“天鏈”讓中國步入天基測控時代

□ 本刊特約記者 索阿娣 攝影 劉建安 南勇

衛(wèi)星，對于生活在現(xiàn)代社會的人們來說，早已不是一個陌生的詞匯。氣象衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星、資源衛(wèi)星、環(huán)境衛(wèi)星……各種各樣的應(yīng)用衛(wèi)星，呈現(xiàn)出“亂花漸欲迷人眼”的態(tài)勢。

然而，一種有著天上數(shù)據(jù)“中轉(zhuǎn)站”功能的衛(wèi)星，還不怎么為公眾所熟知。它就是中繼衛(wèi)星，被譽(yù)為“衛(wèi)星的衛(wèi)星”。

今年7月11日發(fā)射升空的天鏈一號02星，就是一顆中繼衛(wèi)星。它和2008年4月25日升空的天鏈一號01星都是我國天基測控系統(tǒng)的重要組成部分，將逐漸使我國從地基測控時代轉(zhuǎn)入天基測控時代。這兩顆星的組網(wǎng)運(yùn)行，也標(biāo)志著我國成為繼美、俄后第三個擁有中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的國家。

火箭試驗(yàn)隊(duì)員進(jìn)行測試

中低軌航天器的“效能倍增器”

中繼衛(wèi)星是一個數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，相當(dāng)于把地面測控站搬到了地球靜止軌道。與地基測控相比，天基測控的最大優(yōu)勢就是覆蓋率高。

“看，這是航天員的胡子！”2008年胡楊泛金的季節(jié)，在神舟七號載人飛船進(jìn)入太空后，北京飛行控制中心對天鏈一號01星進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)“從上面?zhèn)飨聛淼娘w船畫面質(zhì)量大大超過了地面測控站所提供的畫面質(zhì)量”。

高質(zhì)量的語音和畫面信號，凸顯了中繼衛(wèi)星的應(yīng)用價值。這讓科研人員們興奮不已，更讓用戶方感到十分滿意，很快便將天鏈一號02星、03星的研制工作提上日程。

簡單地說，中繼衛(wèi)星是一種負(fù)責(zé)跟蹤、測量和控制其他衛(wèi)星，并在這些衛(wèi)星和地面之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的專用衛(wèi)星。它通常運(yùn)行在距離赤道36000千米的地球同步軌道，利用其高高在上的優(yōu)勢，對中低軌道航天器或地面目標(biāo)進(jìn)行跟蹤、測控和數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)。

火箭助推器吊裝

“它是一個數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，相當(dāng)于把地面測控站搬到了地球靜止軌道。”天鏈一號工程總師白拜爾說，“與地基測控相比，天基測控的最大優(yōu)勢就是覆蓋率高，其次還有實(shí)時性、經(jīng)濟(jì)性等諸多優(yōu)點(diǎn)。”

長期以來，地面與航天器之間的聯(lián)系是通過地基測控實(shí)現(xiàn)的，也就是利用地面測控設(shè)備（陸基站、測量船和測量飛機(jī)），對航天器發(fā)射和在軌運(yùn)行進(jìn)行測控與通信支持。由于電磁波直線傳播特征和地球曲率的限制，一個地面站只能測控一定范圍的航天器。

從理論上講，只要建立足夠多的地面站，就能夠?qū)崿F(xiàn)對航天器100%的覆蓋率。由于地球表面70%以上是海洋，必須建設(shè)海上測量船，但造價和維護(hù)費(fèi)用十分昂貴，且多測控站同時工作也會降低通信的實(shí)時性。

事實(shí)上，地面測控站的覆蓋率總是十分有限。以美國為例，其覆蓋率最高的載人航天網(wǎng)，耗資達(dá)6億美元。在執(zhí)行阿波羅任務(wù)時，其20多個地面站在最有利的條件下也只能覆蓋30%以下的地球軌道。

“而在天基測控中，單顆中繼衛(wèi)星對低軌航天器的覆蓋率不低于50%，兩顆中繼衛(wèi)星就能基本覆蓋75%的中低軌道，三顆中繼衛(wèi)星組網(wǎng)則可實(shí)現(xiàn)對中低軌道航天器的連續(xù)跟蹤和數(shù)據(jù)通信，是中低軌道航天器的效能倍增器?！卑装轄柦忉屨f。

1963年，世界上有人提出利用地球同步衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)功能進(jìn)行測控的新概念。經(jīng)過多年研制和試驗(yàn)，1983年4月4日，美國發(fā)射了世界上第一顆跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星，開創(chuàng)了天基測控新時代。

從那以后，美國已成功發(fā)射兩代共9顆軌道跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星，目前仍有8顆在軌組網(wǎng)運(yùn)行，且簽訂了第三代中繼衛(wèi)星研制合同。美國是世界上唯一擁有具備全球覆蓋能力的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的國家。

俄羅斯雖然建立了自己的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，但未形成全球覆蓋能力。歐洲和日本各發(fā)射了一顆試驗(yàn)中繼衛(wèi)星。這兩顆中繼衛(wèi)星均獲得了在軌成功運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，但只是單星工作，未形成組網(wǎng)系統(tǒng)。

天鏈一號02星的發(fā)射，并與01星組網(wǎng)運(yùn)行，將使我國成為世界上第三個擁有中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的國家。

引領(lǐng)中國進(jìn)入天基測控時代

中繼衛(wèi)星可為衛(wèi)星、飛船等航天器提供數(shù)據(jù)中繼和測控服務(wù)，增強(qiáng)航天員安全和任務(wù)成功的保障系數(shù)，同時也可極大提高各類衛(wèi)星使用效益和應(yīng)急能力。

近些年來，中國航天事業(yè)發(fā)展速度之快引得世界矚目。中國已經(jīng)成為一個名副其實(shí)的“航天大國”。今年下半年，我國還將開展首次空間交會對接試驗(yàn)，為未來的空間站建設(shè)作準(zhǔn)備。

作為我國航天科技工業(yè)的主導(dǎo)力量，中國航天科技集團(tuán)公司現(xiàn)已進(jìn)入了火箭高密度發(fā)射、衛(wèi)星多任務(wù)并舉和載人航天全面攻堅(jiān)的發(fā)展階段。

中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部部長周志成（右）與衛(wèi)星總師王家勝

衛(wèi)星試驗(yàn)隊(duì)員在仔細(xì)工作

如何為衛(wèi)星、飛船等航天器提供數(shù)據(jù)傳輸和測控服務(wù)，增強(qiáng)航天員安全和任務(wù)成功的保障系數(shù)，同時極大提高各類衛(wèi)星使用效益和應(yīng)急能力，使資源、環(huán)境等衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)實(shí)時下傳，為應(yīng)對重大自然災(zāi)害等贏得更多預(yù)警時間，成為了擺在中國航天事業(yè)面前的一個重要課題。

“我國的陸海測控網(wǎng)軌道覆蓋率僅為12%左右，無法滿足載人航天越來越高的要求。此種形勢下，發(fā)展自己的具有高覆蓋率的天基測控系統(tǒng)顯得刻不容緩?！敝欣^衛(wèi)星控制管理中心有關(guān)負(fù)責(zé)人表示。

在我國從上世紀(jì)90年代中后期，我國就開展了對中繼衛(wèi)星的重大科研工作，并取得了可喜的成績。2008年，天鏈一號01星曾使神舟七號飛船的測控覆蓋率大幅提高到50%左右，其優(yōu)異的性能受到了國際社會的高度關(guān)注。美聯(lián)社、路透社等機(jī)構(gòu)在第一時間進(jìn)行報(bào)道。

2011年，是中國航天發(fā)展非常重要的一年。這一年，我國將執(zhí)行技術(shù)難度和風(fēng)險(xiǎn)性極高的空間交會對接任務(wù)，而中繼衛(wèi)星系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)空間交會對接的重要技術(shù)手段。

因?yàn)闇y控系統(tǒng)在執(zhí)行交會對接任務(wù)時，測控系統(tǒng)將持續(xù)20多個小時，只有中繼衛(wèi)星才能保證對航天器的連續(xù)監(jiān)視、通訊，并將實(shí)況實(shí)時送回測控中心，提高任務(wù)安排的安全性和靈活性。

有數(shù)據(jù)顯示，美國的一顆中繼衛(wèi)星支持16次航天飛機(jī)飛行任務(wù)的利用率達(dá)97.4%。特別是1983年11月執(zhí)行第9次航天飛機(jī)飛行時，航天員第一次享受到與地面幾乎不中斷的通信。在執(zhí)行任務(wù)的10天中，通過天地通信鏈路獲得的數(shù)據(jù)比美國以往39次載人飛行的總和還要多。

也正是中繼衛(wèi)星系統(tǒng)能夠從根本上解決飛船和地面的實(shí)時聯(lián)系問題，被稱為“革命性的新途徑”。

天鏈一號衛(wèi)星總指揮兼總設(shè)計(jì)師王家勝曾撰文指出，中繼衛(wèi)星最大的技術(shù)難點(diǎn)就是在兩個高速的運(yùn)動目標(biāo)之間，建立穩(wěn)定的鏈路；在高動態(tài)的情況下，能實(shí)時傳輸大容量數(shù)據(jù)。但事實(shí)證明，天鏈一號衛(wèi)星研制團(tuán)隊(duì)攻克了這一技術(shù)難點(diǎn)。

“雖然我國的中繼衛(wèi)星起步比較晚，但可以說，我們的水平處在世界前列，且還在穩(wěn)步發(fā)展中?！碧戽溡惶栃l(wèi)星副總設(shè)計(jì)師范子強(qiáng)自信地說，“我們的目標(biāo)是組網(wǎng)運(yùn)行，提高服務(wù)能力，擴(kuò)大服務(wù)范圍，形成穩(wěn)定運(yùn)行的業(yè)務(wù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)?！?/p>

作為“中、低軌航天器效能倍增器”和“天基信息傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵成員”，中繼衛(wèi)星在我國國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著越來越明顯的作用。它的廣闊前景，表明了這一衛(wèi)星領(lǐng)域的強(qiáng)大生命力。它必然會引領(lǐng)中國進(jìn)入天基測控時代。