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天链“四兄弟”:天地通信架起“星星桥”

时间:2016年11月29日 信息来源:中国航天报 点击: 【字体:

这大概是中国载人航天任务中相当值得着墨的情景——两名航天员在天宫二号空间实验室中可以收发邮件、收看《新闻联播》,自由自在进行天地视频通话。


这一切的实现,均依赖于一个默默无闻的幕后英雄——天链一号中继卫星系统。


2016年11月22日,时隔4年多之后,我国“天链一号”家族再添新丁——由中国航天科技集团公司五院研制的天链一号04星在西昌卫星发射中心顺利升空。


天链一号04星总指挥、总设计师王典军表示,这颗卫星的成功发射,将大大提升我国天基测控系统的可靠性和稳定性,意味着我国天基测控系统进一步走向成熟和完备。


天链一号三星组网示意图


天地之链


在2008年到2012年之间,我国先后将“天链一号”家族的三位兄弟——天链一号01星、02星、03星送入太空,形成了我国的中继卫星系统。


三颗卫星组网运行,实现了对中、低轨航天器近100%的轨道覆盖,使我国在世界上继美国之后第二个拥有了对中、低轨航天器具备全球覆盖能力的中继卫星系统。


中继卫星系统主要应用于载人航天工程,为载人航天器与地面之间的通信提供稳定的天地链路。


在没有中继卫星之前,中、低轨航天器的测控和数据传输主要依靠地面接收设备——也就是我们通常所说的地面站——来打通天地之间的通信渠道。


但是,中、低轨航天器都是在200~2000公里的轨道上,受地球曲率和无线通信直线传播的影响,只有很少一段时间(大概只占其轨道周期的2%~3%)能够与一个固定地面站建立稳定的数据传输链路。


对于在太空飞行的搭载着航天员的航天器,地面恨不得每时每刻都能与其保持联络。可是,同一个地面站能够与航天器保持联通的时间是极其有限的。如果错过了对话时机,想要再次“搭话”,就要等它再次“绕场一周”。


为了赢得更多时间来与航天员“搭话”,就需要尽可能多地在地球表面建设观测站,这包括陆地测控站和远洋测量船。这个办法从理论上可行,但其代价是高昂的。


比如,对于轨道高度高于300公里的航天器,需要在地球上设100多个地面站才能完成每时每刻天地联通的100%覆盖。考虑到经费、地理环境和政治因素,这根本不可能实现。


让事情变得简单可行起来的,是中继卫星系统。


我们可以这样简单表述其原理:在需要保持通信的载人航天器和地面观测站之间,建立一个数据中转站,通过这一中间媒介,把载人航天器的信息转发到地面,从而实现天地联通。这个设想要想成为现实,就需要充当“数据中转站”角色的设备可以对载人航天器和地面观测站实现全覆盖。


这个“数据中转站”正是后来的中继卫星。理论上讲,如果在36000公里高度的地球同步轨道上,均匀部署三颗这样的中继卫星,那么,无论低轨道航天器在什么位置运行,无论一个国家的地面站在地球的什么位置,三颗卫星都可以实现对其100%的覆盖率。


天链一号01星、02星、03星“三兄弟”的相继顺利升空,正式构建起了顺畅通信的“天地之链”。


新星再起


2012年,天链一号三星组网运行后,提供了优质而稳定的数据中继服务。截至目前,01星已经进入超期服役阶段。


“为了保障天基通信的平稳运行,也为了给用户提供优质的服务,需要研制一颗新的中继卫星作为系统备份,也就是天链一号04星。”王典军说。


2014年3月,天链一号04星正式启动研制,随后进入紧锣密鼓的攻关阶段。有了此前“三兄弟”的研制经验,“老四”的降生之路顺畅了很多。


“在前三颗星的研制过程中,我有幸跟随‘大王总’学了很多知识,这些经验对04星的项目攻关起到关键作用。”王典军亲切称呼“天链一号”前三星的总指挥兼总设计师王家胜为“大王总”。


质量,一直是研制团队重点强调的方面。追求“零风险”的天链一号04星科研队伍,不容许有丝毫“沙子”掉进眼睛。他们严把卫星质量关,重申航天质量归零“双五条”,反复开展质量分析验证,确保吃透技术细节、万无一失,将隐患扼杀在摇篮里。


较大幅度地提升了卫星的国产化率,是天链一号04星的一大闪光点。经过科研队伍的技术攻关,最终把天链一号04星的国产化率提升了10个百分点。


30个月的悉心锻造后,天链一号04星一步正样,顺利交付。2016年11月22日,在西昌卫星发射中心,长征三号丙运载火箭护送04星顺利升空,正式投入“天链一号”大家庭的怀抱。


王典军介绍,按照最初的设计,此前的天链一号卫星“三兄弟”分别处于相对地球某一方位的固定位置,但天链一号04星则可以“东西移动”,具备更强的机动性。“他不仅可以接替‘老大’进行工作,必要时刻还可以给‘老二’‘老三’提供支援,成为三颗星中任何一颗的‘补充星’。”王典军说。


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天链一号04星总装。(徐政勤/摄)


幕后英雄


2016年11月9日,习近平总书记与在天宫二号空间实验室内执行任务的两位航天员通话,声音清晰,传输顺畅。这主要归功于幕后英雄“天链一号”家族所提供的优质高效的通信支撑。


为载人航天任务提供通信保障,是我国中继卫星系统的重大使命。就在刚刚完成的天宫二号与神舟十一号飞船交会对接任务中,三星组网运行的天链一号中继卫星系统承担了大量天地通信保障工作。


早在8年前,天链一号01星在神舟七号飞行任务中得到试验验证;5年前,天链一号02星成功发射并与01星共同运行,随即在天宫一号目标飞行器与神舟八号、神舟九号交会对接任务中发挥了重要作用。


在中继卫星系统应用之前,依靠陆地测控站和远洋测量船的天地通信只能为神舟飞船提供12%~14%的全球测控覆盖,也就是说,大部分时间里,飞船通信其实是不在地面测控范围内的。


而“天链一号”家族却使航天员们在太空上拥有了跟在地球表面类似的通信体验。王典军介绍,当前天链一号卫星提供的通信速率远高于普通家庭的网络速率。


在空间探测方面,天链一号中继卫星系统一年365天、每天24小时的通信覆盖,给未来长期有人照料的太空实验室打下了坚实基础。天地通信还可以在第一时间探测到在轨航天器发生的意外状况,及时实施抢救,这对以秒为单位计算的太空救援而言至关重要。


中继卫星的经济效益也相当可观。


在王家胜看来,中继卫星可大幅度减少地面站、测量船的数量,这方面具有极大的经济优势。用三颗卫星来替换大批地面卫星测控站和远洋测量船,“这笔账不管怎么算,我们都是获益者”。


天链一号中继卫星家族在最短的时间内,用最经济的方式和最高效的手段把“天宫”“捷报”传递到地面,却一直默默无闻、不事声张。


或许某一天,当你在载人航天任务的直播画面中、在屏幕上不甚显眼的角落里看到不大起眼的“天链”两个字时,你就会竖起大拇指,为太空中默默执行任务的“天链兄弟”和其背后默默耕耘的航天人点赞。


(作者:赵聪)
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