2022年6月5日，神舟十四號(hào)載人飛船出征太空，電視直播中傳出“天路前返向鏈路正常，天路跟蹤正?！钡目诹?，航天科技集團(tuán)五院天鏈衛(wèi)星系統(tǒng)研制團(tuán)隊(duì)的成員會(huì)心一笑——這是他們?cè)偈煜げ贿^(guò)的場(chǎng)景。

十余年來(lái)，天鏈數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)持續(xù)為我國(guó)載人航天工程提供可靠穩(wěn)定的天基測(cè)控與數(shù)傳服務(wù)。7月13日，隨著天鏈二號(hào)03星成功發(fā)射，我國(guó)第二代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)完成三星組網(wǎng)。五院的研制團(tuán)隊(duì)將多條高速“天路”編織成了一張多重覆蓋的高速“天網(wǎng)”。

天鏈一號(hào)“從無(wú)到有”

測(cè)控覆蓋率從18%到近100%

跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)是為中低軌道的航天器與航天器之間、航天器與地面站之間提供數(shù)據(jù)中繼、連續(xù)跟蹤與在軌測(cè)控服務(wù)的系統(tǒng)，是20世紀(jì)航天測(cè)控通信技術(shù)的重大突破。

在天鏈中繼衛(wèi)星投入使用前，我國(guó)一直依托一系列陸基測(cè)控站和遠(yuǎn)望系列遠(yuǎn)洋測(cè)量船支撐衛(wèi)星、飛船和探測(cè)器的發(fā)射測(cè)控與在軌通信任務(wù)。然而，由于受地球曲率的影響，地面和海上測(cè)控對(duì)中低軌道航天器的軌道覆蓋范圍非常有限。如要實(shí)現(xiàn)對(duì)300公里高度的低軌道航天器100%覆蓋，理論上需要在地表均勻布設(shè)100多個(gè)站點(diǎn)，這顯然難以實(shí)現(xiàn)。

中繼衛(wèi)星被稱為“衛(wèi)星的衛(wèi)星”，可以充分發(fā)揮軌道高度優(yōu)勢(shì)，“居高臨下”跟蹤在中低軌運(yùn)行的航天器，并將獲得的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳到地面，可極大提高各類衛(wèi)星的使用效益和應(yīng)急能力，大幅度減少地面站、測(cè)量船的數(shù)量，具有巨大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。美國(guó)、俄羅斯及歐洲在20世紀(jì)80年代便開(kāi)始著手建設(shè)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，并得到了廣泛的應(yīng)用。我國(guó)從20世紀(jì)80年代初期開(kāi)始對(duì)中繼衛(wèi)星進(jìn)行研究，并在“九五”期間開(kāi)展了一系列的預(yù)研工作，為我國(guó)第一代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

天鏈一號(hào)中繼衛(wèi)星于2003年由五院抓總啟動(dòng)，以當(dāng)時(shí)最新研制的東方紅三號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)為基礎(chǔ)開(kāi)展研制。由于中繼衛(wèi)星不同于傳統(tǒng)通信衛(wèi)星，必須解決中低軌道高速運(yùn)動(dòng)用戶目標(biāo)與同步軌道衛(wèi)星之間的精確捕獲與跟蹤的難題，這對(duì)于中繼衛(wèi)星采用大口徑跟蹤天線的星間鏈路捕獲跟蹤能力提出了極高的要求。另外，天線與衛(wèi)星的姿態(tài)耦合等問(wèn)題，也對(duì)衛(wèi)星研制提出了很大的挑戰(zhàn)。

研制團(tuán)隊(duì)迎難而上，攻克了重重難題。2008年4月，我國(guó)首顆數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星天鏈一號(hào)01星成功發(fā)射，這意味著我國(guó)的中低軌航天器開(kāi)始擁有天上的數(shù)據(jù)“中轉(zhuǎn)站”。天鏈一號(hào)01星發(fā)射后，神舟七號(hào)飛船的測(cè)控覆蓋率從18%提高到了50%。

▲天鏈一號(hào)衛(wèi)星在軌示意圖

2011年7月，隨著天鏈一號(hào)02星的成功發(fā)射，對(duì)用戶航天器的軌道覆蓋率達(dá)到了85%。2012年7月，天鏈一號(hào)03星成功發(fā)射，天鏈一號(hào)實(shí)現(xiàn)三星在軌組網(wǎng)工作，三顆衛(wèi)星分別在非洲、印度洋、太平洋上空對(duì)低軌用戶航天器實(shí)現(xiàn)了近100%的覆蓋。至此，我國(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，為我國(guó)神舟飛船、空間實(shí)驗(yàn)室、空間站等提供數(shù)據(jù)中繼與測(cè)控服務(wù)，支持空間交會(huì)對(duì)接任務(wù)，同時(shí)為我國(guó)中、低軌的資源系列、高分系列等衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，并為航天器發(fā)射提供測(cè)控支持。

2016年12月，天鏈一號(hào)04星成功發(fā)射，接替超期服役的01星。2021年7月，天鏈一號(hào)05星成功發(fā)射，我國(guó)第一代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)研制圓滿收官。天鏈一號(hào)實(shí)現(xiàn)了我國(guó)在數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星領(lǐng)域的“從無(wú)到有”，建立了天地間信息“天網(wǎng)”。

天鏈二號(hào)“從有到強(qiáng)”

天鏈中繼網(wǎng)傳輸速率成倍提升 

在第一代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)緊鑼密鼓開(kāi)展建設(shè)的同時(shí)，第二代中繼衛(wèi)星的研制已經(jīng)提上日程。

2010年，我國(guó)啟動(dòng)了天鏈二號(hào)衛(wèi)星的研制工作。天鏈二號(hào)01星基于東方紅四號(hào)平臺(tái)，在充分繼承了第一代中繼衛(wèi)星技術(shù)狀態(tài)的基礎(chǔ)上，采用了更加先進(jìn)的有效載荷技術(shù)，配置多副新型天線。天鏈二號(hào)衛(wèi)星兼容天鏈一號(hào)衛(wèi)星的工作頻率，并擴(kuò)展了工作頻率的帶寬和轉(zhuǎn)發(fā)器的通道數(shù)量，傳輸速率增加了1倍，大大提升了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸效能，衛(wèi)星服務(wù)覆蓋的范圍也有了極大提升，可以兼顧部分36000公里的同步軌道用戶航天器的服務(wù)需求。

由于采用了大量新技術(shù)，國(guó)內(nèi)沒(méi)有同類研制經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，天鏈二號(hào)01星研制團(tuán)隊(duì)面臨著重重困難，開(kāi)始了“啃硬骨頭”的艱難時(shí)期。在五院的支持下，他們集結(jié)航天系統(tǒng)內(nèi)外的專家力量，在熱控、結(jié)構(gòu)、控制、電子、天線以及材料工藝等方面開(kāi)展攻關(guān)。經(jīng)過(guò)近三年努力，研制團(tuán)隊(duì)完成了上百項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證，最終在2019年3月將天鏈二號(hào)01星送入太空。我國(guó)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)邁出了升級(jí)換代的第一步，進(jìn)入兩代中繼衛(wèi)星“聯(lián)手”應(yīng)用階段。

▲天鏈二號(hào)衛(wèi)星在軌示意圖

2021年12月，天鏈二號(hào)02星成功發(fā)射，該衛(wèi)星可工作在不同軌位，具有較強(qiáng)的軌道適應(yīng)能力，提升了衛(wèi)星在軌的機(jī)動(dòng)性和靈活性；同時(shí)衛(wèi)星單機(jī)國(guó)產(chǎn)化率顯著提升，研制周期大幅縮短，驗(yàn)證了天鏈二號(hào)衛(wèi)星具備快速研制的能力。

2022年7月，天鏈二號(hào)03星成功發(fā)射，我國(guó)第二代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)完成了三星組網(wǎng)的建設(shè)，有力推動(dòng)了我國(guó)天基測(cè)控與傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的步伐。

第一代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)從第一顆衛(wèi)星發(fā)射到三星組網(wǎng)用了4年3個(gè)月，第二代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)從第一顆衛(wèi)星發(fā)射到三星組網(wǎng)用了3年3個(gè)月。時(shí)隔10年，我國(guó)“數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星天團(tuán)”陣容再次升級(jí)，天基中繼系統(tǒng)的健壯性、可靠性、靈活性和服務(wù)能力得到進(jìn)一步提升。

如果說(shuō)天鏈一號(hào)實(shí)現(xiàn)了我國(guó)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星“從無(wú)到有”，天鏈二號(hào)三星組網(wǎng)則實(shí)現(xiàn)了“從有到強(qiáng)”。

架起“天路”

天地通話一“鏈”牽

天鏈系列中繼衛(wèi)星作為“太空基站”，鏈接地面站與航天器，已成為我國(guó)太空活動(dòng)不可或缺的重要組成部分。

從神舟七號(hào)到神舟十四號(hào)，8艘飛船20人次的太空飛行，任務(wù)執(zhí)行時(shí)間從2天20小時(shí)到接近半年，天鏈系列衛(wèi)星如影相隨；天舟系列貨運(yùn)飛船從一號(hào)到四號(hào)，天鏈系列衛(wèi)星相伴左右；天宮一號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室、天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室以及空間站的建造均離不開(kāi)天鏈系列中繼衛(wèi)星的天基支持。

2021年6月23日，習(xí)近平總書記同正在太空?qǐng)?zhí)行任務(wù)的神舟十二號(hào)航天員乘組親切通話。大屏幕上，航天員的視頻畫面清晰流暢，聲音清脆響亮。此時(shí)，以天鏈二號(hào)01星為接入節(jié)點(diǎn)的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)正進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，為這場(chǎng)天地通話提供了流暢穩(wěn)定的中繼服務(wù)保障。此外，神舟十三號(hào)乘組多次在軌開(kāi)展“太空授課”，授課直播畫面清晰流暢，“天地互動(dòng)”實(shí)時(shí)暢通。這背后，同樣離不開(kāi)天鏈數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的全程保駕護(hù)航。

當(dāng)前，隨著天鏈數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的組網(wǎng)應(yīng)用，全天候、全球覆蓋的天基測(cè)控網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)建成，長(zhǎng)時(shí)間不間斷、穩(wěn)定可靠的天地通話已成為現(xiàn)實(shí)，天鏈中繼衛(wèi)星架起了一條連通天地、暢通無(wú)阻的“天路”。從短暫的天地通話，到如今空間站上的航天員可以隨時(shí)與地面進(jìn)行視頻和語(yǔ)音通信，暢享全Wifi智能生活，天鏈中繼衛(wèi)星連通天地已經(jīng)盡在掌握。

服務(wù)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大

任務(wù)量增加

隨著第二代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)三星組網(wǎng)，我國(guó)形成了第一代、第二代多星組網(wǎng)的架構(gòu)，為更多的中低軌航天器提供更強(qiáng)大的測(cè)控與數(shù)傳服務(wù)。三星組網(wǎng)后，我國(guó)同步軌道測(cè)控的覆蓋率進(jìn)一步提升，測(cè)控網(wǎng)絡(luò)多波束覆蓋將實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道覆蓋范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，星地一體化實(shí)現(xiàn)中低軌道的全覆蓋，用戶服務(wù)數(shù)量進(jìn)一步增加。

除支持載人航天任務(wù)外，從運(yùn)載火箭發(fā)射測(cè)控服務(wù)到各類遙感衛(wèi)星在軌的測(cè)控與數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，天鏈中繼衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)每天在軌任務(wù)量逐漸增加。相比第一代中繼衛(wèi)星三星組網(wǎng)的任務(wù)量，隨著中、低軌道遙感、測(cè)繪、氣象等衛(wèi)星數(shù)量的快速增加，每條星間鏈路每天的任務(wù)量幾乎翻了一倍。高效完成這些任務(wù)，是星地一體任務(wù)優(yōu)化效率提升的結(jié)果。

2022年4月發(fā)射的中星6D衛(wèi)星是第一顆在我國(guó)民商用通信衛(wèi)星領(lǐng)域采用中繼測(cè)控技術(shù)的衛(wèi)星。該衛(wèi)星配置了中繼測(cè)控子系統(tǒng)，發(fā)射后由中繼衛(wèi)星直接將測(cè)控信息回傳至地面站，降低了對(duì)海外測(cè)控站點(diǎn)和測(cè)量艦船的依賴，再一次展示了我國(guó)對(duì)衛(wèi)星的自主測(cè)控能力，并將測(cè)控服務(wù)軌道高度提升到了同步軌道。

五院天鏈中繼衛(wèi)星研制團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持自主研發(fā)、創(chuàng)新攻關(guān)，走出了一條符合我國(guó)國(guó)情的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)道路。未來(lái)，各類用戶航天器數(shù)量的快速增長(zhǎng)，對(duì)天基測(cè)控與數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性需求、系統(tǒng)接入能力以及多目標(biāo)服務(wù)能力提出了更高的要求。為了更好地服務(wù)用戶航天器，天鏈數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)家族也將迎來(lái)更多新成員。