天鏈一號
——神舟與天宮的太空基站

□ 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星在西昌衛星發射中心發射。作為天鏈一號家族的最新成員，天鏈一號04星的主要任務是替代已經超期服役的天鏈一號01星，確保中繼衛星系統由第一代向第二代平穩過渡。此前，天鏈一號01、02、03星已經在太空中組成了一個強大的天基信息傳輸系統，在載人航天飛行任務中立下了汗馬功勞。在天宮二號與神舟十一號載人飛行任務期間，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習近平與正在天宮二號上的航天員景海鵬、陳冬親切通話。總書記對航天員的誠摯問候、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，飛船圍繞地球轉過了半圈，而視頻信號卻能清晰、連續地傳輸到地面上。觀看太空授課的中小學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實的。

中繼衛星解決實時通信難題

手機天線的收發距離并不大，而手機之所以能夠隨時隨地接入移動網絡，是依靠移動運營商布置的大量移動網絡基站。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。據測算，如要實現對神舟、天宮的軌道通信全覆蓋，需要在全球建設一百多個測控站，而這幾乎是不可能的：一方面，我國領土范圍有限，在境外大量設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，盡管我國在境外設立了若干測控站，也在海洋上部署了多艘“遠望”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。

天鏈一號中繼衛星的出現，讓天地通信的難題迎刃而解。它是飛船和其他衛星的數據中轉站，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進行跟蹤、測控和數據中轉。與地面測控站相比，天鏈一號這樣的中繼衛星最大的優勢在于覆蓋范圍廣。一顆天鏈一號衛星對神舟、天宮軌道的通信覆蓋率就能達到50%，三顆天鏈一號衛星組網形成系統后，可以實現整個軌道的通信全覆蓋。同時，使用中繼衛星后，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。

天鏈中繼衛星助力載人航天

中繼衛星好處多多，但研發它也要克服許多技術難題。天鏈一號中繼衛星的天線波束較窄，僅為0.15度～0.3度，在這種情況下，衛星必須使用高精度捕獲飛船位置的技術，才能保持衛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境下，其形面誤差也要小于0.4毫米，設計制造這樣的天線異常艱難。天鏈一號在工作時，天線處于軌跡復雜、速度變化的運動中。天線轉動部分的質量高達150千克，如何抵消天線轉動的影響、保持衛星姿態穩定也是一個技術挑戰。

我國的航天技術人員一一攻破了這些技術難題，成功地在2008年4月25日將天鏈一號01星送入太空。在當年9月的神舟七號任務中，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、數據中繼、測控和跟蹤任務。在之后的兩年中，天鏈一號02星和天鏈一號03星成功發射，形成了中低軌航天器100%的軌道覆蓋率的中繼衛星系統。一般來說，由三顆同步軌道衛星組成的全球覆蓋通信網，一般會將衛星均勻布置在同步軌道上，經度上的間隔為120度。美國的TDRSS網絡就采用了這種方案。然而，如果天鏈一號采用這種方案，就必須在我國領土之外設立天鏈衛星的控管站。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,天鏈一號采用了另一種方案：將兩顆天鏈衛星間的經度距離設置為160度左右，分別布置在我國的東西兩側，在國土的東西部各設一控管站, 利用高速光纖將它們和控管中心連成系統。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

習近平總書記和天宮二號上的航天員實時通話

我國中繼衛星的展望

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星提供數據中繼，當衛星運行在我國國土地面站不可見的軌道弧段時，高清數據也能通過天鏈衛星實時傳回。以前，在發射同步軌道衛星時，火箭的飛行路徑上總存在一段通信盲區，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不會繼續存在于今后的發射中。未來，我國的中繼衛星還將進一步提高自己的本領，進行升級換代。在下一代的中繼衛星中，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，從而將數據帶寬提高到1Gbps～10Gbps量級。除了能為各種航天器、飛行器提供數據中繼服務的全功能中繼衛星外，還將針對各類用戶的特點設計功能更專一的中繼衛星，與全功能中繼衛星共同組成功能更豐富、效率更高的中繼網絡。除了進一步發展地球附近的中繼衛星系統外，還將發展出支持其他星球的中繼衛星網絡，如月球中繼衛星、火星中繼衛星等，為深空科學探測甚至載人登陸月球、火星服務。

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美國等其他國家的中繼衛星系統

在上世紀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“飛船跟蹤與數據獲取網絡”（STADAN）、“載人空間飛行網絡”（MSFN）、“深空網絡”（DSN）等測控網，用于人造衛星、載人飛船的測控與通信等任務。在阿波羅登月計劃等航天活動中，這些測控網發揮了重要的作用。然而，隨著航天飛機等新航天器的出現，這些測控網對軌道的覆蓋率低、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星數據中繼研究，建設了“跟蹤與數據中繼衛星系統”（TDRSS）。此系統由位于地球靜止軌道的TDRS衛星和位于地面的三個管控站組成。1983年4月4日，TDRS的首顆衛星TDRS-1由“挑戰者”號航天飛機送入太空，成為了世界上第一顆數據中繼衛星。此后，美國又陸續發射了TDRS-2～TDRS-7六顆衛星，組成了第一代TDRS衛星系統。目前，TDRS-1、TDRS-4已退役，TDRS-2在隨“挑戰者”號航天飛機發射的過程中遭遇爆炸而被毀，其余4顆衛星均處于在軌工作狀態。2000年起，TDRS-7～TDRS-10衛星發射，組成了帶寬更高、頻段更廣的第二代TDRS衛星系統。第三代TDRS衛星系統的前兩顆衛星分別于2013年1月、2014年1月發射，后兩顆衛星處于計劃準備狀態。除了進一步的技術改進，將通信帶寬提高到Gbps量級外，第三代TDRS衛星上還攜帶了差分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系統的地面系統由位于新墨西哥州白沙導彈靶場的綜合測控站、位于西太平洋關島的遠程地面終端和馬里蘭州戈達德太空飛行中心的網絡控制中心組成，提供7小時×24小時全天候的指揮與控制服務。另外，為了升級系統，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網絡建成開始，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”空間望遠鏡等科學衛星通信，但大部分帶寬是專門為美國的軍事活動服務的。從1989年初開始，它就為美國國家偵查局的雷達成像偵察衛星提供數據中繼。美國空軍的X-37B軌道試驗飛行器和范登堡空軍基地發射軍事衛星的運載火箭，都獲得了TDRS網絡的數據中繼服務。TDRS系統是全世界第一個實現全球覆蓋能力的天基數據中繼網絡。

TDRS-12衛星發射前吊裝

TDRS-11衛星

TDRS關島管控站

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