯站，北京飞控中心进行了遥测遥控、测距和测速的试验。
这是我国航天领域首次实现与国外测控网的无缝连接，解决了现有测控系统覆盖面有盲区的问题，为地月转移段及月球捕获段全过程覆盖提供了技术保障。
北京飞控中心主任朱民才告诉我们：“这次采用航天网、天文测控网和欧空局网来测控，就是为了确保‘嫦娥’能一直在我们的测控下，不会迷途。以前执行任务还从来没有同时动用三大网，这些测控网的机制和模式不同，组织、管理和协调的难度很大，为此飞控中心制定了上千页纸的协同工作程序，正常情况下怎么做，非正常情况下怎么做，非常细致，一目了然。”
“嫦娥”如何万里传佳音
我国实施的绕月探测工程又叫月球探测工程，主要是通过卫星探测器了解月球的相关信息，为人类更加科学而深入地认识月球作出贡献。月球探测信息主要分为三大类：月球表面的三维影像信息；测量月表物质的γ和Χ射线谱信息；月球空间环境探测信息。
几天后，我们将看到期盼已久的月球照片，这批照片是如何获取并传回地球的呢？
绕月工程测控系统的主任设计师李海涛告诉我们，在嫦娥一号卫星上安装有月球探测器，通过这个探测器获取月球表面和空间环境的信息。他说，月球探测信息在被探测器获取后，还要转换成宜于向地面传输的数字化信息。探测器每天获取并存储的信息总量非常大，要远距离传输这些大容量信息，必须将数字信息调制到宜于远距离传输的发射频率，以较高的传输速率进行传送。配置有大口径天线的地面接收站，将接收到的这些微弱的探测信号放大，解调，还原成数字化的探测信息。
“简单说来，这个过程就好像我们用数码相机拍摄照片并在计算机上查看拍摄照片的过程一样，”李海涛说，“首先要用数码相机获取照片，在相机内形成数字化的图像信息，然后将其传输到计算机里，就能够看到清晰的图像。”
“用数码相机拍照，相当于信息获取，用接口转换线将照片传送到计算机，相当于将信息传输到地面，计算机相当于地面接收站。”李海涛解释说，其实月球探测信息的传输过程与通常的卫星通信过程是相同的，但月球探测信息的传输距离要比目前的地球同步卫星距离远21倍之多。所以不管是传输、接收还是遥控的难度都加大了许多。
我们如期收到嫦娥一号传回原始图像数据；准确地控制了每一次近月制动，使“嫦娥”如期进入环月轨道；完满地实现了航天网、天文测控网和欧空局网三大网络的协调、互动。尽管困难重重，我们的航天英雄们仍然取得了成功。（李艳 李华泽）
来源：科技日报
