造“天鏈”搭“鵲橋”：我國中繼衛(wèi)星發(fā)展與應(yīng)用

文/趙志遠(yuǎn)

2003年，中國立項(xiàng)并啟動(dòng)天鏈一號(hào)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)工程。歷經(jīng)近20年發(fā)展，天鏈衛(wèi)星系統(tǒng)已經(jīng)成為我國空間信息高速傳輸?shù)墓歉苫A(chǔ)設(shè)施，為航天器提供數(shù)據(jù)中繼和測控等基礎(chǔ)性保障，扮演著“太空偵查員”“通信接線員”“太空導(dǎo)航員”的角色，充分發(fā)揮天基測控與數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)勢與效能。此外，鵲橋中繼星、天問一號(hào)探測器環(huán)繞器分別在探月、探火任務(wù)中發(fā)揮了重要作用，保障探測任務(wù)順利開展。

中繼衛(wèi)星系統(tǒng)是我國航天力量與綜合國力的集中體現(xiàn)，為我國建設(shè)航天強(qiáng)國提供了重要支撐。未來，我國中繼衛(wèi)星系統(tǒng)將不斷提升航天測控和天基信息傳輸能力，不斷拓展應(yīng)用范圍，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，為中國人探索浩瀚宇宙的征程提供堅(jiān)實(shí)保障。

▲ 天鏈二號(hào)01星

從保障載人航天起步

二十世紀(jì)七八十年代，我國科學(xué)家開展載人飛船和空間站預(yù)先研究，針對(duì)載人航天器測控與在軌通信時(shí)間短暫的問題進(jìn)行了深入論證，提出研制中繼衛(wèi)星，并開展相關(guān)概念研究。

隨著我國載人航天任務(wù)立項(xiàng)，研制中繼衛(wèi)星的需求更加迫切，中國空間技術(shù)研究院成立課題組，配合某衛(wèi)星平臺(tái)早期開發(fā)，系統(tǒng)性開展中繼衛(wèi)星的預(yù)先研究，形成第一代中繼衛(wèi)星——天鏈一號(hào)的初步方案，并完成了衛(wèi)星關(guān)鍵功能的地面演示驗(yàn)證試驗(yàn)。

2003年，天鏈一號(hào)轉(zhuǎn)入正式研制階段。經(jīng)過幾年努力，我國科研人員攻克了所有關(guān)鍵技術(shù)，衛(wèi)星通過各項(xiàng)大型試驗(yàn)和測試，性能全部滿足要求。2008年4月25日，天鏈一號(hào)01星發(fā)射升空，進(jìn)入地球同步軌道，我國首個(gè)天基測控和數(shù)據(jù)“中轉(zhuǎn)站”正式建立，開辟了新的衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域。

天鏈一號(hào)01星的成功發(fā)射，使我國航天測控和管理能力有了巨大提升。在此之前，雖然有全國布設(shè)的地面測控網(wǎng)和遠(yuǎn)洋測量船，我國對(duì)載人飛船和其他中低軌航天器的軌道覆蓋范圍仍非常有限。2003年，航天員楊利偉執(zhí)行“神舟五號(hào)”飛行任務(wù)期間，數(shù)次進(jìn)行天地通話，每次都有嚴(yán)格的時(shí)間窗口限制，且通話帶寬很低。到了2008年8月的“神舟七號(hào)”任務(wù)，天鏈一號(hào)01星“大顯身手”，一舉將飛船測控覆蓋率從18%提升到50%。

此后，天鏈一號(hào)01星圓滿完成以“神舟八號(hào)”“神舟九號(hào)”“神舟十號(hào)”“天宮一號(hào)”為代表的載人航天任務(wù)，以及地面艦船、測控站等非航天器類用戶的數(shù)據(jù)中繼任務(wù)。此外，衛(wèi)星研制過程中積累的大量經(jīng)驗(yàn)也為后續(xù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2011年和2012年，天鏈一號(hào)02星和03星相繼發(fā)射，與在軌的01星完成組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全球高度200千米以上、2000千米以下空間的全軌道覆蓋，覆蓋率近100%。由此，我國成為繼美國之后第二個(gè)擁有全球覆蓋中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的國家。天鏈系統(tǒng)為我國神舟飛船、空間實(shí)驗(yàn)室、空間站提供數(shù)據(jù)中繼與測控服務(wù)，支持空間交會(huì)對(duì)接任務(wù)，還為我國中低軌的資源系列、高分系列等衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，向航天器發(fā)射提供測控支持，架起天地間信息通路。

2016年12月，天鏈一號(hào)04星發(fā)射升空，“接棒”超期服役的01星。04星在國產(chǎn)化方面邁進(jìn)一大步，減少了60%的進(jìn)口產(chǎn)品，整星國產(chǎn)化率提升了10%。2021年7月6日，天鏈一號(hào)05星發(fā)射升空，順利進(jìn)入預(yù)定軌道，我國第一代數(shù)據(jù)中繼系列衛(wèi)星圓滿收官。

天鏈一號(hào)04星、05星的部署，進(jìn)一步增強(qiáng)了我國中繼衛(wèi)星系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)傳輸和多目標(biāo)服務(wù)能力，顯著提升了我國航天測控和天基信息傳輸能力，充分體現(xiàn)出天基信息網(wǎng)絡(luò)覆蓋率高、任務(wù)實(shí)效性好、數(shù)據(jù)傳輸能力強(qiáng)、效費(fèi)比高等優(yōu)勢，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

▲ 鵲橋地月通信中繼衛(wèi)星

“天鏈二號(hào)”開拓發(fā)展

“天鏈一號(hào)”作為載人航天工程的重要一環(huán)，開啟了我國中繼衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)的歷程。與此同時(shí)，隨著我國空間基礎(chǔ)建設(shè)快速發(fā)展，各類空間活動(dòng)頻繁開展，用戶對(duì)于中繼衛(wèi)星提供的天基測控、數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的需求與日俱增。為此，我國在2010年啟動(dòng)了第二代中繼衛(wèi)星系統(tǒng)——天鏈二號(hào)的研制工作。

“天鏈二號(hào)”要達(dá)到衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸能力大幅提升、服務(wù)用戶數(shù)量翻倍等目標(biāo)，其充分繼承了第一代中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)，采用了更加先進(jìn)的衛(wèi)星平臺(tái)和載荷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)熱控、結(jié)構(gòu)、控制、電子、天線及材料、工藝等方面的優(yōu)化和突破，通過上百項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證，性能大幅提升。

據(jù)悉，該系統(tǒng)采用東方紅四號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)，性能更優(yōu)，載重更大，設(shè)計(jì)壽命由7年提升至12年。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)，配置多副新型天線，衛(wèi)星服務(wù)覆蓋范圍極大提升。

在兼容“天鏈一號(hào)”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，一方面，擴(kuò)大了服務(wù)用戶目標(biāo)的數(shù)量，另一方面，可以適應(yīng)各類數(shù)據(jù)傳輸要求，大大提升系統(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)地傳輸總速率達(dá)到吉比特/秒級(jí)別。此外，“天鏈二號(hào)”的自主工作能力進(jìn)一步增強(qiáng)，增加多目標(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。

2019年3月，天鏈二號(hào)01星發(fā)射升空，進(jìn)入地球同步軌道，開始為各類航天器提供數(shù)據(jù)中繼和測控服務(wù)。該衛(wèi)星性能優(yōu)越，對(duì)提高中低軌衛(wèi)星和載人航天器信息回傳時(shí)效性、在軌運(yùn)行安全性、任務(wù)實(shí)施靈活性均發(fā)揮了重要作用。

2021年12月，天鏈二號(hào)02星成功發(fā)射，我國繼續(xù)向新一代中繼衛(wèi)星系統(tǒng)組網(wǎng)邁進(jìn)。經(jīng)過近20年發(fā)展，天鏈系統(tǒng)發(fā)射中繼衛(wèi)星數(shù)量增加至7顆，形成了兩代中繼衛(wèi)星相互兼容、在軌協(xié)同組網(wǎng)工作的局面。隨著“中繼衛(wèi)星天團(tuán)”陣容再升級(jí)，天基中繼系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、靈活性服務(wù)能力得到進(jìn)一步提升。

譜寫星際通信中繼新篇章

除了面向地球軌道航天器的天鏈衛(wèi)星系統(tǒng)，在“嫦娥四號(hào)”、“天問一號(hào)”深空探測任務(wù)中，鵲橋中繼星和天問一號(hào)探測器環(huán)繞器分別承擔(dān)起星際通信中繼的重任，確保探測任務(wù)順利實(shí)施。

月球背面探測具有重大科學(xué)價(jià)值，但在“嫦娥四號(hào)”之前，世界上沒有任何國家把探測器發(fā)射到月球背面軟著陸。由于潮汐鎖定，月球背面總是對(duì)地球“不可見”，月面探測器無法與地球建立直接的通信聯(lián)系。“嫦娥四號(hào)”要實(shí)現(xiàn)人類首次月背軟著陸，通信是首先要解決的問題。

對(duì)此，傳統(tǒng)的地球軌道中繼衛(wèi)星鞭長莫及，必須研制專用的中繼衛(wèi)星。

2018年5月21日，鵲橋中繼星發(fā)射升空，進(jìn)入繞地月L2平動(dòng)點(diǎn)的Halo軌道，成為世界首顆地球軌道外的專用數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星?！谤o橋”的軌道是“躲”在月球背面方向遠(yuǎn)端、隨著月球一起運(yùn)行的繞地軌道，使得“鵲橋”可以同時(shí)與月背、地球建立通信聯(lián)系，又能與地、月保持相對(duì)穩(wěn)定的靜止?fàn)顟B(tài)，從而節(jié)省燃料，延長壽命。

鵲橋中繼星搭載兩種特殊天線：1個(gè)傘形天線直徑4.2米，工作在X頻段，負(fù)責(zé)對(duì)著陸器和月球車的中繼通信；多個(gè)螺旋天線工作在S頻段，負(fù)責(zé)與地面站通信。各個(gè)通信鏈路均可同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。

鵲橋中繼星是實(shí)現(xiàn)“嫦娥四號(hào)”月背軟著陸和巡視探測任務(wù)的關(guān)鍵。3年多來，鵲橋中繼星為著陸器和巡視器在30多個(gè)月晝提供中繼通信服務(wù)，支持其完成休眠、喚醒、月面行走及科學(xué)探測，傳回了大量有價(jià)值的科學(xué)探測數(shù)據(jù)，確保任務(wù)圓滿完成。

“天問一號(hào)”火星探測任務(wù)使我國深空探測能力和水平進(jìn)入世界航天第一梯隊(duì)。天問一號(hào)探測器包括環(huán)繞器和著陸器，而環(huán)繞器除了要開展火星全球遙感探測任務(wù)，還要為祝融號(hào)火星車提供通信中繼服務(wù)。

“祝融號(hào)”具備直接對(duì)地通信能力，但由于地火距離遙遠(yuǎn)，直接對(duì)地通信鏈路的傳輸速率極慢，只有16比特/秒，相當(dāng)于每秒僅發(fā)送1個(gè)漢字。所以，直接對(duì)地通信只用于傳輸工程遙測數(shù)據(jù)，輔助判斷火星車工作狀態(tài)，而圖像和其他科學(xué)探測數(shù)據(jù)都依賴環(huán)繞器架設(shè)的中繼通信鏈路回傳地球。

天問一號(hào)環(huán)繞器配置2.5米口徑的高增益天線，提供高速接收上行指令、測距信號(hào)的通道以及下行遙測、數(shù)據(jù)傳輸、測距信號(hào)的通道。在中繼通信軌道，環(huán)繞器軌道周期約8.2個(gè)小時(shí)，每個(gè)火星日繞飛3圈，其中1圈的近火點(diǎn)位于祝融號(hào)火星車所在的烏托邦平原上空，每個(gè)火星日提供4～6小時(shí)中繼通信，既能將地面指令發(fā)給“祝融號(hào)”，也能把“祝融號(hào)”的科學(xué)數(shù)據(jù)傳回地面。此外，“祝融號(hào)”與歐洲2003年發(fā)射的火星快車軌道器開展了在軌中繼通信試驗(yàn)，增加了中繼通信的機(jī)會(huì)，提高了通信速率和科研效率，也創(chuàng)造了太空合作的典范。

▲ 地月通信中繼衛(wèi)星工作原理示意圖

為航天應(yīng)用保駕護(hù)航

我國中繼衛(wèi)星系統(tǒng)從服務(wù)載人航天工程起步，自建成以來，任務(wù)規(guī)模和用戶數(shù)量快速增長，先后為載人航天、中低軌航天器、運(yùn)載火箭、艦船、航空器等多類型用戶目標(biāo)提供了天基測控和數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，協(xié)同用戶目標(biāo)完成多樣化任務(wù)，在維護(hù)國家空間安全、促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面都發(fā)揮了重要作用，應(yīng)用效能顯著。

載人航天應(yīng)用方面，自2008年9月至今，天鏈系統(tǒng)保障多次載人航天任務(wù)，天基、陸基、?；餐瑯?gòu)成我國新一代載人航天測控通信網(wǎng)，將載人航天測控通信覆蓋率提高至接近100%。天宮空間站中，天鏈系統(tǒng)把天地間的互聯(lián)網(wǎng)融為一體，航天員可以隨時(shí)隨地接入網(wǎng)絡(luò)，天鏈系統(tǒng)的服務(wù)能力在天地通話和太空授課中得到完美體現(xiàn)。

中低軌航天器應(yīng)用方面，中繼衛(wèi)星系統(tǒng)為我國遙感、測繪等多個(gè)系列中低軌航天器提供了長期、可靠的天基數(shù)據(jù)傳輸及天基測控服務(wù)，將中低軌航天器獲取的數(shù)據(jù)以近實(shí)時(shí)方式中繼回傳至國內(nèi)，同時(shí)，有效增強(qiáng)了對(duì)中低軌航天器的測控覆蓋率和應(yīng)急搶救處置能力。

火箭發(fā)射及早期測控段應(yīng)用方面，我國從2012年開始基于中繼衛(wèi)星對(duì)火箭發(fā)射任務(wù)實(shí)施天基測控，目前已為幾乎所有火箭型號(hào)發(fā)射及航天器早期測控任務(wù)提供天基測控支持，使多款型號(hào)火箭發(fā)射全程可見，下傳全部遙測和多路圖像，成本優(yōu)勢顯著，靈活機(jī)動(dòng)性好。2021年9月20日，長征七號(hào)火箭發(fā)射任務(wù)首次無測量船參與，全程基于天基系統(tǒng)實(shí)施測控。天鏈衛(wèi)星覆蓋火箭飛行全過程，“護(hù)航”天舟貨運(yùn)飛船對(duì)接空間站。

航空和航海應(yīng)用方面，天鏈衛(wèi)星系統(tǒng)一方面為遠(yuǎn)程飛機(jī)、飛艇、高超音速飛行器等航空應(yīng)用提供遠(yuǎn)程、超視距測控與數(shù)據(jù)中繼支持，為航空器提供全空域、全天候飛行保障，另一方面，支持遠(yuǎn)洋科考等多次重大航海任務(wù)，為我國航海活動(dòng)，特別是遠(yuǎn)洋航行，提供了安全可靠的通信手段。艦船用戶裝備中繼終端后，通過中繼衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)與陸地臺(tái)站的雙向圖像、話音傳輸。

經(jīng)歷近20年發(fā)展，我國中繼衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)走出了符合國情、技術(shù)上自主創(chuàng)新的道路。天鏈系統(tǒng)不依靠國外建站，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶航天器全球覆蓋，不斷提升我國天基測控系統(tǒng)服務(wù)用戶的能力以及可靠性與安全性，為建設(shè)航天強(qiáng)國提供了重要支持保障。