天地通話一“鏈”牽
——我國“天鏈”系列數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星踐行新使命

范晨 陳小群（中國空間技術研究院通信與導航衛(wèi)星總體部）

習近平總書記同神舟十二號航天員天地通話（圖源：新華網(wǎng)）

“我們在北京等候各位凱旋！” 2021年6月23日9時35分，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習近平在北京航天飛行控制中心指控大廳，與正在天和核心艙執(zhí)行任務的神舟十二號航天員聶海勝、劉伯明、湯洪波親切通話。大屏幕上，航天員的視頻畫面清晰，聲音清脆響亮，向習總書記敬禮。同一時刻，在距地面3.6萬千米的高空，由天鏈一號03星、04星、天鏈二號01星共3顆中繼衛(wèi)星組成的天基中繼系統(tǒng)實時保障著這場天地通話。能為全國人民帶來如此振奮的一幕，我國一代和二代天鏈“中繼衛(wèi)星天團”功不可沒。

天鏈一號開天路：中國開始擁有太空里的數(shù)據(jù)“中轉站”

跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)是為中、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)跟蹤與軌適測控服務的系統(tǒng)，簡稱中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，是20世紀航天測控通信技術的重大突破。

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望系列遠洋測量船支撐衛(wèi)星、飛船和探測器的發(fā)射測控與在軌通信任務。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)實時聯(lián)系。如要實現(xiàn)對300千米高度的低軌道航天器進行100%的覆蓋，理論上需要在地表均勻布設100多個站點，顯然，這在政治外交和經(jīng)費預算上是難以實現(xiàn)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。當時天地通話帶寬也很低，楊利偉只能聽到地面的聲音，看不到畫面，地面人員看到楊利偉的畫質也不是很清晰，而且時?！翱ぁ?。

面對地面測控網(wǎng)對低軌道載人飛船覆蓋率受限的狀況，中國一方面通過外交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(wèi)星平臺為基礎展開我國第一代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的研制。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”跟蹤在中低軌運行的航天器，并將獲得的數(shù)據(jù)實時回傳到地面，可極大提高各類衛(wèi)星的使用效益和應急能力。2008年4月25日，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)“中轉站”。天鏈一號01星發(fā)射后，神舟七號飛船的測控覆蓋率一下從18%提高到了50%，一個半小時內有將近50分鐘可以觀察到航天員在軌的情況。

2011年和2012年，天鏈一號02星、03星先后成功發(fā)射，實現(xiàn)了三星在軌組網(wǎng)工作。利用東、中、西三個區(qū)的軌位優(yōu)勢，實現(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約100%，為我國神舟飛船、空間實驗室、空間站提供數(shù)據(jù)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(wèi)星提供數(shù)據(jù)中繼服務，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。2016年12月，天鏈一號04星發(fā)射升空，接替超期服役的天鏈一號01星。2021年7月6日,天鏈一號05星成功發(fā)射進入預定軌道，我國第一代數(shù)據(jù)中繼系列衛(wèi)星圓滿收官。

天鏈一號中繼衛(wèi)星系統(tǒng)實現(xiàn)了我國在天基測控和信息傳輸領域的重大突破和跨越式發(fā)展。為了避免在國外建站的政治風險，實現(xiàn)系統(tǒng)完全自主可控，項目團隊經(jīng)過反復論證提出大經(jīng)度間距軌位布星組網(wǎng)的方案，實現(xiàn)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(wèi)星數(shù)量少、控管網(wǎng)絡簡單且任務調度效率高的優(yōu)點。衛(wèi)星自主閉環(huán)精密捕獲跟蹤技術是中繼衛(wèi)星的關鍵技術，也是一個世界范圍的難題。數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星不同于傳統(tǒng)的通信衛(wèi)星，它必須要解決高速運動的衛(wèi)星之間的捕獲與跟蹤，同時由于衛(wèi)星波束狹窄，對精度要求極高。研制團隊不懼困難、艱苦攻關，突破并掌握了一批具有自主知識產權的核心關鍵技術，解決了高增益窄波束天線“捕獲”用戶衛(wèi)星的難題，實現(xiàn)了高質量的星間鏈路通信。此外，研制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，首次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(xiàn)了微波高速數(shù)據(jù)傳輸。

天鏈一號三星組網(wǎng)示意圖

第一代天鏈衛(wèi)星實現(xiàn)了我國在數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星領域的“從無到有”，在天地間架起一條信息“天路”。

天鏈二號攀險峰：服務用戶更多，速率更高，壽命更長

在我國第一代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星天鏈一號成功在軌組網(wǎng)應用的基礎上，隨著我國空間基礎建設的快速發(fā)展以及各類空間活動的頻繁開展，數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的作用和效能愈發(fā)明顯，用戶對于數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星所能提供的天基測控和數(shù)據(jù)傳輸服務的需求與日俱增，在此情況下，開展第二代中繼衛(wèi)星的研制與應用勢在必行。

我國在2010年啟動了第二代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)——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)星的技術基礎的同時，在服務目標數(shù)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(wèi)星平臺的天鏈一號衛(wèi)星，天鏈二號的衛(wèi)星設計壽命由7年提升至12年。同時，為了實現(xiàn)更強的數(shù)據(jù)傳輸能力，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，傳輸速率增加了一倍。在兼容天鏈一號衛(wèi)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(fā)器的通道數(shù)量，確保在提升服務用戶目標數(shù)量的同時，可以適應不同用戶目標的各類數(shù)據(jù)傳輸要求，大大提升了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸效能，對用戶目標的數(shù)據(jù)傳輸能力和對地傳輸總速率可以達到Gbit/s級別，衛(wèi)星服務覆蓋范圍也有了極大的提升，可以同時為更多用戶提供不同傳輸速率的服務。此外，天鏈二號01星的自主工作能力得到提升，并增加了多目標任務調度功能，可以自動接收多目標任務，并自主排序完成。

習近平總書記曾指出：“自主創(chuàng)新是我們攀登世界科技高峰的必由之路”，這句話也很好地體現(xiàn)在天鏈二號的研制過程中。為了實現(xiàn)我國數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星“從有到更強”，達到衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸能力大幅增強、服務目標數(shù)量翻倍等目標，研制團隊在國內外沒有任何可以借鑒先例的情況下，勇于“啃硬骨頭”，集結航天系統(tǒng)內外專家力量，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(jīng)過多年努力，完成了上百項試驗驗證，最終拿下了這一世界性難題。

天鏈二號01星在軌示意圖

隨著2019年3月第一顆天鏈二號衛(wèi)星的發(fā)射，我國第二代中繼衛(wèi)星與第一代相互配合，共同發(fā)力，更好地發(fā)揮著數(shù)據(jù)中轉站作用。

中繼天團踐使命：天地通話一“鏈”牽，信號不斷網(wǎng)速快

目前，“天鏈”衛(wèi)星系統(tǒng)在軌為各類遙感衛(wèi)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(fā)射測控服務，同時，我國“神舟”系列載人飛船，從神舟七號到神舟十二號，以及“天舟”系列貨運飛船，均接受“天鏈”中繼衛(wèi)星系統(tǒng)提供的天基任務支持。

2021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星三星組網(wǎng)，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(shù)據(jù)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(wèi)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(wèi)星天團”聯(lián)手保障能力的一次完美檢閱。

天地通話由空間站、“天鏈”中繼衛(wèi)星和地面站三方面共同完成。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(wèi)星，此時，中繼衛(wèi)星的星間鏈路天線正精準跟蹤著空間站。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??！疤戽湣敝欣^衛(wèi)星系統(tǒng)就像放置在距地面3.6萬千米的幾個“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)，以及下行的科學實驗數(shù)據(jù)都通過這條“天路”進行傳輸。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，通信鏈路也更穩(wěn)定了。

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(tài)、拍攝地球美景，還能幫助航天員通過儀表大屏幕，實現(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?！疤戽湣毙l(wèi)星系統(tǒng)通信的一條鏈路的下行速率便可達到1.2G，中繼衛(wèi)星地面站實時接收太空數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳到北京航天飛行控制中心，再根據(jù)不同標識自動分發(fā)，時延僅為秒級?！疤炻贰狈泵Γ粫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)交換機組成的在軌通信網(wǎng)交換網(wǎng)絡和天地網(wǎng)關系統(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(wǎng)絡，享受到現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)生活帶來的種種便利。

通過“天鏈”衛(wèi)星的三星組網(wǎng)，航天員與地面之間可以進行更長時間的通話。2013年，第一代“天鏈”衛(wèi)星完成三星組網(wǎng)后，首次保障習近平總書記與神舟十號航天員進行了天地通話，也使航天員王亞平的首次太空授課成為可能。本次空間站入軌之后，通過3顆中繼衛(wèi)星和核心艙的中繼終端建鏈，天地測控覆蓋率可達90%以上。到空間站三艙形成組合體后，結合另外兩個艙中繼終端視場，測控覆蓋率可接近100%。

習近平總書記與神舟十號飛船航天員天地通話

神舟十號航天員王亞萍太空授課

整裝再踏新征程：堅持自主創(chuàng)新，提升服務能力，成功報效祖國

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(xiàn)天地間雙向可視通話，再到天和核心艙安上WiFi，實現(xiàn)清晰而不間斷的天地通話，透過兩代“天鏈”衛(wèi)星系統(tǒng)的建設可以看到，我國已經(jīng)走出了一條符合國情、技術上自主創(chuàng)新的道路。

未來，隨著“天鏈”中繼衛(wèi)星的應用范圍不斷擴大，其需求也將不斷增加。用戶類型將由天基航天器用戶逐漸擴展到海、陸、空等各個領域，數(shù)據(jù)中繼業(yè)務類型也將越發(fā)多樣化，對傳輸速率、覆蓋區(qū)和接入的實時性都提出更高的要求。隨著天鏈一號05星和未來天鏈二號后續(xù)衛(wèi)星的相繼發(fā)射，將更進一步提高我國天基測控系統(tǒng)服務用戶的能力以及可靠性與安全性，充分發(fā)揮出天基測控與數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)勢與效能，在中國人探索浩瀚宇宙、建設航天強國的征程中作出更大的貢獻。