天地通話一“鏈”牽
——我國“天鏈”系列數據中繼衛星踐行新使命

范晨 陳小群（中國空間技術研究院通信與導航衛星總體部）

習近平總書記同神舟十二號航天員天地通話（圖源：新華網）

“我們在北京等候各位凱旋！” 2021年6月23日9時35分，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習近平在北京航天飛行控制中心指控大廳，與正在天和核心艙執行任務的神舟十二號航天員聶海勝、劉伯明、湯洪波親切通話。大屏幕上，航天員的視頻畫面清晰，聲音清脆響亮，向習總書記敬禮。同一時刻，在距地面3.6萬千米的高空，由天鏈一號03星、04星、天鏈二號01星共3顆中繼衛星組成的天基中繼系統實時保障著這場天地通話。能為全國人民帶來如此振奮的一幕，我國一代和二代天鏈“中繼衛星天團”功不可沒。

天鏈一號開天路：中國開始擁有太空里的數據“中轉站”

跟蹤與數據中繼衛星系統是為中、低軌道的航天器與航天器之間、航天器與地面站之間提供數據中繼、連續跟蹤與軌適測控服務的系統，簡稱中繼衛星系統，是20世紀航天測控通信技術的重大突破。

在“天鏈”中繼衛星投入使用前，中國一直依托一系列陸基測控站和遠望系列遠洋測量船支撐衛星、飛船和探測器的發射測控與在軌通信任務。然而，由于受地球曲率的影響，地面和海上測控對中低軌道航天器的軌道覆蓋范圍非常有限，載人飛船約90分鐘繞地球一圈，多數時間無法和地面測控系統實時聯系。如要實現對300千米高度的低軌道航天器進行100%的覆蓋，理論上需要在地表均勻布設100多個站點，顯然，這在政治外交和經費預算上是難以實現的。

2003年，航天員楊利偉搭乘神舟五號載人飛船升空，其間曾數次進行天地通話，但每次都有嚴格的時間窗口限制。當時天地通話帶寬也很低，楊利偉只能聽到地面的聲音，看不到畫面，地面人員看到楊利偉的畫質也不是很清晰，而且時常“卡殼”。

面對地面測控網對低軌道載人飛船覆蓋率受限的狀況，中國一方面通過外交努力增設海外測控站，另一方面以當時最新研制的東方紅三號衛星平臺為基礎展開我國第一代數據中繼衛星的研制。中繼衛星被稱為“衛星的衛星”，可以充分發揮軌道高度優勢，“居高臨下”跟蹤在中低軌運行的航天器，并將獲得的數據實時回傳到地面，可極大提高各類衛星的使用效益和應急能力。2008年4月25日，天鏈一號 01星在西昌衛星發射中心成功發射，意味著中國的中低軌航天器開始擁有天上的數據“中轉站”。天鏈一號01星發射后，神舟七號飛船的測控覆蓋率一下從18%提高到了50%，一個半小時內有將近50分鐘可以觀察到航天員在軌的情況。

2011年和2012年，天鏈一號02星、03星先后成功發射，實現了三星在軌組網工作。利用東、中、西三個區的軌位優勢，實現了中、低軌道航天器全球覆蓋的天基信息傳輸系統，中低軌道覆蓋率提升到約100%，為我國神舟飛船、空間實驗室、空間站提供數據中繼與測控服務，支持空間交會對接任務，同時為我國中、低軌資源系列、高分系列等衛星提供數據中繼服務，為航天器發射提供測控支持，使我國成為繼美國之后第二個擁有全球覆蓋能力中繼衛星系統的國家。2016年12月，天鏈一號04星發射升空，接替超期服役的天鏈一號01星。2021年7月6日,天鏈一號05星成功發射進入預定軌道，我國第一代數據中繼系列衛星圓滿收官。

天鏈一號中繼衛星系統實現了我國在天基測控和信息傳輸領域的重大突破和跨越式發展。為了避免在國外建站的政治風險，實現系統完全自主可控，項目團隊經過反復論證提出大經度間距軌位布星組網的方案，實現了只在國內設站即可滿足中低軌道航天器全球覆蓋的能力，具有衛星數量少、控管網絡簡單且任務調度效率高的優點。衛星自主閉環精密捕獲跟蹤技術是中繼衛星的關鍵技術，也是一個世界范圍的難題。數據中繼衛星不同于傳統的通信衛星，它必須要解決高速運動的衛星之間的捕獲與跟蹤，同時由于衛星波束狹窄，對精度要求極高。研制團隊不懼困難、艱苦攻關，突破并掌握了一批具有自主知識產權的核心關鍵技術，解決了高增益窄波束天線“捕獲”用戶衛星的難題，實現了高質量的星間鏈路通信。此外，研制團隊還突破了高性能天線研制障礙，通過機、電、熱一體化設計等技術，首次解決了高精度反射面、雙頻跟蹤天線的設計與制造難題，實現了微波高速數據傳輸。

天鏈一號三星組網示意圖

第一代天鏈衛星實現了我國在數據中繼衛星領域的“從無到有”，在天地間架起一條信息“天路”。

天鏈二號攀險峰：服務用戶更多，速率更高，壽命更長

在我國第一代數據中繼衛星天鏈一號成功在軌組網應用的基礎上，隨著我國空間基礎建設的快速發展以及各類空間活動的頻繁開展，數據中繼衛星的作用和效能愈發明顯，用戶對于數據中繼衛星所能提供的天基測控和數據傳輸服務的需求與日俱增，在此情況下，開展第二代中繼衛星的研制與應用勢在必行。

我國在2010年啟動了第二代數據中繼衛星系統——天鏈二號的研制。天鏈二號01星基于東方紅四號平臺研制，在充分繼承了第一代中繼衛星的技術基礎的同時，在服務目標數量、傳輸速率方面有較大提升，具有服務目標更多、傳輸速率更高、覆蓋范圍更廣、設計壽命更長等特征。相比基于東方紅三號衛星平臺的天鏈一號衛星，天鏈二號的衛星設計壽命由7年提升至12年。同時，為了實現更強的數據傳輸能力，天鏈二號01星采用了更加先進的有效載荷技術，配置有多副新型天線，傳輸速率增加了一倍。在兼容天鏈一號衛星工作頻率的同時，天鏈二號擴展了工作頻率的帶寬和轉發器的通道數量，確保在提升服務用戶目標數量的同時，可以適應不同用戶目標的各類數據傳輸要求，大大提升了系統的數據傳輸速率和傳輸效能，對用戶目標的數據傳輸能力和對地傳輸總速率可以達到Gbit/s級別，衛星服務覆蓋范圍也有了極大的提升，可以同時為更多用戶提供不同傳輸速率的服務。此外，天鏈二號01星的自主工作能力得到提升，并增加了多目標任務調度功能，可以自動接收多目標任務，并自主排序完成。

習近平總書記曾指出：“自主創新是我們攀登世界科技高峰的必由之路”，這句話也很好地體現在天鏈二號的研制過程中。為了實現我國數據中繼衛星“從有到更強”，達到衛星數據傳輸能力大幅增強、服務目標數量翻倍等目標，研制團隊在國內外沒有任何可以借鑒先例的情況下，勇于“啃硬骨頭”，集結航天系統內外專家力量，在熱控、結構、控制、電子、天線以及材料工藝等方面開展攻關，經過多年努力，完成了上百項試驗驗證，最終拿下了這一世界性難題。

天鏈二號01星在軌示意圖

隨著2019年3月第一顆天鏈二號衛星的發射，我國第二代中繼衛星與第一代相互配合，共同發力，更好地發揮著數據中轉站作用。

中繼天團踐使命：天地通話一“鏈”牽，信號不斷網速快

目前，“天鏈”衛星系統在軌為各類遙感衛星提供天基信息傳輸與測控服務，為長征系列運載火箭提供發射測控服務，同時，我國“神舟”系列載人飛船，從神舟七號到神舟十二號，以及“天舟”系列貨運飛船，均接受“天鏈”中繼衛星系統提供的天基任務支持。

2021年5月29日，天舟二號飛船順利入軌后，天鏈一號03星、04星，天鏈二號01星三星組網，對天和核心艙、天舟二號貨運飛船提供雙目標天基測控與數據中繼支持。6月23日，習近平總書記與神舟十二號航天員通話，正是通過天鏈二號衛星與核心艙建鏈提供的支持。此次流暢、清晰、高質量的天地通話，是對天鏈“中繼衛星天團”聯手保障能力的一次完美檢閱。

天地通話由空間站、“天鏈”中繼衛星和地面站三方面共同完成。地面通話信息先從地面站通過星地上行鏈路到達“天鏈”中繼衛星，此時，中繼衛星的星間鏈路天線正精準跟蹤著空間站。中繼衛星收到地面站的通話信息后，再通過自身的星間鏈路天線傳輸給空間站，這樣航天員就接收到了來自地面的通話信息。同樣，航天員給地面的通話信息也依次通過空間站中繼終端、“天鏈”中繼衛星、星地下行鏈路等傳輸到地面站。“天鏈”中繼衛星系統就像放置在距地面3.6萬千米的幾個“太空基站”，將空間站和地面站連接起來，建立起一條太空“天路”，空間站與地面之間的語音、視頻、電子郵件數據，以及下行的科學實驗數據都通過這條“天路”進行傳輸。本次視頻通話畫面更清晰、通話更順暢，反映出“天鏈”中繼衛星系統與空間站、地面站之間的信息傳輸速率更高，通信鏈路也更穩定了。

空間站核心艙配置了多路高清攝像機，不僅能讓地面實時看到空間站狀態、拍攝地球美景，還能幫助航天員通過儀表大屏幕，實現與地面間的雙向高清視頻通話，這就對數據傳輸速率提出了更高要求。“天鏈”衛星系統通信的一條鏈路的下行速率便可達到1.2G，中繼衛星地面站實時接收太空數據，然后將數據傳到北京航天飛行控制中心，再根據不同標識自動分發，時延僅為秒級。“天路”繁忙，但不會“擁堵”，更不會中斷。

在天地通信體驗上，空間站與之前的天宮空間實驗室最大的不同是增加了天地互聯網通信系統，空間以太網交換機組成的在軌通信網交換網絡和天地網關系統，使天地間的互聯網融為一體。天地互聯網和高速通信之間的結合，讓航天員在天上也能使用隨身攜帶的手持攝像機和平板電腦，通過WiFi熱點接入網絡，享受到現代互聯網生活帶來的種種便利。

通過“天鏈”衛星的三星組網，航天員與地面之間可以進行更長時間的通話。2013年，第一代“天鏈”衛星完成三星組網后，首次保障習近平總書記與神舟十號航天員進行了天地通話，也使航天員王亞平的首次太空授課成為可能。本次空間站入軌之后，通過3顆中繼衛星和核心艙的中繼終端建鏈，天地測控覆蓋率可達90%以上。到空間站三艙形成組合體后，結合另外兩個艙中繼終端視場，測控覆蓋率可接近100%。

習近平總書記與神舟十號飛船航天員天地通話

神舟十號航天員王亞萍太空授課

整裝再踏新征程：堅持自主創新，提升服務能力，成功報效祖國

從神舟五號通話時只能聽到地面聲音、看不到地面畫面，到神舟九號實現天地間雙向可視通話，再到天和核心艙安上WiFi，實現清晰而不間斷的天地通話，透過兩代“天鏈”衛星系統的建設可以看到，我國已經走出了一條符合國情、技術上自主創新的道路。

未來，隨著“天鏈”中繼衛星的應用范圍不斷擴大，其需求也將不斷增加。用戶類型將由天基航天器用戶逐漸擴展到海、陸、空等各個領域，數據中繼業務類型也將越發多樣化，對傳輸速率、覆蓋區和接入的實時性都提出更高的要求。隨著天鏈一號05星和未來天鏈二號后續衛星的相繼發射，將更進一步提高我國天基測控系統服務用戶的能力以及可靠性與安全性，充分發揮出天基測控與數據傳輸的優勢與效能，在中國人探索浩瀚宇宙、建設航天強國的征程中作出更大的貢獻。