太空授课表明中国卫星中继系统成功全面建成

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导读:我第一代中继卫星天链系统建成   20日上午,神十航天员王亚平将在天宫一号上面向中小学生进行我国首次太空授课。此次太空授课需要我国强大的航天测控能力作为后盾;需要天链一号数据中继卫星在背后进行支持。   太空中的卫星有很多种, 比如观测气象的气象卫星, 进行广播电视信号传输的通信卫星, 观测地表和浅地层情况的遥感卫星,观测海洋洋流和水温的海洋卫星,进行实时定位的北斗卫星导航定位卫星……等等,这些卫星有一个共同的特点,即数据传输是在地面和卫星之间进行的。   还有一种卫星,它除了可以进行星地
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太空授课表明中国卫星中继系统成功全面建成

我第一代中继卫星天链系统建成

20日上午,神十航天员王亚平将在天宫一号上面向中小学生进行我国首次太空授课。此次太空授课需要我国强大的航天测控能力作为后盾;需要天链一号数据中继卫星在背后进行支持。此次太空授课将通过天链数据“中转站”传送,公众可以看到更稳定、更清晰的实时画面。这也将是对中国第一代中继卫星系统时传输能力的考验和展示。

太空中的卫星有很多种, 比如观测气象的气象卫星, 进行广播电视信号传输的通信卫星, 观测地表和浅地层情况的遥感卫星,观测海洋洋流和水温的海洋卫星,进行实时定位的北斗卫星导航定位卫星……等等,这些卫星有一个共同的特点,即数据传输是在地面和卫星之间进行的。

还有一种卫星,它除了可以进行星地通信外,还可以与其他航天器之间进行星际通信,它的主要任务,就是将一些航天器的数据接收转发,传输到地面或者其他的航天器,反之亦然。 这个信息传递的接力手,就是我们今天用的数据中继卫星。

在没有数据中继卫星之前,卫星数据要传输到地面,就要建立星地通信链路。如果卫星与地球的相对位置是固定不变的,即卫星在36000公里高的地球同步轨道上(大多数是通信广播卫星),建立这样的通信链路就相对方便。可是,绝大多数卫星都是在200-2000公里的低轨道上,比如神舟十号与天宫一号组合体,它们相对地球不停的转动,速度比地球自转快很多。一颗低轨卫星绕地球一周,只在很小的一部分运行轨迹中,能够与一个固定地面站建立稳定数据传输链路。用航天术语来说,一个地面卫星站,对一个中低轨航天器的轨道覆盖率只有大约2%-3%。

就是说,一颗低轨道卫星绕地球一圈,一个地面站只有2%-3%左右的时间,能够“看”到这颗卫星,并和它对话。要想再次和它对话,要等卫星再绕地球一圈,直至我们能“看”到它的时候。所以每次星地对话的时间很短,这样就不能进行太空授课、交流问答。

为了更加实时的掌握低轨航天器数据,就要提高轨道覆盖率。而提高轨道覆盖率,解决的办法有两类。第一类是大大增加地面卫星接收站的数量或大量建造远洋测量船(如“远望”系列测量船),这样做未免太浪费,那是相当的烧钱啊。

第二类办法,就是在太空建立数据中继卫星。

原理是这样的:如果在36000公里的地球同步轨道,均匀部署3颗数据中继卫星,假设为ABC三星。那么,我们就可以实现2个目标

1 无论低轨道卫星在什么位置运行,在它的上方,至少都被ABC中的某一颗中继卫星覆盖。

2 无论一个国家的地面站在地球的什么位置,在它的上方,至少都被一颗固定的中继卫星覆盖,假设为C星。

那么,当低轨道卫星被C星覆盖时,就随时可以将自己的数据通过C星转发本国地面站(当然也可以直接将数据发往地面站而不经过C星转发)。而当低轨道卫星被A或B星覆盖时,就随时可以将自己的数据发给A或B星,A/B星可以将数据接力发给C星,再通过C星与本国地面站的链路传输给地面。

简单说,理论上,一颗地球同步轨道上的数据中继卫星,轨道覆盖率就可以达到50%,三颗就可以实现100%的覆盖率。知道这个就行了。

中继卫星的核心优势是:实时全程测控、实时全程传输、降低测控成本

实时全程测控:中继卫星可以大幅提升航天器(如宇宙飞船、太空实验室、火箭、卫星)的测控覆盖率接近100%。增强了空间交会对接任务实施的安全性和可靠性,为实施手控交会对接、开展空间科学实验等提供了稳妥高效的天基测控通信保障。

实时全程传输:中继卫星作为在太空中运行的数据“中转站”,能使资源卫星、环境卫星等数据实时下传,极大提升各类卫星使用效益和应急能力,同时降低测控成本:最少只要3颗卫星,就可以进行全球中继卫星组网。如果中继卫星的功能足够先进,则可以替代大批地面卫星测控站和远洋测量船,经济效益是非常可观的。于是中国第一代数据中继卫星——“天链一号”,终于登场了。

2008年4月25日23时35分,首星“天链一号01星”,在西昌卫星发射中心由“长征三号丙”运载火箭发射,成功应用于神舟七号载人航天飞行任务,将“神舟”飞船的测控覆盖率从12%提高到40%以上。

2011年7月11日23时41分,中国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭,将“天链一号02星”送入太空,神州飞船测控的轨道覆盖率提高到70%以上。2012年6月16日晚,当“神舟九号”飞船运行至第2圈,测控人员遥控天链01/02两颗中继卫星对飞船实施捕获跟踪,建立了星间双向通信链路。卫星传回了飞船轨道舱的实时画面。大屏幕上,3名航天员的一举一动、一颦一笑清晰展现。

01和02星的出场,看起来好像只是为了神舟和天宫系列飞行器测控做铺垫,在这场航天大戏中,天链传输卫星像一个接力手,更像是一个跑龙套的串场角色,而且还是一个近乎于在后台的龙套——在中国宇航员和神州飞船的耀眼光芒下,天链卫星的故事很少有人知道。在几个小时的神州飞船发射电视直播节目中,只有卫星管控总调度员的三句口令——“天路跟踪准备正常,星间天线回扫开始!”、“ 01星成功捕获神舟九号!前返向链路已建立!”、“ 02星成功捕获神舟九号!前返向链路已建立!”,让我们隐约的看到了天链划过天际的一丝身影。

2012年7月25日天链一号03升空

神九返回落幕之后大约1个月后,即2012年7月25日, 天链一号03星在西昌卫星发射中心成功发射。经过一段时间在轨验证和系统联调后,03星与01星、02星实现了全球组网运行,中国由此正式建成第一代中继卫星系统,并在航天领域愈来愈显现出其独特而深远的作用。

我第一代中继卫星系统建成

最近,在央视对神十发射的直播中,屏幕右上角常会出现"天链"字眼,这是表示当时的视频信号来自"天链一号"数据中继卫星的转发。而"滨海"、"南亚"、"喀什"和"远望"等字眼则分别表示东非肯尼亚的马林迪测控站、南亚巴基斯坦的卡拉奇测控站、中国新疆的喀什测控站和海上的远望系列测控船。

与普通通信卫星相比,数据中继卫星需要克服的第一个技术难题是对航天器的捕获和跟踪。中继卫星运行高度是36000公里,低轨航天器的高度仅为数百公里,距离非常远;而视频、高质量静态图像又需要高速数据传输,中继卫星与低轨航天器之间需要采用增益高、波束极窄的Ku/Ka波段天线进行通讯。通讯距离远、通讯波束窄,这就对跟踪精度提出了极高要求,要达到0.06度。

中继卫星为了与众多中低轨道卫星通信,天线处于复杂的变速运动状态,在转动速度、加速度和角度上都没有规律,天线的机械驱动机构不仅要精度高,而且要求在恶劣工作环境下长时间稳定运行,制造难度很大。同样麻烦的还有天线与卫星的振动耦合问题,非线性结构的天线不规律的运动和振动,对卫星本体姿态控制也有很复杂的影响,对卫星控制也提出了很大的挑战。而天线制造本身也是一个难题,高数据传输速率要求高增益天线,通俗地说,中继卫星的抛物面通信天线尺寸要尽可能的大。同时,Ku/Ka波段波长小,对天线抛物面精度要求也非常高。数米直径的抛物面天线整体形面误差要低于0.1毫米,并且要在外太空高温差条件下长期保持这样的精度,其难度可想而知。

所以,数据中继卫星可以称得上是当今技术含量最高的通讯卫星。我国在去年完成第一代"天链一号"数据中继卫星体系的建设,进行“太空授课”实则是对自己航天测控实力的一次展示。(

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