“天鏈”讓中國步入天基測控時代

□ 本刊特約記者 索阿娣 攝影 劉建安 南勇

衛星，對于生活在現代社會的人們來說，早已不是一個陌生的詞匯。氣象衛星、通信衛星、導航衛星、資源衛星、環境衛星……各種各樣的應用衛星，呈現出“亂花漸欲迷人眼”的態勢。

然而，一種有著天上數據“中轉站”功能的衛星，還不怎么為公眾所熟知。它就是中繼衛星，被譽為“衛星的衛星”。

今年7月11日發射升空的天鏈一號02星，就是一顆中繼衛星。它和2008年4月25日升空的天鏈一號01星都是我國天基測控系統的重要組成部分，將逐漸使我國從地基測控時代轉入天基測控時代。這兩顆星的組網運行，也標志著我國成為繼美、俄后第三個擁有中繼衛星系統的國家。

火箭試驗隊員進行測試

中低軌航天器的“效能倍增器”

中繼衛星是一個數據中轉站，相當于把地面測控站搬到了地球靜止軌道。與地基測控相比，天基測控的最大優勢就是覆蓋率高。

“看，這是航天員的胡子！”2008年胡楊泛金的季節，在神舟七號載人飛船進入太空后，北京飛行控制中心對天鏈一號01星進行了測試，發現“從上面傳下來的飛船畫面質量大大超過了地面測控站所提供的畫面質量”。

高質量的語音和畫面信號，凸顯了中繼衛星的應用價值。這讓科研人員們興奮不已，更讓用戶方感到十分滿意，很快便將天鏈一號02星、03星的研制工作提上日程。

簡單地說，中繼衛星是一種負責跟蹤、測量和控制其他衛星，并在這些衛星和地面之間轉發數據的專用衛星。它通常運行在距離赤道36000千米的地球同步軌道，利用其高高在上的優勢，對中低軌道航天器或地面目標進行跟蹤、測控和數據中轉。

火箭助推器吊裝

“它是一個數據中轉站，相當于把地面測控站搬到了地球靜止軌道。”天鏈一號工程總師白拜爾說，“與地基測控相比，天基測控的最大優勢就是覆蓋率高，其次還有實時性、經濟性等諸多優點。”

長期以來，地面與航天器之間的聯系是通過地基測控實現的，也就是利用地面測控設備（陸基站、測量船和測量飛機），對航天器發射和在軌運行進行測控與通信支持。由于電磁波直線傳播特征和地球曲率的限制，一個地面站只能測控一定范圍的航天器。

從理論上講，只要建立足夠多的地面站，就能夠實現對航天器100%的覆蓋率。由于地球表面70%以上是海洋，必須建設海上測量船，但造價和維護費用十分昂貴，且多測控站同時工作也會降低通信的實時性。

事實上，地面測控站的覆蓋率總是十分有限。以美國為例，其覆蓋率最高的載人航天網，耗資達6億美元。在執行阿波羅任務時，其20多個地面站在最有利的條件下也只能覆蓋30%以下的地球軌道。

“而在天基測控中，單顆中繼衛星對低軌航天器的覆蓋率不低于50%，兩顆中繼衛星就能基本覆蓋75%的中低軌道，三顆中繼衛星組網則可實現對中低軌道航天器的連續跟蹤和數據通信，是中低軌道航天器的效能倍增器。”白拜爾解釋說。

1963年，世界上有人提出利用地球同步衛星轉發功能進行測控的新概念。經過多年研制和試驗，1983年4月4日，美國發射了世界上第一顆跟蹤與數據中繼衛星，開創了天基測控新時代。

從那以后，美國已成功發射兩代共9顆軌道跟蹤與數據中繼衛星，目前仍有8顆在軌組網運行，且簽訂了第三代中繼衛星研制合同。美國是世界上唯一擁有具備全球覆蓋能力的中繼衛星系統的國家。

俄羅斯雖然建立了自己的中繼衛星系統，但未形成全球覆蓋能力。歐洲和日本各發射了一顆試驗中繼衛星。這兩顆中繼衛星均獲得了在軌成功運行的經驗，但只是單星工作，未形成組網系統。

天鏈一號02星的發射，并與01星組網運行，將使我國成為世界上第三個擁有中繼衛星系統的國家。

引領中國進入天基測控時代

中繼衛星可為衛星、飛船等航天器提供數據中繼和測控服務，增強航天員安全和任務成功的保障系數，同時也可極大提高各類衛星使用效益和應急能力。

近些年來，中國航天事業發展速度之快引得世界矚目。中國已經成為一個名副其實的“航天大國”。今年下半年，我國還將開展首次空間交會對接試驗，為未來的空間站建設作準備。

作為我國航天科技工業的主導力量，中國航天科技集團公司現已進入了火箭高密度發射、衛星多任務并舉和載人航天全面攻堅的發展階段。

中國空間技術研究院通信衛星事業部部長周志成（右）與衛星總師王家勝

衛星試驗隊員在仔細工作

如何為衛星、飛船等航天器提供數據傳輸和測控服務，增強航天員安全和任務成功的保障系數，同時極大提高各類衛星使用效益和應急能力，使資源、環境等衛星觀測數據實時下傳，為應對重大自然災害等贏得更多預警時間，成為了擺在中國航天事業面前的一個重要課題。

“我國的陸海測控網軌道覆蓋率僅為12%左右，無法滿足載人航天越來越高的要求。此種形勢下，發展自己的具有高覆蓋率的天基測控系統顯得刻不容緩。”中繼衛星控制管理中心有關負責人表示。

在我國從上世紀90年代中后期，我國就開展了對中繼衛星的重大科研工作，并取得了可喜的成績。2008年，天鏈一號01星曾使神舟七號飛船的測控覆蓋率大幅提高到50%左右，其優異的性能受到了國際社會的高度關注。美聯社、路透社等機構在第一時間進行報道。

2011年，是中國航天發展非常重要的一年。這一年，我國將執行技術難度和風險性極高的空間交會對接任務，而中繼衛星系統是實現空間交會對接的重要技術手段。

因為測控系統在執行交會對接任務時，測控系統將持續20多個小時，只有中繼衛星才能保證對航天器的連續監視、通訊，并將實況實時送回測控中心，提高任務安排的安全性和靈活性。

有數據顯示，美國的一顆中繼衛星支持16次航天飛機飛行任務的利用率達97.4%。特別是1983年11月執行第9次航天飛機飛行時，航天員第一次享受到與地面幾乎不中斷的通信。在執行任務的10天中，通過天地通信鏈路獲得的數據比美國以往39次載人飛行的總和還要多。

也正是中繼衛星系統能夠從根本上解決飛船和地面的實時聯系問題，被稱為“革命性的新途徑”。

天鏈一號衛星總指揮兼總設計師王家勝曾撰文指出，中繼衛星最大的技術難點就是在兩個高速的運動目標之間，建立穩定的鏈路；在高動態的情況下，能實時傳輸大容量數據。但事實證明，天鏈一號衛星研制團隊攻克了這一技術難點。

“雖然我國的中繼衛星起步比較晚，但可以說，我們的水平處在世界前列，且還在穩步發展中。”天鏈一號衛星副總設計師范子強自信地說，“我們的目標是組網運行，提高服務能力，擴大服務范圍，形成穩定運行的業務中繼衛星系統。”

作為“中、低軌航天器效能倍增器”和“天基信息傳輸系統的關鍵成員”，中繼衛星在我國國民經濟中發揮著越來越明顯的作用。它的廣闊前景，表明了這一衛星領域的強大生命力。它必然會引領中國進入天基測控時代。