天地通话一“链”牵——我国“天链”系列数据中继卫星践行新使命

范晨 陈小群（中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部）

习近平总书记同神舟十二号航天员天地通话（图源：新华网）

“我们在北京等候各位凯旋！” 2021年6月23日9时35分，中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平在北京航天飞行控制中心指控大厅，与正在天和核心舱执行任务的神舟十二号航天员聂海胜、刘伯明、汤洪波亲切通话。大屏幕上，航天员的视频画面清晰，声音清脆响亮，向习总书记敬礼。同一时刻，在距地面3.6万千米的高空，由天链一号03星、04星、天链二号01星共3颗中继卫星组成的天基中继系统实时保障着这场天地通话。能为全国人民带来如此振奋的一幕，我国一代和二代天链“中继卫星天团”功不可没。

天链一号开天路：中国开始拥有太空里的数据“中转站”

跟踪与数据中继卫星系统是为中、低轨道的航天器与航天器之间、航天器与地面站之间提供数据中继、连续跟踪与轨适测控服务的系统，简称中继卫星系统，是20世纪航天测控通信技术的重大突破。

在“天链”中继卫星投入使用前，中国一直依托一系列陆基测控站和远望系列远洋测量船支撑卫星、飞船和探测器的发射测控与在轨通信任务。然而，由于受地球曲率的影响，地面和海上测控对中低轨道航天器的轨道覆盖范围非常有限，载人飞船约90分钟绕地球一圈，多数时间无法和地面测控系统实时联系。如要实现对300千米高度的低轨道航天器进行100%的覆盖，理论上需要在地表均匀布设100多个站点，显然，这在政治外交和经费预算上是难以实现的。

2003年，航天员杨利伟搭乘神舟五号载人飞船升空，其间曾数次进行天地通话，但每次都有严格的时间窗口限制。当时天地通话带宽也很低，杨利伟只能听到地面的声音，看不到画面，地面人员看到杨利伟的画质也不是很清晰，而且时常“卡壳”。

面对地面测控网对低轨道载人飞船覆盖率受限的状况，中国一方面通过外交努力增设海外测控站，另一方面以当时最新研制的东方红三号卫星平台为基础展开我国第一代数据中继卫星的研制。中继卫星被称为“卫星的卫星”，可以充分发挥轨道高度优势，“居高临下”跟踪在中低轨运行的航天器，并将获得的数据实时回传到地面，可极大提高各类卫星的使用效益和应急能力。2008年4月25日，天链一号 01星在西昌卫星发射中心成功发射，意味着中国的中低轨航天器开始拥有天上的数据“中转站”。天链一号01星发射后，神舟七号飞船的测控覆盖率一下从18%提高到了50%，一个半小时内有将近50分钟可以观察到航天员在轨的情况。

2011年和2012年，天链一号02星、03星先后成功发射，实现了三星在轨组网工作。利用东、中、西三个区的轨位优势，实现了中、低轨道航天器全球覆盖的天基信息传输系统，中低轨道覆盖率提升到约100%，为我国神舟飞船、空间实验室、空间站提供数据中继与测控服务，支持空间交会对接任务，同时为我国中、低轨资源系列、高分系列等卫星提供数据中继服务，为航天器发射提供测控支持，使我国成为继美国之后第二个拥有全球覆盖能力中继卫星系统的国家。2016年12月，天链一号04星发射升空，接替超期服役的天链一号01星。2021年7月6日,天链一号05星成功发射进入预定轨道，我国第一代数据中继系列卫星圆满收官。

天链一号中继卫星系统实现了我国在天基测控和信息传输领域的重大突破和跨越式发展。为了避免在国外建站的政治风险，实现系统完全自主可控，项目团队经过反复论证提出大经度间距轨位布星组网的方案，实现了只在国内设站即可满足中低轨道航天器全球覆盖的能力，具有卫星数量少、控管网络简单且任务调度效率高的优点。卫星自主闭环精密捕获跟踪技术是中继卫星的关键技术，也是一个世界范围的难题。数据中继卫星不同于传统的通信卫星，它必须要解决高速运动的卫星之间的捕获与跟踪，同时由于卫星波束狭窄，对精度要求极高。研制团队不惧困难、艰苦攻关，突破并掌握了一批具有自主知识产权的核心关键技术，解决了高增益窄波束天线“捕获”用户卫星的难题，实现了高质量的星间链路通信。此外，研制团队还突破了高性能天线研制障碍，通过机、电、热一体化设计等技术，首次解决了高精度反射面、双频跟踪天线的设计与制造难题，实现了微波高速数据传输。

天链一号三星组网示意图

第一代天链卫星实现了我国在数据中继卫星领域的“从无到有”，在天地间架起一条信息“天路”。

天链二号攀险峰：服务用户更多，速率更高，寿命更长

在我国第一代数据中继卫星天链一号成功在轨组网应用的基础上，随着我国空间基础建设的快速发展以及各类空间活动的频繁开展，数据中继卫星的作用和效能愈发明显，用户对于数据中继卫星所能提供的天基测控和数据传输服务的需求与日俱增，在此情况下，开展第二代中继卫星的研制与应用势在必行。

我国在2010年启动了第二代数据中继卫星系统——天链二号的研制。天链二号01星基于东方红四号平台研制，在充分继承了第一代中继卫星的技术基础的同时，在服务目标数量、传输速率方面有较大提升，具有服务目标更多、传输速率更高、覆盖范围更广、设计寿命更长等特征。相比基于东方红三号卫星平台的天链一号卫星，天链二号的卫星设计寿命由7年提升至12年。同时，为了实现更强的数据传输能力，天链二号01星采用了更加先进的有效载荷技术，配置有多副新型天线，传输速率增加了一倍。在兼容天链一号卫星工作频率的同时，天链二号扩展了工作频率的带宽和转发器的通道数量，确保在提升服务用户目标数量的同时，可以适应不同用户目标的各类数据传输要求，大大提升了系统的数据传输速率和传输效能，对用户目标的数据传输能力和对地传输总速率可以达到Gbit/s级别，卫星服务覆盖范围也有了极大的提升，可以同时为更多用户提供不同传输速率的服务。此外，天链二号01星的自主工作能力得到提升，并增加了多目标任务调度功能，可以自动接收多目标任务，并自主排序完成。

习近平总书记曾指出：“自主创新是我们攀登世界科技高峰的必由之路”，这句话也很好地体现在天链二号的研制过程中。为了实现我国数据中继卫星“从有到更强”，达到卫星数据传输能力大幅增强、服务目标数量翻倍等目标，研制团队在国内外没有任何可以借鉴先例的情况下，勇于“啃硬骨头”，集结航天系统内外专家力量，在热控、结构、控制、电子、天线以及材料工艺等方面开展攻关，经过多年努力，完成了上百项试验验证，最终拿下了这一世界性难题。

天链二号01星在轨示意图

随着2019年3月第一颗天链二号卫星的发射，我国第二代中继卫星与第一代相互配合，共同发力，更好地发挥着数据中转站作用。

中继天团践使命：天地通话一“链”牵，信号不断网速快

目前，“天链”卫星系统在轨为各类遥感卫星提供天基信息传输与测控服务，为长征系列运载火箭提供发射测控服务，同时，我国“神舟”系列载人飞船，从神舟七号到神舟十二号，以及“天舟”系列货运飞船，均接受“天链”中继卫星系统提供的天基任务支持。

2021年5月29日，天舟二号飞船顺利入轨后，天链一号03星、04星，天链二号01星三星组网，对天和核心舱、天舟二号货运飞船提供双目标天基测控与数据中继支持。6月23日，习近平总书记与神舟十二号航天员通话，正是通过天链二号卫星与核心舱建链提供的支持。此次流畅、清晰、高质量的天地通话，是对天链“中继卫星天团”联手保障能力的一次完美检阅。

天地通话由空间站、“天链”中继卫星和地面站三方面共同完成。地面通话信息先从地面站通过星地上行链路到达“天链”中继卫星，此时，中继卫星的星间链路天线正精准跟踪着空间站。中继卫星收到地面站的通话信息后，再通过自身的星间链路天线传输给空间站，这样航天员就接收到了来自地面的通话信息。同样，航天员给地面的通话信息也依次通过空间站中继终端、“天链”中继卫星、星地下行链路等传输到地面站。“天链”中继卫星系统就像放置在距地面3.6万千米的几个“太空基站”，将空间站和地面站连接起来，建立起一条太空“天路”，空间站与地面之间的语音、视频、电子邮件数据，以及下行的科学实验数据都通过这条“天路”进行传输。本次视频通话画面更清晰、通话更顺畅，反映出“天链”中继卫星系统与空间站、地面站之间的信息传输速率更高，通信链路也更稳定了。

空间站核心舱配置了多路高清摄像机，不仅能让地面实时看到空间站状态、拍摄地球美景，还能帮助航天员通过仪表大屏幕，实现与地面间的双向高清视频通话，这就对数据传输速率提出了更高要求。“天链”卫星系统通信的一条链路的下行速率便可达到1.2G，中继卫星地面站实时接收太空数据，然后将数据传到北京航天飞行控制中心，再根据不同标识自动分发，时延仅为秒级。“天路”繁忙，但不会“拥堵”，更不会中断。

在天地通信体验上，空间站与之前的天宫空间实验室最大的不同是增加了天地互联网通信系统，空间以太网交换机组成的在轨通信网交换网络和天地网关系统，使天地间的互联网融为一体。天地互联网和高速通信之间的结合，让航天员在天上也能使用随身携带的手持摄像机和平板电脑，通过WiFi热点接入网络，享受到现代互联网生活带来的种种便利。

通过“天链”卫星的三星组网，航天员与地面之间可以进行更长时间的通话。2013年，第一代“天链”卫星完成三星组网后，首次保障习近平总书记与神舟十号航天员进行了天地通话，也使航天员王亚平的首次太空授课成为可能。本次空间站入轨之后，通过3颗中继卫星和核心舱的中继终端建链，天地测控覆盖率可达90%以上。到空间站三舱形成组合体后，结合另外两个舱中继终端视场，测控覆盖率可接近100%。

习近平总书记与神舟十号飞船航天员天地通话

神舟十号航天员王亚萍太空授课

整装再踏新征程：坚持自主创新，提升服务能力，成功报效祖国

从神舟五号通话时只能听到地面声音、看不到地面画面，到神舟九号实现天地间双向可视通话，再到天和核心舱安上WiFi，实现清晰而不间断的天地通话，透过两代“天链”卫星系统的建设可以看到，我国已经走出了一条符合国情、技术上自主创新的道路。

未来，随着“天链”中继卫星的应用范围不断扩大，其需求也将不断增加。用户类型将由天基航天器用户逐渐扩展到海、陆、空等各个领域，数据中继业务类型也将越发多样化，对传输速率、覆盖区和接入的实时性都提出更高的要求。随着天链一号05星和未来天链二号后续卫星的相继发射，将更进一步提高我国天基测控系统服务用户的能力以及可靠性与安全性，充分发挥出天基测控与数据传输的优势与效能，在中国人探索浩瀚宇宙、建设航天强国的征程中作出更大的贡献。