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    太空直播二傳手:天鏈如何架起太空WIFI?

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    出品|網易新聞

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


    太空和地面如何通信?為何要用衛星架起WIFI?

    每次航天器的發射與飛行任務都需要對飛行中的運載火箭和航天器進行跟蹤測量和控制,也都會有萬千數據匯集到航天飛行指控中心,經過處理再次變換成為指令發出。在這之中,往往有安裝與地面測控站或是海面漂泊的遠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星外,其他航天器、特別是運行在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測控站,即便冷戰時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。


    圖為模擬神州五號的太空飛行時的地面軌跡,從圖上可以看出,飛船路過中國上空的時間很短,國境內的觀測站和通訊站有效保持通訊時間有限。

    要擺脫地球曲率影響,測控點自然站的越高、看的越遠,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重要因素:一是同步,這一軌道的衛星的公轉周期和地球的自轉周期相同,因此地球同步軌道衛星可以全天候的和固定的衛星地面接收站聯絡,十分方便;二是夠高,大多數低軌道衛星、載人飛船、空間站高度分布在100-400km,少量導航衛星和閃電軌道的衛星在20,000km的高度,而地球同步軌道的高度足足有36,000km的高度,除了為數不多的地月轉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80年代美國率先發射了世界上第一顆數據中繼衛星;而我國于2008年成功發射我國第一顆數據中繼衛星“天鏈一號”,填補了我國數據中繼和天基測控領域的空白。


    2008年4月25日,我國首顆數據中繼衛星“天鏈一號01星”在西昌衛星發射中心成功發射

    圖源:新華社/ 李剛 攝

    用WLAN‘天鏈’:讓中國擁有太空數據“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并啟動了天鏈一號中繼衛星系統工程。

    天鏈一號由中國航天科技集團公司基于成熟的東方紅三號通用平臺為基礎研制:該平臺作為第一代采用三軸穩定技術的同步衛星,其衛星公用平臺整體設計、通信信道天線、全三軸姿態穩定技術、雙組元統一推進系統等領域均屬當時國際同類衛星(中型容量)的先進水平,自1997年首次升空以來,到2003年天鏈衛星啟動研制時,已成功發射6顆,承擔了中國公用網業務、VAST業務和一定的電視信號傳輸任務。作為一種成熟、先進的地球靜止軌道衛星,自然也成為天鏈一號研制時的首選平臺。



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


    由于天鏈一號的衛星平臺設計壽命為8年、其子系統設計壽命為6年,原有的天鏈一號01~03星已在軌超期服役多年,亟待更新換代。因此,在2016年及今年,我國又分別發射了天鏈一號04、05星替換已到壽的中繼衛星,參與了我國登陸月球、火星探測任務。


    天鏈二號中繼衛星基于東方紅四號衛星平臺,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據搭橋,2018年12月又發射了我國、也是世界首顆地球軌道外專用中繼通信衛星——“鵲橋”號中繼衛星,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”。“鵲橋”號、天鏈二號的服役使我國中繼衛星進入“2.0”時代。

    “天路”繁忙卻不堵:如何讓太空“網速”更帶勁?

    我國早期航天遙測都采用名為“統一S波段測控系統”進行航天器通訊,這也是我們在直播中常聽到的“USB跟蹤正常”的由來。但各航天器搭載設備性能的提升也使訪問數據越來越大,原來的S波段帶寬愈發入不敷出,于是工程人員便盯上了更高頻率的遙測系統。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,傳輸速度也會更快,已運用于傳統衛星通訊的Ka波段自然也成為天基測控的首選。

    天鏈一號自設計時即采用了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。由于買入了毫米波段,其帶寬暴漲可高出S波段2個以上數量級,傳輸速率也鳥槍換炮,天鏈衛星系統通信的一條鏈路的下行速率便可達到是1.2Gbps,中繼衛星地面站實時接收太空數據,然后將數據傳到北京飛控中心,再根據不同標識自動分發,時延僅為秒級。這也是當年神州十號的傳輸畫面能從神州五號卡頓且僅數分鐘的“PPT”升級為相對流暢的“直播授課”的底氣所在。


    由于高速率傳輸的要求,相關天線的波束很窄,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)以實現高增益。天鏈一號上采用了鋁合金制柔性網狀天線,以確保用有限的天線體積獲得足夠大的電尺寸,也一度成為我國衛星所搭載電尺寸最大的通訊天線,并配合星載閉環捕獲跟蹤技術對高速運動的用戶航天器進行捕獲和跟蹤。


    正在調試中的“鵲橋號”中繼衛星天線 圖源:中國航天科技集團有限公司官網

    而在天鏈二號、鵲橋號中繼衛星上則引用強度高、低熱膨脹系數、反射率高特點的極細鍍金鉬絲纖維合股加捻技術,在天線尺寸進一步做大的同時也將重量降低近90%。



    東華大學開發的極細金屬絲合股及經編技術使的我國中繼衛星天線尺寸進一步刷新

    隨著我國“天問一號”奔赴火星開啟我國深空探測時代,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星保障嫦娥四號登月任務期間,我國還實驗了超遠程星間激光鏈路通訊技術,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數量級的特性,提供極大的信息交換容量,實現萬里深空外速率1Gbps級數據傳輸,讓未來我國遠在各地外行星遨游的探測器也能享受“WIFI服務”。

    多個航天器同時在線,“天鏈”如何開啟“共享熱點”?

    中繼衛星架的高、看的遠,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射成本的降低,在軌航天器的數量在可預見的未來里將會出現爆發式增長,這就為中繼衛星測控網絡的多址接入能力提出了更高的要求。然而,中繼衛星的通信帶寬資源是有限的,不同的航天器,具有不同的數據速率、調制方式、頻帶寬度和多普勒頻移,所以如何實現多個用戶高效地共享鏈路資源,是測控網絡支持為多個航天器服務所需解決的關鍵問題。

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


    不同用戶飛行器共享測控網絡模擬示意圖

    平時中繼衛星將數據包透明轉發給對應的中繼衛星地面站,中繼衛星地面站通過地面網絡直接將數據包轉發給地面資源調度中心,并按用戶飛行器與中繼衛星的連接順序查找用戶飛行器與當前中繼衛星的可用通信時間段,生成相應的數傳業務指令,到預約時間點觸發定時器并向用戶飛行器發送數據傳輸業務指令,用戶飛行器接收到指令后進行數據傳輸業務的回傳。通過這套運營方式,使“天鏈”信道利用率得以最大化,理論上可幫助256個用戶飛行器高效共享鏈路資源。

    結語:

    “天鏈”的升空,配合境內外地面測控站與遠望測量船進一步鋪開我國航天測控網絡,也讓我們了解人類太空活動從最簡單的“短訊播報”升級到“視頻直播”,讓太空與我們的距離不再遙遠。隨著衛星數量的暴增、空間站建設初具成型、深空探測不斷提速,對中繼衛星系統的通信能力和服務能力需求也將與日俱增,未來我國將有更多、性能更強大的“天鏈”組網運行,為航天器提高、更快、更遠的通訊服務。

    參考文獻:

    [1] 王家勝 齊鑫.為載人航天服務的中國數據中繼衛星系統 [C];中國科學:技術科學,2014,第3期.

    [2] 蔣東霖.測控網絡多用戶接入技術研究 [R];西安電子科技大學,2017

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