——记上海交通大学讲席教授吴树范

　　□　祝传海

　　一个民族有一些关注天空的人，他们才有希望。——黑格尔
　　
　　　　　
　　
　　2015年9月26日，我国首批立方体纳卫星——“上科大二号”立方体试验卫星（STU-2）搭载“长征十一号”火箭发射入轨。STU-2包含3颗立方星，分别重2.9千克、2.2千克、1.7千克。
　　这是我国首批按照国际标准研制并发射入轨的立方体试验卫星，其总设计师是时任上海微小卫星工程中心副总工程师的吴树范研究员。这3颗立方星，从提出概念到发射成功，他带领团队忙了1年。
　　对于习惯了大卫星动辄十数年周期的国人来说，一年三星，堪称奇迹。但这正是微纳卫星的显著特点：质量轻、体积小、性能高、成本低、机动性好、研制周期短等。这样的微纳卫星，正在空间科技与应用上引发一场重大变革。早在欧洲航天局工作时，吴树范就敏锐地意识到这一点，他认为微纳卫星代表着一个新的纪元，由此而生的商业航天应用也是大势所趋。他愿意竭尽全力，将这一事业在中国发展成熟。
　　“有人说一个民族要有一些仰望天空的人，我们的确应该以更广阔的视角去看宇宙，如果能在这个过程中有一些发现，对人类做出一点贡献，那将是十分有意义的事。”吴树范说。
　　

借梯子上山

　　立方星正在掀起一场产业革命。——吴树范
　　2014年3月7日，北京师范大学教授程晓到上海微小卫星工程中心作了一场关于极地救援和北极航道的报告。“如果能够有一颗专注观测浮冰的卫星，不仅可以确定南极航道上冰层的薄厚，帮助‘雪龙号’顺利进出南极，还有助于开通北极航道，产生重要的商业意义。”与程晓交流之后，吴树范确定了他想要实现的一个应用方向。
　　开发“立方星”，吴树范的这个念头由来已久。2002年，欧洲航天局在意大利举办的航天导航与制导控制年会上，美国斯坦福大学教授Bob Twiggs介绍了立方星的概念及其发展前景。立方星大约1公斤，是用来进行太空探索或对地球观测的标准立方体模块或其组合体的小卫星，外观看起来像一只魔方。可麻雀虽小，五脏俱全，立方星中不到10厘米见方的计算机主板可以管理卫星姿态、热控和应用载荷等所有星载系统；集成电路只有几十克重；动量轮仅拇指大小；用来星地间通信的天线只有1元硬币大；联通各设备的导线不足1毫米粗。重要的是，它可以利用大卫星发射时的空隙，搭载在火箭平台上，发射花费极小，却能够完成很多艰巨的任务，比如对海洋、大气环境、船舶、航空飞行器等进行监测。
　　听完报告，吴树范心底蓦然升起一株火苗——如此一来，卫星应用将从高耸、神秘的云端走入凡间，引发出新一轮民用及商用卫星的井喷。时间印证了他的预言，随后的10余年间，微纳卫星蓬勃发展，欧洲航天局也逐渐从大卫星的优越感中清醒，将微小卫星、纳卫星、立方星等同样列入未来发展规划，吴树范参加了这些论证工作。
　　2011年12月，欧盟启动了QB50工程计划。作为欧盟第七框架协议项目，QB50是一项国际大科学计划，在全球呼吁50所大学加盟，每个大学贡献一颗立方星平台，由欧盟提供载荷。吴树范眼前一亮，微小卫星在国际上的发展时间还不算长，他一直希望中国能够跟得上前沿。这次机会来了，“我去问负责项目的同事，欧盟给的回答是可以。”得到许可后，他开始与浙江大学、北京大学、上海交通大学、南京航空航天大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等一批国内高校联络，最终10所高校递交意向函，7所高校通过审核。“立方星概念就是那时候被引入国内的。”
　　有此渊源，吴树范在上海微小卫星工程中心任职之后，更加不遗余力地推广立方星应用。“一般来说，从提出概念、发射入轨到传回数据，立方星的周期在1年左右，耗资也多在数百万元人民币。而且，立方星还与‘罗塞塔’探测器释放‘菲莱’登陆彗星表面共同被列入《科学》杂志评选的‘2014年全球十大科学突破’。后者是一项持续近30年，耗资几十亿欧元，由几代科学家智慧创造的奇迹。也就是说，过去正常情况下做一颗卫星的成本，可以做100多颗立方星或者微纳卫星。原来很多商业用途不敢用卫星做，最大的原因就是成本高，有了立方星，这就不是问题了。从某种程度上说，立方星已经能够与传统卫星并列存在，并掀起一场产业革命，推动了商业航天时代的来临。”他说。
　　在他的推动下，上海微小卫星工程中心决定自筹资金开展立方星研究。如何才能尽快与国际接轨？他选择了“借梯子上山”，把国外立方星上的成熟技术引进来，经过本土化创新，走到国际前沿。“我们出发晚一点，但差距还不是太大，如果一步步开山凿路，别人早不知道爬到哪儿去了。立方星保密没那么严格，我们完全可以在几个关键点‘借梯子’上前沿，这个过程中发现自身优势，再自己搭梯子，慢慢的，路就走通了。”
　　吴树范的“梯子”多借自欧洲。瑞典一家公司早在十几年前就研究了基于微机电陀螺的微推技术，但苦于没有发射机会，这项技术始终得不到验证。这可是立方星“上天”的关键载荷技术之一。与之情况类似的，还有ADS-B接收机，可以用在立方星上监测民航机的飞行信息，并传回到地面。这样一来，那些地面机载雷达信号覆盖不了的区域就有了“眼睛”。这些技术最大的特点就是先进、但暂时无法应用。吴树范瞄准这两点开始与这些技术所有者谈判，向他们采购一些单机，对于关键前沿技术则开展合作，一方免费提供，另一方助其在轨验证，一拍即合。
　　梯子借好了，吴树范开始带着新技术室的队员们“爬山”：消化吃透关键技术、写软件、搭架构、做验证......林林总总，都在周密地开展。从2014年到2015年，这支年轻的工程师团队集成了当前立方星领域的国际前沿技术与应用载荷，研制发射了3颗立方体试验卫星。其中，A星主要载荷是微小型光学相机，可用于观测南北极结冰情况；B星装有用于船舶信息采集的星载船舶自动识别系统（AIS）接收机，可以扩展航船的信息监测覆盖面，并通过多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视系统（ADS-B）接收机，监测民航机的飞行信息。以C星为例，展开接受天线后仅绕地球一轨（约94分钟），就已经采集到405架飞机发出的5.1万多条播报信息，经过一段时间的信息积累，就可以勾勒出民航飞机的航行动态图，对民航管理、航线规划、应急处置以及流量分析与优化等，都有实际的应用价值。有了B星，过去大洋中的信号盲区将“复明”，船舶不会轻易失联。而A星分辨率可以达到100米，此前国外开放数据的分辨率分别为250米和50米，A星恰好填补了中间层的空缺。同样A星将有助于开通北极航道，商船未来通过北极航道去欧洲会比经由马六甲海峡节省1/3，甚至一半的航行成本。
　　显然，每一颗立方星都有其固定的应用领域。吴树范最坚持的一点就是，立方星本来就是以应用为驱动的卫星，它无法替代大卫星，但能将单一应用做得更精准、更深入，这才是它作为商业航天催化剂的宿命。
　　2015年年底，又到了上海微小卫星工程中心做年度总结的日子。彼时，中心已经挂牌成立12年，发射了12颗小卫星，吴树范带领的新技术室占了1/4。吴树范很为之骄傲，作为一个新成立不久的团队，他也的确值得骄傲。
　　3年多过去了，这3颗星的在轨表现依然出色。尤其在民航机监测上，他们已经收集了几十万份全球飞机分布图。“以前我们想了解国外航线分布，拿不到数据，现在一目了然了。我们也会向国内有需要的单位提供这些数据。”2017年，吴树范带着这些数据去了华东航管局，再次震惊四座，这些数据足以让我国在国际航线调整上多一些话语权。而对他来说，能够通过这些工作打开国内微纳卫星研究的新局面，就足够了。
　　

做应做之事

　　一个东西会不会做，不在于技术水准，而在于是否接触过，那层窗户纸有没有被捅破。——吴树范
　　SVOM，天基多波段空间变源监视器，属于天文卫星，其主要目标是观测并描绘宇宙中能量最强的现象——伽玛射线暴的特征。SVOM卫星将搭载4台设备：1台X射线天文望远镜，1台X射线和伽玛射线相机，1台伽玛暴监视器，1台光学望远镜。伽玛暴的探测结果将立刻传回地面以供其他天文望远镜对其进行观测。
　　这颗天文卫星的开发引起了中国和法国的双重关注。2014年8月，法国空间研究中心主任让·伊夫·勒加乐与时任中国国家航天局局长许达哲在北京签署了一项关于SVOM天体物理科学任务的专项协议，明确了中法双方的责任划分并确定于2021年发射SVOM卫星。事实上，中法两国早在2006年就签订过《关于合作执行SVOM任务的谅解备忘录》，却由于种种原因搁浅近6年。2012年，当该计划想要继续往前走时，问题又来了。
　　“在SVOM开发过程中，有一个非常关键的技术指标叫做指向稳定度。”吴树范介绍说：“要观察几万光年以外的目标，还得盯着几分钟一动不动，对指向稳定度的要求是极高的。比如5分钟内抖动量要限制在几个毫角秒之下。”
　　所谓毫角秒自然是1个单位名称，简单来说，把1°划分为3600等分，这1/3600就是1个角秒，毫角秒又是角秒的千分之一，微乎其微！以我国当时的卫星发展水平来说，还实现不了这样的指向稳定度，但欧洲已经做了出来。我国与法国合作，一方面是想要推动天文卫星的发展，另一方面也是要学习欧洲在指向稳定度研究上的经验。好事多磨，正当中法双方就购买卫星平台一事达成协议，国家也大力支持立项时，说好的“买卖”黄了。那就用中国自己的卫星来做吧！面对这种困境，中方再次选择了自主，但法方显然不认为中国有对等的实力。“我们做的载荷、仪器像宝石，放到小戒指上根本不匹配。”法国专家说。
　　吴树范听到这个故事是在德国。2012年，时任上海微小卫星工程中心主任相里斌前往德国考察，联系到了身在荷兰的吴树范，吴树范专门飞往德国与相里斌会面。期间，相里斌谈到国内对指向稳定度技术的迫切需求。“我到欧洲航天局的最初目的就是吸收东西，掌握国际最前沿的技术，十几年过去也积累了一些技术和经验，但这些技术和经验要真正发挥作用，还是要回到自己的国家。”吴树范感觉到，是时候释放能量报效祖国了，尤其他还曾直接参与过欧洲航天局关于超高指向稳定度（RPE）航天标准的编写工作，在该技术上具有天然优势。这次见面之后，吴树范又对SVOM计划进行了深入接触，参加项目会，开始策划并准备相应的技术方案，尽管此时他还没有回国。
　　2012年，吴树范回上海投入到SVOM工作中。之后，他提出了在天文望远镜焦平面增设导星敏感器的技术方案，并制定了提高RPE指标的一套原理和算法。“吴（树范）博士回来，你们的卫星就能满足要求了！”方案一出，法国方面的卫星专家和项目主管就如此表态，同意接受使用中方设计的卫星平台，使得停滞5年多的国际合作项目得以重新启动，进入B阶段设计工作。该项创新技术处于国际前沿，国内领先，有很高的科学意义和工程价值。吴树范回国后的第一枪打响了。
　　“一个东西会不会做，不在于技术水准，而在于是否接触过，那层窗户纸有没有被捅破。”吴树范讲道。他认为自己只是那个“捅破窗户纸”的人，出去学习和工作的最终目的就是使自己具备能力，并且在国家需要的时候能拿得出来，他只是做了一件应该做的事情。
　　

飞出大气层

　　冥冥之中，自有天意。——吴树范
　　吴树范觉得，自己是个幸运的人。
　　1978年，他14岁，正面临中考。山东省重点中学聊城一中在“文革”后第一次试验性地面对全地区进行招生，且首次设立了两个农村班，吴树范正好赶上。当时的农村，自然不可跟现今相提并论，吴树范家庭条件不好，弟妹较多，母亲希望身为长子的他能够去考小中专，早日就业，帮扶家庭。他自己却希望能考高中、上大学。或许冥冥之中自有天意，当他以优异的成绩拿到重点高中和小中专的录取通知书时，聊城市教育局下达了一个文件，要求凡是被重点高中录取的，不再考虑小中专录取。于是，本来已经准备妥协去小中专的他，赶在聊城一中要求的最后一天去报到了。
　　机会永远只会垂青有准备的人，吴树范相信这一点。抓住来之不易的机会，他是真的打算“学好数理化，走遍天下都不怕”了。为了扎实基础，在随后的两年里，他把整套上海出版的数理化自学丛书都看完了。买不起作业本，就买一面光滑一面粗糙的草纸，拿线绳穿成本子来演算习题。1980年，高考成绩出来后，他成了冠县理工科状元。报志愿时，家境再一次成为难题。尊重母亲的意愿，他在第一志愿上填报了第二军医大学。“上军校免费，还能有津贴，可以缓解家庭困难，而且学医是非常实用的。”以他的成绩，第一志愿录取是没有问题的，但吴树范还是在第二志愿上郑重地填上了南京航空航天大学，因为航空航天领域对一个男孩子有着致命的吸引力。
　　又是一次“天意”，在参加军事院校的特别体检时，因为一只眼睛的视力差了0.1度，吴树范被第二军医大学刷了下来，落到了第二志愿上，偏偏成全了他原本想走的路。
　　第一个学期下来，吴树范的物理、数学成绩稳居全年级第一名。春节前后，国家决定派遣一批在校大一学生出国留学，南京航空航天大学有7个名额，吴树范被选中了。计划被派遣到德国学习航空航天技术。可他的热情很快就被浇灭了，由于材料送晚了，南京航空航天大学的出国名额被取消了。此后10年，吴树范在南京航空航天大学拿到了学士、硕士、博士学位，并留校任教。
　　此时，他的研究方向并非航天，而是航空。1994年，凭借“总能量原理在飞机横侧向飞行控制系统中的推广应用”，吴树范获得了德国洪堡奖学金，而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上。第二年，他踏上了前往德国布伦瑞克技术大学的飞机，在该校飞行力学研究所进行宇航控制技术研究。德国之行，姗姗来迟了14年。
　　那几年，吴树范从飞机运动过程中总能量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包含对飞行时间在内的四维飞行任务的综合优化与管理，研究结果得到总能量原理提出者、美国NASA Ames研究中心同行专家Dr H.Erzberger的好评，并主动邀请吴树范加入他在Ames研究中心的团队，后因种种原因未能成行。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。
　　为了改善飞机飞行控制系统的鲁棒性，1996年，吴树范又申请了洪堡基金会中的欧洲研究奖学金，到英国斯特拉斯克里德大学做访问研究。在国际知名教授Prof Grimble的指导下，他开始涉足定量反馈理论（QFT）在飞行控制系统中的应用，那是当时国际上十分关注的一种新颖的鲁棒控制方法。他们在国际上首次将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，取得了很好的效果。吴树范的工作也获得了英、德两国导师的高度称赞，被学术界认为引领了QFT在飞行控制系统领域创新性应用，处于国际前沿水平。这项工作，他只不过做了3个月。
　　1997年1月，吴树范回到南京航空航天大学，出任自动控制系主任。1998年4月，晋升为教授。停不下来的他再次出国了，这一次，他离开的时间有点长。
　　1998年12月，吴树范任职于荷兰代尔夫特技术大学宇航学院。通过欧洲航天局航天技术研究中心下达的课题，他成为“X-38再入大气层航天飞机”子项目的负责人和主要骨干，对载人飞船飞行器X-38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，得到欧洲航天局专家的一致好评。他接触的概念，也变成了卫星、航天飞机、载人航天等，研究对象开始飞到大气层之外，飞进了一个更加神秘的航天世界。
　　

梁园虽好终非家

　　每个人都有梦想，有对个人的梦，有对国家的梦。——吴树范
　　吴树范对航天的印象是从“东方红一号”在太空唱响“东方红，太阳升”开始的。可以说，他的成长岁月恰恰与我国航空航天事业的进程在同一条轨迹上。在很长一段时间，我国的发展都是依靠低附加值的劳动密集型产业来积累财富，资源消耗量相当大，在国际价值链上，我国的几亿双袜子才能换来国外的一架飞机。换到卫星角度，太空本无国域概念，“无论哪个国家发射的卫星，都可以在我们的头顶上盘旋”。国防军事需求牵引和驱动着卫星技术的发展，但卫星技术到底会如何发展，他还需要深入学习。荷兰1年后，他选择到英国萨瑞大学重新开始，在他眼里，萨瑞大学还有另一重身份——小卫星理念的诞生地。
　　自20世纪50年代，苏联发射第一颗人造卫星开始，世界卫星研发就在朝着“大卫星”发展。70年代的“东方红一号”还只有173公斤，到90年代的哈勃空间望远镜就成了11吨的“胖子”。“计算机在70年代还是一间房子那么大，到80年代居然说做一颗100公斤的卫星，听起来像天方夜谭。”吴树范回忆说。但不管怎样，就在80年代，萨瑞卫星科技公司的创始人Martin燬weeting大胆提出了做小卫星的想法。事实上，当他还是英国萨瑞大学讲师的时候，就已经试图做出百公斤量级的小卫星了。紧随他的脚步，一批研究者开始在大学里“折腾”起小卫星。先行者们认为，小卫星终将掀起太空经济发展浪潮。
　　吴树范是怀着一种朝圣的心情走进萨瑞大学航天中心的。在那里，他再次接到了欧洲航天局下达的项目“卫星轨道与姿态精确控制技术研究”。结合英国EPSRC的资助课题，他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。这一工作最终成为实现卫星在轨自主任务调度的核心算法，被英国萨瑞小卫星技术公司（SSTL）和英国减灾卫星中心（DMC）的卫星任务调度管理系统采用，取得了很好的应用效果和社会经济意义。“欣欣向荣”，如果那时有人问他小卫星的发展前景，吴树范一定会给出这样的回答。
　　2002年的一天，吴树范接到一个电话，问他是否有意向去欧洲航天局航天技术研发中心工作。他当然想去。“在卫星研究上，我正处在充电阶段，需要充实提高，能学习欧洲航天界几十年沉淀下来的精华，吸收他们的经验，对我来说是可遇而不可求的。”哪怕囿于华人背景，只能以合同工身份入职，吴树范也认了。刚一入职，吴树范就进入到重大工程项目“自动货运飞船与国际空间站自主交会与对接过程的制导、导航与控制技术”中，成为GNC系统组技术人员之一，随后又作为技术负责人承担起一系列课题。
　　“一下子站到欧洲航天界的顶端去观摩、学习，深入掌握核心技术”，吴树范心情激荡。2002年—2005年，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，他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和AIAA GNC大会上。2005年—2009年，针对丽萨探路者号科学飞船任务中的无拖曳姿态控制系统技术难题，他又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，达到国际领先水平。
　　从20余吨的货运飞船到导航卫星、对地观测卫星、小卫星、纳卫星等，吴树范直接参与了一系列欧洲宇航工程项目的技术研究和管理，成为宇航控制系统高级工程师，也是欧洲航天局史上唯一一名来自中国内地的长期工作人员。但“玻璃天花板”也一直悬在头上，让他一眼看得到在这里的未来，仅此而已。与之相比，中国的未来他还望不到边界，尤其21世纪以来，中国加大了航天技术和应用的投入，在卫星应用、载人航天和探月工程中取得突破性进展，跻身世界航天大国之列。“还不能说是航天强国，这是我们的发展目标。”他想要回国，与同胞们一起为建设航天强国努力，也让自身价值得到最大限度的发挥。
　　“每个人都有梦想，有对个人的梦，有对国家的梦。个人的梦和国家的梦相吻合，所以我回来了。”吴树范说。
　　

天时地利人和中的未来

　　商业卫星如果现在不做，以后就落伍了。——吴树范
　　如果说小卫星发展势不可挡是天时，选择回到大力发展航空航天战略的中国立业是地利，那么从上海微小卫星工程中心到上海交通大学，吴树范都在建设的团队，就是人和。天时、地利、人和，缺一不可。
　　研发STU-2的3颗立方星时，他所依托的是工程中心新技术室团队。作为一支新成立的团队，新技术室成员大多是刚毕业的硕士和博士，平均年龄28岁，可以说相当年轻。副主任陈雯是萨瑞大学毕业的博士，是吴树范的黄金搭档，她总是能迅速、准确地将问题落实到实处。到现在，吴树范都对她的敬业和执行力赞不绝口。立方星项目，真正操作起来，其实只有10个月，时间短、任务重，他们就以“5+2”“白+黑”的航天精神坚持下去，为了解决问题熬到两三点钟都是常事。一场磨练后，队伍得到了很大的进步。
　　“科研型人才一定要与实际应用工程相结合，同时与国际接轨。”以工程培养人才，吴树范坚持这一原则。2017年7月，到上海交通大学航空航天学院任职后，作为亚太空间合作组织专家组成员、学生小卫星项目负责人之一，他也把学生小卫星项目带进了上海交通大学，指导学生做出“能够上天的硬件产品”，也为学生们创造与国外大学和机构直接交流的机会。
　　“眼界”，吴树范一直强调这一点，认为科技人员一定要保持开阔的视角，以及对世界求知欲，才能够把握未来的发展趋势，一如他对商业航天的坚持。2015年，中国迎来了商业航天元年，未来几年，一轮关于商业航天的新热潮又将兴起。这一切都印证着他判断的正确性。
　　到上海交通大学之后，他会利用微纳卫星去研究空间科学，开展在轨空间科学试验，缩短空间科学的研究周期，同时大力发展商业卫星应用。“国家在空间科学上还有相当距离要赶上，正奋起直追。但是商业卫星目前还来得及，如果不做的话，以后也会落后。”身处上海，他深刻体会到“大众创业、万众创新”的发展氛围，也开始依托上海交通大学，多方联络融合，筹备搭建一个产学研结合的平台，专门去做小卫星的技术创新和商业化应用。科技基础自不必说，前期的铺垫工作已经做好了。他甚至已经在谈1年研发多颗卫星的新任务，预期在未来一两年内可以取得突破。
　　“我是带着商业航天的梦想回来的，现在已经在半途了。”吴树范欣慰地说。