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学校隆重举行现代工程技术实验教学楼开工奠基仪式
首页 > 校情总览 发布时间:2019-10-18 20:07:20

    计算机世界2007-11-21(毛江华)报道:IT“大脑”指引嫦娥揽月

    [摘要] 嫦娥一号卫星拉开了中华民族奔月的序幕,在中国航天科技人员花费3年多时间搭建奔月天路的历程中,IT无所不在。其中,星际计算机(卫星的数据管理分系统)将在38万公里外的浩瀚宇宙中管控嫦娥,这颗“大脑”是怎样炼成的?它又是如何指引嫦娥揽月的?

    2007年11月7日8时34分,当嫦娥一号卫星490牛顿的大马力发动机关闭之后,北京航天飞行控制中心的大屏幕上显示,卫星目标轨道和现实轨道完全重合,嫦娥一号正式进入了距离月球200公里高度的工作轨道。
    这一刻,距嫦娥一号发射324小时又31分钟。中华民族终于拉开了实现千年奔月梦想的序幕。从10月24日起,嫦娥一号在奔月天路上,一次又一次地实现目标,在尽情释放着全球华人强烈的民族自豪感的同时,也检验着中国的科技实力。
    同所有的卫星一样,嫦娥一号是大量科技关键技术的集成,在它的设计、研发、 制作、发射、工作过程中,IT是它最基本的一个DNA,无处不在。与其他卫星不一样的是,嫦娥将在远离地球38万公里外工作(此前中国发射的最远的卫星距地球7万公里),条件相当复杂,且有可能与地面失去联系。
    因此,嫦娥必须实现高可靠的自主管理,这给其IT“大脑”――星际计算机(卫星内部的数管分系统)带来了前所未有的挑战。这颗“大脑”必须在任何恶劣的环境中都能够冷静、准确地处理问题,发放指令。IT“大脑”是怎样炼成的?它又是如何指引嫦娥揽月?

     “大脑” 这样练成

    11月14日,记者在中国空间技术研究院发现,除了副主任设计师张猛应约在办公室接受采访外,嫦娥一号数据管理分系统的大部分工作人员仍在控制中心现场紧张地观测卫星的一举一动。
    “在嫦娥卫星未来一年的工作中,现场24小时还是不能离开人。不过,嫦娥上天,意味着我们最艰难最痛苦的时间已经熬过去了。” 张猛告诉记者,在嫦娥上天工作后,他们实施的是“三班倒”,而在此前的设计、研制、测试阶段,他们经常是“一班倒”。
    数据管理分系统也就是人们通常所说的星际计算机,就是将卫星测控任务综合在一个以计算机系统为主的系统中,用以实现卫星遥测、遥控、程控、星载自主控制、校时等整星控制和管理功能,是卫星的“大脑”和“中枢神经”。
    具体而言,同其他卫星的大脑相比,嫦娥的“大脑”有何特别之处呢?张猛告诉记者,在打造嫦娥的“大脑”中,“我们是有继承,也有发展。”从技术的体系架构上来说,是继承以往“神五”“神六”,采用二级分布式容错计算机系统。作为第一颗绕月卫星,其安全性和可靠性都要求很高,为了适应38万公里外的复杂的使用条件,这颗“大脑”还采取了一些不同于一般卫星的设计。
    由于地月间距离遥远,测控信号的空间衰减增大,“为了降低误码率,提高卫星下行遥测信道的抗干扰能力,嫦娥一号卫星的数管系统不仅将单码率改为多码率,增加了一种编码方式。”张猛说,“还在卫星的自主管理功能上进行了大幅度的增强。”

    据记者了解,对卫星的管理方式有两种,人员管理和自主管理。人员管理就是通过地面发指令。但这一方式有限制,它要求地面测控能看到天上的卫星,而且要求通信通道不要出问题。而嫦娥卫星是在遥远浩瀚的月球附近运动,情况非常复杂,必须考虑到它在某些时候有可能与地面失去联系。如果没有自主管理,或者自主管理能力不够强的话,卫星在碰到意外情况时就有可能出现问题。
    尽管中国空间技术研究院有着很强悍的技术实力和丰富的卫星研制经验,但自主研制绕月飞行卫星却是第一次,而自主研制如此“高可靠”的卫星智能“大脑”也是第一次。 回忆起嫦娥“大脑”3年多的研制过程,张猛坦言:“留下了很多难忘的记忆片段。尤其是在艰难的前期初样阶段。
    由于数据管理系统连接着卫星内的其他8个分系统,甚至和整个“嫦娥工程”的5个大系统都要协同工作,沟通和测试的难度可想而知了。“在卫星各个部件的研制初期,数据管理分系统可以说是问题不断。”张猛告诉记者。

    因为硬件生产、软件开发以及测试设备研制均在同期进行,软件运行调试要依赖硬件设备,分系统联试要依赖测试设备,但各部件都在研制初期,运行都不稳定,会出现各种意想不到的故障和问题,各方问题搅在一起,增大了故障定位和解决的难度,另外由于软件需求不断变化,数管软件总处于不断更改中,而整星电测又离不开数管平台,导致数管软件一度成为整星研制的短板。
    在那段时间里,数据管理分系统的设计师和工程师们加班加点,超负荷运转到晚上一两点是常事。有一回,张猛和数据管理分系统的骨干们居然连轴运转了50多个小时没有合眼。
    当时是做热真空实验,也就是把卫星放在一个大“罐子”里,模拟太空的各种冷热环境做实验,总共要做20多天,实验在进行到10几天的时候,突然出现了一个奇怪的现象,卫星“大脑”的自主管理出现异常。如果这个问题严重的话,就有可能导致前面的工作白做,实验必须推倒重来。当时数控管理分系统还在同时做另外一项测试,张猛等技术骨干们此前已经熬了一个通宵了,在凌晨一两点的时候赶到现场研究怎样排除问题。 
    尽管可以借助计算机系统本身来进行检索,但数据的有些误差必须通过肉眼来分析和判断,他们一条一条地对前10几天运行的数万条数据进行排查,又过了一天一夜后,总算找到了问题的症结所在。“可以解决,不必推倒重来!”兴奋的心情几乎使这些航天精英们忘却了自己已经连续作战超过了两天两夜。

    在记者的印象中,在一些工作强度很大的高科技公司里,会给技术精英们配备心理教师或心理热线,学习“释放压力”,譬如微软公司,思科公司等。我们的航天精英们是否也是如此呢?张猛说他们也去参加过一些“心理释压”的课程。 
    “但那是理论,作为一位航天的IT工作者,一个代码下去,一个硬件下去,所关系的就是一个国家的重大工程。能轻松得了吗?” 张猛说,“但是,整个团队在一起克服困难,所带来的幸福感和成就感是无法比拟的!”
    看来,“特别能吃苦,特别能奉献,特别能攻关,特别能战斗”的航天精神真的不只是一句口号,它贯穿在嫦娥卫星研制工作的每一个细节处,而嫦娥的“大脑”就是在这一氛围下炼就的。

      指引“嫦娥”揽月

    记者了解到,在嫦娥的探月过程中,除了数据管理分系统外,卫星的制导、导航与控制系统(简称GNC)也是由一个计算机系统和众多敏感器构成的分系统,它主要负责卫星在不同阶段找到自己的运行方向。
    嫦娥在奔月过程中的22种姿态的变化和控制,卫星对月定向的3次近月制动、太阳帆板对日定向跟踪、定向天线对地定向,都是通过计算机系统对众多敏感器下指令完成的。
    据不完全统计,嫦娥“大脑”(数据管理系统)和GNC系统的计算机,所下达的指令多达数千条,不过,最让张猛津津乐道的,不是这些复杂的指令,而是嫦娥“大脑”强大的自主管理能力 。“当卫星和地球失去联系的时候,数据管理分系统可以自主管理热控、补给卫星能源 。”
    据张猛介绍,热控本身就是一个分系统,但各个系统之间彼此有交叉。热控系统的组成主要包括了热控涂层、隔热材料、电加热器、传感器、热管等。鉴于热设计边界的条件复杂,热系统较多地采用了主动控温设计。而嫦娥“大脑”(数据管理分系统)则掌管着加热器的通断控制。
    即使是在嫦娥一号卫星和地面失去联系的紧急状态下,嫦娥的“大脑”也能够自主地对加热器进行控制。因为在嫦娥一号卫星内,遍布着众多的探热设备,它们能将感受到的各个点的温度,自动送到计算机里面去。计算机对这些温度数据进行识别和处理,当温度偏低时,计算机软件就会自动发出指令,将加热控制器的开关接上;当温度偏高时,计算机软件就会自动发出指令,将加热控制器的开关断开。 
    
    在配合供配电分系统的能源控制上,嫦娥的“大脑”也能做出英明的决策。据了解,嫦娥一号卫星在上天前,就已经充满了能源。在嫦娥卫星的飞行和工作过程中,能源消耗量很大,计算机可以判断是否需要补充。张猛告诉记者,嫦娥卫星的两个“翅膀”能将太阳能转化成为电能,并将其贮存起来,当嫦娥的“大脑”判断能源不足时,已储存的能源就会向各个分系统供电。 
    “一个人仅仅依靠大脑,不能单独完成工作目标。同样地,数据管理分系统作为嫦娥一号的‘大脑’,也不能独立完成工作目标。”张猛反复强调,“嫦娥卫星所有工作目标的实现,都必须依靠卫星内部各个分系统互相协作,共同完成。与此同时,没有嫦娥工程其他4大系统的支持,嫦娥一号也不可能实现绕月飞行。” 
    张猛举了一个例子。如果不出意外,11月中下旬,嫦娥一号卫星将向地球传回月球的图像。“到时,我们也会通过嫦娥的‘大脑’下一条指令,嫦娥一号将在38万公里外的遥远太空播放30首歌曲,而我们在地球上可以清清楚楚地听见。” 张猛说,“这一看似简单的工作,也包含着各个系统的共同协作。” 
    据了解,嫦娥一号卫星播放的歌曲,是通过一个特殊的存储器,将地面录制的音乐作品带到卫星上。在卫星绕月时,接收到数管分系统的指令后,利用这个存储设备和卫星上的传输设备,从遥远的太空将这些音乐传回地面。地面接收系统可以把这些音乐接收下来,通过数字信号,通过遍布全国城乡、边陲的收音机、电视机以及网络,传送来自遥远太空的音乐盛典。

     相关链接 “嫦娥一号”的九大分系统

    结构分系统:相当于嫦娥一号的“身板和骨架”,为其他各分系统的仪器设备提供安装位置和工作空间。
    数据管理分系统:嫦娥一号的“大脑”,用以实现卫星遥测、遥控、程控、星载自主控制、校时等整星控制和管理功能。
    制导、导航与控制分系统:嫦娥一号的“小脑”,兼有部分“大脑功能”,负责对探测器飞行路线和探测器姿态进行修正、测量和控制,对太阳能电池帆板和有效载荷进行指向控制。
    电源分系统:嫦娥一号的“心脏和血液”,由太阳能电池帆板、蓄电池和功率调节器等组成。
    热控分系统:温度调节系统,由传感器、热控部件等组成。
    测控和数据传输分系统: 主要功能是完成探测器的跟踪、测轨、遥测、遥控和数据传输任务。 
    推进分系统:嫦娥1号的动力系统,包括火箭发动机、推进剂储箱和各种管路等。它根据制导、导航与控制系统的指令,开关各类发动机。
    科学探测仪器分系统:完成科学探测数据的采集、储存处理任务,完成有效载荷的在轨管理。
    定向天线分系统:为数传下行信道和遥测下行信道提供满足任务要求的天线增益。 

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