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太空授课超级功臣:天链卫星,突破美国阻挠,1.2G下行速率

又是一次让人激动的太空授课,美女航天员王亚平柔美的声线以及帅哥帅大叔的科普让大家经历了一堂生动的科学课,大家也不由得与8年前的第一次太空授课比较,似乎从DVD升级到了1080P。

在这个画面提升的背后,却是我国在空间通信中继上的突破天链卫星就是这样横空出世的,它的“副产品”还成了嫦娥四号的功臣,一直到现在还在服役中!

卫星测控与通信,一个绕不过去的难题

各位有看过卫星发射与测控的记录片的一定会发现一个问题,卫星测控信号注入是有时间的,必须在某时某刻到某时某刻之间完成,要不然不是等到一天后就是因为卫星没有及时注入测控数据,失控丢了!

为什么会这样?原因理解起来一点都不难,卫星绕着地球转,比如我国的天宫空间站飞行一圈的时间在92.2分钟左右,测控站的天线最佳仰角范围,对应到400千米的天宫空间站轨道上,也就1000多千公里!

其实卫星的高度很低,地面很快就看不见了

假设测控天线最佳仰角是30度,空间站轨道高度400千米,那么最佳测控范围大约只有1400千米多点,每秒7.8千米的速度,只需180秒不到就会飞出这个范围,留给测控的时间只有3分钟。

很多朋友应该会说,下一圈它不是又会飞过头顶?那么急干什么,一圈只需90分钟,再等一圈就好了,问题来了,地球一天也就24小时,92分钟一圈,一天就15.6圈,赤道上每隔92分钟距离会相差2560千米。

而测控的区域则是以测控天线为天顶,半径700千米的圆形(假设最佳仰角是30度,空间站轨道高度400千米),2560千米早就超过了测控范围,等明天吧!

所以要全天24小时无死角测控的话,需要在全球布满测控天线,显然这是不可能的,为了执行阿波罗任务,美国耗资6亿美元(1960年代的币值)在全球建设了20多个地面站,但即使在最有利的情况下也只能覆盖30%以下的地球轨道。

美国地面测控站

要怎样才能解决全球测控的问题?

早期有地面站以及通信网络组成的系统就是NASA最早建立的“全球测控系统”STADAN,但显然在90分钟的轨道时间内只能提供15分钟的测控仍然不能满足需求,因此NASA决定建立MSFN网络,后因1970年代航天飞机计划的诞生对测控提出了更高的要求,NASA将前两者合并成了STDN。

1972年NASA的STDN如下图示意,此时DSN已经建成

但STDN需要遍布全球的测控站,NASA又更改系统增加了TDE 和 TDW(用于东和西),以及一颗在轨备用卫星,最终变成了TDRS。

上图是截止2019年3月为止,当前跟踪和数据中继卫星 (TDRS)配置,其中10颗卫星在轨(四颗第一代、三颗第二代和三颗第三代卫星)。

弗吉尼亚州尚蒂伊的Steven F. Udvar-Hazy 中心展出的一个未发射的TDRS卫星

轨道大致位于3.6万千米的地球静止卫星轨道,这个轨道的卫星可以看从理论上看只需3颗即可“看到”全球所有低轨道卫星,结合地面站的配置,可以全天24小时无死角的对卫星进行测控与管理。

天链系列中继卫星:突破封锁,中继天地

对于TDRS的好处大家都知道,但问题有两个,首先就是建立这个中继卫星的技术问题,首先就是中继通信技术,另一个比较麻烦的就是天线对准问题,总不能用当年的机械天线,随时跟踪卫星,万一同时要跟踪多个卫星该怎么办,所以星载相控阵天线也是难题?

当然最麻烦的事情其实早就发生了,天链卫星是测控卫星的卫星,它本身也是需要测控的,那么问题来了,而且在天链计划之前,我国的卫星和航天计划早就展开,又是如何解决的?

地面测控站与远航系列

我国国土东西最远相隔4000多千米,相差60个经度,占了地球的360°的1/6,但航天器发射入轨都是朝向东南或者西南,很快就会飞出我国的测控区域,怎么办?

我国国内的地面测控站

建设地面站,NASA可以在全球各国建设地面站,只要他们看上就可以协商,但我们不行,只能建造远望系列测控船,远航一号于1977年8月31日在江南造船厂建成下水,曾44次远征,足迹遍布三大洋逾44万海里,完成57次重大科研试验任务,执行了神舟五号的测控任务。

从远望一号到远望七号,后来的远望二十一与二十二等系列测控船,就是为了全球测控建造的,远望系列船只很经典,调配非常灵活,但成本高昂,还是需要地面站来配合。1996年10月6日,中国在基里巴斯的测控站落成,多次测控我国发射的卫星,成本远低于远望系列测控船。

2003年11月7日,在美国的运作下,基里巴斯与我国台湾省建交,这导致了我国失去了在基里巴斯的卫星测控站,尽管这不至于影响我国航天事业的发展,但也是海外测控站建设的一次重挫。

基里巴斯的测控站

自1996年后,我国在海外的测控站建设也步入佳境,到现在为止已经有十个海外测控站,如下表:

全球100%测控:天链卫星

早在20世纪70年代,我国就提出了研制中继卫星的想法,但由于技术以及资金与航天计划配套的需求,一直到2003年1月,天链一号中继卫星系统工程才正式立项。

天链一号卫星于2008年4月25日发射,地球静止轨道,发射后我国对中低轨道航天器的测控覆盖率从12%提升到50%左右,并且完成了神舟七号的数据中继。到2021年7月6日,天链一号05星完成发射,天链系列总共6颗星,已经100%覆盖地球轨道测控。

早在2013年6月20日上午10点的神舟十号太空授课已经让大家见识到了天链卫星的作用,在整个51分钟的课堂里,神舟十号飞越了半个多地球,要是地面站中继,那一定是断断续续的,但有了天链卫星就没有问题了,在这个过程中信号中继切换没有任何停顿,第一次一览无遗的展现了中国航天通信中继技术。

现在的天链卫星已经增加到了6颗,而且带宽比2013年时已经有大大改善,通信的下行速率达到了1.2G,和各位用的5G线路通信质量差不多,甚至可能还要好一些,数据会在北京飞控中心落地,然后从那里经过路由传输到全球各地。

各位也注意到了,天宫核心舱内有无线路由器,航天员可以自由使用手机以及其他基于TCP/IP的通信设备,就像你在家里用一样方便,在这个背后就是天链卫星的支持。

另外各位应该也注意到了为嫦娥四号准备的鹊桥中继卫星,同样也是我国中继卫星技术的一次突破性使用。

有了天链卫星还需要建设地面站与远洋测控船吗?

当然是需要的,但相对而言对地面站和远航系列测控船的依赖会更小一些,而且这些卫星都在天上,美国再运作捣乱、再封锁也没有用。

但有一点是天链卫星无法解决的,比如深空测控,我国在火星上的祝融号火星车通过轨道上天问一号向地球传输数据,或者从地球向火星发射测控信号时,天链一号根本就用不上。

不是因为它们位置或者角度不对,而是天线不够大,因为向火星发射信号需要大口径的测控天线,至少也得几十米,但在近地轨道上的卫星暂时并不能达到这个级别,因此我们的测控站和远望系列还是少不了。