太空授课背后的中国航天实力

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20日上午10时05分至55分,神十航天员王亚平在天宫一号上进行我国首次太空授课。此次太空授课主要面向中小学生,讲授失重条件下的物体运动特点、以及液体表面张力作用等内容。

或许有人会认为这没什么实际意义,或许还会有人认为这不过是激发青少年航天热情的太空秀。太空授课看似是很简单的一项任务,但鲜为人知的是,这需要强大的航天测控能力在背后进行支持,特别是数据中继卫星的支持。

受地球曲率影响,地面或海面单个测控站对340公里高度的神舟天宫组合体的测控、通讯范围很小,如果要保持不间断的通联,理论上需要布设100多个站点均匀分布在地表,这在经济上、政治上都是不可能的。此次太空授课的时长是50分钟,从上课开始到结束,这期间神舟天宫组合体已经围绕地球飞行了半圈多,依靠地面测控站进行不间断视频直播的话,最理想情况也需要10多个测控站,我国的地面测控体系现在也缺乏这个条件。

天链一号卫星只需3颗即可覆盖全球,造价低、运行费用也比较低,可谓物美价廉。

在冷战期间,美苏两个航天强国遇到同样的问题,他们依靠其强大经济实力、以及政治影响力,在全球多个国家建立了地面测控站,建造了大量测控船及飞机,但也无法实现对低轨航天器的无间断测控。直至1983年,美国人开始将目光投向太空,他们发射了运行在静止轨道上的数据中继卫星。低轨航天器先将数据上传至中继卫星,中继卫星再将数据传回至地面,即一个"星-星-地"的通讯流程。中继卫星运行36000公里高度的静止轨道上,分布均匀的3颗卫星即可以基本实现对200-1200公里高度航天器运行轨道的全覆盖。相较地面、海上测控站点,数据中继卫星具有覆盖面积广、实时性高、经济性好等优点。

我国则分别在2008年和2011年发射了"天链一号"数据中继卫星的01、02星,天链一号03星在2012年7月25日发射成功,由此建立第一代数据中继卫星系统。细心的读者可以发现,在央视对神十发射的直播中,屏幕右上角有时会出现"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。

数据中继卫星是个好东西,但技术难度却相当大,美国在60年代即成功发射静止轨道通信卫星,但在约20年后才拥有数据中继卫星。我国则直至去年才建立自己的数据中继卫星系统。

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,今年进行"太空授课"实则是对自己航天测控实力的一次展示。

更为重要的是,天链一号的作用并不仅限于为神舟、天宫服务,它还可以为中低轨道的各类民用遥感卫星、军用侦察卫星提供测控、数据中继服务,对国民经济、国防建设均有巨大的促进作用。

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,它的的作用并不仅限于为神舟、天宫服务,还可以为中低轨道的各类民用遥感卫星、军用侦察卫星提供测控、数据中继服务。我国在去年完成第一代"天链一号"体系的建设,今年的"太空授课"就是对自身航天测控实力的一次展示。


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