航天員在太空也能上網(wǎng)沖浪 中國"天鏈"架天地"金橋"
中國“天鏈”：天地“金橋”(筑夢“太空之家”——中國空間站建設(shè)記⑦)
范 晨 陳小群
《 人民日報海外版 》( 2021年07月19日 第 09 版)
在九天之上的太空工作和生活到底是什么體驗？人們對此無疑充滿好奇，紛紛密切關(guān)注航天員聶海勝、劉伯明和湯洪波進(jìn)駐天和核心艙一個多月以來的一舉一動，從他們的餐飲飯食到休息睡眠，從健身鍛煉到娛樂休閑，從出艙活動到艙內(nèi)實(shí)驗……
其中給人印象特別深刻的是，他們雖然身處太空，但是像我們在地面上一樣，通過WiFi享受著高速“沖浪”的網(wǎng)上生活，他們與地面之間保持高速的網(wǎng)絡(luò)鏈路，可以進(jìn)行清晰的語音和視頻通話。不僅如此，空間站艙外布置的攝像頭拍攝到太空日落和藍(lán)色地球的美景也呈現(xiàn)在人們面前，頻頻帶來視覺震撼。這背后離不開中國多年傾力打造的天鏈中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，構(gòu)建起的天地一體化的強(qiáng)大的信息交換和傳輸網(wǎng)絡(luò)。就在3名航天員在天和核心艙開啟太空生活之際，7月6日，第五顆天鏈一號從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射入軌，使天鏈中繼衛(wèi)星系統(tǒng)效能進(jìn)一步增強(qiáng)。
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天基中繼勢在必行
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，“居高臨下”跟蹤在中低軌運(yùn)行的航天器，并把獲得的數(shù)據(jù)實(shí)時回傳到地面，可極大提高各類衛(wèi)星的使用效益和應(yīng)急能力。中繼衛(wèi)星系統(tǒng)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)跟蹤與軌道測控服務(wù)，是20世紀(jì)航天測控通信技術(shù)的重大突破。
在天鏈中繼衛(wèi)星投入使用前，中國一直依托一系列陸基測控站和遠(yuǎn)望系列遠(yuǎn)洋測量船支撐衛(wèi)星、飛船和探測器的發(fā)射測控與在軌通信任務(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(shù)時間無法和地面測控系統(tǒng)實(shí)時聯(lián)系。
要實(shí)現(xiàn)對300公里高度的低軌道航天器全覆蓋，理論上需要在地表均勻布設(shè)100多個站點(diǎn)，這顯然是極困難的。2003年，航天員楊利偉搭乘神舟五號載人飛船升空，其間曾數(shù)次進(jìn)行天地通話，但每次都有嚴(yán)格的時間窗口限制。當(dāng)時天地通話帶寬很低，楊利偉只能聽到地面的聲音，看不到畫面，地面人員雖然可以看到楊利偉的畫面，但是較模糊且時�！翱D”。
面對地面測控網(wǎng)對低軌道載人飛船覆蓋率受限的狀況，中國一方面努力增設(shè)海外測控站，另一方面以當(dāng)時最新研制的東方紅三號衛(wèi)星平臺為基礎(chǔ)展開自己的第一代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的研制。
天鏈一號
初架起信息“天路”
2008年4月，天鏈一號01星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，意味著中國的中低軌航天器開始擁有天上的數(shù)據(jù)“中轉(zhuǎn)站”，使神舟七號飛船的測控覆蓋率從18%大幅提高到50%。
2011年和2012年，天鏈一號02星、03星先后成功發(fā)射，實(shí)現(xiàn)了3星在軌組網(wǎng)工作。利用東、中、西3個區(qū)的軌位優(yōu)勢，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100%，為我國神舟飛船、空間實(shí)驗室、空間站提供數(shù)據(jù)中繼與測控服務(wù)，支持空間交會對接任務(wù)，同時為我國中、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(wèi)星系統(tǒng)的國家。
為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)完全自主可控，天鏈一號項目團(tuán)隊提出大經(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)簡單且任務(wù)調(diào)度效率高的優(yōu)點(diǎn)。項目團(tuán)隊實(shí)現(xiàn)了衛(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)突破，解決了高速運(yùn)動的衛(wèi)星之間的捕獲與跟蹤難題，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的星間鏈路通信。此外，項目團(tuán)隊還突破了高性能天線研制障礙，通過機(jī)、電、熱一體化設(shè)計等技術(shù)，解決了高精度反射面、雙頻跟蹤天線的設(shè)計與制造難題，實(shí)現(xiàn)了微波高速數(shù)據(jù)傳輸。
第一代天鏈衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了中國在數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星領(lǐng)域的“從無到有”，在天地間架起一條信息“天路”。
天鏈二號
實(shí)現(xiàn)速率和壽命等升級
2010年，中國啟動了天鏈二號的研制。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(wèi)星的技術(shù)基礎(chǔ)的同時，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)計壽命更長等特征。
相比基于東方紅三號衛(wèi)星平臺的天鏈一號衛(wèi)星，天鏈二號的衛(wèi)星設(shè)計壽命由7年提升至12年。天鏈二號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1倍。在兼容天鏈一號衛(wèi)星工作頻率的同時，天鏈二號擴(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，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?shù)乃俾屎蛡鬏斝埽瑢τ脩裟繕?biāo)的數(shù)據(jù)傳輸能力和對地傳輸總速率可以達(dá)到Gbit/s級別，衛(wèi)星服務(wù)覆蓋的范圍也有了極大提升，可以同時為更多用戶提供不同傳輸速率的服務(wù)。
為了實(shí)現(xiàn)我國數(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)過多年努力，完成了上百項試驗驗證，最終攻克了這一世界性難題。
2019年3月，天鏈二號01星成功發(fā)射，中國中繼衛(wèi)星成功升級，進(jìn)入兩代“合璧”應(yīng)用新時期。
中繼“天團(tuán)”
高水平服務(wù)空間站
今年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星組網(wǎng)，對天和核心艙、天舟二號貨運(yùn)飛船提供雙目標(biāo)天基測控與數(shù)據(jù)中繼支持。6月23日，習(xí)近平總書記與神舟十二號航天員通話，正是通過天鏈二號衛(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。
天鏈中繼衛(wèi)星系統(tǒng)就像放置在距地面3.6萬公里的幾個太空基站，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(shù)據(jù)，以及科學(xué)實(shí)驗數(shù)據(jù)都通過這條“天路”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，通信鏈路更穩(wěn)定。
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)時看到空間站狀態(tài)、拍攝地球美景，還能幫助航天員通過儀表大屏幕，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)到是1.2G，中繼衛(wèi)星地面站實(shí)時接收太空數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳到北京飛控中心，再根據(jù)不同標(biāo)識自動分發(fā)，時延僅為秒級�！疤炻贰狈泵Φ弧皳矶隆�，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(shí)驗室最大的不同是，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)生活帶來的種種便利。
應(yīng)用范圍
將擴(kuò)展至海、陸、空各領(lǐng)域
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(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，兩代天鏈衛(wèi)星系統(tǒng)見證了中國航天奮進(jìn)的歷史軌跡。經(jīng)過多年發(fā)展，今天的天鏈中繼衛(wèi)星系統(tǒng)已經(jīng)拓展到更為廣闊的服務(wù)空間，除了為天宮空間站、神舟系列載人飛船和天舟系列貨運(yùn)飛船，提供天基服務(wù)支持之外，還在軌為各類遙感衛(wèi)星提供天基信息傳輸與測控服務(wù)，為長征系列運(yùn)載火箭提供發(fā)射測控服務(wù)。
未來，隨著天鏈中繼衛(wèi)星的應(yīng)用范圍還將不斷擴(kuò)大，對其需求也將會不斷增加�？梢灶A(yù)見，其用戶類型將由天基航天器用戶逐漸擴(kuò)展到海、陸、空各領(lǐng)域，數(shù)據(jù)中繼業(yè)務(wù)類型也將越發(fā)多樣化，對傳輸速率、覆蓋區(qū)和接入的實(shí)時性也將提出更高要求。
隨著后續(xù)天鏈系列衛(wèi)星發(fā)射，中國天基測控系統(tǒng)服務(wù)用戶的能力以及可靠性與安全性將更進(jìn)一步提高，天基測控與數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)勢與效能將進(jìn)一步發(fā)揮出來，為航天強(qiáng)國建設(shè)，為推進(jìn)人類認(rèn)識和利用太空繼續(xù)作出貢獻(xiàn)。
(本文得到中國航天科技集團(tuán)五院通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部通信衛(wèi)星總體研究室、政治工作處大力支持)
中繼衛(wèi)星保障天地通話(鏈接)
天地通話由空間站、天鏈中繼衛(wèi)星和地面站3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(dá)天鏈中繼衛(wèi)星，此時，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(wèi)星、星地下行鏈路等傳輸?shù)降孛嬲尽?/p>
