太空授課的幕后英雄

6月20日，神舟十號(hào)3名航天員在天宮一號(hào)開(kāi)展基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)，為青少年進(jìn)行太空授課，全國(guó)8萬(wàn)余所中學(xué)6000余萬(wàn)名師生同步收看直播。這是中國(guó)首次舉行太空科普教育活動(dòng)，得益于2012年7月建成的能夠覆蓋全球的載人航天天基測(cè)控網(wǎng)。這個(gè)由13個(gè)地面測(cè)控站、4艘遠(yuǎn)洋測(cè)量船、1個(gè)天基測(cè)控系統(tǒng)組成的航天測(cè)控網(wǎng)，首次在神舟十號(hào)飛行任務(wù)中亮相，為太空授課提供通信支持。

把測(cè)控站搬到天上

在距地球數(shù)百千米外的太空中運(yùn)行著成百上千個(gè)航天器，這些航天器猶如人們放入太空中的“風(fēng)箏”，而控制這些航天器的“無(wú)形之手”，就是航天測(cè)控。一個(gè)國(guó)家無(wú)論在地面建了多少個(gè)測(cè)控站，造了多少艘海上測(cè)量船，都很難完全滿足大型航天任務(wù)跟蹤測(cè)控的需要。在太空中建立衛(wèi)星觀測(cè)與數(shù)據(jù)中繼傳輸系統(tǒng)，是航天強(qiáng)國(guó)的必由之路。

中繼衛(wèi)星堪稱航天測(cè)控的革命性成果。其主要功能是進(jìn)行空天數(shù)據(jù)中繼，相當(dāng)于把地面測(cè)控站搬到距離地面36000千米的地球同步軌道，為衛(wèi)星、飛船等航天器提供數(shù)據(jù)中繼和測(cè)控服務(wù)。

作為在太空中運(yùn)行的數(shù)據(jù)“中轉(zhuǎn)站”，中繼衛(wèi)星與傳統(tǒng)地基測(cè)控相比，具有“站得更高、看得更遠(yuǎn)”的優(yōu)勢(shì)。與通信衛(wèi)星不同，中繼衛(wèi)星主要捕獲跟蹤在軌運(yùn)行的高速動(dòng)態(tài)目標(biāo)，能使資源衛(wèi)星、環(huán)境衛(wèi)星等獲取的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)下傳，極大提升了各類衛(wèi)星的使用效益。

中繼衛(wèi)星系統(tǒng)由位于地球同步軌道的中繼衛(wèi)星、地面系統(tǒng)和用戶終端3部分組成。“中繼”的概念，就是傳遞地面應(yīng)用系統(tǒng)和用戶終端之間的信號(hào)，類似于“用手機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)短信”。具體而言，中繼衛(wèi)星將地面系統(tǒng)發(fā)射的遙控指令等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給用戶終端，用戶終端接收、解調(diào)遙控指令，并按照指令規(guī)定內(nèi)容做出0向應(yīng)，同時(shí)返向傳輸其自身數(shù)據(jù)，中繼衛(wèi)星接收到這些信號(hào)后，再反饋給地面系統(tǒng)。

中國(guó)的“天鏈”

2003年1月，我國(guó)第一代中繼衛(wèi)星系統(tǒng)工程正式立項(xiàng)，第一顆中繼衛(wèi)星被命名為“天鏈一號(hào)01星”。2008年4月25日，“天鏈一號(hào)01星”成功發(fā)射并順利在軌運(yùn)行，使我國(guó)成為繼美國(guó)、俄羅斯、歐洲和日本之后世界上第五個(gè)擁有中繼衛(wèi)星的國(guó)家。在神舟七號(hào)任務(wù)中，“天鏈一號(hào)01星”得到成功試驗(yàn)驗(yàn)證，突破了高動(dòng)態(tài)條件下的天基測(cè)控和數(shù)據(jù)中繼技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)航天測(cè)控由陸?；蛱旎目缭?。

2011年7月11日，“天鏈一號(hào)02星”發(fā)射成功并與“天鏈一號(hào)01星”組網(wǎng)運(yùn)行。在天宮一號(hào)與神舟八號(hào)、神舟九號(hào)交會(huì)對(duì)接任務(wù)中，中繼衛(wèi)星系統(tǒng)作為我國(guó)陸海天基三位一體載人航天測(cè)控通信網(wǎng)的重要組成部分，發(fā)揮了舉足輕重的作用，使航天測(cè)控覆蓋率從18%提升到近70%。

2012年7月25日23時(shí)43分，我國(guó)第三顆中繼衛(wèi)星“天鏈一號(hào)03星”在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射升空，標(biāo)志著中國(guó)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)邁入全球組網(wǎng)運(yùn)行階段?！疤戽溡惶?hào)03星”與“天鏈一號(hào)01星”“天鏈一號(hào)02星”實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)運(yùn)行后，使我國(guó)航天測(cè)控覆蓋率提升到近100%，基本消除航天器測(cè)控盲區(qū)。

載人航天更有看頭

在“天鏈一號(hào)01星”發(fā)射前，遠(yuǎn)望號(hào)測(cè)量船隊(duì)加上十余個(gè)地面站，才能為神舟飛船提供12%的測(cè)控覆蓋率，而一顆中繼衛(wèi)星即可覆蓋衛(wèi)星或飛船50%的飛行弧段。如果把過(guò)去的載人航天天地通信比作“鄉(xiāng)間小路”，那么中繼衛(wèi)星參加后的天地通信就是一條“雙向高速公路”，可以更快更高效地完成信息傳達(dá)。

中繼衛(wèi)星系統(tǒng)具有高碼速率、高動(dòng)態(tài)、高軌道覆蓋率的優(yōu)勢(shì)，提升了飛船和天宮一號(hào)的測(cè)控覆蓋率和數(shù)據(jù)傳輸能力，增強(qiáng)了空間交會(huì)對(duì)接任務(wù)實(shí)施的安全性和可靠性，為實(shí)施手控交會(huì)對(duì)接、開(kāi)展空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)等提供了穩(wěn)妥高效的天基測(cè)控通信保障。

神舟六號(hào)任務(wù)中，聶海勝在太空能聽(tīng)到女兒為他唱《生日快樂(lè)歌》，卻不能看到女兒可愛(ài)的笑臉。神舟七號(hào)任務(wù)中，翟志剛手舉五星紅旗向全國(guó)人民送來(lái)問(wèn)候，卻看不到戰(zhàn)友關(guān)切的目光。而神舟九號(hào)任務(wù)中，航天員景海鵬、劉旺、劉洋不僅能夠與地面進(jìn)行雙向視頻通話，還能通過(guò)中繼衛(wèi)星發(fā)送和接收電子郵件，使天地之間溝通交流方式更加多樣化。待到神舟十號(hào)任務(wù)，青少年們都可收看精彩的太空授課直播。

智能化管理衛(wèi)星

24小時(shí)不間斷管理3顆中繼衛(wèi)星，執(zhí)行數(shù)十個(gè)天基測(cè)控和數(shù)據(jù)中繼任務(wù)，自動(dòng)化智能化是必然選擇。為此，北京空間信息中繼傳輸技術(shù)研究中心設(shè)計(jì)了衛(wèi)星控制腳本及自動(dòng)化調(diào)度模板，建立了穩(wěn)定可靠的自動(dòng)化運(yùn)行模式，系統(tǒng)內(nèi)上百套設(shè)備均實(shí)現(xiàn)了“有人值守、無(wú)人操作”。中心還開(kāi)發(fā)研制出系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)行監(jiān)視軟件和衛(wèi)星故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)，有效縮短了異常狀態(tài)的發(fā)現(xiàn)、判斷和處置時(shí)間。

隨著我國(guó)航天事業(yè)不斷發(fā)展，大力發(fā)展中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)航天測(cè)控通信天基與地基網(wǎng)絡(luò)一體化是大勢(shì)所趨。3顆中繼衛(wèi)星組網(wǎng)運(yùn)行，為我國(guó)神舟飛船、空間實(shí)驗(yàn)室、空間站及中低軌道資源衛(wèi)星提供全時(shí)段的數(shù)據(jù)中繼和測(cè)控服務(wù)，無(wú)論經(jīng)濟(jì)效益還是使用效率都將發(fā)生質(zhì)的飛躍。

此外，航天器在太空中出現(xiàn)故障，搶救時(shí)機(jī)往往以秒計(jì)算。隨著中國(guó)發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量的增多，故障率不可避免，中繼衛(wèi)星投入應(yīng)用后，將使航天器的故障及早發(fā)現(xiàn)、盡早解決。資源衛(wèi)星、環(huán)境衛(wèi)星等應(yīng)用衛(wèi)星獲得的科學(xué)數(shù)據(jù)，要在衛(wèi)星經(jīng)過(guò)地面測(cè)控站上空時(shí)才能下傳使用，如果突發(fā)重大自然災(zāi)害，就會(huì)失掉最佳的應(yīng)對(duì)處置時(shí)機(jī)。中繼衛(wèi)星可使各類衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)下傳、及時(shí)應(yīng)用，成為應(yīng)用衛(wèi)星的效能“倍增器”。