天鏈一號：神舟與天宮的太空基站

據新聞媒體報道，21日晚七點，天宮二號和神舟十一號的組合體進入天鏈一號03衛星的測控弧段，航天員在太空中實時觀看了中央電視臺播出的新聞聯播。這已經不是“天鏈一號”衛星系統第一次展現它所帶來的強大天地通信能力了。三年前，在神舟十號與天宮一號交會對接后，航天員王亞平進行了我國歷史上第一次太空授課，在40分鐘的時間里，飛船圍繞地球轉過了半圈，而視頻信號卻能清晰、連續的傳輸到地面上。觀看太空授課的中小學生還能流暢的和太空中的航天員進行交流。如果只靠地面測控站，而沒有“天鏈一號”，這種場景不會成為現實。

（直播畫面右上角的“天鏈”標志說明此時視頻信號是通過天鏈一號中繼衛星系統傳輸的）

手機天線的收發距離并不大，而手機之所以能夠隨時隨地的接入移動網絡，是依靠移動運營商布置的大量移動網絡基站。神舟、天宮等航天器在太空中飛行時，要與地面保持通信，就需要和移動通信基站功能相似的測控站來進行信號傳輸。由于無線電直線傳播的特性和地球曲率的限制，地面測控站所能覆蓋的范圍有限。據測算，如過要實現對神舟、天宮的軌道通信全覆蓋，需要在全球建設一百多個測控站，而這幾乎是不可能的：一方面，我國領土范圍有限，在境外大量設站又要考慮政治因素，難度較大；另一方面，地球表面約70%的面積是海洋，當飛船通過海洋上空時，只能通過大型測控船來進行通信，進一步增加了成本。在天鏈一號投入使用前，盡管我國在境外設立了若干測控站，也在海洋上部署了多艘“遠望”號測量船，但對飛船軌道的通信覆蓋率也只能達到13%。

（天鏈一號衛星“真容”）

天鏈一號中繼衛星的出現，讓天地通信的難題迎刃而解。它是宇宙飛船和其他衛星的數據中轉站，運行在地球赤道上空36000千米的地球同步軌道，可以利用居高臨下的優勢，對軌道高度為300多千米的神舟、天宮和其他中低軌道航天器或地面目標進行跟蹤、測控和數據中轉。與地面測控站相比，天鏈一號這樣的中繼衛星最大的優勢在于覆蓋范圍廣。一顆天鏈一號衛星對神舟、天宮軌道的通信覆蓋率就能達到50%，三顆天鏈一號衛星組網形成系統后，可以實現整個軌道的通信全覆蓋。同時，使用中繼衛星后，天地通信的帶寬極大的提高了。地面向飛船的上行通信帶寬由Kbps量級提高到了Mbps量級,下行通信帶寬由Mbps量級提高到了百Mbps量級。在神舟七號任務期間，天鏈一號01星進行初步測試，更高的帶寬讓地面控制人員看到了更清晰的飛船畫面，甚至能看清航天員的胡子。

中繼衛星好處多多，但研發它也要克服許多技術難題。天鏈一號中繼衛星的天線波束較窄，僅為0.15度～0.3度，這相當于一個人幾乎看清處于它正前方的物體。在這種情況下，衛星必須使用高精度捕獲飛船位置的技術，才能保持衛星與飛船間的通信鏈路。為了獲得比較大的天線電尺寸（天線直徑/信號波長），天鏈衛星使用了頻率在26～40GHz的Ka波段信號。而工作在這個波段的天線，對天線尺寸的精度要求極高。直徑為幾米的天線，即便在太空極端的溫差環境下，其形面誤差也要小于0.4毫米，設計制造這樣的天線是異常艱難的任務。天鏈一號在工作時，天線處于軌跡復雜、速度變化的運動中。天線轉動部分的質量高達150Kg，如何在抵消天線轉動的影響、保持衛星姿態穩定也是一個技術挑戰。

我國的航天技術人員一一攻破了這些技術難題，成功的在2008年4月25日將天鏈一號01星送入太空。在當年9月的神舟七號任務中，天鏈一號01星進行了通信試驗，成功的完成了對神舟七號載人飛船的精確捕獲、鏈路建立、數據中繼、測控和跟蹤任務。在之后的兩年中，天鏈一號02星和天鏈一號03星成功發射，形成了中低軌航天器100%的軌道覆蓋率的中繼衛星系統。目前，除了美國外，我國是唯一一個擁有全球覆蓋能力的天基信息傳輸系統的國家。歐洲、日本、俄羅斯雖然也發射了中繼衛星，但都沒有形成全球覆蓋能力。一般來說，由三顆同步軌道衛星組成的全球覆蓋通信網，一般會將衛星均勻布置在同步軌道上，經度上的間隔為120度。美國的TDRSS網絡就采用了這種方案。然而，如果天鏈一號采用這種方案，就必須在我國領土之外設立天鏈衛星的控管站。為了消除境外不確定因素的影響, 擁有完全獨立自主的天基信息傳輸系統, 天鏈一號采用了另一種方案：將兩顆天鏈衛星間的經度距離設置為160度左右，分別布置在我國的東西兩側，在國土的東西部各設一控管站, 利用高速光纖將它們和控管中心連成系統。將第三顆星置于東星和西星之間，起到增強能力和部分備份的作用。

（美國TDRSS網絡的衛星布置）

(天鏈一號三星組網的衛星位置)

除了為載人航天屢立新功，天鏈一號還有許多其他的用途。比如，它可以為我國的地面觀測衛星提供數據中繼，當衛星運行在我國國土地面站不可見的軌道弧段時，高清數據也能通過天鏈衛星實時傳回。以前，在發射同步軌道衛星時，火箭的飛行路徑上總存在一段通信盲區，地面控制人員無法得到這個時段火箭的運行信息。天鏈一號的通信中繼使得這樣的盲區不會繼續存在于今后的發射中。根據2008年解密的資料，美國TDRSS網絡除了為NASA的航天活動提供服務外，還為美國國家偵查局的間諜衛星提供數據中繼服務，在國防軍事領域大展身手。而在目前國內公開的資料中，天鏈一號的服務對象還包括“特殊用途的飛機和其他飛行器等非航天用戶”。在航天飛行之外，什么飛行器還要進入太空呢？讀者朋友可以充分發揮想象。

發表于 2016-10-26 00:00
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