中繼衛(wèi)星：助力載人航天和深空探測更便捷

2022年7月13日，我國長征三號乙運載火箭將天鏈二號03星送入預(yù)定軌道，標(biāo)志著我國第二代地球同步軌道數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星成功組網(wǎng)運行，可具備滿足中低軌道航天器全球覆蓋的能力，并提供24小時無間斷通信。

二代衛(wèi)星系統(tǒng)組網(wǎng) 示意圖（來源：中國航天科技集團五院）

什么是中繼衛(wèi)星

跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星簡稱中繼衛(wèi)星，是一種衛(wèi)星的通信衛(wèi)星，主要任務(wù)是為航天器提供中繼通信服務(wù)。

之所以會出現(xiàn)這么一種衛(wèi)星，主要是載人航天發(fā)展的需求。眾所周知，載人飛船和空間站運行在近地軌道上，那么無論把地面站部署得多么密集，都很難保證24小時不間斷的通信連接。載人飛行是一種充滿了風(fēng)險的事業(yè)，哪怕出現(xiàn)了幾分鐘的通信中斷，都能夠把地面控制人員嚇得不輕，而且這么一段通信連接缺失，也會導(dǎo)致遙測數(shù)據(jù)不完整。載人飛行通信中斷的主要原因，是地球本身擋住了地面站和飛船之間的視線。那么，如果把一批衛(wèi)星部署到地球靜止軌道上，讓飛船和這些衛(wèi)星通信，再把信息中轉(zhuǎn)到地面上的控制中心，就基本上可以消除通信中斷的現(xiàn)象了。

美國的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)

世界上第一種跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星是美國宇航局的跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng) (TDRSS)。美國宇航局在上世紀60年代初期創(chuàng)建了航天器跟蹤和數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò) (STADAN)，由分布在世界各地的天線和電話交換設(shè)備組成。低軌道航天器的軌道周期大約是 90分鐘，這個網(wǎng)絡(luò)能夠提供其中15 分鐘天地通信服務(wù)。為了實現(xiàn)對載人航天的全覆蓋，美國宇航局又建立了一個載人航天飛行網(wǎng)絡(luò)（MSFN），和深空網(wǎng)（DSN）一起，服務(wù)于阿波羅任務(wù)。

70年代航天飛機項目建立后，美國宇航局發(fā)現(xiàn)上述幾個網(wǎng)絡(luò)有功能重疊，于是把MSFN和STADAN合并成航天器跟蹤和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò) (STDN)。然而STDN也有很大缺點，特別是網(wǎng)絡(luò)由遍布全球的地面站組成，很容易受到東道國政治變化的影響。為了保持高可靠性和更高的數(shù)據(jù)傳輸速度，美國宇航局開始了一項研究，使用天基通信節(jié)點來增強系統(tǒng)能力。這就是TDRSS的緣起。

在上世紀80年代和90年代，美國用航天飛機運送和運載火箭發(fā)射，部署大量TDRSS衛(wèi)星。目前，美國在軌道上運行的TDRSS衛(wèi)星有10多顆。

中繼衛(wèi)星不同于傳統(tǒng)通信衛(wèi)星，地面站雖然是固定的，但是中低軌道上的飛船卻在高速運動。需要解決飛船、空間站與同步軌道衛(wèi)星之間的精確捕獲與跟蹤問題。同時，為了保證足夠的通信帶寬，中繼衛(wèi)星還需要采用大口徑跟蹤天線來實現(xiàn)星間鏈路，這對捕獲跟蹤能力提出了極高的要求。這樣大型的跟蹤天線需要不停地晃動，對衛(wèi)星的姿態(tài)保持也提出了很大挑戰(zhàn)。

中國的天鏈衛(wèi)星系統(tǒng)

中國從上世紀80年代初期始研究中繼衛(wèi)星。2003年，中國開始研制天鏈一號中繼衛(wèi)星，采用了東方紅三號衛(wèi)星平臺。到2008年4月，天鏈一號01星成功發(fā)射。這顆衛(wèi)星立刻發(fā)揮了重大作用，神舟七號飛船的測控覆蓋率從前六艘飛船的18%提高到了50%。

2011年7月著天鏈一號02星的成功發(fā)射，對飛船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，3顆天鏈一號衛(wèi)星分別部署在非洲、印度洋、太平洋上空，實現(xiàn)了對飛船軌道近乎于100%的覆蓋。2016年12月天鏈一號04星成功發(fā)射，接替01星。2021年7月天鏈一號05星成功發(fā)射。這批衛(wèi)星的發(fā)射，使中國成為繼美國之后，第二個擁有全球覆蓋能力中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的國家。天鏈一號為神舟飛船、空間實驗室、空間站等載人航天器提供了數(shù)據(jù)中繼與測控服務(wù)，特別是支持空間交會對接任務(wù)，發(fā)揮了巨大作用。

2010年，中國啟動了天鏈二號衛(wèi)星的研制工作。天鏈二號采用大尺寸的東方紅四號平臺，有效載荷容量和發(fā)電能力大幅度提高。因此，天鏈二號能夠采用更加先進的有效載荷技術(shù)和多副新型天線，傳輸速率增加了1倍。2019年3月天鏈二號01星升空，2021年12月，天鏈二號02星成功發(fā)射。

天鏈衛(wèi)星系統(tǒng)先后服務(wù)于神舟七號到神舟十四號載人飛船、天舟一號到四號貨運飛船，天宮一號目標(biāo)飛行器和天宮二號空間實驗室，空間站的建造和運行也離不開天鏈系列衛(wèi)星的支持。中央領(lǐng)導(dǎo)同志和航天員乘組通話，空間站里的“太空授課”，也都是在天鏈系列衛(wèi)星支持下進行的。

天鏈一號05星模擬圖（來源：航天科技集團五院）

數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星還可以支持各類其他航天活動，如運載火箭發(fā)射測控服務(wù)、各類遙感衛(wèi)星在軌測控與數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)等。比如2022年4月發(fā)射的中星6D，是中國第一顆采用中繼測控技術(shù)的商業(yè)衛(wèi)星。它的測控信息通過天鏈衛(wèi)星回傳至地面站，降低了對海外測控站點和測量艦船的依賴。目前，天鏈衛(wèi)星也為中、低軌道遙感、測繪、氣象等衛(wèi)星提供服務(wù)，每天都很忙碌。

深空探測中的中繼衛(wèi)星

中國還有另外一種另類數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星，那就是部署在月球軌道上的“鵲橋”。嫦娥四號探測器要在月球背面著陸，月球擋住了著陸點和地球之間的視線。如果不采用數(shù)據(jù)中繼的方式，地面上便不知道嫦娥四號到底怎么樣了。鵲橋衛(wèi)星部署在地月L2點，在這里做周期運動，通過定期軌控保持軌道的穩(wěn)定性。地面測控指令通過鵲橋發(fā)射到嫦娥四號，嫦娥四號、玉兔二號拍攝的視頻和采集的數(shù)據(jù)先發(fā)射到鵲橋衛(wèi)星，然后再發(fā)回地球。

2018年5月，鵲橋衛(wèi)星升空，實現(xiàn)了人類航天史上零的突破。2019年1月3日，鵲橋中繼星成功支持了嫦娥四號的落月和兩器分離任務(wù)，轟動世界。美國宇航局曾一度提出，能不能讓鵲橋為美國的登月活動提供支持。但是因為美國國會自己的法律限制，這件事無法實現(xiàn)。

在火星軌道上，也活躍著一批數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星。但這些衛(wèi)星并不是專用的，而是在繞飛探測器上攜帶了數(shù)據(jù)中繼的有效載荷，包括中國的天問一號、歐洲的痕量氣體探測器等型號，都有這樣的功能。它們承擔(dān)著著陸器和地球之間的數(shù)據(jù)橋接功能。今后的星際探索當(dāng)中，繞飛器兼顧數(shù)據(jù)中繼功能，將成為一種常態(tài)。