天舟一號升空的幕后“安全智慧大師”

4月20日19時41分，我國第一個“太空快遞員”——“天舟一號”從海南島升空，開啟它的太空初探索。它將要和特別能堅守的天宮二號嘗試新的合作方式，進行三次交會對接。

在這個過程中，中國電子科技集團公司（以下簡稱“中國電科”）這個“安全智慧大師”對天舟一號進行了全流程、更安全的技術升級和改進，確保日后運送的貨物安然無恙地到達。

設備組裝：全國產、更安全的系統組件

天舟一號作為我國自主研制的首艘貨運飛船，將主要承擔貨物運輸和推進劑太空在軌補加工作。其貨物運載量是國外貨運飛船的3倍，在功能、性能上都處于國際先進水平。

為了讓這一“高重量級”的“快遞員”安然升空，中國電科為其配備了全國產、更安全的全新“神經系統”、“神經網絡”和“神經元”等，絕對是精彩亮相。

本次天舟一號任務中，中國電科研發了數字信號傳輸光模塊這一“神經系統”，首次在航天工程上應用，完成飛船艙內視頻、監控、語音信號數據的傳輸。

“數字光模塊好比人的神經系統，控制著數據的發送、傳遞、接收。比如飛船從宇宙空間采集到的圖像數據、地面控制臺與飛船之間的通話、交匯對接時的傳感數據都是由數字信號傳輸光模塊完成。”中國電科數字光模塊專家羅洪說。

據悉，以往飛船通常應用銅纜傳輸信號，但因為體積大、重量大、傳輸距離短、傳輸速率低、抗干擾能力差的缺點，一直制約飛船發展。“在未來空間站的建設中，由于數據吞吐量的急劇加大，不采用數字信號傳輸光模塊，空間站將不堪重負。”

中國電科研制的數字信號傳輸光模塊與傳統銅纜傳輸系統相比，重量降低到原有的十分之一、體積減小五分之一、傳輸速率從兆比特量級提高到吉比特量級、空間抗輻射能力達到高軌運行能力等優勢，實現了產品的抗輻照、小型化、溫度適應性強、高靈敏度和高速率性能，成功解決了空間飛行器信號傳輸設備的小體積與小重量設計需求，提高了信號傳輸速率，有效提升了空間飛行器信號傳輸性能，可靠保障空間飛行器運行。

在天舟一號的推進艙和貨物艙內遍布電子控制系統，這些猶如它的的“大腦”和“神經”，精準控制著天舟的每一個動作，捕獲、緩沖、拉近，分毫不差、精準無誤。在精細、龐雜的電子控制系統中，中國電科貢獻了兩顆重要的核心芯片——抗輻射加固1553B總線控制器，應用于天舟數管分系統，作用功能是實現數據命令的可靠傳輸及部分設備的有效控制，猶如天舟一號的部分“神經網絡”，發出無數的支線數據命令，實現各個神經、器官的數據通信，共同完成天舟的各種動作。

中國電科專門針對芯片中的存儲器、觸發器等薄弱、敏感單位進行邏輯層面的抗輻射加固設計，同時在版圖設計中進行單獨全定制設計，實現了最終抗總劑量能力達到國際先進水平。這就相當于在無盡的太空中，從各個方向、各個距離的帶電粒子的打擊，而經過抗輻射加固的芯片則是一個肌肉發達的“拳擊手”，能夠承受多次打擊而屹立不倒。

同時，中國電科為天舟一號配套了100%全國產自主研發的10余種70余只傳感器、多組光纜及光纖連接器這些關鍵“神經元”，實現了核心器件自主可控。其中，傳感器遍布飛船的熱控、推進、環控生保等分系統，配套種類包括壓力、溫度、濕度、氧氣、二氧化碳、離子感煙、差定溫等傳感器，可實現環境監測與控制及飛行姿態調整等。光纜及光纖連接器用于光端機和光探測器之間光路的通信互連及數據的高速雙向傳輸，保證飛船在軌運行期間數據傳輸的穩定性和可靠性。

此外，在“天舟一號”任務配套中，中國電科立足自主創新，研制出了國內首款應用頻率達到40GHz的微波傳輸端子及外殼，首次研制成功100VDC/DC電源和EMI濾波器，使載人航天工程中將航天器母線電壓提升到100V，有效提升了載荷能力和供電總效率。

物流監控：海陸空互聯的全方位測控

在運送過程中，為了實時捕捉、監控“快遞員”的運送軌跡，提供全方位、無死角的視覺盛宴，中國電科安插了“火眼金睛”、“太空偵查員”等，進行全流程“追蹤捕捉”，隨時查閱“物流”進展。

在物流運送的第一站箭船發射階段，中國電科安裝在運載火箭上的脈沖相參應答機這個“火眼金睛”，可與地面雷達協同完成運載火箭全程實時航跡測量并判定飛行是否正常，直到箭船分離，提供精確的外測數據。該產品是中國電科為“天舟一號”任務專門研制的新型產品，在吸取其它型號運載火箭所配套的脈沖應答機成功經驗的基礎上，針對海南靶場特殊的應用環境采用了全新的三防設計，大大增強了產品對潮濕、鹽霧、霉菌等環境的適應性，具有穩定性好、可靠性高、功耗低、體積小、重量輕、生產性好等諸多優點,為“天舟一號”發射提供了穩定可靠的“火眼金睛”。

第二站是箭船分離，正式開啟升空之旅。這時候，地面雷達、測控站、天鏈衛星、船載統一測控系統這些“太空偵查員”紛紛扮演太空運行的數據“中轉站”，開始了新一輪的“物流偵測”。地上，在三亞有我國首部雷達探測和遙測一體化測量雷達，從海南發射中心到祖國最南端，從浩瀚的太平洋到非洲西南端，再回到祖國西部重鎮，遍布中國電科部署的統一測控系統；海上，在遠望五號、六號、七號船上，遍布中國電科船載統一測控系統。其中，在“遠望七號”上安裝了中國電科新研的最新一代精密測量雷達和遠望七號測量船衛星通信系統，首次參加天舟一號任務保障。精密測量雷達突破了雷達與C頻段統一測控系統一體化設計、船搖穩定、高精度測量等多項關鍵技術，技術水平國內領先。衛星通信系統新研制的寬帶終端、監控管理系統和自動化測試系統，首次實現了寬帶數據傳輸、設備自動化智能管控、信號自動化監測和測試，提升了整船的管控能力和技術水平；天上，天鏈一號中繼衛星系統通過四顆在軌衛星、三個地面終端站組網運行，突破了單星跟蹤雙目標、雙星接力跟蹤、多星組網運行等關鍵技術，能夠對全球200公里以上、2000公里以下空間的全軌道近100%覆蓋。由此，通過海、陸、空三地通信測控網的配合互聯，實現對飛船位置和姿態的掌控，完成指令上注。

第三站就到了圖片回傳階段。這一階段是向國內外各關注物流進展的“用戶”提供圖片欣賞。中國電科研制的天地數字電視地面系統，承擔著飛船和地面圖像的編解碼任務。在飛船的待發段、運行段、交會對接段、組合體運行段的艙內外工作場景，對接段的整個對接過程、飛船撤離的過程圖像均由天地圖像終端完成。在天舟一號任務中，天地圖像終端將首次實現全高清圖像（1920x1080）的實時解碼顯示，提供天舟一號運行期間全部高清圖像的解碼顯示。清晰的圖像最終由實況電視系統傳出，它是各級指揮員對載人飛船實施可視化指揮的重要手段。通過實況電視系統可以在飛控大廳觀看發射實況，及時了解發射過程，并將高質量的圖像素材提供給中央電視臺等媒體轉播。實況電視系統的主要功能是完成載人飛船待發段和上升段關鍵場景實況信息的獲取、處理、顯示和記錄，同時完成相關圖像至北京飛控中心的傳輸任務，為指揮員提供清晰直觀的現場信息。

到達驗證：更廣的視角、更精準的測量

到達太空后，對“天舟一號快遞員”的考驗才剛開始，為方便日后送貨“摸清門道”，此次，“天舟一號”要與天宮二號進行為期半年的合作與駐留，并完成三次交會對接，為后續貨物順利驗收打下堅實基礎。

第一次對接是“天舟一號”發射兩天后，進行首次交會對接，跟天宮二號形成組合體，測試飛船對組合體的控制能力；二次對接是繞飛對接，飛船從另一側與天宮二號進行二次對接，完成繞飛試驗；三次對接是驗證自主快速交會對接技術，要求兩個航天器在6個小時左右實現對接。

在交會對接過程中，發揮關鍵作用的是中國電科研制的激光交會對接雷達。

“在對接過程中，兩個飛行器飛行速度為7.9公里/秒，要在如此速度下完成繞飛對接和快速交會對接，這就要求激光雷達始終保持較為寬廣的視角和更高精度的測量跟蹤。”中國電科激光雷達總師屈恒闊說。

在交會對接過程中，激光雷達作為作為貨運飛船交會對接穿針引線的“眼睛”，在天宮二號與天舟一號交會對接接近段和靠攏段及繞飛過程中，必須迅速準確地完成對天宮二號目標飛行器的搜索、捕獲、跟蹤測量，確保飛船空間交會自動對接、組合體飛行、繞飛、快速交會對接等任務的成功實現。飛行器太空對接要做到百步穿楊，特別是在繞飛過程中實現“不眨眼”，更是難上加難，這就要求激光雷達作為天舟一號的“眼睛”，具備廣闊的視野，精準的測量。

       基于此，中國電科對激光雷達進行了兩大技術改造，首先增加了多對接口和繞飛過程中的目標識別功能，根據繞飛任務的特點，提出了目標能量匹配和目標空間站布局相結合的目標識別方法，在有限的資源條件下，在二期技術基礎上以最小的更動完成了激光雷達新掃描體制、多目標切換和多目標識別功能的實現，并設計了室內、室外、高點等試驗驗證方案，從機理、繞飛靜/動態過程、極限條件等各個方面對繞飛方案設計的正確性進行驗證，完成了繞飛功能的設計、相關試驗驗證。 

其次，對雷達的空間長壽命進行提升。本次天舟一號任務為期半年左右，對激光雷達的在軌壽命和可靠性提出了更高的要求。中國電科對空間環境下的薄弱環節進行反復查找，加強了技術狀態管理控制，在滿足對目標快速跟蹤和高精度測量的基礎上，對測試數據進行了全面縱向和橫向的對比，用數據確保在航天動平臺上的高安全性和高可靠性。

在同等體積重量功耗下，中國電科的激光雷達工作范圍比國外同類產品增大了兩倍以上，實現了全范圍內高精度測量跟蹤。

“激光雷達是交會對接接近段、靠攏段、繞飛過程中精密測量不可缺少的手段，將直接推動我國載人航天進入空間站研制階段。后續，激光雷達將廣泛應用于各飛行器交會對接領域，為未來空間站、載人登月、深空探測等任務保駕護航。”