天地通話一“鏈”牽
——我國(guó)“天鏈”系列數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星踐行新使命

范晨 陳小群（中國(guó)空間技術(shù)研究院通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部）

習(xí)近平總書記同神舟十二號(hào)航天員天地通話（圖源：新華網(wǎng)）

“我們?cè)诒本┑群蚋魑粍P旋！” 2021年6月23日9時(shí)35分，中共中央總書記、國(guó)家主席、中央軍委主席習(xí)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(zhí)行任務(wù)的神舟十二號(hào)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(xí)總書記敬禮。同一時(shí)刻，在距地面3.6萬(wàn)千米的高空，由天鏈一號(hào)03星、04星、天鏈二號(hào)01星共3顆中繼衛(wèi)星組成的天基中繼系統(tǒng)實(shí)時(shí)保障著這場(chǎng)天地通話。能為全國(guó)人民帶來(lái)如此振奮的一幕，我國(guó)一代和二代天鏈“中繼衛(wèi)星天團(tuán)”功不可沒(méi)。

天鏈一號(hào)開天路：中國(guó)開始擁有太空里的數(shù)據(jù)“中轉(zhuǎn)站”

跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)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(shù)據(jù)中繼、連續(xù)跟蹤與軌適測(cè)控服務(wù)的系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，是20世紀(jì)航天測(cè)控通信技術(shù)的重大突破。

在“天鏈”中繼衛(wèi)星投入使用前，中國(guó)一直依托一系列陸基測(cè)控站和遠(yuǎn)望系列遠(yuǎn)洋測(cè)量船支撐衛(wèi)星、飛船和探測(cè)器的發(fā)射測(cè)控與在軌通信任務(wù)。然而，由于受地球曲率的影響，地面和海上測(cè)控對(duì)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(shù)時(shí)間無(wú)法和地面測(cè)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)聯(lián)系。如要實(shí)現(xiàn)對(duì)300千米高度的低軌道航天器進(jìn)行100%的覆蓋，理論上需要在地表均勻布設(shè)100多個(gè)站點(diǎn)，顯然，這在政治外交和經(jīng)費(fèi)預(yù)算上是難以實(shí)現(xiàn)的。

2003年，航天員楊利偉搭乘神舟五號(hào)載人飛船升空，其間曾數(shù)次進(jìn)行天地通話，但每次都有嚴(yán)格的時(shí)間窗口限制。當(dāng)時(shí)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(zhì)也不是很清晰，而且時(shí)常“卡殼”。

面對(duì)地面測(cè)控網(wǎng)對(duì)低軌道載人飛船覆蓋率受限的狀況，中國(guó)一方面通過(guò)外交努力增設(shè)海外測(cè)控站，另一方面以當(dāng)時(shí)最新研制的東方紅三號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)為基礎(chǔ)展開我國(guó)第一代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的研制。中繼衛(wèi)星被稱為“衛(wèi)星的衛(wèi)星”，可以充分發(fā)揮軌道高度優(yōu)勢(shì)，“居高臨下”跟蹤在中低軌運(yùn)行的航天器，并將獲得的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳到地面，可極大提高各類衛(wèi)星的使用效益和應(yīng)急能力。2008年4月25日，天鏈一號(hào) 01星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，意味著中國(guó)的中低軌航天器開始擁有天上的數(shù)據(jù)“中轉(zhuǎn)站”。天鏈一號(hào)01星發(fā)射后，神舟七號(hào)飛船的測(cè)控覆蓋率一下從18%提高到了50%，一個(gè)半小時(shí)內(nèi)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(hào)02星、03星先后成功發(fā)射，實(shí)現(xiàn)了三星在軌組網(wǎng)工作。利用東、中、西三個(gè)區(qū)的軌位優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了中、低軌道航天器全球覆蓋的天基信息傳輸系統(tǒng)，中低軌道覆蓋率提升到約100%，為我國(guó)神舟飛船、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)，支持空間交會(huì)對(duì)接任務(wù)，同時(shí)為我國(guó)中、低軌資源系列、高分系列等衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，為航天器發(fā)射提供測(cè)控支持，使我國(guó)成為繼美國(guó)之后第二個(gè)擁有全球覆蓋能力中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的國(guó)家。2016年12月，天鏈一號(hào)04星發(fā)射升空，接替超期服役的天鏈一號(hào)01星。2021年7月6日,天鏈一號(hào)05星成功發(fā)射進(jìn)入預(yù)定軌道，我國(guó)第一代數(shù)據(jù)中繼系列衛(wèi)星圓滿收官。

天鏈一號(hào)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了我國(guó)在天基測(cè)控和信息傳輸領(lǐng)域的重大突破和跨越式發(fā)展。為了避免在國(guó)外建站的政治風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)完全自主可控，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)反復(fù)論證提出大經(jīng)度間距軌位布星組網(wǎng)的方案，實(shí)現(xiàn)了只在國(guó)內(nèi)設(shè)站即可滿足中低軌道航天器全球覆蓋的能力，具有衛(wèi)星數(shù)量少、控管網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單且任務(wù)調(diào)度效率高的優(yōu)點(diǎn)。衛(wèi)星自主閉環(huán)精密捕獲跟蹤技術(shù)是中繼衛(wèi)星的關(guān)鍵技術(shù)，也是一個(gè)世界范圍的難題。數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星不同于傳統(tǒng)的通信衛(wèi)星，它必須要解決高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星之間的捕獲與跟蹤，同時(shí)由于衛(wèi)星波束狹窄，對(duì)精度要求極高。研制團(tuán)隊(duì)不懼困難、艱苦攻關(guān)，突破并掌握了一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心關(guān)鍵技術(shù)，解決了高增益窄波束天線“捕獲”用戶衛(wèi)星的難題，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的星間鏈路通信。此外，研制團(tuán)隊(duì)還突破了高性能天線研制障礙，通過(guò)機(jī)、電、熱一體化設(shè)計(jì)等技術(shù)，首次解決了高精度反射面、雙頻跟蹤天線的設(shè)計(jì)與制造難題，實(shí)現(xiàn)了微波高速數(shù)據(jù)傳輸。

天鏈一號(hào)三星組網(wǎng)示意圖

第一代天鏈衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了我國(guó)在數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星領(lǐng)域的“從無(wú)到有”，在天地間架起一條信息“天路”。

天鏈二號(hào)攀險(xiǎn)峰：服務(wù)用戶更多，速率更高，壽命更長(zhǎng)

在我國(guó)第一代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星天鏈一號(hào)成功在軌組網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，隨著我國(guó)空間基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展以及各類空間活動(dòng)的頻繁開展，數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的作用和效能愈發(fā)明顯，用戶對(duì)于數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星所能提供的天基測(cè)控和數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的需求與日俱增，在此情況下，開展第二代中繼衛(wèi)星的研制與應(yīng)用勢(shì)在必行。

我國(guó)在2010年啟動(dòng)了第二代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)——天鏈二號(hào)的研制。天鏈二號(hào)01星基于東方紅四號(hào)平臺(tái)研制，在充分繼承了第一代中繼衛(wèi)星的技術(shù)基礎(chǔ)的同時(shí)，在服務(wù)目標(biāo)數(shù)量、傳輸速率方面有較大提升，具有服務(wù)目標(biāo)更多、傳輸速率更高、覆蓋范圍更廣、設(shè)計(jì)壽命更長(zhǎng)等特征。相比基于東方紅三號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)的天鏈一號(hào)衛(wèi)星，天鏈二號(hào)的衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命由7年提升至12年。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳輸能力，天鏈二號(hào)01星采用了更加先進(jìn)的有效載荷技術(shù)，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(hào)衛(wèi)星工作頻率的同時(shí)，天鏈二號(hào)擴(kuò)展了工作頻率的帶寬和轉(zhuǎn)發(fā)器的通道數(shù)量，確保在提升服務(wù)用戶目標(biāo)數(shù)量的同時(shí)，可以適應(yīng)不同用戶目標(biāo)的各類數(shù)據(jù)傳輸要求，大大提升了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸效能，對(duì)用戶目標(biāo)的數(shù)據(jù)傳輸能力和對(duì)地傳輸總速率可以達(dá)到Gbit/s級(jí)別，衛(wèi)星服務(wù)覆蓋范圍也有了極大的提升，可以同時(shí)為更多用戶提供不同傳輸速率的服務(wù)。此外，天鏈二號(hào)01星的自主工作能力得到提升，并增加了多目標(biāo)任務(wù)調(diào)度功能，可以自動(dòng)接收多目標(biāo)任務(wù)，并自主排序完成。

習(xí)近平總書記曾指出：“自主創(chuàng)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(xiàn)在天鏈二號(hào)的研制過(guò)程中。為了實(shí)現(xiàn)我國(guó)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星“從有到更強(qiáng)”，達(dá)到衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸能力大幅增強(qiáng)、服務(wù)目標(biāo)數(shù)量翻倍等目標(biāo)，研制團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)外沒(méi)有任何可以借鑒先例的情況下，勇于“啃硬骨頭”，集結(jié)航天系統(tǒng)內(nèi)外專家力量，在熱控、結(jié)構(gòu)、控制、電子、天線以及材料工藝等方面開展攻關(guān)，經(jīng)過(guò)多年努力，完成了上百項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證，最終拿下了這一世界性難題。

天鏈二號(hào)01星在軌示意圖

隨著2019年3月第一顆天鏈二號(hào)衛(wèi)星的發(fā)射，我國(guó)第二代中繼衛(wèi)星與第一代相互配合，共同發(fā)力，更好地發(fā)揮著數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站作用。

中繼天團(tuán)踐使命：天地通話一“鏈”牽，信號(hào)不斷網(wǎng)速快

目前，“天鏈”衛(wèi)星系統(tǒng)在軌為各類遙感衛(wèi)星提供天基信息傳輸與測(cè)控服務(wù)，為長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭提供發(fā)射測(cè)控服務(wù)，同時(shí)，我國(guó)“神舟”系列載人飛船，從神舟七號(hào)到神舟十二號(hào)，以及“天舟”系列貨運(yùn)飛船，均接受“天鏈”中繼衛(wèi)星系統(tǒng)提供的天基任務(wù)支持。

2021年5月29日，天舟二號(hào)飛船順利入軌后，天鏈一號(hào)03星、04星，天鏈二號(hào)01星三星組網(wǎng)，對(duì)天和核心艙、天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船提供雙目標(biāo)天基測(cè)控與數(shù)據(jù)中繼支持。6月23日，習(xí)近平總書記與神舟十二號(hào)航天員通話，正是通過(guò)天鏈二號(hào)衛(wèi)星與核心艙建鏈提供的支持。此次流暢、清晰、高質(zhì)量的天地通話，是對(duì)天鏈“中繼衛(wèi)星天團(tuán)”聯(lián)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(wèi)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(guò)星地上行鏈路到達(dá)“天鏈”中繼衛(wèi)星，此時(shí)，中繼衛(wèi)星的星間鏈路天線正精準(zhǔn)跟蹤著空間站。中繼衛(wèi)星收到地面站的通話信息后，再通過(guò)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(lái)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(guò)空間站中繼終端、“天鏈”中繼衛(wèi)星、星地下行鏈路等傳輸?shù)降孛嬲尽！疤戽湣敝欣^衛(wèi)星系統(tǒng)就像放置在距地面3.6萬(wàn)千米的幾個(gè)“太空基站”，將空間站和地面站連接起來(lái)，建立起一條太空“天路”，空間站與地面之間的語(yǔ)音、視頻、電子郵件數(shù)據(jù)，以及下行的科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都通過(guò)這條“天路”進(jìn)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(wèi)星系統(tǒng)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(wěn)定了。

空間站核心艙配置了多路高清攝像機(jī)，不僅能讓地面實(shí)時(shí)看到空間站狀態(tài)、拍攝地球美景，還能幫助航天員通過(guò)儀表大屏幕，實(shí)現(xiàn)與地面間的雙向高清視頻通話，這就對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率提出了更高要求。“天鏈”衛(wèi)星系統(tǒng)通信的一條鏈路的下行速率便可達(dá)到1.2G，中繼衛(wèi)星地面站實(shí)時(shí)接收太空數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳到北京航天飛行控制中心，再根據(jù)不同標(biāo)識(shí)自動(dòng)分發(fā)，時(shí)延僅為秒級(jí)。“天路”繁忙，但不會(huì)“擁堵”，更不會(huì)中斷。

在天地通信體驗(yàn)上，空間站與之前的天宮空間實(shí)驗(yàn)室最大的不同是增加了天地互聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)，空間以太網(wǎng)交換機(jī)組成的在軌通信網(wǎng)交換網(wǎng)絡(luò)和天地網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，使天地間的互聯(lián)網(wǎng)融為一體。天地互聯(lián)網(wǎng)和高速通信之間的結(jié)合，讓航天員在天上也能使用隨身攜帶的手持?jǐn)z像機(jī)和平板電腦，通過(guò)WiFi熱點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)，享受到現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)生活帶來(lái)的種種便利。

通過(guò)“天鏈”衛(wèi)星的三星組網(wǎng)，航天員與地面之間可以進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間的通話。2013年，第一代“天鏈”衛(wèi)星完成三星組網(wǎng)后，首次保障習(xí)近平總書記與神舟十號(hào)航天員進(jìn)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(guò)3顆中繼衛(wèi)星和核心艙的中繼終端建鏈，天地測(cè)控覆蓋率可達(dá)90%以上。到空間站三艙形成組合體后，結(jié)合另外兩個(gè)艙中繼終端視場(chǎng)，測(cè)控覆蓋率可接近100%。

習(xí)近平總書記與神舟十號(hào)飛船航天員天地通話

神舟十號(hào)航天員王亞萍太空授課

整裝再踏新征程：堅(jiān)持自主創(chuàng)新，提升服務(wù)能力，成功報(bào)效祖國(guó)

從神舟五號(hào)通話時(shí)只能聽到地面聲音、看不到地面畫面，到神舟九號(hào)實(shí)現(xiàn)天地間雙向可視通話，再到天和核心艙安上WiFi，實(shí)現(xiàn)清晰而不間斷的天地通話，透過(guò)兩代“天鏈”衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)可以看到，我國(guó)已經(jīng)走出了一條符合國(guó)情、技術(shù)上自主創(chuàng)新的道路。

未來(lái)，隨著“天鏈”中繼衛(wèi)星的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)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(kuò)展到海、陸、空等各個(gè)領(lǐng)域，數(shù)據(jù)中繼業(yè)務(wù)類型也將越發(fā)多樣化，對(duì)傳輸速率、覆蓋區(qū)和接入的實(shí)時(shí)性都提出更高的要求。隨著天鏈一號(hào)05星和未來(lái)天鏈二號(hào)后續(xù)衛(wèi)星的相繼發(fā)射，將更進(jìn)一步提高我國(guó)天基測(cè)控系統(tǒng)服務(wù)用戶的能力以及可靠性與安全性，充分發(fā)揮出天基測(cè)控與數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)與效能，在中國(guó)人探索浩瀚宇宙、建設(shè)航天強(qiáng)國(guó)的征程中作出更大的貢獻(xiàn)。