突破美國阻撓！“太空授課”超級功臣：天鏈衞星，1.2G下行速率_風聞

又是一次讓人激動的太空授課，美女航天員王亞平柔美的聲線以及帥哥帥大叔的科普讓大家經歷了一堂生動的科學課，大家也不由得與8年前的第一次太空授課比較，似乎從DVD升級到了1080P。

在這個畫面提升的背後，卻是我國在空間通信中繼上的突破，天鏈衞星就是這樣橫空出世的，它的“副產品”還成了嫦娥四號的功臣，一直到現在還在服役中！

衞星測控與通信，一個繞不過去的難題

各位有看過衞星發射與測控的記錄片的一定會發現一個問題，衞星測控信號注入是有時間的，必須在某時某刻到某時某刻之間完成，要不然不是等到一天後就是因為衞星沒有及時注入測控數據，失控丟了！

為什麼會這樣？原因理解起來一點都不難，衞星繞着地球轉，比如我國的天宮空間站飛行一圈的時間在92.2分鐘左右，測控站的天線最佳仰角範圍，對應到400千米的天宮空間站軌道上，也就1000多千公里！

其實衞星的高度很低，地面很快就看不見了

假設測控天線最佳仰角是30度，空間站軌道高度400千米，那麼最佳測控範圍大約只有1400千米多點，每秒7.8千米的速度，只需180秒不到就會飛出這個範圍，留給測控的時間只有3分鐘。

很多朋友應該會説，下一圈它不是又會飛過頭頂？那麼急幹什麼，一圈只需90分鐘，再等一圈就好了，問題來了，地球一天也就24小時，92分鐘一圈，一天就15.6圈，赤道上每隔92分鐘距離會相差2560千米。

而測控的區域則是以測控天線為天頂，半徑700千米的圓形（假設最佳仰角是30度，空間站軌道高度400千米），2560千米早就超過了測控範圍，等明天吧！

所以要全天24小時無死角測控的話，需要在全球佈滿測控天線，顯然這是不可能的，為了執行阿波羅任務，美國耗資6億美元（1960年代的幣值）在全球建設了20多個地面站，但即使在最有利的情況下也只能覆蓋30%以下的地球軌道。

美國地面測控站

要怎樣才能解決全球測控的問題？

早期有地面站以及通信網絡組成的系統就是NASA最早建立的“全球測控系統”STADAN ，但顯然在90分鐘的軌道時間內只能提供15分鐘的測控仍然不能滿足需求，因此NASA決定建立MSFN網絡，後因1970年代航天飛機計劃的誕生對測控提出了更高的要求，NASA將前兩者合併成了STDN。

1972年NASA的STDN如下圖示意，此時DSN已經建成

但STDN需要遍佈全球的測控站，NASA又更改系統增加了TDE 和 TDW（用於東和西），以及一顆在軌備用衞星，最終變成了TDRS。

上圖是截止2019年3月為止，當前跟蹤和數據中繼衞星 (TDRS)配置，其中10顆衞星在軌（四顆 第一代、三顆 第二代 和三顆 第三代衞星）。

弗吉尼亞州尚蒂伊的Steven F. Udvar-Hazy 中心展出的一個未發射的TDRS衞星

軌道大致位於3.6萬千米的地球靜止衞星軌道，這個軌道的衞星可以看從理論上看只需3顆即可“看到”全球所有低軌道衞星，結合地面站的配置，可以全天24小時無死角的對衞星進行測控與管理。

天鏈系列中繼衞星：突破封鎖，中繼天地

對於TDRS的好處大家都知道，但問題有兩個，首先就是建立這個中繼衞星的技術問題，首先就是中繼通信技術，另一個比較麻煩的就是天線對準問題，總不能用當年的機械天線，隨時跟蹤衞星，萬一同時要跟蹤多個衞星該怎麼辦，所以星載相控陣天線也是難題？

當然最麻煩的事情其實早就發生了，天鏈衞星是測控衞星的衞星，它本身也是需要測控的，那麼問題來了，而且在天鏈計劃之前，我國的衞星和航天計劃早就展開，又是如何解決的？

地面測控站與遠航系列

我國國土東西最遠相隔4000多千米，相差60個經度，佔了地球的360°的1/6，但航天器發射入軌都是朝向東南或者西南，很快就會飛出我國的測控區域，怎麼辦？

我國國內的地面測控站

建設地面站，NASA可以在全球各國建設地面站，只要他們看上就可以協商，但我們不行，只能建造遠望系列測控船，遠航一號於1977年8月31日在江南造船廠建成下水，曾44次遠征，足跡遍佈三大洋逾44萬海里，完成57次重大科研試驗任務，執行了神舟五號的測控任務。

從遠望一號到遠望七號，後來的遠望二十一與二十二等系列測控船，就是為了全球測控建造的，遠望系列船隻很經典，調配非常靈活，但成本高昂，還是需要地面站來配合。1996年10月6日，中國在基里巴斯的測控站落成，多次測控我國發射的衞星，成本遠低於遠望系列測控船。

2003年11月7日，在美國的運作下，基里巴斯與我國台灣省建交，這導致了我國失去了在基里巴斯的衞星測控站，儘管這不至於影響我國航天事業的發展，但也是海外測控站建設的一次重挫。

基里巴斯的測控站

自1996年後，我國在海外的測控站建設也步入佳境，到現在為止已經有十個海外測控站，如下表：

全球100%測控：天鏈衞星

早在20世紀70年代，我國就提出了研製中繼衞星的想法，但由於技術以及資金與航天計劃配套的需求，一直到2003年1月，天鏈一號中繼衞星系統工程才正式立項。

天鏈一號衞星於2008年4月25日發射，地球靜止軌道，發射後我國對中低軌道航天器的測控覆蓋率從12%提升到50%左右，並且完成了神舟七號的數據中繼。到2021年7月6日，天鏈一號05星完成發射，天鏈系列總共6顆星，已經100%覆蓋地球軌道測控。

早在2013年6月20日上午10點的神舟十號太空授課已經讓大家見識到了天鏈衞星的作用，在整個51分鐘的課堂裏，神舟十號飛越了半個多地球，要是地面站中繼，那一定是斷斷續續的，但有了天鏈衞星就沒有問題了，在這個過程中信號中繼切換沒有任何停頓，第一次一覽無遺的展現了中國航天通信中繼技術。

現在的天鏈衞星已經增加到了6顆，而且帶寬比2013年時已經有大大改善，通信的下行速率達到了1.2G，和各位用的5G線路通信質量差不多，甚至可能還要好一些，數據會在北京飛控中心落地，然後從那裏經過路由傳輸到全球各地。

各位也注意到了，天宮核心艙內有無線路由器，航天員可以自由使用手機以及其他基於TCP/IP的通信設備，就像你在家裏用一樣方便，在這個背後就是天鏈衞星的支持。

另外各位應該也注意到了為嫦娥四號準備的鵲橋中繼衞星，同樣也是我國中繼衞星技術的一次突破性使用。

有了天鏈衞星還需要建設地面站與遠洋測控船嗎？

當然是需要的，但相對而言對地面站和遠航系列測控船的依賴會更小一些，而且這些衞星都在天上，美國再運作搗亂、再封鎖也沒有用。

但有一點是天鏈衞星無法解決的，比如深空測控，我國在火星上的祝融號火星車通過軌道上天問一號向地球傳輸數據，或者從地球向火星發射測控信號時，天鏈一號根本就用不上。

不是因為它們位置或者角度不對，而是天線不夠大，因為向火星發射信號需要大口徑的測控天線，至少也得幾十米，但在近地軌道上的衞星暫時並不能達到這個級別，因此我們的測控站和遠望系列還是少不了。

星辰大海路上的種花家