天鏈一號數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星模擬圖
20日上午10時05分至55分，神十航天員王亞平將在天宮一號(微博)上進行我國首次太空授課。此次太空授課主要面向中小學(xué)生，講授失重條件下的物體運動特點、以及液體表面張力作用等內(nèi)容。除濕機
或許有人會認(rèn)為這沒什么實際意義，或許還會有人認(rèn)為這不過是激發(fā)青少年航天熱情的太空秀。太空授課看似是很簡單的一項任務(wù)，但鮮為人知的是，這需要強大的航天測控能力在背后進行支持，特別是數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的支持。工業(yè)除濕機
神舟天宮組合體運行在距離地面大約340公里的高度，屬于近地軌道航天器，繞地球運行一圈的時間約為90分鐘。
受地球曲率影響，地面或海面單個測控站對340公里高度的神舟天宮組合體的測控、通訊范圍很小，如果要保持不間斷的通聯(lián)，理論上需要布設(shè)100多個站點均勻分布在地表，這在經(jīng)濟上、政治上都是不可能的。此次太空授課的時長是50分鐘，從上課開始到結(jié)束，這期間神舟天宮組合體已經(jīng)圍繞地球飛行了半圈多，依靠地面測控站進行不間斷視頻直播的話，最理想情況也需要10多個測控站，我國的地面測控體系現(xiàn)在也缺乏這個條件。
大型航天測控船造價昂貴，運行費用也非常高。
在冷戰(zhàn)期間，美蘇兩個航天強國遇到同樣的問題，他們依靠其強大經(jīng)濟實力、以及政治影響力，在全球多個國家建立了地面測控站，建造了大量測控船及飛機，但也無法實現(xiàn)對低軌航天器的無間斷測控。直至1983年，美國人開始將目光投向太空，他們發(fā)射了運行在靜止軌道上的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星。低軌航天器先將數(shù)據(jù)上傳至中繼衛(wèi)星，中繼衛(wèi)星再將數(shù)據(jù)傳回至地面，即一個"星-星-地"的通訊流程。中繼衛(wèi)星運行36000公里高度的靜止軌道上，分布均勻的3顆衛(wèi)星即可以基本實現(xiàn)對200-1200公里高度航天器運行軌道的全覆蓋。相較地面、海上測控站點，數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星具有覆蓋面積廣、實時性高、經(jīng)濟性好等優(yōu)點。
我國則分別在2008年和2011年發(fā)射了"天鏈一號"數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的01、02星，天鏈一號03星在2012年7月25日發(fā)射成功，由此建立第一代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。細(xì)心的讀者可以發(fā)現(xiàn)，在央視對神十發(fā)射的直播中，屏幕右上角有時會出現(xiàn)"天鏈"字眼，這是表示當(dāng)時的視頻信號來自"天鏈一號"數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)。而"濱海"、"南亞"、"喀什"和"遠(yuǎn)望"等字眼則分別表示東非肯尼亞的馬林迪測控站、南亞巴基斯坦的卡拉奇測控站、中國新疆的喀什測控站和海上的遠(yuǎn)望系列測控船。
天鏈一號衛(wèi)星只需3顆即可覆蓋全球，造價低、運行費用也低，可謂物美價廉。
天鏈一號衛(wèi)星中繼傳回地面的天宮一號艙內(nèi)畫面，注意右上角的“天鏈”字眼。
數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星是個好東西，但技術(shù)難度卻相當(dāng)大，美國在60年代即成功發(fā)射靜止軌道通信衛(wèi)星，但在約20年后才擁有數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星。我國則直至去年才建立自己的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。
與普通通信衛(wèi)星相比，數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星需要克服的第一個技術(shù)難題是對航天器的捕獲和跟蹤。中繼衛(wèi)星運行高度是36000公里，低軌航天器的高度僅為數(shù)百公里，距離非常遠(yuǎn)；而視頻、高質(zhì)量靜態(tài)圖像又需要高速數(shù)據(jù)傳輸，中繼衛(wèi)星與低軌航天器之間需要采用增益高、波束極窄的Ku/Ka波段天線進行通訊。通訊距離遠(yuǎn)、通訊波束窄，這就對跟蹤精度提出了極高要求，要達到0.06度。
中繼衛(wèi)星為了與眾多中低軌道衛(wèi)星通信，天線處于復(fù)雜的變速運動狀態(tài)，在轉(zhuǎn)動速度、加速度和角度上都沒有規(guī)律，天線的機械驅(qū)動機構(gòu)不僅要精度高，而且要求在惡劣工作環(huán)境下長時間穩(wěn)定運行，制造難度很大。同樣麻煩的還有天線與衛(wèi)星的振動耦合問題，非線性結(jié)構(gòu)的天線不規(guī)律的運動和振動，對衛(wèi)星本體姿態(tài)控制也有很復(fù)雜的影響，對衛(wèi)星控制也提出了很大的挑戰(zhàn)。而天線制造本身也是一個難題，高數(shù)據(jù)傳輸速率要求高增益天線，通俗地說，中繼衛(wèi)星的拋物面通信天線尺寸要盡可能的大。同時，Ku/Ka波段波長小，對天線拋物面精度要求也非常高。數(shù)米直徑的拋物面天線整體形面誤差要低于0.1毫米，并且要在外太空高溫差條件下長期保持這樣的精度，其難度可想而知。
數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星天線尺寸大、加工精度高、測角精度也非常高，其技術(shù)難度可想而知。
所以，數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星可以稱得上是當(dāng)今技術(shù)含量最高的通訊衛(wèi)星。我國在去年完成第一代"天鏈一號"數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星體系的建設(shè)，今年進行"太空授課"實則是對自己航天測控實力的一次展示。
更為重要的是，天鏈一號的作用并不僅限于為神舟、天宮服務(wù)，它還可以為中低軌道的各類民用遙感衛(wèi)星、軍用偵察衛(wèi)星提供測控、數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，對國民經(jīng)濟、國防建設(shè)均有巨大的促進作用。（文/杜松濤）奧特思普科技除濕機 |
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