来自太空的中国之声·“抓得住”
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上集说到，经过了足足5年的波折，人们克服了各种各样难以想象的困难，终于在1970年解决了如何让我国第一颗卫星东方红一号“上得去”的问题。但人们还要同时解决另一个重要的问题：如何把卫星找到。
我们在观看火箭发射的时候，经常能听到这样的报告：“XX卫星，光学雷达跟踪正常，遥测信号正常。”——这就是测控团队在跟踪测量火箭与卫星的位置和速度，也就是我们这集要介绍的“抓得住”。
在航天任务中，运载火箭负责将卫星安全送入预定轨道，一旦卫星成功入轨，那么火箭设计师就可以准备开庆功会了。而对于观测团队而言，自起飞到入轨，再到卫星的正常运行，他们都需要保持跟踪测量，实时把握卫星的动态，给出卫星运行轨迹。一旦丢失目标，则可能宣告着任务的失败。而想要实现卫星的测控，就需要众多的观测站。
在苏联的“斯普特尼克一号”卫星发射成功后，国内陆陆续续建立了13个观测站，成功观测了多项航天任务。但这些观测设备都是光学观测设备，没有无线电观测设备。众所周知，光学观测受到环境条件的限制较大，如果观测站点附近的天气不佳，就无法进行跟踪，而且如果卫星本身的亮度不大，就更难以看到了。而无线电则不存在这样的问题，但当时这样的技术并不成熟。两种观测手段如何取舍，便成为了一个需要解决的问题。
让我们再次回到1965年。
《关于发展我国人造卫星工作的规划方案建议》确定了很多重要的事项，其中就包括了卫星测控的问题。在测控部分起草的过程中，有两位国内测控领域的专家付出了大量的努力，一位是王大珩（中国光学之父），另一位是陈芳允（无线电电子学家）。王大珩在长春光机所作出了非常杰出的贡献，研发出了靶场光测设备与光学电影经纬仪，在我国的导弹试射中发挥了重要的观测作用，那么基于同样的原理，这套观测设备可以直接用于观测火箭与卫星；而陈芳允则在无线电观测领域卓有建树，在“斯普特尼克一号”卫星在太空中运行的时候，他与几位同单位的同事一起制作了一个多普勒测量装置，计算出了这颗卫星的运行轨道，甚至还吸引了几位搞天文的同志加入。
按照正常的剧情发展，他们由于是竞争关系，理当唇枪舌剑地辩论一番，互不相让。但很令人吃惊的是，他们都选择从大局出发，跳出了各自的领域视角，一致同意采用以无线电观测为主，光学观测为辅的方案。
“一穷二白”从来不是退缩的理由。
而且对于当时的我国而言，尽管无线电观测设备还是空白，但空白的好处就在于有更多的选择。
于是，在“651会议”上，与会专家们讨论的内容变成了，利用何种无线电观测手段较为合适。当时有三种备选的方案：
1. 采用四机部正在研制的154-II型单脉冲跟踪雷达；
2. 采用当时美国普遍采用的比相干涉仪；
3. 采用当时较为先进的多普勒测量仪，这个方案由地物所电离层研究室的周炜提出。
前两个方案的优点在于，有一整套成熟的定轨流程，但劣势在于跟踪雷达与比相干涉仪的技术还不成熟，且生产成本较高，无法保证进度；而第三个方案恰恰反了过来，多普勒测量仪已经在1963年由孙传礼等人研制完毕，但当时这个测量仪是用来观测电离层的，还没有定轨算法。
那么，该怎么作出选择呢？
这就要从另一方面考量了。在上集中我们知道，“651”会议上确定的卫星运行轨道是42°倾角，相当于从酒泉卫星发射中心向东发射。那么这就引来了一个问题：按照这个方式发射卫星，其在我国境内的飞行时间也不过十几分钟。如今我们在海面上有观测船，还在别的国家建立了观测站，但当时我们除了国内的观测网之外，什么也没有。这就意味着，如果我们不能利用这十几分钟的时间收集足够的数据，快速解算出卫星的轨道，那么它就会被设在日本的美国观测站监测到。不仅如此，由于美国已经在全球部署了测控站，解算出卫星的轨道简直轻而易举，一旦我国的第一颗人造卫星被美国抢先解算出运行轨道，那么无疑是一场政治失误。
因此为了求稳，与会的专家对前两个方案的呼声很高，天文台的同志们支持干涉仪，电子所的支持脉冲雷达。
但是这个时候陈芳允却站出来支持第三种方案。
他认为，多普勒观测仪的成本低、可移动性好、进度快，恰恰是最适合我国国情的，但这就意味着，需要发展出一种新的计算方法。这就成为了在场30多位弹道测量专家头疼不已的事情，经过了20多天的讨论，仍然没什么进展。
事情的转机出现在11月23日。
测量组成员刘易成经过了20多天的紧张计算，在当天作了一次报告。他跳出了传统的寻找卫星-观测站之间几何关系的思想，直接从多普勒原理导出一组多站多普勒独立测轨方程，形成了打破常规的新方法。报告一出，满座皆惊。当晚散会后，王大珩特别找到他询问如何利用测速的方法解算出卫星的轨道。在听了刘易成的解释之后，思考了一个晚上。第二天，他也高兴地表示：“这个方法能行！”
随后，刘易成等人计算了3000余条模拟轨道，收敛性很好，精度也达到2‰，可以满足要求。最后会议决定，三种方法都可以采用，以多普勒观测仪为主，脉冲雷达为辅，干涉仪为试验。
在“东方红一号”卫星任务中大放异彩的多普勒测速仪
在看到多普勒定轨法取得的成果之后，刘易成并没有因此沾沾自喜，他敏锐地注意到，如果我国的人造卫星自酒泉向东发射，它飞行600余公里即飞出我国领土，在第一圈的测控时间仍然较为紧张。而如果向南发射，它将飞行2000余公里，第一圈将在我国飞行更长的时间，给测控留出更多的余量。但风险在于，一旦第一圈真的无法抓住卫星，那么等卫星绕地球一圈回到我国境内的测控范围时，只能从新疆喀什经过，过境我国时间极短，观测难度极大，可谓是“高风险与高收益”并存。
航天事业本身就是一场冒险，这正是它如此吸引人的原因。
如今的我们知道，1966年4月，这个意见得到了通过。国防科委为此给予了高度评价：“这一轨道选择的好处是实在的。”此后这个轨道还担负起了发射我国一系列返回式卫星的重任。
在确定了轨道之后，就是建设观测“东方红一号”卫星地面站的工作。
1966年5月3日，卫星地面观测系统管理局筹备处成立，它的另一个名字就是前面我们所说的“701”工程处，由杨家德（电子所副所长）、陈芳允负责。其工作核心内容为卫星地面观测系统的总体设计、台站选址、勘探和建设、观测人员的培训，以及全国台站网的安装、调整和联系运行等。
就卫星地面观测系统本身而言，它包括了非常多的子系统：
1. 光学及无线电跟踪系统，这就是我们前面说的“如何将卫星找到”的问题。唯有抓住了卫星，我们才能够开展接下去的工作。
2. 遥测遥控系统，这个系统的任务就是捕捉到卫星的动态，只有知道了这些信息，我们才能够判断卫星的运行是否正常。
3. 时间统一勤务系统，我们知道，卫星在入轨之后，其运行速度将达到每秒约8公里。如果各个观测站的时间不能保持统一，发射场与观测站的时间不能保持统一，哪怕慢了几秒，我们预报卫星的路径就会存在偏差，这无疑也是一场事故。
4. 通信系统，“东方红一号”卫星的一个重大使命就是播放“东方红”乐曲，因此需要通信系统实现天地连线，此外，站点与主控中心之间也需要大量的数据交互。
5. 控制计算中心及数据处理系统，各个站点是孤立的，它们分别提供本地的观测信息，因此需要一个控制计算中心来实现数据的整合与计算。由于卫星的轨道本身是有一系列复杂的方程构成，要是计算的速度不够快，等结果出来，卫星也早就跑到下一个地点了。又因为来自各个站点的数据较多，因此独立的数据处理系统也是十分必要的，如何快速将有用数据提取出来，在卫星离开我国国土之前解算出运行轨道，也是一项重要的工作。
此外，在“651会议”上，还有诸如海上测量系统的方案被提出，但限于当时国内条件，并没有实行。这个空白一直到1978年“远望一号”远洋航天测量船的服役，才得以最终填补。
即便是在陆地上建立观测系统，其内容也是十分繁琐又复杂的，再加上时间不等人，想在短期内作出决策，实在是很困难。
但任何困难都压不倒“航天人”们。
仅仅半年，一份详实的观测系统总体方案出炉，它提出了遍布全国14个省份的18个观测台站以及1个控制计算中心的布局、选址、设计方案，还启动组织了一支上千人的观测团队。
为了满足从火箭起飞到卫星入轨，再到卫星正常运行的所有观测需求，观测站的布置必须要按照卫星发射实际情况来进行布置。又因为观测站的观测要求高，需要避开城市、机场、电站等电磁波发生源，这些观测站基本都布置在野外，除开仪器成本之外，建设成本也非常高。因此，如何布点能既实现良好的观测效果，同时尽可能节约建站费用，也是需要仔细规划的。
位于酒泉卫星发射中心的东风观测站作为火箭的起点，自不必说，配备了全套的观测系统以及时间勤务系统，是全国观测网的核心之一。
按照估算，卫星的入轨点将在湖南南部到广西北部一带，同时由于多普勒观测手段需要较多的测控站提供数据，因此在入轨点附近布置了闽西、南宁、昆明、新化四个站点。
当卫星绕地第二圈时，由于其路过喀什附近，因此喀什站也配备了一整套装置。
而当卫星飞行了十几圈之后，它又将过境我国，此时我国靠东北的地区将有机会观测到这颗卫星，因此在长春、青岛、厦门等站点也配备了相关的观测设备。
这些数据需要进行汇总，作为我国地理中心的西安，自然便成为了一个良好的选择，人们在渭南建立了一个卫星测控中心，包括一个大型计算中心与通讯中心，与地方观测站进行联络，同时也设立了一个观测站点。
此外，还有其它观测卫星的小站也得到一定程度的升级。时至今日，这些观测站依然在我国的航天任务中发挥着重要的作用。
在卫星站布置的同时，各个分任务也向各个兄弟院所发布，请求协助。例如上海天文台成功试制氢原子钟，提供了良好的时间统一服务；计算所研制的717中型数据处理计算机，可以辅助计算卫星的初始轨道。
这些成果无一例外都是克服了重重困难所取得的。
由于外部的政治影响，这些工作一度受到严重干扰，直至1967年3月，中央决定中国科学院新技术局及其归口单位（包括“701”工程处）实行军管，才得以缓解。
同年3月2日至4日，地面观测系统方案复审通过。为了进一步验证观测方案的正确性。4月，来自北京、上海、武汉、成都的短波多普勒观测站与紫金山天文台、数学所、计算所、“701”工程处、酒泉卫星发射中心抽调而来的25名精兵强将在南京集合，并在4月5日成立“405”任务组，研究制定我国第一颗卫星的整套测轨预报方案。
经过了半年多的努力，“405”任务组在同年11月对美国的探测者22号（电离层观测卫星，1964年10月10日发射）、探测者27号（地磁卫星，1965年7月1日发射）与探测者29号（大地测量卫星，1965年11月6日发射）进行了观测，利用观测数据进行对测轨预报方案进行了验证，结果符合得很好。
与此同时，1967年8月份，我国地面观测系统也全面开展建设，一大批工程师与一线工人在野外开展了艰苦的建站工作，陆续建成站点。
在取得了突破性成果后，“405”任务组又在南京编写方案报告。窗外光怪陆离的各种活动，吵吵嚷嚷；窗内唯有笔尖在纸上的沙沙声，以及计算机闪烁的指示灯。南京的夏天闷热熬人，汗水与墨水浸渍了纸张；南京的冬天冰冷彻骨，仅有火盆给予温暖。就是在这样的艰苦条件下，厚厚的方案报告历经一年正式出炉。
1968年4月6日，“405”任务组成立一年后，他们马不停蹄地赶到北京开展计算机程序编制工作，又将程序的拷贝复制入全国各个观测站的108乙（通用计算机）与717计算机中。
1969年9月，全国各个地方的观测站进行了联合演习，圆满完成。
自此，“抓得住”的问题也得以解决。
← To be continued……
关于作者
天才琪露诺，BAKA
本系列所有文章均基于东方红任务的公开文献资料（会在本系列最后一篇文章里列出所有参考文献），但因为该任务的公开资料很少，所以这个系列的图…emmm你们懂的，也很少。大家理解一下哈～