中繼衛(wèi)星：助力載人航天和深空探測(cè)更便捷

2022年7月13日，我國(guó)長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭將天鏈二號(hào)03星送入預(yù)定軌道，標(biāo)志著我國(guó)第二代地球同步軌道數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星成功組網(wǎng)運(yùn)行，可具備滿(mǎn)足中低軌道航天器全球覆蓋的能力，并提供24小時(shí)無(wú)間斷通信。

二代衛(wèi)星系統(tǒng)組網(wǎng) 示意圖（來(lái)源：中國(guó)航天科技集團(tuán)五院）

什么是中繼衛(wèi)星

跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星簡(jiǎn)稱(chēng)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(huì)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(yùn)行在近地軌道上，那么無(wú)論把地面站部署得多么密集，都很難保證24小時(shí)不間斷的通信連接。載人飛行是一種充滿(mǎn)了風(fēng)險(xiǎn)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(huì)導(dǎo)致遙測(cè)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?yè)踝×说孛嬲竞惋w船之間的視線(xiàn)。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(guó)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(guó)宇航局的跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng) (TDRSS)。美國(guó)宇航局在上世紀(jì)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(xiàn)和電話(huà)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(gè)網(wǎng)絡(luò)能夠提供其中15 分鐘天地通信服務(wù)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)載人航天的全覆蓋，美國(guó)宇航局又建立了一個(gè)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(jī)項(xiàng)目建立后，美國(guó)宇航局發(fā)現(xiàn)上述幾個(gè)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(diǎn)，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(guó)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(guó)宇航局開(kāi)始了一項(xiàng)研究，使用天基通信節(jié)點(diǎn)來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)能力。這就是TDRSS的緣起。

在上世紀(jì)80年代和90年代，美國(guó)用航天飛機(jī)運(yùn)送和運(yùn)載火箭發(fā)射，部署大量TDRSS衛(wèi)星。目前，美國(guó)在軌道上運(yùn)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(yùn)動(dòng)。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(wèn)題。同時(shí)，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(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)星間鏈路，這對(duì)捕獲跟蹤能力提出了極高的要求。這樣大型的跟蹤天線(xiàn)需要不停地晃動(dòng)，對(duì)衛(wèi)星的姿態(tài)保持也提出了很大挑戰(zhàn)。

中國(guó)的天鏈衛(wèi)星系統(tǒng)

中國(guó)從上世紀(jì)80年代初期始研究中繼衛(wèi)星。2003年，中國(guó)開(kāi)始研制天鏈一號(hào)中繼衛(wèi)星，采用了東方紅三號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)。到2008年4月，天鏈一號(hào)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(hào)飛船的測(cè)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(hào)02星的成功發(fā)射，對(duì)飛船的軌道覆蓋率達(dá)到了85%。2012年7月，天鏈一號(hào)03星成功發(fā)射，3顆天鏈一號(hào)衛(wèi)星分別部署在非洲、印度洋、太平洋上空，實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛船軌道近乎于100%的覆蓋。2016年12月天鏈一號(hào)04星成功發(fā)射，接替01星。2021年7月天鏈一號(hào)05星成功發(fā)射。這批衛(wèi)星的發(fā)射，使中國(guó)成為繼美國(guó)之后，第二個(gè)擁有全球覆蓋能力中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的國(guó)家。天鏈一號(hào)為神舟飛船、空間實(shí)驗(yàn)室、空間站等載人航天器提供了數(shù)據(jù)中繼與測(cè)控服務(wù)，特別是支持空間交會(huì)對(duì)接任務(wù)，發(fā)揮了巨大作用。

2010年，中國(guó)啟動(dòng)了天鏈二號(hào)衛(wèi)星的研制工作。天鏈二號(hào)采用大尺寸的東方紅四號(hào)平臺(tái)，有效載荷容量和發(fā)電能力大幅度提高。因此，天鏈二號(hào)能夠采用更加先進(jìn)的有效載荷技術(shù)和多副新型天線(xiàn)，傳輸速率增加了1倍。2019年3月天鏈二號(hào)01星升空，2021年12月，天鏈二號(hào)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(hào)到神舟十四號(hào)載人飛船、天舟一號(hào)到四號(hào)貨運(yùn)飛船，天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器和天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室，空間站的建造和運(yùn)行也離不開(kāi)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(huà)，空間站里的“太空授課”，也都是在天鏈系列衛(wèi)星支持下進(jìn)行的。

天鏈一號(hào)05星模擬圖（來(lái)源：航天科技集團(tuán)五院）

數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星還可以支持各類(lèi)其他航天活動(dòng)，如運(yùn)載火箭發(fā)射測(cè)控服務(wù)、各類(lèi)遙感衛(wèi)星在軌測(cè)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(guó)第一顆采用中繼測(cè)控技術(shù)的商業(yè)衛(wèi)星。它的測(cè)控信息通過(guò)天鏈衛(wèi)星回傳至地面站，降低了對(duì)海外測(cè)控站點(diǎn)和測(cè)量艦船的依賴(lài)。目前，天鏈衛(wèi)星也為中、低軌道遙感、測(cè)繪、氣象等衛(wèi)星提供服務(wù)，每天都很忙碌。

深空探測(cè)中的中繼衛(wèi)星

中國(guó)還有另外一種另類(lèi)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(hào)探測(cè)器要在月球背面著陸，月球擋住了著陸點(diǎn)和地球之間的視線(xiàn)。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(hào)到底怎么樣了。鵲橋衛(wèi)星部署在地月L2點(diǎn)，在這里做周期運(yùn)動(dòng)，通過(guò)定期軌控保持軌道的穩(wěn)定性。地面測(cè)控指令通過(guò)鵲橋發(fā)射到嫦娥四號(hào)，嫦娥四號(hào)、玉兔二號(hào)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(shí)現(xiàn)了人類(lèi)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(hào)的落月和兩器分離任務(wù)，轟動(dòng)世界。美國(guó)宇航局曾一度提出，能不能讓鵲橋?yàn)槊绹?guó)的登月活動(dòng)提供支持。但是因?yàn)槊绹?guó)國(guó)會(huì)自己的法律限制，這件事無(wú)法實(shí)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(zhuān)用的，而是在繞飛探測(cè)器上攜帶了數(shù)據(jù)中繼的有效載荷，包括中國(guó)的天問(wèn)一號(hào)、歐洲的痕量氣體探測(cè)器等型號(hào)，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)。