天鏈一號(hào)：讓天際不再遙遠(yuǎn)

尹懷勤

2016年11月22日，中國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心使用長(zhǎng)征三號(hào)丙運(yùn)載火箭，成功地將天鏈一號(hào)04星送入太空。該星是中國(guó)第四顆地球靜止軌道數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星，與天鏈一號(hào)01星、02星、03星組網(wǎng)運(yùn)行，強(qiáng)化天地通信系統(tǒng)功能，為中國(guó)神舟號(hào)載人飛船、天舟號(hào)貨運(yùn)飛船、空間實(shí)驗(yàn)室、空間站提供數(shù)據(jù)中繼與測(cè)控服務(wù)，讓中國(guó)航天器在天上有了數(shù)據(jù)“中轉(zhuǎn)站”。

中繼衛(wèi)星—

“衛(wèi)星的衛(wèi)星”

中繼衛(wèi)星的全名是跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星。運(yùn)行在地球靜止軌道上的單星具有三大功能：首先，它可以跟蹤、測(cè)定中低軌道衛(wèi)星，從而取代一部分地面測(cè)控站和遠(yuǎn)望號(hào)測(cè)量船;其次，它為對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)遙感、遙測(cè)數(shù)據(jù);再次，它承擔(dān)通信和數(shù)據(jù)傳輸中繼業(yè)務(wù)，使載人航天器在全部飛行的60%時(shí)間內(nèi)保持與地面聯(lián)系。

?天鏈一號(hào)三星組網(wǎng)運(yùn)行示意圖

當(dāng)三顆中繼衛(wèi)星在地球靜止軌道上組網(wǎng)后，能使中國(guó)載人航天器在全部飛行的100%時(shí)間內(nèi)與地面保持聯(lián)系，使中國(guó)近地軌道衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全軌道、不間斷的天地通信，還可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星之間的組網(wǎng)通信。

原有的天鏈一號(hào)三兄弟

在中國(guó)載人航天工程啟動(dòng)后，面對(duì)地面測(cè)控網(wǎng)對(duì)低軌道載人飛船覆蓋率極低的形勢(shì)，中國(guó)空間技術(shù)研究院負(fù)責(zé)開(kāi)展了數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的研制工作，最后誕生了天鏈一號(hào)系列中繼衛(wèi)星。

天鏈一號(hào)01星

2008年9月25-28日，天鏈一號(hào)01星在神舟七號(hào)飛船載人飛行任務(wù)中，轉(zhuǎn)發(fā)了翟志剛成功出艙進(jìn)行太空行走活動(dòng)的情況，建立了中國(guó)中繼衛(wèi)星與飛船、地面間的通信鏈路。

天鏈一號(hào)01星+02星

天鏈一號(hào)01星和02星應(yīng)用于中國(guó)2011年11月實(shí)施的首次空間交會(huì)對(duì)接任務(wù)，即神舟八號(hào)與天宮一號(hào)進(jìn)行的兩次無(wú)人空間交會(huì)對(duì)接。2012年6月，兩星在天宮一號(hào)與神舟九號(hào)交會(huì)對(duì)接時(shí)，以及三名航天員進(jìn)入目標(biāo)飛行器實(shí)驗(yàn)艙完成任務(wù)的過(guò)程中，又發(fā)揮了重要作用。

天鏈一號(hào)01星+02星+03星

?中國(guó)國(guó)內(nèi)有10個(gè)地面測(cè)控站

天鏈一號(hào)三星就位組網(wǎng)運(yùn)行后，可以實(shí)現(xiàn)天宮目標(biāo)飛行器和神舟載人飛船對(duì)接組合體的無(wú)縫隙中繼通信。例如：2013年6月天宮一號(hào)與神舟十號(hào)的交會(huì)對(duì)接后，三名航天員進(jìn)入目標(biāo)飛行器實(shí)驗(yàn)艙，女航天員王亞平首次開(kāi)展了中國(guó)人在太空的授課活動(dòng)，顯示了天地通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿黠@優(yōu)勢(shì)。

2016年10月中旬至11月中旬，景海鵬和陳冬兩名航天員在天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室中期駐留的30天內(nèi)，可以收發(fā)郵件、收看《新聞聯(lián)播》、傳回用攝像機(jī)拍下的伴隨衛(wèi)星照片、自由自在地進(jìn)行天地視頻通話等。他們乘坐神舟十一號(hào)飛船安全往返，順利完成預(yù)定的各項(xiàng)任務(wù)。這一切的實(shí)現(xiàn)，均依賴于天鏈一號(hào)三顆衛(wèi)星組成的中繼系統(tǒng)和地面測(cè)控設(shè)備的密切配合。

中國(guó)是第三個(gè)擁有中繼

衛(wèi)星系統(tǒng)的國(guó)家

架起天地溝通的橋梁

以往各類軍民兩用的通信、導(dǎo)航、氣象、偵察、監(jiān)視和預(yù)警等衛(wèi)星的地面航天控制中心，要通過(guò)一系列地面站和專用通信網(wǎng)進(jìn)行跟蹤、測(cè)控和數(shù)據(jù)傳輸。中繼衛(wèi)星可以擺脫對(duì)絕大多數(shù)地面站的依賴，自成獨(dú)立的專用系統(tǒng)，更有效地為衛(wèi)星等軍民兩用的航天器服務(wù)，更及時(shí)地進(jìn)行載人航天器與地面的通信和數(shù)據(jù)傳輸。

天鏈一號(hào)01星、02星、03星的組網(wǎng)運(yùn)行，使中國(guó)成為世界上繼美國(guó)、俄羅斯之后第三個(gè)擁有對(duì)中、低軌道航天器具備100%覆蓋能力的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的國(guó)家。它為載人航天器與地面之間的通信提供了穩(wěn)定的天地鏈路，架起了無(wú)形的天地溝通橋梁，能使載人飛船和目標(biāo)飛行器在全部飛行時(shí)間內(nèi)保持與地面的聯(lián)系，可承擔(dān)傳輸電話、電視和數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)。

大幅減少地面站、測(cè)量船的數(shù)量

在沒(méi)有中繼衛(wèi)星之前，中、低軌道航天器的測(cè)控和數(shù)據(jù)傳輸主要依靠地面接收設(shè)備，也就是人們通常所說(shuō)的地面站。由于中、低軌道航天器是在200～2000千米的軌道上運(yùn)行，受地球曲率和無(wú)線通信直線傳播的影響，只有占其軌道周期2%～3%的時(shí)間能夠與一個(gè)固定地面站建立穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，因而需要建設(shè)分布廣泛的地面測(cè)控站和安排一定數(shù)量的測(cè)控船。中國(guó)雖然有10個(gè)國(guó)內(nèi)地面測(cè)控站、3個(gè)海外站、3艘遠(yuǎn)望號(hào)測(cè)量船，但這些測(cè)控站總共僅能覆蓋飛船運(yùn)行軌道的15%，難以滿足載人航天進(jìn)一步發(fā)展的任務(wù)需求。

對(duì)于在太空飛行的搭載著航天員的載人航天器來(lái)說(shuō)，地面希望每時(shí)每刻都能與其保持聯(lián)系。可是，同一個(gè)地面站能夠與航天器保持連通的時(shí)間是極其有限的，如果錯(cuò)過(guò)了對(duì)話時(shí)機(jī)，想要再次聯(lián)系，就要等它再環(huán)繞地球一圈。為了贏得更多與航天員對(duì)話的時(shí)間，就需要盡可能多地在地面設(shè)置測(cè)控站和遠(yuǎn)洋測(cè)量船。比如，對(duì)于軌道高度高于300千米的航天器，需要在地球上配設(shè)100多個(gè)地面站，才能實(shí)現(xiàn)每時(shí)每刻的天地連通。鑒于地理環(huán)境和政治因素，這根本不可能實(shí)現(xiàn)。

有了在地球靜止軌道上由三星組成的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，就可以解決這一難題，大幅減少地面站、測(cè)量船的數(shù)量，對(duì)載人航天器和地面觀測(cè)站實(shí)現(xiàn)全覆蓋。

天鏈一號(hào)04星橫空出世

身兼重任的備份星

2012年，天鏈一號(hào)三星組網(wǎng)運(yùn)行后，提供了優(yōu)質(zhì)而穩(wěn)定的數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，取得了引人注目的多項(xiàng)成果。2014年中期，天鏈一號(hào)01星已到使用期限;2016年年末，它已經(jīng)超期服役兩年多。為了保障天基通信的平穩(wěn)運(yùn)行和繼續(xù)提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)，需要研制一顆新的中繼衛(wèi)星作為系統(tǒng)備份，這就是天鏈一號(hào)04星問(wèn)世的理由。

天鏈一號(hào)04星的成功發(fā)射，大大提升了中國(guó)天基測(cè)控系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，意味著中國(guó)天基測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)一步走向成熟和完備。這樣一來(lái)，即使是01星停止工作，仍然可以保證至少三顆天鏈一號(hào)衛(wèi)星在地球靜止軌道上繼續(xù)運(yùn)行，使數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)始終處于天地溝通的正常狀態(tài)。

助力天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船

天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船于2017年4月20日，成功從海南文昌發(fā)射中心用長(zhǎng)征七號(hào)火箭發(fā)射升空。天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船的有效質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)神舟號(hào)載人飛船，它和天宮二號(hào)目標(biāo)飛行器的交會(huì)對(duì)接，基本上是兩個(gè)質(zhì)量接近的載荷的對(duì)接，危險(xiǎn)級(jí)別有所提高。在沒(méi)有航天員監(jiān)控的情況下，這就對(duì)天基中繼通信系統(tǒng)提出了更高要求，因此要在2016年11月前后發(fā)射天鏈一號(hào)04星，對(duì)其予以支持，實(shí)現(xiàn)上述兩個(gè)無(wú)人航天器在393千米的近地軌道上的交會(huì)對(duì)接。

天鏈一號(hào)04星的發(fā)射成功，使中國(guó)的天鏈一號(hào)數(shù)據(jù)中繼系列翻開(kāi)了嶄新的一頁(yè)。目前，中國(guó)在太空中不僅有中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，還有以微小衛(wèi)星星座組成的中繼星座來(lái)彌補(bǔ)大平臺(tái)的不足。中國(guó)的中繼通信衛(wèi)星已成為天際間永不消逝的星辰，承擔(dān)了大量天地通信保障工作，給未來(lái)建設(shè)長(zhǎng)期有人照料的空間站并保障其正常運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。天地通信可以在第一時(shí)間探測(cè)到在軌航天器發(fā)生的意外狀況，及時(shí)實(shí)施搶救，這對(duì)以秒為單位計(jì)算的太空救援而言至關(guān)重要，它將使天際不再遙遠(yuǎn)。

隨著中國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展，中繼衛(wèi)星系統(tǒng)將得到更廣泛的應(yīng)用。一直堅(jiān)守崗位、執(zhí)行任務(wù)而又默默無(wú)聞的天鏈一號(hào)中繼衛(wèi)星家族，正逐漸被人們所認(rèn)識(shí)并予以稱贊，相信它在中國(guó)航天事業(yè)今后的發(fā)展中一定會(huì)不斷鑄就新的輝煌！