2022年6月5日，神舟十四號載人飛船出征太空，電視直播中傳出“天路前返向鏈路正常，天路跟蹤正常”的口令，航天科技集團五院天鏈衛(wèi)星系統(tǒng)研制團隊的成員會心一笑——這是他們再熟悉不過的場景。
十余年來，天鏈數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)持續(xù)為我國載人航天工程提供可靠穩(wěn)定的天基測控與數(shù)傳服務(wù)。7月13日，隨著天鏈二號03星成功發(fā)射，我國第二代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)完成三星組網(wǎng)。五院的研制團隊將多條高速“天路”編織成了一張多重覆蓋的高速“天網(wǎng)”。
天鏈一號“從無到有”
測控覆蓋率從18%到近100%
跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)是為中低軌道的航天器與航天器之間、航天器與地面站之間提供數(shù)據(jù)中繼、連續(xù)跟蹤與在軌測控服務(wù)的系統(tǒng)，是20世紀航天測控通信技術(shù)的重大突破。
在天鏈中繼衛(wèi)星投入使用前，我國一直依托一系列陸基測控站和遠望系列遠洋測量船支撐衛(wèi)星、飛船和探測器的發(fā)射測控與在軌通信任務(wù)。然而，由于受地球曲率的影響，地面和海上測控對中低軌道航天器的軌道覆蓋范圍非常有限。如要實現(xiàn)對300公里高度的低軌道航天器100%覆蓋，理論上需要在地表均勻布設(shè)100多個站點，這顯然難以實現(xiàn)。
中繼衛(wèi)星被稱為“衛(wèi)星的衛(wèi)星”，可以充分發(fā)揮軌道高度優(yōu)勢，“居高臨下”跟蹤在中低軌運行的航天器，并將獲得的數(shù)據(jù)實時回傳到地面，可極大提高各類衛(wèi)星的使用效益和應(yīng)急能力，大幅度減少地面站、測量船的數(shù)量，具有巨大的經(jīng)濟優(yōu)勢。美國、俄羅斯及歐洲在20世紀80年代便開始著手建設(shè)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，并得到了廣泛的應(yīng)用。我國從20世紀80年代初期開始對中繼衛(wèi)星進行研究，并在“九五”期間開展了一系列的預(yù)研工作，為我國第一代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。
天鏈一號中繼衛(wèi)星于2003年由五院抓總啟動，以當(dāng)時最新研制的東方紅三號衛(wèi)星平臺為基礎(chǔ)開展研制。由于中繼衛(wèi)星不同于傳統(tǒng)通信衛(wèi)星，必須解決中低軌道高速運動用戶目標(biāo)與同步軌道衛(wèi)星之間的精確捕獲與跟蹤的難題，這對于中繼衛(wèi)星采用大口徑跟蹤天線的星間鏈路捕獲跟蹤能力提出了極高的要求。另外，天線與衛(wèi)星的姿態(tài)耦合等問題，也對衛(wèi)星研制提出了很大的挑戰(zhàn)。
研制團隊迎難而上，攻克了重重難題。2008年4月，我國首顆數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星天鏈一號01星成功發(fā)射，這意味著我國的中低軌航天器開始擁有天上的數(shù)據(jù)“中轉(zhuǎn)站”。天鏈一號01星發(fā)射后，神舟七號飛船的測控覆蓋率從18%提高到了50%。
▲天鏈一號衛(wèi)星在軌示意圖
2011年7月，隨著天鏈一號02星的成功發(fā)射，對用戶航天器的軌道覆蓋率達到了85%。2012年7月，天鏈一號03星成功發(fā)射，天鏈一號實現(xiàn)三星在軌組網(wǎng)工作，三顆衛(wèi)星分別在非洲、印度洋、太平洋上空對低軌用戶航天器實現(xiàn)了近100%的覆蓋。至此，我國成為繼美國之后第二個擁有全球覆蓋能力中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的國家，為我國神舟飛船、空間實驗室、空間站等提供數(shù)據(jù)中繼與測控服務(wù)，支持空間交會對接任務(wù)，同時為我國中、低軌的資源系列、高分系列等衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，并為航天器發(fā)射提供測控支持。
2016年12月，天鏈一號04星成功發(fā)射，接替超期服役的01星。2021年7月，天鏈一號05星成功發(fā)射，我國第一代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)研制圓滿收官。天鏈一號實現(xiàn)了我國在數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星領(lǐng)域的“從無到有”，建立了天地間信息“天網(wǎng)”。
天鏈二號“從有到強”
天鏈中繼網(wǎng)傳輸速率成倍提升
在第一代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)緊鑼密鼓開展建設(shè)的同時，第二代中繼衛(wèi)星的研制已經(jīng)提上日程。
2010年，我國啟動了天鏈二號衛(wèi)星的研制工作。天鏈二號01星基于東方紅四號平臺，在充分繼承了第一代中繼衛(wèi)星技術(shù)狀態(tài)的基礎(chǔ)上，采用了更加先進的有效載荷技術(shù)，配置多副新型天線。天鏈二號衛(wèi)星兼容天鏈一號衛(wèi)星的工作頻率，并擴展了工作頻率的帶寬和轉(zhuǎn)發(fā)器的通道數(shù)量，傳輸速率增加了1倍，大大提升了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸效能，衛(wèi)星服務(wù)覆蓋的范圍也有了極大提升，可以兼顧部分36000公里的同步軌道用戶航天器的服務(wù)需求。
由于采用了大量新技術(shù)，國內(nèi)沒有同類研制經(jīng)驗可以借鑒，天鏈二號01星研制團隊面臨著重重困難，開始了“啃硬骨頭”的艱難時期。在五院的支持下，他們集結(jié)航天系統(tǒng)內(nèi)外的專家力量，在熱控、結(jié)構(gòu)、控制、電子、天線以及材料工藝等方面開展攻關(guān)。經(jīng)過近三年努力，研制團隊完成了上百項試驗驗證，最終在2019年3月將天鏈二號01星送入太空。我國中繼衛(wèi)星系統(tǒng)邁出了升級換代的第一步，進入兩代中繼衛(wèi)星“聯(lián)手”應(yīng)用階段。
▲天鏈二號衛(wèi)星在軌示意圖
2021年12月，天鏈二號02星成功發(fā)射，該衛(wèi)星可工作在不同軌位，具有較強的軌道適應(yīng)能力，提升了衛(wèi)星在軌的機動性和靈活性；同時衛(wèi)星單機國產(chǎn)化率顯著提升，研制周期大幅縮短，驗證了天鏈二號衛(wèi)星具備快速研制的能力。
2022年7月，天鏈二號03星成功發(fā)射，我國第二代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)完成了三星組網(wǎng)的建設(shè)，有力推動了我國天基測控與傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的步伐。
第一代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)從第一顆衛(wèi)星發(fā)射到三星組網(wǎng)用了4年3個月，第二代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)從第一顆衛(wèi)星發(fā)射到三星組網(wǎng)用了3年3個月。時隔10年，我國“數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星天團”陣容再次升級，天基中繼系統(tǒng)的健壯性、可靠性、靈活性和服務(wù)能力得到進一步提升。
如果說天鏈一號實現(xiàn)了我國數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星“從無到有”，天鏈二號三星組網(wǎng)則實現(xiàn)了“從有到強”。
架起“天路”
天地通話一“鏈”牽
天鏈系列中繼衛(wèi)星作為“太空基站”，鏈接地面站與航天器，已成為我國太空活動不可或缺的重要組成部分。
從神舟七號到神舟十四號，8艘飛船20人次的太空飛行，任務(wù)執(zhí)行時間從2天20小時到接近半年，天鏈系列衛(wèi)星如影相隨；天舟系列貨運飛船從一號到四號，天鏈系列衛(wèi)星相伴左右；天宮一號空間實驗室、天宮二號空間實驗室以及空間站的建造均離不開天鏈系列中繼衛(wèi)星的天基支持。
2021年6月23日，習(xí)近平總書記同正在太空執(zhí)行任務(wù)的神舟十二號航天員乘組親切通話。大屏幕上，航天員的視頻畫面清晰流暢，聲音清脆響亮。此時，以天鏈二號01星為接入節(jié)點的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)正進行實時數(shù)據(jù)傳輸，為這場天地通話提供了流暢穩(wěn)定的中繼服務(wù)保障。此外，神舟十三號乘組多次在軌開展“太空授課”，授課直播畫面清晰流暢，“天地互動”實時暢通。這背后，同樣離不開天鏈數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的全程保駕護航。
當(dāng)前，隨著天鏈數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的組網(wǎng)應(yīng)用，全天候、全球覆蓋的天基測控網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)建成，長時間不間斷、穩(wěn)定可靠的天地通話已成為現(xiàn)實，天鏈中繼衛(wèi)星架起了一條連通天地、暢通無阻的“天路”。從短暫的天地通話，到如今空間站上的航天員可以隨時與地面進行視頻和語音通信，暢享全Wifi智能生活，天鏈中繼衛(wèi)星連通天地已經(jīng)盡在掌握。
服務(wù)范圍進一步擴大
任務(wù)量增加
隨著第二代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)三星組網(wǎng)，我國形成了第一代、第二代多星組網(wǎng)的架構(gòu)，為更多的中低軌航天器提供更強大的測控與數(shù)傳服務(wù)。三星組網(wǎng)后，我國同步軌道測控的覆蓋率進一步提升，測控網(wǎng)絡(luò)多波束覆蓋將實現(xiàn)對軌道覆蓋范圍進一步擴大，星地一體化實現(xiàn)中低軌道的全覆蓋，用戶服務(wù)數(shù)量進一步增加。
除支持載人航天任務(wù)外，從運載火箭發(fā)射測控服務(wù)到各類遙感衛(wèi)星在軌的測控與數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，天鏈中繼衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)每天在軌任務(wù)量逐漸增加。相比第一代中繼衛(wèi)星三星組網(wǎng)的任務(wù)量，隨著中、低軌道遙感、測繪、氣象等衛(wèi)星數(shù)量的快速增加，每條星間鏈路每天的任務(wù)量幾乎翻了一倍。高效完成這些任務(wù)，是星地一體任務(wù)優(yōu)化效率提升的結(jié)果。
2022年4月發(fā)射的中星6D衛(wèi)星是第一顆在我國民商用通信衛(wèi)星領(lǐng)域采用中繼測控技術(shù)的衛(wèi)星。該衛(wèi)星配置了中繼測控子系統(tǒng)，發(fā)射后由中繼衛(wèi)星直接將測控信息回傳至地面站，降低了對海外測控站點和測量艦船的依賴，再一次展示了我國對衛(wèi)星的自主測控能力，并將測控服務(wù)軌道高度提升到了同步軌道。
五院天鏈中繼衛(wèi)星研制團隊堅持自主研發(fā)、創(chuàng)新攻關(guān)，走出了一條符合我國國情的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)道路。未來，各類用戶航天器數(shù)量的快速增長，對天基測控與數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性需求、系統(tǒng)接入能力以及多目標(biāo)服務(wù)能力提出了更高的要求。為了更好地服務(wù)用戶航天器，天鏈數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)家族也將迎來更多新成員。
