天链一号：神舟与天宫的太空基站

据新闻媒体报道，21日晚七点，天宫二号和神舟十一号的组合体进入天链一号03卫星的测控弧段，航天员在太空中实时观看了中央电视台播出的新闻联播。这已经不是“天链一号”卫星系统第一次展现它所带来的强大天地通信能力了。三年前，在神舟十号与天宫一号交会对接后，航天员王亚平进行了我国历史上第一次太空授课，在40分钟的时间里，飞船围绕地球转过了半圈，而视频信号却能清晰、连续的传输到地面上。观看太空授课的中小学生还能流畅的和太空中的航天员进行交流。如果只靠地面测控站，而没有“天链一号”，这种场景不会成为现实。

（直播画面右上角的“天链”标志说明此时视频信号是通过天链一号中继卫星系统传输的）

手机天线的收发距离并不大，而手机之所以能够随时随地的接入移动网络，是依靠移动运营商布置的大量移动网络基站。神舟、天宫等航天器在太空中飞行时，要与地面保持通信，就需要和移动通信基站功能相似的测控站来进行信号传输。由于无线电直线传播的特性和地球曲率的限制，地面测控站所能覆盖的范围有限。据测算，如过要实现对神舟、天宫的轨道通信全覆盖，需要在全球建设一百多个测控站，而这几乎是不可能的：一方面，我国领土范围有限，在境外大量设站又要考虑政治因素，难度较大；另一方面，地球表面约70%的面积是海洋，当飞船通过海洋上空时，只能通过大型测控船来进行通信，进一步增加了成本。在天链一号投入使用前，尽管我国在境外设立了若干测控站，也在海洋上部署了多艘“远望”号测量船，但对飞船轨道的通信覆盖率也只能达到13%。

（天链一号卫星“真容”）

天链一号中继卫星的出现，让天地通信的难题迎刃而解。它是宇宙飞船和其他卫星的数据中转站，运行在地球赤道上空36000千米的地球同步轨道，可以利用居高临下的优势，对轨道高度为300多千米的神舟、天宫和其他中低轨道航天器或地面目标进行跟踪、测控和数据中转。与地面测控站相比，天链一号这样的中继卫星最大的优势在于覆盖范围广。一颗天链一号卫星对神舟、天宫轨道的通信覆盖率就能达到50%，三颗天链一号卫星组网形成系统后，可以实现整个轨道的通信全覆盖。同时，使用中继卫星后，天地通信的带宽极大的提高了。地面向飞船的上行通信带宽由Kbps量级提高到了Mbps量级,下行通信带宽由Mbps量级提高到了百Mbps量级。在神舟七号任务期间，天链一号01星进行初步测试，更高的带宽让地面控制人员看到了更清晰的飞船画面，甚至能看清航天员的胡子。

中继卫星好处多多，但研发它也要克服许多技术难题。天链一号中继卫星的天线波束较窄，仅为0.15度～0.3度，这相当于一个人几乎看清处于它正前方的物体。在这种情况下，卫星必须使用高精度捕获飞船位置的技术，才能保持卫星与飞船间的通信链路。为了获得比较大的天线电尺寸（天线直径/信号波长），天链卫星使用了频率在26～40GHz的Ka波段信号。而工作在这个波段的天线，对天线尺寸的精度要求极高。直径为几米的天线，即便在太空极端的温差环境下，其形面误差也要小于0.4毫米，设计制造这样的天线是异常艰难的任务。天链一号在工作时，天线处于轨迹复杂、速度变化的运动中。天线转动部分的质量高达150Kg，如何在抵消天线转动的影响、保持卫星姿态稳定也是一个技术挑战。

我国的航天技术人员一一攻破了这些技术难题，成功的在2008年4月25日将天链一号01星送入太空。在当年9月的神舟七号任务中，天链一号01星进行了通信试验，成功的完成了对神舟七号载人飞船的精确捕获、链路建立、数据中继、测控和跟踪任务。在之后的两年中，天链一号02星和天链一号03星成功发射，形成了中低轨航天器100%的轨道覆盖率的中继卫星系统。目前，除了美国外，我国是唯一一个拥有全球覆盖能力的天基信息传输系统的国家。欧洲、日本、俄罗斯虽然也发射了中继卫星，但都没有形成全球覆盖能力。一般来说，由三颗同步轨道卫星组成的全球覆盖通信网，一般会将卫星均匀布置在同步轨道上，经度上的间隔为120度。美国的TDRSS网络就采用了这种方案。然而，如果天链一号采用这种方案，就必须在我国领土之外设立天链卫星的控管站。为了消除境外不确定因素的影响, 拥有完全独立自主的天基信息传输系统, 天链一号采用了另一种方案：将两颗天链卫星间的经度距离设置为160度左右，分别布置在我国的东西两侧，在国土的东西部各设一控管站, 利用高速光纤将它们和控管中心连成系统。将第三颗星置于东星和西星之间，起到增强能力和部分备份的作用。

（美国TDRSS网络的卫星布置）

(天链一号三星组网的卫星位置)

除了为载人航天屡立新功，天链一号还有许多其他的用途。比如，它可以为我国的地面观测卫星提供数据中继，当卫星运行在我国国土地面站不可见的轨道弧段时，高清数据也能通过天链卫星实时传回。以前，在发射同步轨道卫星时，火箭的飞行路径上总存在一段通信盲区，地面控制人员无法得到这个时段火箭的运行信息。天链一号的通信中继使得这样的盲区不会继续存在于今后的发射中。根据2008年解密的资料，美国TDRSS网络除了为NASA的航天活动提供服务外，还为美国国家侦查局的间谍卫星提供数据中继服务，在国防军事领域大展身手。而在目前国内公开的资料中，天链一号的服务对象还包括“特殊用途的飞机和其他飞行器等非航天用户”。在航天飞行之外，什么飞行器还要进入太空呢？读者朋友可以充分发挥想象。

发表于 2016-10-26 00:00
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