太空授课背后的中国航天实力

　　20日上午10时05分至55分，神十航天员王亚平在天宫一号上进行我国首次太空授课。此次太空授课主要面向中小学生，讲授失重条件下的物体运动特点、以及液体表面张力作用等内容。

　　或许有人会认为这没什么实际意义，或许还会有人认为这不过是激发青少年航天热情的太空秀。太空授课看似是很简单的一项任务，但鲜为人知的是，这需要强大的航天测控能力在背后进行支持，特别是数据中继卫星的支持。

　　神舟天宫组合体运行在距离地面大约340公里的高度，属于近地轨道航天器，绕地球运行一圈的时间约为90分钟。

　　受地球曲率影响，地面或海面单个测控站对340公里高度的神舟天宫组合体的测控、通讯范围很小，如果要保持不间断的通联，理论上需要布设100多个站点均匀分布在地表，这在经济上、政治上都是不可能的。此次太空授课的时长是50分钟，从上课开始到结束，这期间神舟天宫组合体已经围绕地球飞行了半圈多，依靠地面测控站进行不间断视频直播的话，最理想情况也需要10多个测控站，我国的地面测控体系现在也缺乏这个条件。

　　在冷战期间，美苏两个航天强国遇到同样的问题，他们依靠其强大经济实力、以及政治影响力，在全球多个国家建立了地面测控站，建造了大量测控船及飞机，但也无法实现对低轨航天器的无间断测控。直至1983年，美国人开始将目光投向太空，他们发射了运行在静止轨道上的数据中继卫星。低轨航天器先将数据上传至中继卫星，中继卫星再将数据传回至地面，即一个“星-星-地”的通讯流程。中继卫星运行36000公里高度的静止轨道上，分布均匀的3颗卫星即可以基本实现对200-1200公里高度航天器运行轨道的全覆盖。相较地面、海上测控站点，数据中继卫星具有覆盖面积广、实时性高、经济性好等优点。

　　天链一号卫星中继传回的太空授课画面，注意右上角的“天链”字眼。

　　我国则分别在2008年和2011年发射了“天链一号”数据中继卫星的01、02星，天链一号03星在2012年7月25日发射成功，由此建立第一代数据中继卫星系统。细心的读者可以发现，在央视对神十发射的直播中，屏幕右上角有时会出现“天链”字眼，这是表示当时的视频信号来自“天链一号”数据中继卫星的转发。而“滨海”、“南亚”、“喀什”和“远望”等字眼则分别表示东非肯尼亚的马林迪测控站、南亚巴基斯坦的卡拉奇测控站、中国新疆的喀什测控站和海上的远望系列测控船。

　　数据中继卫星是个好东西，但技术难度却相当大，美国在60年代即成功发射静止轨道通信卫星，但在约20年后才拥有数据中继卫星。我国则直至去年才建立自己的数据中继卫星系统。

　　与普通通信卫星相比，数据中继卫星需要克服的第一个技术难题是对航天器的捕获和跟踪。中继卫星运行高度是36000公里，低轨航天器的高度仅为数百公里，距离非常远；而视频、高质量静态图像又需要高速数据传输，中继卫星与低轨航天器之间需要采用增益高、波束极窄的Ku/Ka波段天线进行通讯。通讯距离远、通讯波束窄，这就对跟踪精度提出了极高要求，要达到0.06度。

　　数据中继卫星天线尺寸大、加工精度高、测角精度也非常高，其技术难度可想而知。

　　中继卫星为了与众多中低轨道卫星通信，天线处于复杂的变速运动状态，在转动速度、加速度和角度上都没有规律，天线的机械驱动机构不仅要精度高，而且要求在恶劣工作环境下长时间稳定运行，制造难度很大。同样麻烦的还有天线与卫星的振动耦合问题，非线性结构的天线不规律的运动和振动，对卫星本体姿态控制也有很复杂的影响，对卫星控制也提出了很大的挑战。而天线制造本身也是一个难题，高数据传输速率要求高增益天线，通俗地说，中继卫星的抛物面通信天线尺寸要尽可能的大。同时，Ku/Ka波段波长小，对天线抛物面精度要求也非常高。数米直径的抛物面天线整体形面误差要低于0.1毫米，并且要在外太空高温差条件下长期保持这样的精度，其难度可想而知。

　　所以，数据中继卫星可以称得上是当今技术含量最高的通讯卫星。我国在去年完成第一代“天链一号”数据中继卫星体系的建设，今年进行“太空授课”实则是对自己航天测控实力的一次展示。

　　更为重要的是，天链一号的作用并不仅限于为神舟、天宫服务，它还可以为中低轨道的各类民用遥感卫星、军用侦察卫星提供测控、数据中继服务，对国民经济、国防建设均有巨大的促进作用。