马晶、谭立英:挺起民族卫星光通信的脊梁

发布时间:2014-8-1 13:48:14  阅读数:

科学中国人(http://www.kxwest.com/kejirenwu/84_17090.html)2014-08-01报道:

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       2011年8月16日6时57分,我国“海洋二号”卫星在太原卫星发射中心成功升空。这是我国第一颗海洋动力环境监测卫星。它与我国以前发射的人造卫星的最大的与众不同之处,在于它搭载了一个特殊的乘客,就是我国第一台星地激光通信设备。“海洋二号”在轨运行期间,搭载在“海洋二号”上的星地激光通信终端成功进行了我国首次星地激光通信链路数据传输试验,成为我国卫星通信技术发展史上的一个重要里程碑,标志着我国在空间高速信息传输这一航天高技术尖端领域走在了世界前列。
   令人意想不到的是,这项伟大而艰巨的任务,是由哈尔滨工业大学两位不为人知的基础课教师以极强的使命感、勇敢地承担起来的,他们就是马晶、谭立英夫妇。


开拓中国卫星光通信

 


   马晶和谭立英二人承担这个课题的过程,其中充满了戏剧性。而这一切,都是由一篇不知天高地厚的硕士论文开始的。
   时光倒流到1991年,当时,谭立英正在准备硕士论文的选题。为了选择一个有创意的课题,她专门去北京图书馆查阅相关资料,其中有一篇关于卫星激光通信资料的论文让她眼前一亮,凭着职业的敏感,她预测出这个领域潜在的价值。并且这个领域在国内是空白,要是选择这个课题,其价值与意义可想而知。
   得知谭立英的选题,导师大摇其头,他们不相信一个在职硕士研究生能够驾驭如此尖端的课题。哈工大物理系几位资深的“老先生”均表示:“方向虽好,但难度太大了。”老师们委婉地劝说:“你能否换一个方向,这个方向很难毕业。”
   这些好心人的劝阻,反倒激起了她的斗志,天性倔强的她,选择这个课题的念头却更加坚定,“中国需要卫星激光通信,我要做卫星激光通信。”
   谭立英的选择,参加论文开题的老师几乎都反对,但获得了一个人的支持,他就是谭立英的丈夫马晶。
   马晶的专业是应用物理,当时,刚刚结束欧洲做访问学者的经历,回到国内,也正在确立自己的科研方向。当他看到谭立英的科研方向,觉得这是个很有前景的而且是非常具有挑战性的方向。虽然也有朋友劝他说,“我国的微波通信还有很多问题需要解决。你为什么不把研究放在微波方向,而去搞那个遥不可及的光通信。”但是马晶还是决定与爱人一起,选择这个具有前瞻性的课题。马晶支持了谭立英,同时也非常感激她。他说,如果没有爱人的支持,我不会坚持下来。所以要感谢爱人谭立英。当时我如果做全息物理,有实验室,有设备,有团队,但是我不会是开拓者。而在这个领域,我是开拓者。
   但是,话说出来容易,真的做起来却遇到难以想象的困难。关于卫星光通信这个课题的难度,马晶说,空间光通信是由多个子系统组成,每个子系统都有着无法想象的难度。美国和欧日等国家对这个领域的研究走在了世界前列,同时,他们的技术封锁也很严密,我们只能靠自己的摸索,一个子系统一个子系统地攻关。
   首先遇到的难题就是光源问题。这样点对点的传输,没有中继,对光的要求非常高,而卫星本身的功率是有限的,必须将光束压缩得非常窄,正因为传输路径非常窄,所以保密性非常好。这就带来一些技术上的困难。一是如何把光束压缩到很窄的范围。二是如何实现卫星高速运行航空器之间的点对点传输。因为卫星的运动速度很快,每秒达到几千米。在这样高速运动中,如何捕捉点对点的光信号,是个技术难点。
   第二个要解决的难题就是终端光束之间的瞄准、捕获、跟踪,实现高精度的点对点的传输,这个是很高的难度。卫星之间还好一点,如果卫星和地面传输,还要考虑大气的影响。因为大气对光传播的干扰是非常大的,另外还有卫星本身因为机械振动等原因,也会带来一定的扰动。比如卫星的太阳能帆板的转动,会给卫星带来轻微的颤动,如果是微波通信,这样轻微的颤动是可以忽略不计的,因为微波波束比较宽,但是光束是非常非常窄的。任何一种轻微的颤动都会对光束产生非常大的干扰,使光束的瞄准非常困难,大气的扰动也是同样的。这是我们必须要面对的问题。日本人曾经形容这样的工作:相当于从东京瞄准富士山上的一个针眼,这个针眼还在没有规律地动。美国人在1965年已经立项,已经做了将近50年,到现在还没有到实际应用。以他们的速度,大概到2020年才可以应用。
   第三是发射、接收、探测、信标子系统研究中的一些关键问题也需要解决,如要考虑温度对系统的影响。温度对卫星光通信系统的影响主要表现在对光源的输出波长和光学系统各光学元件及支撑装置尺度的影响上。再如要解决精密光学系统的研发和制作,发射、接收系统的天线等光学部分,不仅担负着接收发射来的光信号,使其聚集到信号探测器上,而且还担负着发射光束的准直及捕获、跟踪任务。而实际的捕获、跟踪精度高低又在很大程度取决于光学系统对接收来的光学信号成像的精确程度,而这样的精度在光学元件的加工制造上都存在相当的难度,所以精密光学系统的研制是发射、接收子系统研制中的关键问题之一。
   技术的难题还不是最难的,当时最大的困难是没有国家的经费支持。而要凭借自己的资金去完成课题,是有相当难度的。但是,马晶夫妇显现出了东北人敢说敢做的气概,把多年攒下来的积蓄全部拿了出来。当年知识分子工资微薄,很多人为了生计,通过下海经商、炒股、出国等手段改变生活条件,而他们俩把国外攒下的钱都投入到试验中,这需要怎样的胸怀和何等的达观。
   说起当年课题的艰难,谭立英有着一肚子的话。她说:“当时从哈尔滨到北京图书馆查资料,要坐几十个小时的火车,为了节省经费,天天吃方便面。一个泡面盒要反复用好几次。当时我们两个的工资才几百元,生活条件非常差。可以说这个课题的研究条件非常艰苦,而且看不到成功在哪里。科研条件也异常地艰苦,实验室是借的学校地下二层的一间屋子,非常潮湿,除湿机要整天开着,才能维持实验设备能够开机运行。那些设备也都是从别的课题组那里借来的,或者捡一些别人报废的设备收集起来,自己掏钱买些配件修一修。”就这样坚持了三年半,终于在1995年研究出了成果,弄通了空间光通信的基本原理,发表了两篇论文,谭立英的答辩也顺利通过。
 


成功源自信念


   论文答辩后,他们的积蓄已经见底了,而光通信研究才只是开了个头,仅仅走出了万里长征的第一步。为了获得进一步研究的所需的资金,马晶和谭立英夫妇决定向国家相关部门求援。
   1995年秋天,谭立英带着硕士论文和20袋方便面住进了北京阜新路8号航天部招待所,开始了她跑“部”进京寻找资金支持的旅程。
进了原航天部办公楼后,谭立英不知该进哪间办公室,更不知该找谁反映情况,就那么迷茫地在航天部办公楼的楼道里徘徊。这时,一间办公室里边有人搭腔,“你找谁啊?”他就是现在的国防科工局系统一司司长田玉龙。见到有人问,谭立英赶忙说明了来意,巧的是,田玉龙刚刚看了有关西方国家光通信研究的资料,对此很感兴趣,他建议谭立英去五院看看,并详细告诉她去找预研处。预研处的同志听了谭立英的经历,也非常吃惊。因为那正是知识贬值的时代,“搞原子弹的不如卖茶叶蛋的,”人们有钱都去炒股,有技术的人都出国发展,没技术的人都下海经商,没几个人安心搞科研。更何况是自己拿钱做科研。有一位老专家非常感动地说:“我给你写封信,你去总装备部的科工委找陈芳允”,并详细地告诉她坐公交车的线路。陈芳允是我国的电子学家、空间系统工程专家,中国卫星测量、控制技术的奠基人之一,“两弹一星功勋奖章”获得者,中国科学院院士,“863计划”的发起人之一。“到了陈院士的办公室,陈院士没在,他的秘书问明了来意,让我把论文留下,并让我留下电话,当时我没有手机,留的是航天部招待所走廊的电话。两天后,陈院士打电话叫我去,我坐公交车找到陈院士家,与陈院士谈了一个多小时,他对我的项目非常支持,说要给哈工大抓科研的校长打招呼,让他支持。”谭立英说,那是我第一次见到大人物,非常害怕,都没敢看老先生。但是,陈芳允院士记住了这个年轻人,经常约时间会见谭立英,并亲笔写信关注项目的进展。如果没有陈院士的大力支持,这个项目不会有这么快的进展。2000年,陈芳允老先生去世,谭立英特意赶到北京,为他老人家送行。谭立英的北京之行,说明了我们国家有大量像谭立英这样无私地关心国家的前途和命运,献身祖国的事业发展,默默无闻地为国家的繁荣富强做出自己贡献科研工作者。如果没有他们,这个领域不会有今天。
   谭立英的北京之行,给他们的光通信研究带来急需的资金支持。哈工大为他们特批了5000元,这在当时已经是不小的数字,后来空间技术研究院支持了80000元,再后来,随着国家对光通信项目的加大重视,陆续的资金投入就源源不断的来了,他们的科研设备有了更新,建立了专门的实验室和模拟系统。把光通信的原理都演示出来了,可以做一些深入的试验,包括模仿卫星运动的轨道等等。
 


精诚协作结硕果


   马晶、谭立英夫妇在我国的卫星激光通信领域取得这么大的成就,其中最关键的一个因素是协作创新。是良好的协作创新,使我国的卫星激光通信从无到有,从概念研究到实际应用,从一片空白中起步,用了20年的时间走完了发达国家50年走过的路。
   首先,卫星光通信的概念研究,是马晶、谭立英团队相互支撑、优势互补的合作成果。他们团队在研究方向上的共同追求,承担了别人不敢承担的课题。他们团队一个发挥技术特长,一个发挥想象力空间,建立了属于中国自己的卫星激光通信概念。
   其次是哈工大不同学科强强联合。马晶说:“客观地讲,卫星光通信的领域,我们能搞成功,是与哈工大精诚协作和优良的学术氛围分不开的。当我们的项目立项后,各学科精英通力协作,集同攻关,这也是哈工大的一个文化特点,就是协同创新。强大的集体力量为我们的项目快速发展提供了充足的动力。同时,也获得了航天院所、中科院和许多企业的大力协同支持。可以说,这个方向是协同创新的典型。我们只是一个发起人,围绕着这个方向,有大量其他单位背后的支持。这种无私互助似乎是哈工大的独特的学术文化。”
   第三就是主管部门的支持。在卫星激光通信由概念走向实用的过程中,国家相关主管部门对项目的支持发挥了重要的作用。
   2001年3月24日,北京某会议中心,科工局系统一司与科技质量司联合组织召开了有关卫星激光通信技术研究的论证会,并聘请航天领域多名著名专家前来把关。那是谭立英见过的第一个大阵势,到现在她还记忆犹新,“五院的一些大专家都参加了,会场上满是白头发的老专家。”当然,论证的过程十分顺利,与会的领导与专家悉数对星地激光通信链路的星上光通信终端方案及报告给予肯定。“两弹一星元勋”王希季院士指出:“卫星激光通信技术是我们国家急需的技术,而且,这也是我们国家必须要上的技术。”领导与专家们高瞻远瞩,预见了中国卫星激光通信研究的可行性,他们的一致肯定为该研究注入了强大的动力。谭立英说,最后论证通过,一下子就给了1200万,这对我们来说简直是久旱下的甘霖,解决了我们的大问题。有了这笔经费,我们的研究进展很快。
   2001年~2005年的5年间,在科工局的大力支持下,哈工大卫星激光通信研究团队:
   ——完成了星地激光链路的星上光通信终端样机;
   ——研发了卫星激光通信地面动态演示验证测试系统;
   ——研制了国际上首套集成化卫星激光通信终端高精度测试校准仪;
   ——建立了卫星激光通信重点学科实验室;
   多年的辛苦得到了回报,团结协作结出了硕果。马晶、谭立英和他们的团队,经过多年艰苦的努力,研制出了我国的第一台卫星光通信星载设备,并成功进行了卫星搭载试验。
   2011年10月25日早6点,是马晶和谭立英夫妇永生难忘的日子。这一天,也是中国卫星激光通信发展的历史性的一刻。海洋二号卫星搭载的光通信设备,成功完成了星地激光链路捕获跟踪试验,实现了我国首次高精度高稳定的双向快速捕获和全链路稳定跟踪。马晶、谭立英夫妇再一次地回顾了整个试验的过程,他们仍然难以抵制激动的心情。“试验结果超出了我们的想象。”“海洋二号”卫星距离光通信地面的最大距离近2000公里,以每秒7.8公里的速度运行,你连一、二、三还没有数完,我们的终端设备就已经准确捕获光信号,开始向地面传输数据了,试验成功了!
这次试验从立项研究到工程实现只用了4年时间。虽然研究起步较晚,但我国自主研发系统性能优于美、欧、日在卫星激光通信的系统性能,在航天高速信息传输这一高技术尖端领域走在了世界前列。
   谈及未来的发展,谭立英笑着说:“这仅仅是天地一体化网络中的序曲,之后我们还要研究更高容量的数据传输技术。”我们相信,马晶、谭立英夫妇及哈工大卫星激光通信团队,会继续发扬拼搏精神,续写我国天光通信新的传奇。

 

编辑:郑之铮 来源:科学中国人

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