太空授課背後的中國航天實力

孤寂如雲

天鏈一號數據中繼衛星模擬圖

20日上午10時05分至55分，神十航天員王亞平在天宮一號(微博)上進行我國首次太空授課。此次太空授課主要面向中小學生，講授失重條件下的物體運動特點、以及液體表面張力作用等內容。

或許有人會認為這沒什麼實際意義，或許還會有人認為這不過是激發青少年航天熱情的太空秀。太空授課看似是很簡單的一項任務，但鮮為人知的是，這需要強大的航天測控能力在背後進行支持，特別是數據中繼衛星的支持。

神舟天宮組合體運行在距離地面大約340公里的高度，屬於近地軌道航天器，繞地球運行一圈的時間約為90分鐘。

受地球曲率影響，地面或海面單個測控站對340公里高度的神舟天宮組合體的測控、通訊範圍很小，如果要保持不間斷的通聯，理論上需要布設100多個站點均勻分布在地表，這在經濟上、政治上都是不可能的。此次太空授課的時長是50分鐘，從上課開始到結束，這期間神舟天宮組合體已經圍繞地球飛行了半圈多，依靠地面測控站進行不間斷視頻直播的話，最理想情況也需要10多個測控站，我國的地面測控體系現在也缺乏這個條件。

大型航天測控船造價昂貴，運行費用也非常高

在冷戰期間，美蘇兩個航天強國遇到同樣的問題，他們依靠其強大經濟實力、以及政治影響力，在全球多個國家建立了地面測控站，建造了大量測控船及飛機，但也無法實現對低軌航天器的無間斷測控。直至1983年，美國人開始將目光投向太空，他們發射了運行在靜止軌道上的數據中繼衛星。低軌航天器先將數據上傳至中繼衛星，中繼衛星再將數據傳回至地面，即一個"星-星-地"的通訊流程。中繼衛星運行36000公里高度的靜止軌道上，分布均勻的3顆衛星即可以基本實現對200-1200公里高度航天器運行軌道的全覆蓋。相較地面、海上測控站點，數據中繼衛星具有覆蓋面積廣、實時性高、經濟性好等優點。

我國則分別在2008年和2011年發射了"天鏈一號"數據中繼衛星的01、02星，天鏈一號03星在2012年7月25日發射成功，由此建立第一代數據中繼衛星系統。細心的讀者可以發現，在央視對神十發射的直播中，屏幕右上角有時會出現"天鏈"字眼，這是表示當時的視頻信號來自"天鏈一號"數據中繼衛星的轉發。而"濱海"、"南亞"、"喀什"和"遠望"等字眼則分別表示東非肯尼亞的馬林迪測控站、南亞巴基斯坦的卡拉奇測控站、中國新疆的喀什測控站和海上的遠望系列測控船。

天鏈一號衛星只需3顆即可覆蓋全球，造價低、運行費用也低，可謂物美價廉

天鏈一號衛星中繼傳回的太空授課畫面，注意右上角的“天鏈”字眼（圖片來源：中國航天）

數據中繼衛星是個好東西，但技術難度卻相當大，美國在60年代即成功發射靜止軌道通信衛星，但在約20年後才擁有數據中繼衛星。我國則直至去年才建立自己的數據中繼衛星系統。

與普通通信衛星相比，數據中繼衛星需要克服的第一個技術難題是對航天器的捕獲和跟蹤。中繼衛星運行高度是36000公里，低軌航天器的高度僅為數百公里，距離非常遠；而視頻、高質量靜態圖像又需要高速數據傳輸，中繼衛星與低軌航天器之間需要采用增益高、波束極窄的Ku/Ka波段天線進行通訊。通訊距離遠、通訊波束窄，這就對跟蹤精度提出了極高要求，要達到0.06度。

中繼衛星為了與眾多中低軌道衛星通信，天線處於復雜的變速運動狀態，在轉動速度、加速度和角度上都沒有規律，天線的機械驅動機構不僅要精度高，而且要求在惡劣工作環境下長時間穩定運行，制造難度很大。同樣麻煩的還有天線與衛星的振動耦合問題，非線性結構的天線不規律的運動和振動，對衛星本體姿態控制也有很復雜的影響，對衛星控制也提出了很大的挑戰。而天線制造本身也是一個難題，高數據傳輸速率要求高增益天線，通俗地說，中繼衛星的拋物面通信天線尺寸要盡可能的大。同時，Ku/Ka波段波長小，對天線拋物面精度要求也非常高。數米直徑的拋物面天線整體形面誤差要低於0.1毫米，並且要在外太空高溫差條件下長期保持這樣的精度，其難度可想而知。

數據中繼衛星天線尺寸大、加工精度高、測角精度也非常高，其技術難度可想而知

所以，數據中繼衛星可以稱得上是當今技術含量最高的通訊衛星。我國在去年完成第一代"天鏈一號"數據中繼衛星體系的建設，今年進行"太空授課"實則是對自己航天測控實力的一次展示。

更為重要的是，天鏈一號的作用並不僅限於為神舟、天宮服務，它還可以為中低軌道的各類民用遙感衛星、軍用偵察衛星提供測控、數據中繼服務，對國民經濟、國防建設均有巨大的促進作用。

騰訊軍事