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创新伴航天强国梦一路前行 ——记上海交通大学讲席教授吴树范
发布时间:2018-12-6  作者:Admin  来源:《中国高新科技》期刊社  浏览量:1185
导语:2015年中秋前夕,三颗名为“上科大二号”(STU-2)的立方星飞向太空,并成功向地面传回数据。这是我国首批依照国际标准研制发射的立方星,标志着我国在皮纳卫星研制和产学研结合的创新平台上,迈出了与国际接轨的重要一步。那么,什么是立方星?它们的研究者又是谁?


图左三是吴树范教授

“中国梦”是实现中华民族伟大复兴,而“航天梦”是“中国梦”的重要组成部分,习总书记对国家和航天的关系作出了最直接、最深刻的诠释。我国航天事业道路上的每一个脚印,都蕴含着安全战略、人才战略、科技战略。中华民族历史上曾有过无数辉煌,要实现伟大复兴,则必然需要把握战略制高点2014年,立方星技术被评为“世界十大科学突破”,这种投资小、时间短、见效快的新型卫星研制技术或将开拓我国航天产业的新格局。

“以立方星技术为代表的微纳卫星技术掀起了世界航天技术和应用领域的一场新的革命,推动了商业航天的发展。过去,我国对微纳卫星技术重视不够,立方星的研制还处于起步阶段。但对于中国来说,利用微纳卫星开展深空科学探测和卫星产业应用意义重大,能推动中国航天科技能力取得进一步突破,增强自主创新能力,培养相关高科技产业,进而促进中国航天技术步入世界航天强国之列。”说这句话的正是“上科大二号”立方星的总设计师吴树范博士。他长期从事航空航天科学与技术研究工作,掌握了飞行器系统工程和导航制导与控制领域的核心技术,是我国空间科学技术领域的资深专家。

深空科学探测,认识宇宙的新方向

深空科学探测是脱离地球引力场,进入太阳系空间和宇宙空间的科学探测。旨在研究太阳系及宇宙的起源、演变和现状,进一步认识地球环境的形成和演变,认识空间现象和地球自然系统之间的关系。它主要包括两方面内容:一是对太阳系的各个行星进行深入探测;二是深空天文观测以及对空间物理现象和内在规律的研究与探测。

吴树范表示,进入21世纪,我国在应用卫星、载人航天、探月工程三大领域已经取得了突破性进展和骄人的成绩,受到世界各航天大国的瞩目与认可,成功跻身于世界航天大国之列,但在深空科学探测领域,我国在很多相关的技术方面目前还是一片空白,距离世界航天强国还有相当距离,落后于美国、俄罗斯、欧洲、日本等国家和地区,尚与印度同处在起步阶段。

吴树范指出,深空科学探测是一个国家的战略性技术领域,决定着一个国家在未来国际舞台上的地位和在很多国际问题上的话语权,同时还能不断催生许多涉及国计民生的新兴产业。深空科学探测对航天科学与技术会提出很多更高的技术挑战和需求,是推动航天技术自主创新和技术突破的原动力,同时也便于开展和利用广泛的国际合作,来提高我国航天事业的起点,接触国际前沿的先进技术与工程管理经验,更快地融入国际上对深空科学的积极探索活动。

立方体卫星,又称“魔方卫星”,形状如名。一单元立方体卫星是边长10厘米的正方体。过去10多年来,欧美国家大力发展立方体卫星技术与应用,已有500多颗发射入轨。立方体卫星入选《科学》杂志“2014年全球十大科学突破”,成为航天领域一支新生力量。

2014年开始,吴树范便通过组织科研团队,提供条件保障,在一年多的时间内,搭建起了从设计、研发到测试,以及地面测控与运营管理等一系列平台,带动国内20多家大学、科研机构和企业投入立方星技术和产业的发展之中。

“上科大二号”的研发正是顺应了这些时代需求。据吴树范介绍,他研发的A星、B星和C星三颗卫星重量分别是2.9千克,2.2千克,和1.7千克,造价也仅数百万元人民币,发射成本也因重量轻且可以搭载大卫星的发射而大大减少,与传统造价要几个亿的大卫星相比,性价比非常高。更值得一提的是,这三只“小麻雀”还五脏俱全,并瞄准了国际最前沿的技术。原来,三颗立方星均搭载了自组网通信机,可利用三颗星建立空间最小网络,实现立方星级别的星间通信组网。

和普通卫星相比,依靠高度集成的微机电技术,立方星的很多功能都集中在一块10cm×10cm的电路板上。例如,A星在国际上首次搭载了微电子机械系统(MEMS)冷气微推进器,将开展立方星编队绕飞等新技术在轨验证。

不仅如此,三只“小麻雀”还各司其职,把视野延伸到了国际。A星主要载荷是微小型光学相机,可用于观测南北极浮冰情况,为雪龙号科考船考察南极,为商船开通北极航道等提供遥感图像的支持。B星上装的是一个用于船舶信息采集的星载船舶自动识别系统(AIS)接收机,它可以大为扩展航船的信息监测覆盖范围,并通过多星星座有望实现全球实时监测。C星安装了用于民用飞机信息采集的星载广播式自动相关监测系统(ADS-B)接收机,监测民航机的飞行信息。2015年9月26日晚,C星载荷开机,绕地球一轨(约94分钟)内,已采集到405架飞机发出的5.1万多条播报信息,将一天、一周或一个月所收集的信息积累起来,可以勾勒出全球民航飞机的航行动态图。吴树范说:“这些信息对民航管理、航线规划、应急处置以及流量分析与优化等,都有重要的意义和实际的应用价值。”

吴树范表示,用卫星成功接收到ADS-B信息,在国内尚属首次。作为我国首批上天的立方体纳卫星,STU-2开启了立方星在我国由“试验应用型”向“业务服务型”的转变。这也是国内首批按国际立方星标准研制的纳卫星,集成了当前立方星领域的国际前沿技术(星间链路、微型星敏、冷气微推、芯片式北斗GPS双模接收机等)与应用载荷(用于船舶检测的AIS接收机和民航飞机检测的ADS-B接收机等),任务取得圆满成功,在轨成果丰富,得到国内外相关领域的高度认可和重视,有很多媒体予以报道,有较高的社会影响和经济发展前景。技术处于国内领先,国际前沿。该项目已产生10多篇国际学术会议论文和多项发明或技术专利。

创新不止,助力创新强国梦

自本科毕业33年、博士毕业27年来,吴树范一直从事航空航天自动控制和卫星工程领域的研究和开发工作,在理论研究和航天工程实践方面经验丰富,承担过多项处于国际前沿水平的研究成果和实际航天工程项目。主要研究领域更是广泛涉及飞机综合飞行控制与管理、微纳卫星技术与应用、飞行器导航制导与控制、科学飞船和各类卫星平台的系统工程、卫星导航、空间科学探测、地球观测与大气监测等,为我国航空航天事业的发展做出了积极贡献。

他对飞行器导航制导与控制(GNC)、轨道与姿态控制系统(AOCS)、卫星无拖曳姿态控制系统(DFACS)、科学卫星超高稳定度(RPE)控制与实现、再入大气层航天器建模与控制、定量反馈理论(QFT)应用于飞行控制以及各类航天实际控制和应用算法等最前沿的技术有很深入的研究,作出多项有国际影响的研究成果;直接参与了多个国际国内重大航天科学技术与工程项目的技术研究与管理,与国际前沿技术专家和科学家多年联合工作,熟悉国外(欧洲)宇航技术和工程方面的前沿水平与动态,掌握相关前沿技术和工程管理规范,对国际国内空间科学探测,对地观测,自动交会与对接,和导航卫星等相关的宇航工程项目有直接和丰富的工程实践经验;直接领导和参与了多个微纳卫星项目的任务规划,系统设计和卫星工程实施,掌握了微纳卫星和相关的微型化技术和应用技能,广泛开展国际合作,并做出多项技术与应用成果。

在科研项目中,除了研制发射了国内首批三颗立方体试验卫星,提出并领导了中法天文观测卫星超高指向稳定度的设计方案与算法,吴树范还于1991~1996年在南航和德国不伦瑞克技术大学工作期间,以飞机运动过程中总能量原理动态平衡的原理出发,将飞行速度和高度的控制有机地结合在一起,形成最优化的综合飞行任务管理系统。在将总能量原理成功地应用于飞机纵向飞行轨迹的优化管理基础上,又结合民航飞机四维飞行管理的需求,将总能量原理推广到对包含飞行时间在内的四位飞行任务的综合优化与管理,研究结果得到美国NASA Ames研究中心同行专家Dr Heinzberg(总能量原理的提出者)的好评,他提出的基于总能量原理的最优化制导算法则发表在国际顶级期刊Journal of Guidance Control Dynamics(1994)上,该项研究开拓了国内对四维飞行轨迹优化和综合飞行任务管理的研究领域,后续很多的学位论文和学术研究报告都是在上述研究基础上展开的。

1996年在英国斯特拉斯克里德大学工作期间,他与国际知名教授Prof Grimble联合开展定量反馈理论(QFT)在飞行控制系统中的应用,在国际上首次将QFT鲁棒设计方法应用于飞机和无人机的综合飞行控制系统的分析与设计,并推广到多输入多输出耦合控制系统能的分析与设计,进一步应用到卫星无拖曳姿态控制系统(DFACS)的鲁棒控制律设计,取得很好效果。在此领域发表了多篇学术期刊和会议论文,引领QFT在飞行控制系统领域的创新性应用,处于国际前沿水平。

1998~1999年在荷兰代尔夫特技术大学工作期间,吴树范对载人飞船X-38飞行器再入大气层飞行阶段的空气动力学模型和自主智能控制技术开展了深入研究,全面建立了整个飞行包络内的气动力学数学模型,并首次创造性地引入模糊逻辑智能控制技术来实现再入大气层阶段的大迎角大机动飞行控制过程,取得满意的控制性能,得到客户方(欧洲航天技术研究中心)专家的一致好评。研究结果表现为多篇期刊和学术会议论文。

2000~2002年,在英国萨瑞空间中心工作期间,吴树范针对遥感卫星对地成像的机会和姿态控制需求问题,提出了一套完整的系统数学模型,并利用轨道快速递推模型,研究开发了一套快速成像机会和成像姿态控制需求的算法,经过实际应用得到验证,成为实现卫星在轨自主任务调度的核心算法,被英国萨里小卫星公司(SSTL)和英国减灾卫星中心(DMC)的卫星任务调度管理系统采用,取得很好的应用效果和社会经济意义。研究结果发表在顶级期刊Journal of Guidance Control Dynamics和AIAA GNC以及犹他小卫星大会上。

2002~2005年间,吴树范针对自动货运飞船上装有30多个姿态/轨道推力器的复杂系统,负责并直接参与了航天器综合推力控制管理技术的课题研究,用复杂数学模型描述了在有较多冗余推力器条件下如何更有效地调度和使用各推力器来实现期望的控制任务,研究结果改进了货运飞船在自主交会与对接阶段的控制性能,有多篇论文发表在顶级期刊Journal of Guidance Control Dynamics和AIAA GNC大会上。

2005~2009年,在欧洲航天技术中心工作期间,吴树范针对丽萨探路者号(LISA Pathfinder)科学飞船任务中的无拖曳姿态控制系统(DFACS-Drag Free Attitude Control System,或称无阻力姿态控制)技术难题,对其复杂数学模型的建模,多输入多输出系统的无拖曳控制算法等提出了系统的分析方法,创造性地引入定量反馈理论(QFT)设计其鲁棒控制算法,得到的性能大为改善,优于基于H的原有设计结果,有多篇论文发表在顶级期刊ACTA ASTRONAUTICA和AIAA GNC学术会议上,该技术处于国际领先。

成果推广,探秘美丽宇宙

科技成果最终的落脚点是生产力的转化,吴树范除了科学研究,也非常重视科研成果的转化。例如,针对首批三颗立方体试验卫星,发射入轨后任务取得圆满成功,获得关于南极冰层的大量图片,获得对民航飞机和民用轮船的大量检测信息,获得用户的很高评价,也得到国内外相关领域的高度认可和重视,得到很多新闻媒体的报道,有较高的社会影响和经济发展前景。技术处于国内领先,国际前沿。该项目产生了10多篇国际学术会议论文和多项专利,并推动后续很多的卫星应用项目。

吴树范还研发了天文观测卫星超高指向稳定度设计方案与算法,并且目前正在研制的中法合作天文观测卫星就是采用了该项创新技术,处于国际前沿,国内领先地位;他实施的科学卫星无拖曳控制系统建模与设计方法,在丽萨探路者号(LISA Pathfinder)科学飞船任务中得到成功应用,有很好的在轨实验结果;他设计的货运飞船复杂推力管控模型与算法,在货运飞船的自动自主式交会对接控制系统设计中得到应用。他发现的卫星在轨成像机与姿态快速预测算法,在轨自主任务调度算法得到英国小卫星公司(SSTL)和英国减灾卫星中心(DMC)的卫星任务调度管理系统的成功采用,取得很好的应用效果和社会经济意义;他还开发了再入大气层航天器建模与智能控制技术,该空气动力学模型成为欧洲宇航技术研究中心相关专业部门开展飞行器再入大气层研究的基准参考,所建立的自主智能控制技术分析软件包也在后续交会对接任务的分析中得到广泛应用;设计了定量反馈理论应用于飞行控制系统,在国际上推动了定量反馈理论在飞机和卫星复杂飞行控制系统中的应用,发表的相关论文被国内外学者广泛引用;研究了基于总能量原理的大型飞机四维飞行管理与控制技术:该项研究成果开拓了国内对四维飞行轨迹优化和综合飞行任务管理的研究领域,后续国内外许多的学位论文和学术论文都引用了他发表的相关论文。

谈到放弃国外优越环境回到国内的原因,吴树范教授感慨地说:“国外的一些设备和技术确实很先进,物质生活条件也不错,但梨园虽好,并非家园。”一份家国情怀让他始终相信:在不久的将来,中国必将跻身航天强国之列,中国科学家和航天技术人员将与欧美同行携手合作,共同探索宇宙深空的科学,破解太阳系以外浩瀚空间的众多谜团,共同为人类的进步与发展做出直接和平等的贡献。

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