中國“天鏈”：天地“金橋”(筑夢“太空之家”——中國空間站建設記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，紛紛密切關注航天員聶海勝、劉伯明和湯洪波進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，從出艙活動到艙內實驗……

　　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”的網上生活，他們與地面之間保持高速的網絡鏈路，可以進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色地球的美景也呈現在人們面前，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星系統，構建起的天地一體化的強大的信息交換和傳輸網絡。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星發射中心成功發射入軌，使天鏈中繼衛星系統效能進一步增強。

　　路基、海基受限，

　　天基中繼勢在必行

　　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，并把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。中繼衛星系統為中、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、連續跟蹤與軌道測控服務，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。

　　要實現對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100多個站點，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，但是較模糊且時常“卡頓”。

　　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自己的第一代數據中繼衛星的研制。

　　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”，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星先后成功發射，實現了3星在軌組網工作。利用東、中、西3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。

　　為實現系統完全自主可控，天鏈一號項目團隊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。項目團隊實現了衛星自主閉環精密捕獲跟蹤技術是中繼衛星的關鍵技術突破，解決了高速運動的衛星之間的捕獲與跟蹤難題，實現了高質量的星間鏈路通信。此外，項目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，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。

　　第一代天鏈衛星實現了中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

　　實現速率和壽命等升級

　　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。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1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的速率和傳輸效能，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。

　　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，最終攻克了這一世界性難題。

　　2019年3月，天鏈二號01星成功發射，中國中繼衛星成功升級，進入兩代“合璧”應用新時期。

　　中繼“天團”

　　高水平服務空間站

　　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，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。

　　天鏈中繼衛星系統就像放置在距地面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、電子郵件數據，以及科學實驗數據都通過這條“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，通信鏈路更穩定。

　　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是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飛控中心，再根據不同標識自動分發，時延僅為秒級。“天路”繁忙但不“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。

　　應用范圍

　　將擴展至海、陸、空各領域

　　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，兩代天鏈衛星系統見證了中國航天奮進的歷史軌跡。經過多年發展，今天的天鏈中繼衛星系統已經拓展到更為廣闊的服務空間，除了為天宮空間站、神舟系列載人飛船和天舟系列貨運飛船，提供天基服務支持之外，還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。

　　未來，隨著天鏈中繼衛星的應用范圍還將不斷擴大，對其需求也將會不斷增加。可以預見，其用戶類型將由天基航天器用戶逐漸擴展到海、陸、空各領域，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也將提出更高要求。

　　隨著后續天鏈系列衛星發射，中國天基測控系統服務用戶的能力以及可靠性與安全性將更進一步提高，天基測控與數據傳輸的優勢與效能將進一步發揮出來，為航天強國建設，為推進人類認識和利用太空繼續作出貢獻。

　　(本文得到中國航天科技集團五院通信與導航衛星總體部通信衛星總體研究室、政治工作處大力支持)

　　中繼衛星保障天地通話(鏈接)

　　天地通話由空間站、天鏈中繼衛星和地面站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。