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信息技术与航天航空

●中国工程院院士、电子工程系教授 吴佑寿

航天航空工程是复杂的系统工程。1957年,前苏联SPUTNIK人造地球卫星发射成功以来,宇航科学发展迅速,理论研究不断深入,技术进步神速,应用领域不断拓广。今天,航天航空科学已成为高科技最重要的发展方向之一:新体制、新制式、新技术和新应用领域不断涌现。航天航空在国民经济和国防建设中的重要性日益突出,而航天航空科技的每一次进步都与信息技术的发展密切相关。

 通信卫星是空间商业化最成功的个案,今后仍有广阔的发展空间。由于卫星通信具有频带宽、覆盖范围广、又具有广播能力和建立通信链路迅速等优势,其发展将不会因地面通信系统的发展而受到制约。近年来,人们对因特网的需求迅速增长,越来越多的Internet服务商开始使用卫星,宽带IP卫星技术因而得到迅速发展。据估计,到2007年,宽带卫星在互联网接入服务市场的份额有望占到30%,日本等发达国家已经将研制Gbit/s量级容量的通信卫星提上议事日程。星间链路及星间通信的研究也方兴未艾,是实现低轨卫星组网、卫星编队飞行的重要手段,也将是实现天、空、地一体化网络不可或缺的技术。

 随着微电子、计算机、高速信号处理、通信传输等信息技术的发展,上个世纪90年代兴起的小卫星初露头角。据英国学者SWEETING教授称:这种小卫星能做一般卫星80%的工作,价格只有10%左右,很有发展前景;同时,小卫星也是吸纳专业部门以外一些科研单位(例如高等院校)共同参与有关研发工作的好项目。此外,上个世纪末兴起的“高空平台站”HAPS和卫星平台结合,也将为新一代空间信息系统开创一个崭新的天地。

 机载及星载信息装备在现今的国防建设中占有重要的地位。现代战争的作战空间已从传统的陆、海、空扩大至陆、海、空、天、电五维战场。战场信息不但将通过卫星通信系统传递,也将由各种星载信息装备获得,实现各种信息的综合,提高合成指挥和智能化辅助决策的能力。这将是作战部门信息集成应用质的飞跃。

 航天航空装备“软件化”、进而有效实现智能化将是航天航空技术发展的一个重要方向。从海湾战争开始,“软件无线电”使得军用无线电台转变为一种多媒体设备,形成了战场上话音、报文、图像和其他数据交互的“信息优势”,它能在开放性、标准化、模块化的通用平台上用软件完成各种功能。基于这种技术的“软件卫星”的概念也正日臻完善,卫星电子系统通过软件上载可以实现卫星功能重构,具有重要而广阔的应用前景。

 深空探测是21世纪航天航空领域又一个发展方向,近期重点是发展有助于更快、更远、更省、性能更好地开展深空探测活动的一系列关键技术,其中微机电系统(MEMS)、高级自主和智能技术、光学通信、深空网络通信等是优先发展的课题。MEMS将使微型深空探测器的电源、遥控、数据处理、制导与控制系统实现以微机为核心的高度集成,实现模块化、微型化、超轻量化;操作和控制深空探测器的自主技术将大大增强深空探测活动的效率,使各种操作(包括导航、跟踪、精确着陆、失效监测和校正等)实现高度自动化;光学通信由于其大容量、非相干性、轻便、小型等优点,将会作为未来深空探测的重要信息传输手段;未来的深空网络也将采取星座和组网的工作方式,深空中继通信将为星座或网络中的探测器与探测器之间、着陆器与轨道器之间、巡视车与基地站之间、机器人与其他装置之间,提供通信保障。

 我国对发展航天航空事业十分重视。1956年制定的科学发展规划就把它列入国家重要工作日程之中,并迅速付诸实施。“两弹一星”研制成功取得了辉煌成果,“神舟五号”载人航天工程的成功极大地提高了我国的国际声望,也鼓舞了全国人民进一步发展航天航空事业的热情和信心。然而,与美国和俄罗斯等国家相比,我国的航天航空技术和空间科学仍然有较大的差距。信息技术是航天航空科学不可或缺的组成部分:“神舟五号”载人航天工程的成功,与可靠的地面信息保障及在轨信息获取、处理、传输等技术密不可分;在“勇气”号火星探测车的成功试验中,探测车上高性能的通信传输和信息系统起了至关重要的作用。因此,抓住当今信息技术飞速发展的契机,努力做好信息技术的研发工作,立足于自主集成创新,是当务之急;另一方面,必须发挥各方面的力量来参加航天航空科技的研发工作。我国的高等学校,特别是重点研究型大学在信息技术和航天航空领域都有大量的优秀人才和雄厚的技术基础,更好地组织高等院校参加航天航空领域的科学技术研究和综合性、高素质人才培养工作,对加速我国航天航空事业的发展是很有必要的。

 清华大学一直非常重视航天航空与信息技术学科的发展。上个世纪30年代就建立了航空系和无线电研究所,开展了许多卓有成效的基础和技术研究工作。1956年我国制定了“科学发展刚要”以后,我校就积极参加“两弹一星”的研究。原无线电系研制了参量放大器、行波管、数据传输、脉码调制通信系统(即现在的数字通信)等器件和设备,成功地用于国家多个重要工程,受到原国家科委的表彰。近年来,在国防科工委和有关单位的大力支持下,清华大学在与航天航空有关的信息技术方面也做了一些研究工作:电子系“微波与数字通信国家重点实验室”研制成功微波毫米波微带电路和超导滤波器等关键部件;解决了把话音信号压缩到200比特/秒的关键技术,达到国际领先水平;该实验室还曾承担某工程星上数据处理、宽带接收机、以及实时通信系统中的有关任务;研制成功卫星遥感“中频通用接收解调系统”,获国家科学技术发明二等奖。在遥感方面,电子系图像教研组早在1984年就研制成功遥感图像计算机,获国家科技进步二等奖,在大兴安岭火灾救治中发挥重要作用,该组研制的用于遥感图像快速格式化和存储技术以及数字图像处理技术,在国内也属首创。

 在卫星导航方面,我校承担国家GPS A级网数据处理任务,相对定位精度可达2×10-8,达到国际先进水平;自行研制的GPS单频机已用于城市规划、水利工程与水下地形测量,在南极考察和大型建筑物与桥梁实时动态测量方面也起了很好作用。在深空测控方面,我校电子系承担了国家航天高技术领域有关小型月球探测器总体系统技术和深空通讯方案的研究任务,提出了创新的探月方案。我校宇航中心和英国SURREY大学合作研制的“航天清华一号”微小卫星在轨运行期间,成功地进行了宽频域、大动态范围的数据接收、处理和传输实验,获取了大量有价值的电磁频谱信息,实现了技术与应用的创新。此外,还研制成功小型无人机系统,进行了多次成功试飞;开展了高高空无人机的起飞/着陆控制、航迹规划、自主控制以及非常规布局无人机的智能建模、控制面综合管理以及智能鲁棒控制方法的研究;研制了可供高高空多功能无人飞行平台和供数字飞行控制系统使用的嵌入式飞行控制计算机。

 以上这些情况表明:航天航空科技与事业发展的需求,有力地带动了我校相关信息技术的发展;我校的信息技术研究对于航天航空科技也起到了很好的支撑作用。“任务带学科”,两者相辅相成,是一条应该珍惜的经验。

 国家在“十五”和今后相当长的一段时间内,仍将一如既往大力发展航天航空事业。登月计划也正在规划中。我们要抓住这一契机,在我校“航天清华一号”微小卫星及“NS-1”纳型卫星成功发射及在轨实验的基础上,发挥清华大学专业多、学科广、人才密集的综合优势,研究关键技术,组织起来,建立学科支撑体系,推进队伍建设和科研管理体制创新,逐步形成人才培养规模,努力建设一流的航天航空学科群。

 5月18日我校航天航空学院正式成立。这是我校迈向国际一流大学征途中又一个重要的里程碑。我们衷心希望,新成立的航天航空学院能成功地、尽快地出成果、出人才,实现我校在航天航空领域的跨越式发展。要完成这一任务,关键的因素是人。要立足信息技术的集成创新,要有一批能与世界先进水平接轨的高水平信息技术,特别是交叉学科领域的科技人才,要有一支团结合作、求实创新、勇于奉献的跨学科研究队伍。此外,还必须有一个很好的管理体制,加强相关学科(包括力学、信息、精密仪器与纳米科技等)的交叉、协作,活跃学术空气,研究新发展方向,组织联合攻关,形成一个坚强的、组织灵活的、能承担重大研发任务的群体。也只有这样,才能适应时代的要求,真正为实现我国航天航空技术的腾飞做出我们应有的贡献。

(编辑 魏磊)

(http://news.tsinghua.edu.cn)
[更新:2004-05-18]
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