跨越半個地球的“太空授課”是如何實現的？

【環球時報-環球網報道 記者 樊巍 王然】12月9日，中國空間站階段的“招牌節目”——“天宮課堂”首度開課。在“天宮”之上，三名“太空老師”翟志剛、王亞平、葉光富面向全國乃至全球的青少年，以天地互動的方式展現了中國空間站的工作生活場景，演示微重力環境下的生物和物理等現象，並與地面課堂進行即時交流。在這場長達四十餘分鐘的“太空授課”過程中，中國空間站繞行了地球近半圈，期間，三名“太空老師”的授課內容始終都能清晰、流暢地傳回地面。這背後展現了中國航天強大的測控技術能力，其中，中國的天基中繼系統——“天鏈”衞星扮演着舉足輕重的角色。

北京空間信息傳輸中心總工程師單長勝在接受《環球時報》記者專訪時表示，作為遠在太空中的中國最高課堂，中國空間站“天宮課堂”位於距離地面400公里左右的近地軌道之上，在這個高度的航天器大約每90分鐘繞飛地球一圈。期間，受地球曲率遮擋和視線視場問題影響，在大部分時間裏，中國空間站都無法通過國內陸基測控站和海上測量船等地海測控系統和地面建立聯繫，只有在空間站飛臨控制中心或地面測控站附近時，才能取得雙向聯繫，其他地區都是非受控區域，盲區極大，風險極高，更不可能開展即時，無間斷的“太空授課”。

據《環球時報》記者瞭解，2003年，中國第一位航天員楊利偉順利進入太空後，雖數次通過地面測控站進行了“天地通話”，但每一次都有着很嚴格的時間窗口限制，只因那時中國境內的測控站有效保持通信的時間僅在10分鐘左右。

確保航天器與地面無間斷聯繫的難題也曾困擾着美俄（蘇）兩個航天大國。在兩國太空競賽白熱化的冷戰時期，美蘇兩國憑藉自身強大的經濟實力，以及輻射全球的政治影響力，各自在全球多國都設有地面測控站，並研製了大量用於測控的飛機和測控船，但即便是這樣，也無法完全滿足對近地軌道航天器實現無間斷測控的需求。直到1983年，美國人採用“為衞星搭建衞星“的想法，從“挑戰者”號航天飛機上發射了人類第一顆跟蹤和數據中繼衞星(TDRS)，開創了天基測控的新時代。這種衞星能將近地軌道航天器上傳的數據再傳回地面，搭建一個從低軌衞星到中繼衞星，再到地面站的通訊流程。

單長勝告訴《環球時報》記者，中繼衞星通常位於距地球三萬多公里的地球同步軌道之上，它極大地提高了對中、低軌道航天器的測控和數據傳輸的覆蓋率，一顆中繼衞星，就可以覆蓋近1/3的地球，而三顆中繼衞星實現組網，就可以把整個地球都覆蓋到。

2008年，中國自己的中繼衞星工程正式開建，並有了一個直觀的名字“天鏈”，而負責執行中繼衞星測控任務的北京空間信息傳輸中心團隊，因為運用天鏈衞星在天地之間搭建了高速的信息通道，因此有了一個浪漫的任務代號——“天路”。

當年的4月25日，天鏈一號01星從西昌衞星發射中心完美出征，由其構建的跟蹤與數據中繼衞星系統（TDRSS）從根本上提高了測控、通信的覆蓋率。天鏈一號01星的成功發射，標誌着我國從此擁有了太空數據的“中轉站”，它可以為中、低軌道的航天器提供天基測控、數據中繼與測定軌服務，相當於把地面測控數傳站升高到幾萬公里的軌道高度，既提高了數據回傳時效性，又增強了應急協調聯動能力。

單長勝介紹稱，一顆“天鏈”衞星能觀測到中、低軌道航天器的一半軌道，兩顆“天鏈”衞星能覆蓋大部分軌道，三顆“天鏈”衞星組網就可以實現全球覆蓋。因此，“天鏈”衞星也被成為“衞星的衞星”。

同年，天鏈一號01星就參與並圓滿完成了神舟七號載人飛船數據中繼任務。中國首位進行太空行走的航天員翟志剛所創造的“我已出艙，感覺良好”經典一瞬，正是通過天鏈一號01星即時傳回地面。

2011年7月18日，天鏈一號02星發射升空，標誌着我國中繼衞星系統建設邁入了多星組網運行階段。2012年7月25日，天鏈一號03星發射成功，三顆衞星組網運行，正式實現了對中、低軌航天器近100%的軌道覆蓋，我國也正式成為了世界上第二個擁有對中、低軌航天器具備全球覆蓋能力的中繼衞星系統的國家。

在太空中圓滿打造“天鏈”之後，中國也有條件進行意義深遠的“太空授課”活動。2013年，航天員王亞平在“神舟十號與天宮一號”組合體中首次給全國的中小學生進行了一次生動的太空授課。當時，組合體到達“天鏈”衞星預定捕跟等待點後，天路團隊立即完成了“天鏈”衞星與航天器的雙向捕獲，隨後，“天鏈”衞星與地面站、測量船共同搭建了天地即時視頻直播系統，保障授課時長達五十多分鐘。

單長勝告訴《環球時報》記者，實際上，一顆”天鏈“中繼衞星即可支持”太空授課“全程，不需要中間切換中繼衞星，太空授課時間大約是50分鐘左右，而目前中國空間站在慣性姿態下飛行，一顆中繼衞星的可跟蹤時長大約是 55 分鐘左右。天鏈中繼衞星的天線能夠即時、準確跟蹤空間站組合體，確保信號的雙向可靠傳輸。

而此次“太空授課”，新一代的中國“天鏈”則展現了更強大的功能。單長勝稱，新一代天鏈衞星增加了新的成員，“天鏈一號”04星和 “天鏈二號”01星。新成員的加入使得天鏈的傳輸的速率大大提升，從而帶來的是更加清晰的話音，和更為流暢的畫面。

除了在“太空授課”這樣中國航天的高光時刻中大放異彩，天鏈衞星每時每刻都在助益於中國航天員的日常太空生活和工作。據單長勝介紹，得益於天鏈衞星的構建，中國空間站可以為航天員提供雙向的圖像話音服務和網絡服務，航天員在空間站中就可以和地面的工作人員、家人進行視頻通話，並能夠在空間站中上網，即時收看電視。

此外，更為重要的是，在”天宮”之外，天鏈衞星有着更為廣闊的應用範圍。單長勝告訴《環球時報》記者，具備大速率傳輸能力的“天鏈”，在管好用好，保護好中國太空資產的過程中都發揮着極為重要的作用。