太空直播是如何做到的，是什么架起了太空WIFI？

2021年7月6日，我國一顆名為“天鏈一號05星”的衛(wèi)星成功發(fā)射。與“全民目擊”的神舟十二號飛船、天問、祝融號火星登陸相比，這次發(fā)射任務(wù)顯得格外低調(diào)。然而，這顆不起眼的小衛(wèi)星升空卻與前二者得以上演“太空直播”息息相關(guān)。讓我們來一起了解一下，“天鏈”是如何為我們與“祝融”、“天問”拉近天地間的距離的吧！

太空和地面如何通信？為何要用衛(wèi)星架起WIFI？

每次航天器的發(fā)射與飛行任務(wù)都需要對飛行中的運(yùn)載火箭和航天器進(jìn)行跟蹤測量和控制，也都會(huì)有萬千數(shù)據(jù)匯集到航天飛行指控中心，經(jīng)過處理再次變換成為指令發(fā)出。在這之中，往往有安裝與地面測控站或是海面漂泊的遠(yuǎn)洋測量船為航天器與地面指控中心間“牽線搭橋”。

然而，由于受地球曲率的影響，地面對中低軌道航天器的軌道覆蓋范圍非常有限，除一些地球同步軌道衛(wèi)星外，其他航天器、特別是運(yùn)行在400KM高度下的中低軌道航天器要想做到“一切盡在掌控”，需要在地球表面均勻布置上百個(gè)測控站，即便冷戰(zhàn)時(shí)期的美蘇兩國也不可能做到；海上測控船部署位置相對靈活，但受船只整備、海況和氣象條件影響也很難面面俱到。

飛船路過中國上空的時(shí)間很短，國境內(nèi)的觀測站和通訊站有效保持通訊時(shí)間有限。要擺脫地球曲率影響，測控點(diǎn)自然站的越高、看的越遠(yuǎn)，因此無論是過去的美蘇或是今天中國都放眼深空，把測控站放在了上萬千米高的地球同步軌道上。

之所以選用該軌道有兩個(gè)重要因素：一是同步，這一軌道的衛(wèi)星的公轉(zhuǎn)周期和地球的自轉(zhuǎn)周期相同，因此地球同步軌道衛(wèi)星可以全天候的和固定的衛(wèi)星地面接收站聯(lián)絡(luò)，十分方便；二是夠高，大多數(shù)低軌道衛(wèi)星、載人飛船、空間站高度分布在100-400km，少量導(dǎo)航衛(wèi)星和閃電軌道的衛(wèi)星在20,000km的高度，而地球同步軌道的高度足足有36，000km的高度，除了為數(shù)不多的地月轉(zhuǎn)移軌道的航天器需要額外照顧，其他所有航天器都在地球同步軌道的眼皮底下。

上世紀(jì)80年代美國率先發(fā)射了世界上第一顆數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星；而我國于2008年成功發(fā)射我國第一顆數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星“天鏈一號”，填補(bǔ)了我國數(shù)據(jù)中繼和天基測控領(lǐng)域的空白。

2008年4月25日，我國首顆數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星“天鏈一號01星”在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射

圖源：新華社/ 李剛 攝

可用WLAN‘天鏈’：讓中國擁有太空數(shù)據(jù)“路由器”

2003年，我國為了充分支撐載人航天飛行的測控需求立項(xiàng)并啟動(dòng)了天鏈一號中繼衛(wèi)星系統(tǒng)工程。

天鏈一號由中國航天科技集團(tuán)公司基于成熟的東方紅三號通用平臺(tái)為基礎(chǔ)研制：該平臺(tái)作為第一代采用三軸穩(wěn)定技術(shù)的同步衛(wèi)星，其衛(wèi)星公用平臺(tái)整體設(shè)計(jì)、通信信道天線、全三軸姿態(tài)穩(wěn)定技術(shù)、雙組元統(tǒng)一推進(jìn)系統(tǒng)等領(lǐng)域均屬當(dāng)時(shí)國際同類衛(wèi)星（中型容量）的先進(jìn)水平，自1997年首次升空以來，到2003年天鏈衛(wèi)星啟動(dòng)研制時(shí)，已成功發(fā)射6顆，承擔(dān)了中國公用網(wǎng)業(yè)務(wù)、VAST業(yè)務(wù)和一定的電視信號傳輸任務(wù)。作為一種成熟、先進(jìn)的地球靜止軌道衛(wèi)星，自然也成為天鏈一號研制時(shí)的首選平臺(tái)。

2008年4月25日，該系統(tǒng)01星成功發(fā)射、定點(diǎn)于印度洋上空后便參與并圓滿完成了“神舟七號”數(shù)據(jù)中繼服務(wù)。2011年、2012年相繼成功發(fā)射天鏈一號02、03星，并分別定點(diǎn)于西太平洋與西非上空。它們同時(shí)運(yùn)行并與地面應(yīng)用系統(tǒng)、中繼終端等組成跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，中國由此成為世界第三個(gè)組建起、也是目前唯二擁有對中、低軌道航天器全球覆蓋中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的國家。

由于天鏈一號的衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)壽命為8年、其子系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命為6年，原有的天鏈一號01~03星已在軌超期服役多年，亟待更新?lián)Q代。因此，在2016年及今年，我國又分別發(fā)射了天鏈一號04、05星替換已到壽的中繼衛(wèi)星，參與了我國登陸月球、火星探測任務(wù)。

天鏈二號中繼衛(wèi)星基于東方紅四號衛(wèi)星平臺(tái)，其搭載能力與壽命較天鏈一號有較大提升

此外我國為了人類首次月背探索之旅的數(shù)據(jù)搭橋，2018年12月又發(fā)射了我國、也是世界首顆地球軌道外專用中繼通信衛(wèi)星——“鵲橋”號中繼衛(wèi)星，圖為嫦娥四號探測器與“月兔號”探測車成功鏈接中國航天測控的太空“WALN”?！谤o橋”號、天鏈二號的服役使我國中繼衛(wèi)星進(jìn)入“2.0”時(shí)代。

“天路”繁忙卻不堵：如何讓太空“網(wǎng)速”更帶勁？

我國早期航天遙測都采用名為“統(tǒng)一S波段測控系統(tǒng)”進(jìn)行航天器通訊，這也是我們在直播中常聽到的“USB跟蹤正?！钡挠蓙?。但各航天器搭載設(shè)備性能的提升也使訪問數(shù)據(jù)越來越大，原來的S波段帶寬愈發(fā)入不敷出，于是工程人員便盯上了更高頻率的遙測系統(tǒng)。而從電磁波特性來說，其波長越短、波束越窄則頻率越高、帶寬越寬，傳輸速度也會(huì)更快，已運(yùn)用于傳統(tǒng)衛(wèi)星通訊的Ka波段自然也成為天基測控的首選。

天鏈一號自設(shè)計(jì)時(shí)即采用了S/ka波段雙饋源拋物面天線，以支持S和Ka雙波段的星間鏈路。由于邁入了毫米波段，其帶寬暴漲可高出S波段2個(gè)以上數(shù)量級，傳輸速率也鳥槍換炮，天鏈衛(wèi)星系統(tǒng)通信的一條鏈路的下行速率便可達(dá)到是1.2Gbps，中繼衛(wèi)星地面站實(shí)時(shí)接收太空數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳到北京飛控中心，再根據(jù)不同標(biāo)識自動(dòng)分發(fā)，時(shí)延僅為秒級。這也是當(dāng)年神舟十號的傳輸畫面能從神舟五號卡頓且僅數(shù)分鐘的“PPT”升級為相對流暢的“直播授課”的底氣所在。

由于高速率傳輸?shù)囊螅嚓P(guān)天線的波束很窄，工作波長越短，要求天線反射面的形面精度就越高，天線要有足夠大的電尺寸（天線直徑/工作波長）以實(shí)現(xiàn)高增益。天鏈一號上采用了鋁合金制柔性網(wǎng)狀天線，以確保用有限的天線體積獲得足夠大的電尺寸，也一度成為我國衛(wèi)星所搭載電尺寸最大的通訊天線，并配合星載閉環(huán)捕獲跟蹤技術(shù)對高速運(yùn)動(dòng)的用戶航天器進(jìn)行捕獲和跟蹤。

正在調(diào)試中的“鵲橋號”中繼衛(wèi)星天線 圖源：中國航天科技集團(tuán)有限公司官網(wǎng)

而在天鏈二號、鵲橋號中繼衛(wèi)星上則引用強(qiáng)度高、低熱膨脹系數(shù)、反射率高特點(diǎn)的極細(xì)鍍金鉬絲纖維合股加捻技術(shù)，在天線尺寸進(jìn)一步做大的同時(shí)也將重量降低近90%。

隨著我國“天問一號”奔赴火星開啟我國深空探測時(shí)代，需要測控距離延伸800,000至10億公里外的太空，所需要的大容量、超遠(yuǎn)距離測控傳輸能力，也將要70米級天線才能支持，在星上搭建這樣尺寸的天線幾乎是不可能的。因此在鵲橋號中繼衛(wèi)星保障嫦娥四號登月任務(wù)期間，我國還實(shí)驗(yàn)了超遠(yuǎn)程星間激光鏈路通訊技術(shù)，以搭載的重量輕、體積小的激光通訊終端，通過激光比微波寬幾個(gè)數(shù)量級的特性，提供極大的信息交換容量，實(shí)現(xiàn)萬里深空外速率1Gbps級數(shù)據(jù)傳輸，讓未來我國遠(yuǎn)在各地外行星遨游的探測器也能享受“WIFI服務(wù)”。

多個(gè)航天器同時(shí)在線，“天鏈”如何開啟“共享熱點(diǎn)”？

中繼衛(wèi)星架的高、看的遠(yuǎn)，需要要盯住的航天器自然比地面測控站更多，特別是隨著近年來航天器發(fā)射成本的降低，在軌航天器的數(shù)量在可預(yù)見的未來里將會(huì)出現(xiàn)爆發(fā)式增長，這就為中繼衛(wèi)星測控網(wǎng)絡(luò)的多址接入能力提出了更高的要求。然而，中繼衛(wèi)星的通信帶寬資源是有限的，不同的航天器，具有不同的數(shù)據(jù)速率、調(diào)制方式、頻帶寬度和多普勒頻移，所以如何實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶高效地共享鏈路資源，是測控網(wǎng)絡(luò)支持為多個(gè)航天器服務(wù)所需解決的關(guān)鍵問題。

不同用戶飛行器共享測控網(wǎng)絡(luò)模擬示意圖

針對中繼衛(wèi)星有效載荷數(shù)量與容量有限的問題，為“天鏈”設(shè)計(jì)了一套更加高效的天基測控網(wǎng)按需訪問系統(tǒng)——采用混合自由/按需分配策略 （CFDAMA）分配測控資源：它在信道負(fù)載較低時(shí)，主要通過自由分配方式獲得時(shí)隙資源 而在信道負(fù)載較高時(shí)，時(shí)隙的分配主要是按需分配方式發(fā)送資源預(yù)約請求。

平時(shí)中繼衛(wèi)星將數(shù)據(jù)包透明轉(zhuǎn)發(fā)給對應(yīng)的中繼衛(wèi)星地面站，中繼衛(wèi)星地面站通過地面網(wǎng)絡(luò)直接將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給地面資源調(diào)度中心，并按用戶飛行器與中繼衛(wèi)星的連接順序查找用戶飛行器與當(dāng)前中繼衛(wèi)星的可用通信時(shí)間段，生成相應(yīng)的數(shù)傳業(yè)務(wù)指令，到預(yù)約時(shí)間點(diǎn)觸發(fā)定時(shí)器并向用戶飛行器發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)指令，用戶飛行器接收到指令后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的回傳。通過這套運(yùn)營方式，使“天鏈”信道利用率得以最大化，理論上可幫助256個(gè)用戶飛行器高效共享鏈路資源。

“天鏈”的升空，配合境內(nèi)外地面測控站與遠(yuǎn)望測量船進(jìn)一步鋪開我國航天測控網(wǎng)絡(luò)，也讓我們了解人類太空活動(dòng)從最簡單的“短訊播報(bào)”升級到“視頻直播”，讓太空與我們的距離不再遙遠(yuǎn)。隨著衛(wèi)星數(shù)量的暴增、空間站建設(shè)初具成型、深空探測不斷提速，對中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的通信能力和服務(wù)能力需求也將與日俱增，未來我國將有更多、性能更強(qiáng)大的“天鏈”組網(wǎng)運(yùn)行，為航天器提高、更快、更遠(yuǎn)的通訊服務(wù)。