□ 李會超

天鏈一號
——神舟與天宮的太空基站

□ 李會超

2016年11月22日，天鏈一號04星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射。作為天鏈一號家族的最新成員，天鏈一號04星的主要任務(wù)是替代已經(jīng)超期服役的天鏈一號01星，確保中繼衛(wèi)星系統(tǒng)由第一代向第二代平穩(wěn)過渡。此前，天鏈一號01、02、03星已經(jīng)在太空中組成了一個強大的天基信息傳輸系統(tǒng)，在載人航天飛行任務(wù)中立下了汗馬功勞。在天宮二號與神舟十一號載人飛行任務(wù)期間，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習(xí)近平與正在天宮二號上的航天員景海鵬、陳冬親切通話?？倳泴教靻T的誠摯問候、殷殷囑托和航天員在太空中的實時畫面，就是通過天鏈一號測控系統(tǒng)傳送的。三年前，在神舟十號與天宮一號交會對接后，航天員王亞平進行了我國歷史上第一次太空授課，在40分鐘的時間里，飛船圍繞地球轉(zhuǎn)過了半圈，而視頻信號卻能清晰、連續(xù)地傳輸?shù)降孛嫔?。觀看太空授課的中小學(xué)生還能流暢地和太空中的航天員進行交流。如果只靠地面測控站，而沒有“天鏈一號”，這種場景是不會成為現(xiàn)實的。

中繼衛(wèi)星解決實時通信難題

手機天線的收發(fā)距離并不大，而手機之所以能夠隨時隨地接入移動網(wǎng)絡(luò)，是依靠移動運營商布置的大量移動網(wǎng)絡(luò)基站。神舟、天宮等航天器在太空中飛行時，要與地面保持通信，就需要和移動通信基站功能相似的測控站來進行信號傳輸。由于無線電直線傳播的特性和地球曲率的限制，地面測控站所能覆蓋的范圍有限。據(jù)測算，如要實現(xiàn)對神舟、天宮的軌道通信全覆蓋，需要在全球建設(shè)一百多個測控站，而這幾乎是不可能的：一方面，我國領(lǐng)土范圍有限，在境外大量設(shè)站又要考慮政治因素，難度較大；另一方面，地球表面約70%的面積是海洋，當(dāng)飛船通過海洋上空時，只能通過大型測控船來進行通信，進一步增加了成本。在天鏈一號投入使用前，盡管我國在境外設(shè)立了若干測控站，也在海洋上部署了多艘“遠(yuǎn)望”號測量船，但對飛船軌道的通信覆蓋率也只能達到13%。也就是說，在飛船繞地球一圈的90分鐘時間里，航天員能和地面通話的時間只有11分鐘左右，而地面也不能實時掌握飛船的工作狀態(tài)。

天鏈一號中繼衛(wèi)星的出現(xiàn)，讓天地通信的難題迎刃而解。它是飛船和其他衛(wèi)星的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，運行在地球赤道上空36000千米的地球同步軌道，可以利用居高臨下的優(yōu)勢，對軌道高度為300多千米的神舟、天宮和其他中低軌道航天器或地面目標(biāo)進行跟蹤、測控和數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)。與地面測控站相比，天鏈一號這樣的中繼衛(wèi)星最大的優(yōu)勢在于覆蓋范圍廣。一顆天鏈一號衛(wèi)星對神舟、天宮軌道的通信覆蓋率就能達到50%，三顆天鏈一號衛(wèi)星組網(wǎng)形成系統(tǒng)后，可以實現(xiàn)整個軌道的通信全覆蓋。同時，使用中繼衛(wèi)星后，天地通信的帶寬得到極大提高。地面向飛船的上行通信帶寬由Kbps量級提高到了Mbps量級,下行通信帶寬由Mbps量級提高到了百Mbps量級。在神舟七號任務(wù)期間，天鏈一號01星進行初步測試，更高的帶寬讓地面控制人員看到了更清晰的飛船畫面，甚至能看清航天員的胡子。

天鏈中繼衛(wèi)星助力載人航天

中繼衛(wèi)星好處多多，但研發(fā)它也要克服許多技術(shù)難題。天鏈一號中繼衛(wèi)星的天線波束較窄，僅為0.15度～0.3度，在這種情況下，衛(wèi)星必須使用高精度捕獲飛船位置的技術(shù)，才能保持衛(wèi)星與飛船間的通信鏈路。為了獲得比較大的天線電尺寸（天線直徑/信號波長），天鏈衛(wèi)星使用了頻率在26GHz～40GHz的Ka波段信號。而工作在這個波段的天線，對天線尺寸的精度要求極高。直徑為幾米的天線，即便在太空極端的溫差環(huán)境下，其形面誤差也要小于0.4毫米，設(shè)計制造這樣的天線異常艱難。天鏈一號在工作時，天線處于軌跡復(fù)雜、速度變化的運動中。天線轉(zhuǎn)動部分的質(zhì)量高達150千克，如何抵消天線轉(zhuǎn)動的影響、保持衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定也是一個技術(shù)挑戰(zhàn)。

我國的航天技術(shù)人員一一攻破了這些技術(shù)難題，成功地在2008年4月25日將天鏈一號01星送入太空。在當(dāng)年9月的神舟七號任務(wù)中，天鏈一號01星進行了通信試驗，成功地完成了對神舟七號載人飛船的精確捕獲、鏈路建立、數(shù)據(jù)中繼、測控和跟蹤任務(wù)。在之后的兩年中，天鏈一號02星和天鏈一號03星成功發(fā)射，形成了中低軌航天器100%的軌道覆蓋率的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。一般來說，由三顆同步軌道衛(wèi)星組成的全球覆蓋通信網(wǎng)，一般會將衛(wèi)星均勻布置在同步軌道上，經(jīng)度上的間隔為120度。美國的TDRSS網(wǎng)絡(luò)就采用了這種方案。然而，如果天鏈一號采用這種方案，就必須在我國領(lǐng)土之外設(shè)立天鏈衛(wèi)星的控管站。為了消除境外不確定因素的影響, 擁有完全獨立自主的天基信息傳輸系統(tǒng),天鏈一號采用了另一種方案：將兩顆天鏈衛(wèi)星間的經(jīng)度距離設(shè)置為160度左右，分別布置在我國的東西兩側(cè)，在國土的東西部各設(shè)一控管站, 利用高速光纖將它們和控管中心連成系統(tǒng)。將第三顆星置于東星和西星之間，起到增強能力和部分備份的作用。

下圖左：太空授課

下圖右：手動交會對接

習(xí)近平總書記和天宮二號上的航天員實時通話

我國中繼衛(wèi)星的展望

除了為載人航天屢立新功，天鏈一號還有許多其他用途。比如，它可以為我國的地面觀測衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)中繼，當(dāng)衛(wèi)星運行在我國國土地面站不可見的軌道弧段時，高清數(shù)據(jù)也能通過天鏈衛(wèi)星實時傳回。以前，在發(fā)射同步軌道衛(wèi)星時，火箭的飛行路徑上總存在一段通信盲區(qū)，地面控制人員無法得到這個時段火箭的運行信息。天鏈一號的通信中繼使得這樣的盲區(qū)不會繼續(xù)存在于今后的發(fā)射中。未來，我國的中繼衛(wèi)星還將進一步提高自己的本領(lǐng)，進行升級換代。在下一代的中繼衛(wèi)星中，激光有望代替目前使用的微波無線電信號，成為通信的載體，從而將數(shù)據(jù)帶寬提高到1Gbps～10Gbps量級。除了能為各種航天器、飛行器提供數(shù)據(jù)中繼服務(wù)的全功能中繼衛(wèi)星外，還將針對各類用戶的特點設(shè)計功能更專一的中繼衛(wèi)星，與全功能中繼衛(wèi)星共同組成功能更豐富、效率更高的中繼網(wǎng)絡(luò)。除了進一步發(fā)展地球附近的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)外，還將發(fā)展出支持其他星球的中繼衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，如月球中繼衛(wèi)星、火星中繼衛(wèi)星等，為深空科學(xué)探測甚至載人登陸月球、火星服務(wù)。

相關(guān)鏈接

美國等其他國家的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)

在上世紀(jì)50年代～70年代，美國航宇局建立了由遍布全球的地面臺站組成的“飛船跟蹤與數(shù)據(jù)獲取網(wǎng)絡(luò)”（STADAN）、“載人空間飛行網(wǎng)絡(luò)”（MSFN）、“深空網(wǎng)絡(luò)”（DSN）等測控網(wǎng)，用于人造衛(wèi)星、載人飛船的測控與通信等任務(wù)。在阿波羅登月計劃等航天活動中，這些測控網(wǎng)發(fā)揮了重要的作用。然而，隨著航天飛機等新航天器的出現(xiàn)，這些測控網(wǎng)對軌道的覆蓋率低、傳輸帶寬低等缺點逐步暴露出來，美航宇局進而著手進行衛(wèi)星數(shù)據(jù)中繼研究，建設(shè)了“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)”（TDRSS）。此系統(tǒng)由位于地球靜止軌道的TDRS衛(wèi)星和位于地面的三個管控站組成。1983年4月4日，TDRS的首顆衛(wèi)星TDRS-1由“挑戰(zhàn)者”號航天飛機送入太空，成為了世界上第一顆數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星。此后，美國又陸續(xù)發(fā)射了TDRS-2～TDRS-7六顆衛(wèi)星，組成了第一代TDRS衛(wèi)星系統(tǒng)。目前，TDRS-1、TDRS-4已退役，TDRS-2在隨“挑戰(zhàn)者”號航天飛機發(fā)射的過程中遭遇爆炸而被毀，其余4顆衛(wèi)星均處于在軌工作狀態(tài)。2000年起，TDRS-7～TDRS-10衛(wèi)星發(fā)射，組成了帶寬更高、頻段更廣的第二代TDRS衛(wèi)星系統(tǒng)。第三代TDRS衛(wèi)星系統(tǒng)的前兩顆衛(wèi)星分別于2013年1月、2014年1月發(fā)射，后兩顆衛(wèi)星處于計劃準(zhǔn)備狀態(tài)。除了進一步的技術(shù)改進，將通信帶寬提高到Gbps量級外，第三代TDRS衛(wèi)星上還攜帶了差分GPS增強試驗裝置，能夠為其他航天器提供更高精度的定位、定時信號，幫助其他航天器自主高精度定軌。

TDRS系統(tǒng)的地面系統(tǒng)由位于新墨西哥州白沙導(dǎo)彈靶場的綜合測控站、位于西太平洋關(guān)島的遠(yuǎn)程地面終端和馬里蘭州戈達德太空飛行中心的網(wǎng)絡(luò)控制中心組成，提供7小時×24小時全天候的指揮與控制服務(wù)。另外，為了升級系統(tǒng)，一個新的地面終端將在馬里蘭州的布魯桑試驗場建成。自TDRS網(wǎng)絡(luò)建成開始，美國航宇局利用它與航天飛機、國際空間站等載人航天飛行器和“哈勃”空間望遠(yuǎn)鏡等科學(xué)衛(wèi)星通信，但大部分帶寬是專門為美國的軍事活動服務(wù)的。從1989年初開始，它就為美國國家偵查局的雷達成像偵察衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)中繼。美國空軍的X-37B軌道試驗飛行器和范登堡空軍基地發(fā)射軍事衛(wèi)星的運載火箭，都獲得了TDRS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)中繼服務(wù)。TDRS系統(tǒng)是全世界第一個實現(xiàn)全球覆蓋能力的天基數(shù)據(jù)中繼網(wǎng)絡(luò)。

TDRS-12衛(wèi)星發(fā)射前吊裝

TDRS-11衛(wèi)星

TDRS關(guān)島管控站

除了中美兩國外，其他航天大國也發(fā)展了自己的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。俄羅斯/蘇聯(lián)曾在上世紀(jì)80年代開始數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的部署，并建設(shè)了第一代和第二代Luch系統(tǒng)。因經(jīng)費不足，第二代Luch系統(tǒng)于1998年停止使用。2009年起，俄羅斯開始第三代中繼衛(wèi)星的研制，到2014年，陸續(xù)發(fā)射了Luch-5A，Luch-5B和Luch-5V衛(wèi)星，結(jié)束了其十多年沒有中繼衛(wèi)星的歷史。但俄羅斯中繼衛(wèi)星的通信帶寬僅能達到150Mbps。 歐盟于2001年發(fā)射了一顆Artemis數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星，進行數(shù)據(jù)中繼試驗。未來還將發(fā)展由兩顆衛(wèi)星組成的EDRS系統(tǒng)。日本曾經(jīng)計劃發(fā)射兩顆中繼衛(wèi)星，形成全球覆蓋能力，但目前只有一顆數(shù)據(jù)中繼試驗衛(wèi)星DRTS在軌運行?！?/p>