天链一号——神舟与天宫的太空基站

□ 李会超

天链一号
——神舟与天宫的太空基站

□ 李会超

2016年11月22日，天链一号04星在西昌卫星发射中心发射。作为天链一号家族的最新成员，天链一号04星的主要任务是替代已经超期服役的天链一号01星，确保中继卫星系统由第一代向第二代平稳过渡。此前，天链一号01、02、03星已经在太空中组成了一个强大的天基信息传输系统，在载人航天飞行任务中立下了汗马功劳。在天宫二号与神舟十一号载人飞行任务期间，中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平与正在天宫二号上的航天员景海鹏、陈冬亲切通话。总书记对航天员的诚挚问候、殷殷嘱托和航天员在太空中的实时画面，就是通过天链一号测控系统传送的。三年前，在神舟十号与天宫一号交会对接后，航天员王亚平进行了我国历史上第一次太空授课，在40分钟的时间里，飞船围绕地球转过了半圈，而视频信号却能清晰、连续地传输到地面上。观看太空授课的中小学生还能流畅地和太空中的航天员进行交流。如果只靠地面测控站，而没有“天链一号”，这种场景是不会成为现实的。

中继卫星解决实时通信难题

手机天线的收发距离并不大，而手机之所以能够随时随地接入移动网络，是依靠移动运营商布置的大量移动网络基站。神舟、天宫等航天器在太空中飞行时，要与地面保持通信，就需要和移动通信基站功能相似的测控站来进行信号传输。由于无线电直线传播的特性和地球曲率的限制，地面测控站所能覆盖的范围有限。据测算，如要实现对神舟、天宫的轨道通信全覆盖，需要在全球建设一百多个测控站，而这几乎是不可能的：一方面，我国领土范围有限，在境外大量设站又要考虑政治因素，难度较大；另一方面，地球表面约70%的面积是海洋，当飞船通过海洋上空时，只能通过大型测控船来进行通信，进一步增加了成本。在天链一号投入使用前，尽管我国在境外设立了若干测控站，也在海洋上部署了多艘“远望”号测量船，但对飞船轨道的通信覆盖率也只能达到13%。也就是说，在飞船绕地球一圈的90分钟时间里，航天员能和地面通话的时间只有11分钟左右，而地面也不能实时掌握飞船的工作状态。

天链一号中继卫星的出现，让天地通信的难题迎刃而解。它是飞船和其他卫星的数据中转站，运行在地球赤道上空36000千米的地球同步轨道，可以利用居高临下的优势，对轨道高度为300多千米的神舟、天宫和其他中低轨道航天器或地面目标进行跟踪、测控和数据中转。与地面测控站相比，天链一号这样的中继卫星最大的优势在于覆盖范围广。一颗天链一号卫星对神舟、天宫轨道的通信覆盖率就能达到50%，三颗天链一号卫星组网形成系统后，可以实现整个轨道的通信全覆盖。同时，使用中继卫星后，天地通信的带宽得到极大提高。地面向飞船的上行通信带宽由Kbps量级提高到了Mbps量级,下行通信带宽由Mbps量级提高到了百Mbps量级。在神舟七号任务期间，天链一号01星进行初步测试，更高的带宽让地面控制人员看到了更清晰的飞船画面，甚至能看清航天员的胡子。

天链中继卫星助力载人航天

中继卫星好处多多，但研发它也要克服许多技术难题。天链一号中继卫星的天线波束较窄，仅为0.15度～0.3度，在这种情况下，卫星必须使用高精度捕获飞船位置的技术，才能保持卫星与飞船间的通信链路。为了获得比较大的天线电尺寸（天线直径/信号波长），天链卫星使用了频率在26GHz～40GHz的Ka波段信号。而工作在这个波段的天线，对天线尺寸的精度要求极高。直径为几米的天线，即便在太空极端的温差环境下，其形面误差也要小于0.4毫米，设计制造这样的天线异常艰难。天链一号在工作时，天线处于轨迹复杂、速度变化的运动中。天线转动部分的质量高达150千克，如何抵消天线转动的影响、保持卫星姿态稳定也是一个技术挑战。

我国的航天技术人员一一攻破了这些技术难题，成功地在2008年4月25日将天链一号01星送入太空。在当年9月的神舟七号任务中，天链一号01星进行了通信试验，成功地完成了对神舟七号载人飞船的精确捕获、链路建立、数据中继、测控和跟踪任务。在之后的两年中，天链一号02星和天链一号03星成功发射，形成了中低轨航天器100%的轨道覆盖率的中继卫星系统。一般来说，由三颗同步轨道卫星组成的全球覆盖通信网，一般会将卫星均匀布置在同步轨道上，经度上的间隔为120度。美国的TDRSS网络就采用了这种方案。然而，如果天链一号采用这种方案，就必须在我国领土之外设立天链卫星的控管站。为了消除境外不确定因素的影响, 拥有完全独立自主的天基信息传输系统,天链一号采用了另一种方案：将两颗天链卫星间的经度距离设置为160度左右，分别布置在我国的东西两侧，在国土的东西部各设一控管站, 利用高速光纤将它们和控管中心连成系统。将第三颗星置于东星和西星之间，起到增强能力和部分备份的作用。

下图左：太空授课

下图右：手动交会对接

习近平总书记和天宫二号上的航天员实时通话

我国中继卫星的展望

除了为载人航天屡立新功，天链一号还有许多其他用途。比如，它可以为我国的地面观测卫星提供数据中继，当卫星运行在我国国土地面站不可见的轨道弧段时，高清数据也能通过天链卫星实时传回。以前，在发射同步轨道卫星时，火箭的飞行路径上总存在一段通信盲区，地面控制人员无法得到这个时段火箭的运行信息。天链一号的通信中继使得这样的盲区不会继续存在于今后的发射中。未来，我国的中继卫星还将进一步提高自己的本领，进行升级换代。在下一代的中继卫星中，激光有望代替目前使用的微波无线电信号，成为通信的载体，从而将数据带宽提高到1Gbps～10Gbps量级。除了能为各种航天器、飞行器提供数据中继服务的全功能中继卫星外，还将针对各类用户的特点设计功能更专一的中继卫星，与全功能中继卫星共同组成功能更丰富、效率更高的中继网络。除了进一步发展地球附近的中继卫星系统外，还将发展出支持其他星球的中继卫星网络，如月球中继卫星、火星中继卫星等，为深空科学探测甚至载人登陆月球、火星服务。

相关链接

美国等其他国家的中继卫星系统

在上世纪50年代～70年代，美国航宇局建立了由遍布全球的地面台站组成的“飞船跟踪与数据获取网络”（STADAN）、“载人空间飞行网络”（MSFN）、“深空网络”（DSN）等测控网，用于人造卫星、载人飞船的测控与通信等任务。在阿波罗登月计划等航天活动中，这些测控网发挥了重要的作用。然而，随着航天飞机等新航天器的出现，这些测控网对轨道的覆盖率低、传输带宽低等缺点逐步暴露出来，美航宇局进而着手进行卫星数据中继研究，建设了“跟踪与数据中继卫星系统”（TDRSS）。此系统由位于地球静止轨道的TDRS卫星和位于地面的三个管控站组成。1983年4月4日，TDRS的首颗卫星TDRS-1由“挑战者”号航天飞机送入太空，成为了世界上第一颗数据中继卫星。此后，美国又陆续发射了TDRS-2～TDRS-7六颗卫星，组成了第一代TDRS卫星系统。目前，TDRS-1、TDRS-4已退役，TDRS-2在随“挑战者”号航天飞机发射的过程中遭遇爆炸而被毁，其余4颗卫星均处于在轨工作状态。2000年起，TDRS-7～TDRS-10卫星发射，组成了带宽更高、频段更广的第二代TDRS卫星系统。第三代TDRS卫星系统的前两颗卫星分别于2013年1月、2014年1月发射，后两颗卫星处于计划准备状态。除了进一步的技术改进，将通信带宽提高到Gbps量级外，第三代TDRS卫星上还携带了差分GPS增强试验装置，能够为其他航天器提供更高精度的定位、定时信号，帮助其他航天器自主高精度定轨。

TDRS系统的地面系统由位于新墨西哥州白沙导弹靶场的综合测控站、位于西太平洋关岛的远程地面终端和马里兰州戈达德太空飞行中心的网络控制中心组成，提供7小时×24小时全天候的指挥与控制服务。另外，为了升级系统，一个新的地面终端将在马里兰州的布鲁桑试验场建成。自TDRS网络建成开始，美国航宇局利用它与航天飞机、国际空间站等载人航天飞行器和“哈勃”空间望远镜等科学卫星通信，但大部分带宽是专门为美国的军事活动服务的。从1989年初开始，它就为美国国家侦查局的雷达成像侦察卫星提供数据中继。美国空军的X-37B轨道试验飞行器和范登堡空军基地发射军事卫星的运载火箭，都获得了TDRS网络的数据中继服务。TDRS系统是全世界第一个实现全球覆盖能力的天基数据中继网络。

TDRS-12卫星发射前吊装

TDRS-11卫星

TDRS关岛管控站

除了中美两国外，其他航天大国也发展了自己的中继卫星系统。俄罗斯/苏联曾在上世纪80年代开始数据中继卫星的部署，并建设了第一代和第二代Luch系统。因经费不足，第二代Luch系统于1998年停止使用。2009年起，俄罗斯开始第三代中继卫星的研制，到2014年，陆续发射了Luch-5A，Luch-5B和Luch-5V卫星，结束了其十多年没有中继卫星的历史。但俄罗斯中继卫星的通信带宽仅能达到150Mbps。 欧盟于2001年发射了一颗Artemis数据中继卫星，进行数据中继试验。未来还将发展由两颗卫星组成的EDRS系统。日本曾经计划发射两颗中继卫星，形成全球覆盖能力，但目前只有一颗数据中继试验卫星DRTS在轨运行。★