纪念东方红卫星升空50周年—回忆轨道观测
纪念东方红卫星发射升空五十周年，庆祝航天日！
在我进行中国计算机历史调研时，常遭不解，甚被斥责。一次一位科学研究院的局级主任说，“你回顾这些老设备有何价值？现在随便一位大学生都能够远超当年成就，有这时间不如接个创新课题。
我说，当年的计算机性能是远不如当今，然而前辈们用这些设备高质量地完成了国家急需的高难度的课题。要是现在给你一台先进计算机，让你带领学生完成卫星轨道计算，你不一定能够做出来。
局长哑然。
我说这话的依据就是1970年，中国第一颗东方红人造地球卫星准备上天的5年，数十家单位的精挑细选的科技人员，利用自己的智慧和国产计算机，完成了轨道测控系统并保障了发射后的运行。我访问了其中多位人士，文章大约写了14000字，要分5次讲述不同单位和人员的拼搏经历，希望大家喜欢。
1957 年10 月和1958 年1 月苏美两国的人造地球卫星分别上天。
1970 年4 月24 日，中国第一颗“东方红”人造地球卫星按时成功发射。这颗卫星的地面观测工作提前5年，从1965年开始准备，卫星起飞后14 分16秒初轨就被准确算出。
在北京航天城陈列的东方红卫星备星
1958 年，中科院提出人造卫星规划，开始了代号581 组的项目研究，组长钱学森、副组长赵九章、卫一清。中科院计算所的王正和吴几康都是581 技术组成员，参与了每周要进行的多次讨论和方案设计工作。因“三年困难”计划调整，“卫星”改为“探空”。
1964 年10 月，东风2 号导弹发射成功，赵九章致信周恩来总理提出导弹打靶应与发射人造卫星相结合，可一举两得，建议争取在新中国成立20 周年时发射我国的人造卫星。
根据周恩来指示，张劲夫、裴丽生、竺可桢等提出一份中科院党组对人造卫星工程的建议报告。1965 年3 月，卫星计划重新启动。是年4 月29 日，国防科委建议：卫星工程总体及卫星本体由中科院负责，运载火箭由七机部负责，地面观测、跟踪、遥控系统以四机部为主，中科院配合。
5 月6 日，中央专门委员会批准卫星工程任务分工。5 月31 日，根据中央专委精神，中科院成立卫星本体组，组长解肇元、杨嘉墀、方俊。还成立了三个工作组，小组成员均精心调配：
地面设备组，王大珩、陈芳允负责；
生物组，贝时璋负责；
轨道组，关肇直负责。
7 月1 日，中科院完成的《关于发展我国人造卫星工作的规划方案的建议》，向中央呈报得到批准，该规划定名“651”。
1966 年3 月4 日，国防科委张震寰副主任召开会议，决定地面观测系统的规划、设计、建设和管理工作从四机部改由中科院负责。同年5月，中科院成立卫星地面观测系统管理局，筹备处由杨家德、陈芳允负责，代号701 工程处。科学院将位于天津的华北计算站迁至西安，意图与国防科委合建地面测控系统。
钱学森与张震寰
1967 年8 月，701 工程处划归国防科委领导。1968 年2 月，国防科委全面接管卫星研究工作，成立空间技术研究院，钱学森兼任院长，孙家栋任总体设计部主任。此刻机构调整频繁，一是任务逐步明晰，分工更加具体；二是避开中科院在“文革”中的混乱状况，以保工程顺利实施。
1965 年10 月20 日至11 月30 日，中科院受国防科委委托，主持召开了人造地球卫星的总体方案论证会。参加会议的有国防科委、国防工办、总参、海军、炮兵、一机部、四机部、七机部、通信兵部、邮电部、试验基地、军事医学科学院以及院属单位代表共120 名。各单位依次报告卫星总体方案、卫星本体设计提纲，运载工具方案设想，地面观测系统方案设想是由中科院报告。
会议进行40天，逐个问题讨论，归纳为要点：第一颗卫星为科学试验卫星，1970 年发射，任务包括与地面通信、太阳能电池、卫星遥控和姿态控制等实验，建设地面观测系统等，要做到“上得去、抓得住、听得见、看得见”。
会议对重大问题反复慎重讨论，会后又经多位科学家，多个单位数月的计算、论证、方案复审等，才逐渐臻于完善，组织编写了总体方案、本体方案、运载工具方案和地面系统方案4 个文件初稿以及27 个专题论证材料。经过充分体现了科学理论与技术实现，体现了工程目标总体合成，体现了中国科学家的水平与相关单位的能力，本文仅回忆卫星轨道与观测，这是一个大系统中的小局部。
论证材料之27，就是多普勒独立测轨法简介。
发射卫星时，要确定是否按预定轨道入轨和测出其轨道根数，卫星运行的第一圈，就应测算出实际轨道，做出轨道预报，确保“抓得住、测得准、报得及时”。因为光学观测受限制较多，确定以无线电观测为主，光学观测为辅的原则，需要解决的是卫星和火箭分离后的轨道测量问题。
我国领土东西跨度有限，如取42 度的轨道倾角，从酒泉向东北发射，入轨后的可测弧段长度为2000 公里，仅占椭圆轨道的5%，要在这样短促的飞行时间中实现测轨，理论与技术难度都很大，必须制定有效的定轨计算方法，方能得到准确的实时观测数据。国外使用长距离主动雷达观测卫星轨道，处置快捷，操作便捷，我国此时尚未装备此类雷达。
虽然太空没有飞行限制，可是卫星轨道并非随意飞驰，也要严密监控，要是让其他国家抢先发布我们的轨道，不光显现测控系统的技术缺陷，也是重大政治问题。测轨体制的选择，成为论证会上的一大难点，到会科学家探讨二十多天，一直没有定论。
当时，国内有三种无线电跟踪设备，154-II 型雷达和无线电干涉仪都没有充分技术把握；多普勒测速系统，有报道称美国利用这种方法修正卫星轨道，但能否用到卫星初轨测定还有待研究，还没有算法。
我国领土观测夹角仅占地球椭圆轨道的5%，观测时间非常有限。
出席会议的中科院数学所刘易成助理研究员，冥思苦想多日，提出了多普勒测速定轨方案，利用多普勒频移原理，即运动物体所载频标发射的无线电波的频率在观察位置是变化的，他创造性地提出并推导“多站多普勒测定卫星初始轨道方程”，这是能够准确测定轨道数值的一组算法。他知晓地球物理研究所二部的周炜、孙传礼等已经完成了用于电离层的多普勒测编方案，测轨方案有了实现的技术基础。刘易成的“多普勒轨道方程建议”得到会议认同，多普勒独立测轨法就成为会议的第27 个，也是会议的最后一个论证报告。
数学家刘易成的“多普勒轨道方程建议”得到会议认同
卫星测轨方程在中科院计算所经过了论证，多普勒测轨算法设计和编程任务得到完全肯定的结论，这只是“测轨”的第一步。
1966 年1 月至3 月，赵九章、钱骥决定，总体组、中科院数学所、紫金山天文台组成联合计算组在数学所突击计算，用计算机给出带随机误差的模拟跟踪数据进行算轨、定轨和星历预报等项运算，分析观测仪器精度和测轨预报精度的关系、布站方案等。
1966 年2 月，陈芳允等编写了《卫计算过东方红卫星轨道的“X-2 计算机”424星地面观测系统方案及分工建议》的报告，提出卫星的无线电跟踪系统采用以多普勒测速仪为基础、卫星入轨点测量以154-II雷达为主和无线电干涉仪只做试验的系列化方案。
3 月4 日，国防科委张震寰副主任召开会议，审查同意了这个报告。这一方案确定了中国中低轨道卫星的跟踪测轨系统，形成了我国的特色。
联合计算组基本解决了卫星入轨后定轨和轨道改进的计算问题和相应数学要求，还加入了空间环境等动态因素和数据传输接收，以备实测所用，顺利完成了计算组的任务，为东方红卫星如期发射提供了重要保障。
中科院计算所接到多普勒测轨算法设计和编程任务，三室负责人张克明将任务交付张绮霞，她是计算数学训练班第一期学员，师从数学家徐献瑜，具备多年成功实践经验。她依据刘易成的方程组编制了程序，成功地逾越了所有难点。程序在计算所的119 机上运算100 多个机时，计算了3000多条模拟轨道，精度达到2‰，证明方程不仅有解，而且是孤立解，观测算法迎刃而解，多普勒测速仪独立测轨算法得到完全肯定的结论。
那年张绮霞31 岁。当程序运行结果收敛时，大家一片欢呼，证明数学公式可行。
该书295页，刘易成；《测轨法与我国卫星轨道的选择》
2015年11月27日，刘易成（右一）、张绮霞（左二）和笔者聚会庆祝发行航天钞。
2012年4月10日，刘易成（中）、张绮霞（左二）和笔者在物理所聚会。
刘易成，1930年6月8日生于北京，祖籍山西省兴县。1942年在延安“保育小学”读书，1952年入北京大学数学力学系，毕业后到中科院数学所理论物理研究室工作，1959年11月派往苏联联合原子核研究所（杜布纳研究中心）工作四年半，1966年11月参与我国卫星系列规划的制定，“文革”中下放农村，1974年返回中科院转向探测引力波、引力异常和第五种力的实验研究，参与人体科学研究，1990年离休，2018年9月26日去世。
张绮霞，1934 年12月生于江苏省昆山县。先后就读于苏州私立慧灵女中和私立振华女中，1952 年高中毕业，考入山东大学数学系。1956年毕业分配到中科院，先后在计算所、计算中心，计算数学与科学工程计算研究所工作，曾任研究室主任，1988年国家授予“中青年有突出贡献专家”称号，享受政府特殊津贴，1995 退休。
公众号《计算机六十年》 JSJ_1952