[科普中國]-天鏈一號衛(wèi)星

簡介

天鏈一號衛(wèi)星是我國建成的中繼衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，目前為止共發(fā)射四顆。中繼衛(wèi)星被稱為“衛(wèi)星的衛(wèi)星”，可為衛(wèi)星、飛船等航天器提供數(shù)據(jù)中繼和測控服務(wù)，極大地提高各類衛(wèi)星的使用效益和應(yīng)急能力，使資源衛(wèi)星、環(huán)境衛(wèi)星等數(shù)據(jù)實時下傳，為應(yīng)對重大自然災(zāi)害贏得更多預(yù)警時間。1

天鏈一號由中國航天科技集團公司所屬中國空間技術(shù)研究院為主研制，采用成熟的東方紅三號通用平臺并突破多項關(guān)鍵技術(shù)。它的發(fā)射成功，填補了中國衛(wèi)星領(lǐng)域的又一空白。隨著中國航天事業(yè)的發(fā)展，中繼衛(wèi)星將會得到更廣泛的應(yīng)用。

工作原理中繼衛(wèi)星系統(tǒng)主要應(yīng)用于載人航天工程，為載人航天器與地面之間的通信提供穩(wěn)定的天地鏈路。在沒有中繼衛(wèi)星之前，中、低軌航天器的測控和數(shù)據(jù)傳輸主要依靠地面接收設(shè)備——也就是我們通常所說的地面站——來打通天地之間的通信渠道。但是，中、低軌航天器都是在200~2000公里的軌道上，受地球曲率和無線通信直線傳播的影響，只有很少一段時間（大概只占其軌道周期的2%~3%）能夠與一個固定地面站建立穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸鏈路。

對于在太空飛行的搭載著航天員的航天器，地面恨不得每時每刻都能與其保持聯(lián)絡(luò)。可是，同一個地面站能夠與航天器保持聯(lián)通的時間是極其有限的。如果錯過了對話時機，想要再次“搭話”，就要等它再次“繞場一周”。為了贏得更多時間來與航天員“搭話”，就需要盡可能多地在地球表面建設(shè)觀測站，這包括陸地測控站和遠洋測量船。這個辦法從理論上可行，但其代價是高昂的。比如，對于軌道高度高于300公里的航天器，需要在地球上設(shè)100多個地面站才能完成每時每刻天地聯(lián)通的100%覆蓋?？紤]到經(jīng)費、地理環(huán)境和政治因素，這根本不可能實現(xiàn)。

讓事情變得簡單可行起來的，是中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。

我們可以這樣簡單表述其原理：在需要保持通信的載人航天器和地面觀測站之間，建立一個數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，通過這一中間媒介，把載人航天器的信息轉(zhuǎn)發(fā)到地面，從而實現(xiàn)天地聯(lián)通。這個設(shè)想要想成為現(xiàn)實，就需要充當(dāng)“數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站”角色的設(shè)備可以對載人航天器和地面觀測站實現(xiàn)全覆蓋。這個“數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站”正是后來的中繼衛(wèi)星。理論上講，如果在36000公里高度的地球同步軌道上，均勻部署三顆這樣的中繼衛(wèi)星，那么，無論低軌道航天器在什么位置運行，無論一個國家的地面站在地球的什么位置，三顆衛(wèi)星都可以實現(xiàn)對其100%的覆蓋率。

天鏈一號01星、02星、03星“三兄弟”的相繼順利升空，正式構(gòu)建起了順暢通信的“天地之鏈”。2

四顆天鏈一號衛(wèi)星天鏈一號01星中國首顆數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星天鏈一號01星于2003年正式啟動研制工作。經(jīng)過5年的艱苦研制，于2008年4月25日23時35分在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。中國航天器從此有了天上數(shù)據(jù)“中轉(zhuǎn)站”。25分鐘后，西安衛(wèi)星測控中心傳來數(shù)據(jù)表明，衛(wèi)星準(zhǔn)確進入預(yù)定的地球同步轉(zhuǎn)移軌道。天鏈一號01星于同年12月4日正式交付用戶。在軌運行期間，衛(wèi)星運行穩(wěn)定，首次執(zhí)行神舟七號飛船在軌跟蹤與數(shù)據(jù)中繼任務(wù)取得圓滿成功，拉開了我國中繼衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)用的序幕。

此后，天鏈一號01星多次圓滿完成以神舟八號、神舟九號、神舟十號、天宮一號為代表的載人航天任務(wù)，以及地面艦船、運載火箭等為代表的非航天器類用戶的數(shù)據(jù)中繼任務(wù)。由于天鏈一號01星在軌表現(xiàn)優(yōu)異，多次受到上級領(lǐng)導(dǎo)和用戶的高度贊揚，加速了后續(xù)天鏈一號02星和03星的研制步伐。同時，天鏈一號01星研制過程中積累了大量的中繼衛(wèi)星研制和應(yīng)用的工程經(jīng)驗，也為后續(xù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)研制奠定了堅實基礎(chǔ)。3

天鏈一號02星2011年7月11日23時41分，中國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“長征三號丙”運載火箭，將中國第2顆中繼衛(wèi)星“天鏈一號02星”成功送入太空?；鸺c火升空約26 min后，西安衛(wèi)星測控中心傳來的數(shù)據(jù)表明，星箭分離，衛(wèi)星成功進入地球同步轉(zhuǎn)移軌道。

“天鏈一號02星”是中國第2顆地球同步軌道數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星，它將與2008年成功發(fā)射的“天鏈一號01星”組網(wǎng)運行，為中國“神舟”飛船以及未來空間實驗室、空間站建設(shè)提供數(shù)據(jù)中繼和測控服務(wù)，并將應(yīng)用于下半年中國實施的首次空間交會對接任務(wù)。4

天鏈一號03星7月25日23時43分我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征三號丙運載火箭成功發(fā)射‘‘天鏈一號03星”，衛(wèi)星順利進入太空預(yù)定軌道。這次發(fā)射成功后，’‘天鏈一號”衛(wèi)星將實現(xiàn)全球組網(wǎng)運行，標(biāo)志著我國第一代中繼衛(wèi)星系統(tǒng)正式建成。

“天鏈一號03星”是我國發(fā)射的第三顆地球同步軌道數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星，由中國航天科技集團公司所屬中國空間技術(shù)研究院為主研制。經(jīng)一段時間在軌驗證和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)后，“天鏈一號03星”與2008年發(fā)射的01星、2011年發(fā)射的02星實現(xiàn)全球組網(wǎng)運行，建成比較完備的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。這一系統(tǒng)將進一步提高我國載人航天飛行任務(wù)的測控覆蓋率，為我國神舟飛船以及未來空間實驗室、空間站建設(shè)提供數(shù)據(jù)中繼和測控服務(wù)。同時，還將為我國中、低軌道資源衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，為航天器發(fā)射提供測控支持。5

天鏈一號04星2016年11月22日23時24分，在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，長征三號丙運載火箭刺破夜幕，將我國第四顆中繼衛(wèi)星——天鏈一號04星送入太空。隨后，該衛(wèi)星準(zhǔn)確進入地球同步轉(zhuǎn)移軌道。

天鏈一號04星是我國第四顆地球同步軌道數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星，由中國航天科技集團公司中國空間技術(shù)研究院為主研制，將接替我國首顆中繼衛(wèi)星——天鏈一號01星，實現(xiàn)我國中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的更新?lián)Q代。天鏈一號01星設(shè)計壽命為6年，目前已在軌超期服役2年多。由于01星目前在軌運行狀況良好，所以，04星入軌并完成在軌測試后，將與01星、02星、03星維持一段時間的四星共軌局面，實現(xiàn)全球組網(wǎng)運行，為我國神舟飛船、空間實驗室、空間站提供數(shù)據(jù)中繼與測控服務(wù)，支持空間交會對接任務(wù)。

據(jù)悉，我國于2008年、2011年、2012年相繼成功發(fā)射天鏈一號01星、02星、03星，建立起了中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，使我國成為世界上第二個擁有對中低軌道航天器全球覆蓋中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的國家。6

意義在2008年、2011年、2012年，我國先后將“天鏈一號”家族的三位兄弟——天鏈一號01星、02星、03星送入太空，形成了我國的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。三顆衛(wèi)星組網(wǎng)運行，完成了對全球200km以上、2000km以下空間的全軌道覆蓋，覆蓋率近100%，使我國在世界上繼美國之后第二個擁有了對中、低軌航天器具備全球覆蓋能力的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。6

2012年，天鏈一號三星組網(wǎng)運行后，提供了優(yōu)質(zhì)而穩(wěn)定的數(shù)據(jù)中繼服務(wù)。截至目前，01星已經(jīng)進入超期服役階段。因此天鏈一號04星作為天鏈一號01星的備份星發(fā)射，由于01星目前在軌運行狀況良好，所以，04星入軌并完成在軌測試后，將與01星、02星、03星維持一段時間的四星共軌局面。

巨大效益天鏈一號衛(wèi)星在三個方面得到應(yīng)用并將產(chǎn)生巨大效益：

提高測控覆蓋率遠望號測量船隊加上10余個地面站，才能為神舟飛船提供12%的測控覆蓋率。一顆中繼衛(wèi)星即可覆蓋衛(wèi)星或飛船50%的飛行弧段，無論是經(jīng)濟效益還是使用效率都有了質(zhì)的提高。

增強衛(wèi)星故障診斷能力航天器在太空中出現(xiàn)故障，搶救時機往往以秒計，一旦錯過就可能造成永遠無法挽回的損失。隨著中國衛(wèi)星數(shù)量的增多，故障不可避免要增加。而中繼衛(wèi)星投入應(yīng)用后，將使航天器故障能夠及早發(fā)現(xiàn)、盡早解決。

加快衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸資源衛(wèi)星、環(huán)境衛(wèi)星等應(yīng)用衛(wèi)星獲得的利一學(xué)數(shù)據(jù)，要在衛(wèi)星經(jīng)過地面站上空時才能下傳使用，如果突發(fā)重大自然災(zāi)害，就會失掉最佳的應(yīng)對處置時機。中繼衛(wèi)星可使各類衛(wèi)星實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時下傳，及時應(yīng)用，是各類應(yīng)用衛(wèi)星的效能倍增器。1