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半导体所 邓兆扬

一只苍蝇，它从你的周围飞到几公里之外，你能够抓住它吗？请想一想有什么办法？
这是比喻一件很难做到的事。47年前，中国科学院在制定我国第一颗人造卫星研制方案时，就是用这个比喻来要求研制工作的高水平和高难度的！
咱们回到当时的情景，张劲夫同志（原中国科学院副院长、党组书记）在“中国第一颗人造卫星是怎样上天的”一文中这样写道：“发射卫星最重要的是地面跟踪测轨问题。赵九章所长说过，试想一颗几米尺度的卫星送上轨道后，就像几公里之外的一只苍蝇，如果不能紧紧抓住，如何去找它？因此，发射卫星，首先要把卫星运行规律、轨道计算、测量、预报以及跟踪站的布设等搞得一清二楚。科学院理当把此任务承担起来，先走一步。”
经过多方面技术论证后，总体要求“上得去、抓得住、测得准，报得及时，听得到、看得见”。
当时科学院组织了许多研究所和部门，分工完成各项任务。它是绝密级任务，其代号为“651”，我有幸参加了其中一项星上设备——“10公分微波信标机”的研制。它与“抓得住、测得准，报得及时”密切相关。
中学物理讲过，地球上运动的物体达到第一宇宙速度时，就会离开地面做绕球心的圆周运动。大于第一而小于第二宇宙速度时，就会以地球的球心为焦点做椭圆轨迹运动。发射卫星后所形成的这种轨迹就是卫星运行的轨道，我们的任务就是要在卫星发射入轨后，用无线电的手段，尽快抓住卫星，报出它的入轨参数，这就是地面跟踪测轨问题。只要有了运行轨道的初始参数，整个轨道运行的规律，就可以推算出来，这是经典力学已经解决的问题。
这个任务是包括地面各接收站点和星上设备组成的系统来完成的。现在看看信标机的用途，为什么需要它？
“10公分微波信标机”又叫“雷达信标机”，随卫星上天以后，不断发出10公分波长的连续微波信号，地面的雷达就会搜寻并接收到此信号，从而知道它的频率，以及由星体运行的速度所决定的频率变化。这个频率变化很重要，就是所谓“多普勒频移”。犹如一辆高速列车迎面开来，其汽笛声随之靠近时，会渐变为尖叫声（频率变高）；反之远去时，又会尖叫渐小，变成常态声（频率渐低）。列车开得越快，这个频率变化越大；反之越小。这个现象是多普勒最先发现的，故称“多普勒效应”。其频率变化，称为“多普勒频移”。因此可以从多普勒频移的大小，知道卫星运行的快慢。当一台雷达接收到卫星运行的多普勒频移时，只能知道有卫星存在于附近，但不知它在何处？因此报不出位置来，轨迹也无从谈起。要解决这个问题，中科院的科学家提出了独到的方法，这就是“多站多普勒独立测轨的方案”。
试想，如果不是一台雷达接收机，而是在卫星经过的路段两旁相当距离，各设一台雷达接收机，它们同时但独立地检测卫星运行的即时多普勒频移，就会得到与所布设位置有关的两个频移量。这两个频移量，其实都是矢量，因为它们都不正对着卫星迎面而来，与其必然有一个夹角，角度的影响必然使频移量变化。雷达位置变化，夹角随之变化，因此与雷达接收机布点的位置有关。我们的科学家解决了从多台接收机所出现的各自即时的矢量数据中，推算出卫星位置来的关系式。这是一个动态过程，要求多处数据的及时运算和处理，从而初略确定星体的即时位置。沿途都这样做，原则上就可以知道运行速度和轨迹来。如果要跟踪的话，就应该在卫星经过的路段两旁，不同位置无论远近，都设检测点。这样，总会有捕捉到的卫星的机会，一条初始轨迹就有可能画出来。这是否就意味着抓住了卫星？
然而，进一步的问题又出来了。多普勒雷达既然要去发现目标，它的波束就不能太窄。犹如要在黑暗中用手电筒照蚊子，你要把光束调大，搜索的空间才大，才容易发现飞着的蚊子。反之就不容易发现目标。也就是说，雷达的搜索面积与测量的精确度是矛盾的。换句话说，就是方便了就测不好，要测好就不方便。一旦不方便，就要花时间去搜索，目标很容易就溜跑了。所以，还是保留方便性为好。留下的准确性，只好另想办法。
能不能用两台波束不同的雷达，相互配合，取长补短来完成任务呢？答案是肯定的。就窄波束雷达而言，它的定位精度高，为了提高灵敏度，可以不是接收对雷达波的反射信号（很弱），而是在星体上再装一台接收机，专门接收窄波束雷达发出的信号，然后加以放大，再发射出较强的同频信号来，这样灵敏度就随它的放大能力而提高。从而提高接收的及时性和可靠性。这样改进后的雷达，就叫雷达应答机。它的缺点是不易发现目标，然而与信标机结合起来，一个做引导，一个做定位，就不两全其美了吗？所以，列出的星上设备中，就有雷达信标机与雷达应答机同时出现，原因就在此。在“五星红旗迎风飘扬”电视剧中，在发射前的例行监测中，出现了“应答机，收不到信号”的险情吗？幸好后来排除了故障，否则，信标机再好也是徒劳的。据说当时非常紧张，上报到周总理，请求是否改期发射？可见这两个设备的重要性，因为如果抓不住，报不出轨道来，发射上天的卫星，就会成为太空垃圾，而宣告失败。
就微波信标机而言，它不需要接收雷达发射的信号，而是本身就固定发射一个较反射波强很多的信号，所以很容易被引导雷达发现，将其大体方位信息告诉跟踪雷达，由跟踪雷达完成精确跟踪的目的。
因为要精确测量多普勒频移，所以信标机与接收机的频率都要高精度和高稳定地工作，10公分波段有利于通过大气的传输窗口，微波频移的绝对值要比低频段大，使分辨力获益。经过与其他设备的配合，地面计算机综合地对多站信息的运算处理，就会得到初始轨道的具体参数。从而达到及时预报的目的。一切其它设备，才能有效运作，成为卫星得以正常工作的前提。
下面是东方红一号卫星的内、外部结构以及微波信标机的外形及应用。

东方红一号卫星的外形图，中部腰带处排列着多个矩形窗口，就是雷达信标机与雷达应答机的天线口[/caption]

我国第一颗人造卫星“东方红一号”1970年4月24日发射成功

1970年4月24日21时35分用“长征一号”运载火箭(cz-1)载着“东方红一号”卫星从中国西北酒泉卫星发射中心发射升空，21时48分进入预定轨道。 卫星上天后不久，就被地面的跟踪台站抓住了。起飞后14分16秒，东风计控中心计算出了卫星的初轨……在“抓得住、测得准，报得及时”方面，“微波信标机”在系统中做出了重要贡献，圆满完成了预定任务。
由于微波信标机的工作出色，研制组的代表，应邀上天安门城楼与党和国家领导人一起参加大会。这是当时对该任务的最高奖励。
1971年3月发射的“实践一号”科学卫星，其中的“微波信标机”，仍沿用上交五台正样机中的另一台。这是经过一年的存储之后投入使用，结果该机仍然能够长期有效工作，再次检验和证明了它的重复性和高可靠性！
1986年“东方红一号卫星总体”获国家科技进步特等奖，“微波信标机”是星上性能与可靠性甚优的关键部件，是国际上第一个上天的“固体微波源”。
中科院特将“微波信标机”作为单列项目载入军工史册。
2009 年11 月，凤凰网介绍中国科学院在“文革”的艰苦阶段，仍在为祖国科学事业做出巨大贡献的报道中，就选用了“微波信标机”作为视频画面之一，至今为人们称颂。