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数读“天链”|一文了解我国“数据中继卫星天团”

时间:2022年07月13日 信息来源:本站原创 点击:764 字体:

2022年6月5日,神舟十四号载人飞船出征太空,电视直播中传出“天路前返向链路正常,天路跟踪正常”的口令,航天科技集团五院天链卫星系统研制团队的成员会心一笑——这是他们再熟悉不过的场景。

 

十余年来,天链数据中继卫星系统持续为我国载人航天工程提供可靠稳定的天基测控与数传服务。7月13日,随着天链二号03星成功发射,我国第二代数据中继卫星系统完成三星组网。五院的研制团队将多条高速“天路”编织成了一张多重覆盖的高速“天网”。


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天链一号“从无到有”

测控覆盖率从18%到近100%

 

跟踪与数据中继卫星系统是为中低轨道的航天器与航天器之间、航天器与地面站之间提供数据中继、连续跟踪与在轨测控服务的系统,是20世纪航天测控通信技术的重大突破。

 

在天链中继卫星投入使用前,我国一直依托一系列陆基测控站和远望系列远洋测量船支撑卫星、飞船和探测器的发射测控与在轨通信任务。然而,由于受地球曲率的影响,地面和海上测控对中低轨道航天器的轨道覆盖范围非常有限。如要实现对300公里高度的低轨道航天器100%覆盖,理论上需要在地表均匀布设100多个站点,这显然难以实现。

 

中继卫星被称为“卫星的卫星”,可以充分发挥轨道高度优势,“居高临下”跟踪在中低轨运行的航天器,并将获得的数据实时回传到地面,可极大提高各类卫星的使用效益和应急能力,大幅度减少地面站、测量船的数量,具有巨大的经济优势。美国、俄罗斯及欧洲在20世纪80年代便开始着手建设中继卫星系统,并得到了广泛的应用。我国从20世纪80年代初期开始对中继卫星进行研究,并在“九五”期间开展了一系列的预研工作,为我国第一代数据中继卫星系统的建设奠定了基础。

 

天链一号中继卫星于2003年由五院抓总启动,以当时最新研制的东方红三号卫星平台为基础开展研制。由于中继卫星不同于传统通信卫星,必须解决中低轨道高速运动用户目标与同步轨道卫星之间的精确捕获与跟踪的难题,这对于中继卫星采用大口径跟踪天线的星间链路捕获跟踪能力提出了极高的要求。另外,天线与卫星的姿态耦合等问题,也对卫星研制提出了很大的挑战。

 

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研制团队迎难而上,攻克了重重难题。2008年4月,我国首颗数据中继卫星天链一号01星成功发射,这意味着我国的中低轨航天器开始拥有天上的数据“中转站”。天链一号01星发射后,神舟七号飞船的测控覆盖率从18%提高到了50%。

 

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▲天链一号卫星在轨示意图

 

2011年7月,随着天链一号02星的成功发射,对用户航天器的轨道覆盖率达到了85%。2012年7月,天链一号03星成功发射,天链一号实现三星在轨组网工作,三颗卫星分别在非洲、印度洋、太平洋上空对低轨用户航天器实现了近100%的覆盖。至此,我国成为继美国之后第二个拥有全球覆盖能力中继卫星系统的国家,为我国神舟飞船、空间实验室、空间站等提供数据中继与测控服务,支持空间交会对接任务,同时为我国中、低轨的资源系列、高分系列等卫星提供数据中继服务,并为航天器发射提供测控支持。

 

2016年12月,天链一号04星成功发射,接替超期服役的01星。2021年7月,天链一号05星成功发射,我国第一代数据中继卫星系统研制圆满收官。天链一号实现了我国在数据中继卫星领域的“从无到有”,建立了天地间信息“天网”。


天链二号“从有到强”

天链中继网传输速率成倍提升 

 

在第一代数据中继卫星系统紧锣密鼓开展建设的同时,第二代中继卫星的研制已经提上日程。

 

2010年,我国启动了天链二号卫星的研制工作。天链二号01星基于东方红四号平台,在充分继承了第一代中继卫星技术状态的基础上,采用了更加先进的有效载荷技术,配置多副新型天线。天链二号卫星兼容天链一号卫星的工作频率,并扩展了工作频率的带宽和转发器的通道数量,传输速率增加了1倍,大大提升了系统的数据传输速率和传输效能,卫星服务覆盖的范围也有了极大提升,可以兼顾部分36000公里的同步轨道用户航天器的服务需求。


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由于采用了大量新技术,国内没有同类研制经验可以借鉴,天链二号01星研制团队面临着重重困难,开始了“啃硬骨头”的艰难时期。在五院的支持下,他们集结航天系统内外的专家力量,在热控、结构、控制、电子、天线以及材料工艺等方面开展攻关。经过近三年努力,研制团队完成了上百项试验验证,最终在2019年3月将天链二号01星送入太空。我国中继卫星系统迈出了升级换代的第一步,进入两代中继卫星“联手”应用阶段。

 

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▲天链二号卫星在轨示意图

 

2021年12月,天链二号02星成功发射,该卫星可工作在不同轨位,具有较强的轨道适应能力,提升了卫星在轨的机动性和灵活性;同时卫星单机国产化率显著提升,研制周期大幅缩短,验证了天链二号卫星具备快速研制的能力。

 

2022年7月,天链二号03星成功发射,我国第二代数据中继卫星系统完成了三星组网的建设,有力推动了我国天基测控与传输网络建设的步伐。

 

第一代数据中继卫星系统从第一颗卫星发射到三星组网用了4年3个月,第二代数据中继卫星系统从第一颗卫星发射到三星组网用了3年3个月。时隔10年,我国“数据中继卫星天团”阵容再次升级,天基中继系统的健壮性、可靠性、灵活性和服务能力得到进一步提升。

 

如果说天链一号实现了我国数据中继卫星“从无到有”,天链二号三星组网则实现了“从有到强”。

 

架起“天路”

天地通话一“链”牵

 

天链系列中继卫星作为“太空基站”,链接地面站与航天器,已成为我国太空活动不可或缺的重要组成部分。

 

从神舟七号到神舟十四号,8艘飞船20人次的太空飞行,任务执行时间从2天20小时到接近半年,天链系列卫星如影相随;天舟系列货运飞船从一号到四号,天链系列卫星相伴左右;天宫一号空间实验室、天宫二号空间实验室以及空间站的建造均离不开天链系列中继卫星的天基支持。

 

2021年6月23日,习近平总书记同正在太空执行任务的神舟十二号航天员乘组亲切通话。大屏幕上,航天员的视频画面清晰流畅,声音清脆响亮。此时,以天链二号01星为接入节点的中继卫星系统正进行实时数据传输,为这场天地通话提供了流畅稳定的中继服务保障。此外,神舟十三号乘组多次在轨开展“太空授课”,授课直播画面清晰流畅,“天地互动”实时畅通。这背后,同样离不开天链数据中继卫星系统的全程保驾护航。

 

当前,随着天链数据中继卫星系统的组网应用,全天候、全球覆盖的天基测控网络已经建成,长时间不间断、稳定可靠的天地通话已成为现实,天链中继卫星架起了一条连通天地、畅通无阻的“天路”。从短暂的天地通话,到如今空间站上的航天员可以随时与地面进行视频和语音通信,畅享全Wifi智能生活,天链中继卫星连通天地已经尽在掌握。


服务范围进一步扩大

任务量增加

 

随着第二代数据中继卫星系统三星组网,我国形成了第一代、第二代多星组网的架构,为更多的中低轨航天器提供更强大的测控与数传服务。三星组网后,我国同步轨道测控的覆盖率进一步提升,测控网络多波束覆盖将实现对轨道覆盖范围进一步扩大,星地一体化实现中低轨道的全覆盖,用户服务数量进一步增加。

 

除支持载人航天任务外,从运载火箭发射测控服务到各类遥感卫星在轨的测控与数据传输服务,天链中继卫星网络每天在轨任务量逐渐增加。相比第一代中继卫星三星组网的任务量,随着中、低轨道遥感、测绘、气象等卫星数量的快速增加,每条星间链路每天的任务量几乎翻了一倍。高效完成这些任务,是星地一体任务优化效率提升的结果。

 

2022年4月发射的中星6D卫星是第一颗在我国民商用通信卫星领域采用中继测控技术的卫星。该卫星配置了中继测控子系统,发射后由中继卫星直接将测控信息回传至地面站,降低了对海外测控站点和测量舰船的依赖,再一次展示了我国对卫星的自主测控能力,并将测控服务轨道高度提升到了同步轨道。

 

五院天链中继卫星研制团队坚持自主研发、创新攻关,走出了一条符合我国国情的中继卫星系统建设道路。未来,各类用户航天器数量的快速增长,对天基测控与数据传输的实时性需求、系统接入能力以及多目标服务能力提出了更高的要求。为了更好地服务用户航天器,天链数据中继卫星系统家族也将迎来更多新成员。



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