中國空間站結構示意圖。

天鏈衛星係統在軌運行示意圖。

在九天之上的太空工作和生活到底是什麽(me) 體(ti) 驗？人們(men) 對此無疑充滿好奇，紛紛密切關(guan) 注航天員聶海勝、劉伯明和湯洪波進駐天和核心艙一個(ge) 多月以來的一舉(ju) 一動，從(cong) 他們(men) 的餐飲飯食到休息睡眠，從(cong) 健身鍛煉到娛樂(le) 休閑，從(cong) 出艙活動到艙內(nei) 實驗……

其中給人印象特別深刻的是，他們(men) 雖然身處太空，但是像我們(men) 在地麵上一樣，通過WiFi享受著高速“衝(chong) 浪”的網上生活，他們(men) 與(yu) 地麵之間保持高速的網絡鏈路，可以進行清晰的語音和視頻通話。不僅(jin) 如此，空間站艙外布置的攝像頭拍攝到太空日落和藍色地球的美景也呈現在人們(men) 麵前，頻頻帶來視覺震撼。這背後離不開中國多年傾(qing) 力打造的天鏈中繼衛星係統，構建起的天地一體(ti) 化的強大的信息交換和傳(chuan) 輸網絡。就在3名航天員在天和核心艙開啟太空生活之際，7月6日，第五顆天鏈一號從(cong) 西昌衛星發射中心成功發射入軌，使天鏈中繼衛星係統效能進一步增強。

路基、海基受限

天基中繼勢在必行

中繼衛星被稱為(wei) “衛星的衛星”，可以充分發揮軌道高度優(you) 勢，“居高臨(lin) 下”跟蹤在中低軌運行的航天器，並把獲得的數據實時回傳(chuan) 到地麵，可極大提高各類衛星的使用效益和應急能力。中繼衛星係統為(wei) 中、低軌道的航天器與(yu) 航天器之間、航天器與(yu) 地麵站之間提供數據中繼、連續跟蹤與(yu) 軌道測控服務，是20世紀航天測控通信技術的重大突破。

在天鏈中繼衛星投入使用前，中國一直依托一係列陸基測控站和遠望係列遠洋測量船支撐衛星、飛船和探測器的發射測控與(yu) 在軌通信任務。然而，由於(yu) 受地球曲率的影響，地麵和海上測控對中低軌道航天器的軌道覆蓋範圍非常有限，載人飛船約90分鍾繞地球一圈，多數時間無法和地麵測控係統實時聯係。

要實現對300公裏高度的低軌道航天器全覆蓋，理論上需要在地表均勻布設100多個(ge) 站點，這顯然是極困難的。2003年，航天員楊利偉(wei) 搭乘神舟五號載人飛船升空，其間曾數次進行天地通話，但每次都有嚴(yan) 格的時間窗口限製。當時天地通話帶寬很低，楊利偉(wei) 隻能聽到地麵的聲音，看不到畫麵，地麵人員雖然可以看到楊利偉(wei) 的畫麵，但是較模糊且時常“卡頓”。

麵對地麵測控網對低軌道載人飛船覆蓋率受限的狀況，中國一方麵努力增設海外測控站，另一方麵以當時最新研製的東(dong) 方紅三號衛星平台為(wei) 基礎展開自己的第一代數據中繼衛星的研製。

天鏈一號

初架起信息“天路”

2008年4月，天鏈一號01星在西昌衛星發射中心成功發射，意味著中國的中低軌航天器開始擁有天上的數據“中轉站”，使神舟七號飛船的測控覆蓋率從(cong) 18%大幅提高到50%。

2011年和2012年，天鏈一號02星、03星先後成功發射，實現了3星在軌組網工作。利用東(dong) 、中、西3個(ge) 區的軌位優(you) 勢，實現了中、低軌道航天器全球覆蓋的天基信息傳(chuan) 輸係統，中低軌道覆蓋率提升到100%，為(wei) 我國神舟飛船、空間實驗室、空間站提供數據中繼與(yu) 測控服務，支持空間交會(hui) 對接任務，同時為(wei) 我國中、低軌資源係列、高分係列等衛星提供數據中繼服務，為(wei) 航天器發射提供測控支持，使我國成為(wei) 繼美國之後第二個(ge) 擁有全球覆蓋能力中繼衛星係統的國家。

為(wei) 實現係統完全自主可控，天鏈一號項目團隊提出大經度間距軌位布星組網的方案，實現了隻在國內(nei) 設站即可滿足中低軌道航天器全球覆蓋的能力，具有衛星數量少、控管網絡簡單且任務調度效率高的優(you) 點。項目團隊實現了衛星自主閉環精密捕獲跟蹤技術是中繼衛星的關(guan) 鍵技術突破，解決(jue) 了高速運動的衛星之間的捕獲與(yu) 跟蹤難題，實現了高質量的星間鏈路通信。此外，項目團隊還突破了高性能天線研製障礙，通過機、電、熱一體(ti) 化設計等技術，解決(jue) 了高精度反射麵、雙頻跟蹤天線的設計與(yu) 製造難題，實現了微波高速數據傳(chuan) 輸。

第一代天鏈衛星實現了中國在數據中繼衛星領域的“從(cong) 無到有”，在天地間架起一條信息“天路”。

天鏈二號

實現速率和壽命等升級

2010年，中國啟動了天鏈二號的研製。天鏈二號01星基於(yu) 東(dong) 方紅四號平台研製，在充分繼承了第一代中繼衛星的技術基礎的同時，在服務目標數量、傳(chuan) 輸速率方麵有較大提升，具有服務目標更多、傳(chuan) 輸速率更高、覆蓋範圍更廣、設計壽命更長等特征。

相比基於(yu) 東(dong) 方紅三號衛星平台的天鏈一號衛星，天鏈二號的衛星設計壽命由7年提升至12年。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(chuan) 輸速率增加了1倍。在兼容天鏈一號衛星工作頻率的同時，天鏈二號擴展了工作頻率的帶寬和轉發器的通道數量，確保在提升服務用戶目標數量的同時，可以適應不同用戶目標的各類數據傳(chuan) 輸要求，大大提升了係統的數據傳(chuan) 輸的速率和傳(chuan) 輸效能，對用戶目標的數據傳(chuan) 輸能力和對地傳(chuan) 輸總速率可以達到Gbit/s級別，衛星服務覆蓋的範圍也有了極大提升，可以同時為(wei) 更多用戶提供不同傳(chuan) 輸速率的服務。

為(wei) 了實現我國數據中繼衛星“從(cong) 有到更強”，達到衛星數據傳(chuan) 輸能力大幅增強、服務目標數量翻倍等目標，研製團隊在熱控、結構、控製、電子、天線以及材料工藝等方麵開展攻關(guan) ，經過多年努力，完成了上百項試驗驗證，最終攻克了這一世界性難題。

2019年3月，天鏈二號01星成功發射，中國中繼衛星成功升級，進入兩(liang) 代“合璧”應用新時期。

中繼“天團”

高水平服務空間站

今年5月29日，天舟二號飛船順利入軌後，天鏈一號03星、04星，天鏈二號01星組網，對天和核心艙、天舟二號貨運飛船提供雙目標天基測控與(yu) 數據中繼支持。6月23日，習(xi) 近平總書(shu) 記與(yu) 神舟十二號航天員通話，正是通過天鏈二號衛星與(yu) 核心艙建鏈提供的支持。此次流暢、清晰、高質量的天地通話，是對天鏈中繼衛星“天團”聯手保障能力的一次完美檢閱。

天鏈中繼衛星係統就像放置在距地麵3.6萬(wan) 公裏的幾個(ge) 太空基站，將空間站和地麵站連接起來，建立起一條太空“天路”，空間站與(yu) 地麵之間的語音、視頻、電子郵件數據，以及科學實驗數據都通過這條“天路”傳(chuan) 輸。本次視頻通話畫麵更清晰、通話更順暢，反映出天鏈中繼衛星係統與(yu) 空間站、地麵站之間的信息傳(chuan) 輸速率更高，通信鏈路更穩定。

空間站核心艙配置了多路高清攝像機，不僅(jin) 能讓地麵實時看到空間站狀態、拍攝地球美景，還能幫助航天員通過儀(yi) 表大屏幕，實現與(yu) 地麵間的雙向高清視頻通話，這就對數據傳(chuan) 輸速率提出了更高要求。天鏈衛星係統通信的一條鏈路的下行速率便可達到是1.2G，中繼衛星地麵站實時接收太空數據，然後將數據傳(chuan) 到北京飛控中心，再根據不同標識自動分發，時延僅(jin) 為(wei) 秒級。“天路”繁忙但不“擁堵”，更不會(hui) 中斷。

在天地通信體(ti) 驗上，空間站與(yu) 之前的天宮空間實驗室最大的不同是，增加了天地互聯網通信係統，空間以太網交換機組成的在軌通信網交換網絡和天地網關(guan) 係統，使天地間的互聯網融為(wei) 一體(ti) 。天地互聯網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熱點接入網絡，享受到現代互聯網生活帶來的種種便利。

應用範圍

將擴展至海、陸、空各領域

從(cong) 神舟五號通話時隻能聽到地麵聲音、看不到地麵畫麵，到神舟九號實現天地間雙向可視通話，再到天和核心艙安上WiFi，實現清晰而不間斷的天地通話，兩(liang) 代天鏈衛星係統見證了中國航天奮進的曆史軌跡。經過多年發展，今天的天鏈中繼衛星係統已經拓展到更為(wei) 廣闊的服務空間，除了為(wei) 天宮空間站、神舟係列載人飛船和天舟係列貨運飛船，提供天基服務支持之外，還在軌為(wei) 各類遙感衛星提供天基信息傳(chuan) 輸與(yu) 測控服務，為(wei) 長征係列運載火箭提供發射測控服務。

未來，隨著天鏈中繼衛星的應用範圍還將不斷擴大，對其需求也將會(hui) 不斷增加。可以預見，其用戶類型將由天基航天器用戶逐漸擴展到海、陸、空各領域，數據中繼業(ye) 務類型也將越發多樣化，對傳(chuan) 輸速率、覆蓋區和接入的實時性也將提出更高要求。

隨著後續天鏈係列衛星發射，中國天基測控係統服務用戶的能力以及可靠性與(yu) 安全性將更進一步提高，天基測控與(yu) 數據傳(chuan) 輸的優(you) 勢與(yu) 效能將進一步發揮出來，為(wei) 航天強國建設，為(wei) 推進人類認識和利用太空繼續作出貢獻。

中繼衛星保障天地通話（鏈接）

天地通話由空間站、天鏈中繼衛星和地麵站3方麵共同完成。

地麵通話信息先從(cong) 地麵站通過星地上行鏈路到達天鏈中繼衛星，此時，中繼衛星的星間鏈路天線正精準跟蹤著空間站。中繼衛星收到地麵站的通話信息後，再通過自身的星間鏈路天線傳(chuan) 輸給空間站，這樣航天員就接收到了來自地麵的通話信息。

同樣，航天員給地麵的通話信息也依次通過空間站中繼終端、天鏈中繼衛星、星地下行鏈路等傳(chuan) 輸到地麵站。（範 晨 陳小群 本文得到中國航天科技集團五院通信與(yu) 導航衛星總體(ti) 部通信衛星總體(ti) 研究室、政治工作處大力支持）

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