天链一号

定义

天链一号是中国第一代跟踪与数据中继卫星系统,通常简称中继卫星系统,运行于地球同步静止轨道。这类卫星被形象地称为“卫星的卫星”,作用是充当在航天器与地面站之间转发测控与数据的空间节点^[2][1]。

系统的空间段由5颗地球同步轨道卫星组成,地面段包括中继卫星控制管理中心、地面终端站以及用户航天器上的中继终端,二者联合构成完整的跟踪与数据中继卫星系统^[2]。它服务的对象既包括神舟飞船、天宫目标飞行器与空间站等载人航天器,也包括中、低轨道的遥感与资源类卫星^[3]。

卫星本体以东方红三号卫星平台为基础,由中国航天科技集团有限公司第五研究院所属中国空间技术研究院抓总研制,02 星之后的发射任务多由长征三号丙运载火箭承担^[5][6]。02 星与 03 星在轨组网后,系统对中、低轨航天器的轨道覆盖率提升至近 100%^[7]。

原理

中、低轨航天器一般运行在距地面 200 至 2000 千米的高度,受地球曲率与无线电直线传播的制约,单座地面站只能在很短时间内与其建立稳定链路,这段时间大约只占其轨道周期的 2% 至 3%^[8][1]。如果要靠地面站实现对 300 千米高度航天器的全覆盖,理论上需要在地表均匀布设 100 多个站点,在经费与地理条件上难以实现^[8]。

中继卫星的思路是把测控站“抬高”到约 36000 千米的地球静止轨道。处在这一高度的卫星既能直视中、低轨航天器,又能同时直视地面站,因此可以充当二者之间的数据中转站;若在静止轨道上均匀部署 3 颗卫星,理论上即可对全球中、低轨航天器形成接近 100% 的覆盖^[2][8]。

卫星的星间链路使用一副 S/Ka 双馈源抛物面天线,测控信号走 S 波段单址链路,高速数传使用 Ka 波段;大口径跟踪天线的指向、捕获与跟踪依靠星载闭环捕获跟踪技术实现。由于用户目标在轨道上高速运动,而星上波束又必须做得很窄,精确捕获与跟踪、天线与星体姿态的耦合控制成为该系统必须解决的核心难题^[1]。

系统层面还涉及资源分配与调度:当多个用户的服务时段重叠或相互临近时,需要按用户优先级取舍,并在任务之间保留必要间隔,以兼顾高优先级任务保障与整体服务效率。

发展历程

中国从 20 世纪 80 年代初期开始对中继卫星进行跟踪研究,“九五”期间开展了一系列预研工作,为第一代系统的建设提供了技术基础^[1]。2003 年,天链一号中继卫星系统工程正式立项,由五院抓总启动研制^[2][1]。

2008 年 4 月 25 日,首颗卫星天链一号01星在西昌卫星发射中心由长征三号丙运载火箭发射升空,使中国航天器开始拥有天上的数据中转站^[3][7]。该星定点于东经 77 度,并在同年的神舟七号任务中首次执行在轨数据中继,飞船测控覆盖率由此前依靠地面站的 18% 提升到 50% 左右^[1]。

2011 年 7 月 11 日,天链一号02星发射,对用户航天器的轨道覆盖率达到 85%^[1][6]。2012 年 7 月 25 日,03 星发射成功,三星在轨组网,分别位于非洲、印度洋与太平洋上空,标志中国第一代中继卫星系统正式建成^[9][1]。

01 星的设计寿命为 6 年,超期服役后由备份星接替。2016 年 11 月 22 日,天链一号04星发射,接替到寿的 01 星,并在一定时期内与另三颗卫星四星共轨运行^[8]。2021 年 7 月 6 日,天链一号05星发射成功,第一代数据中继卫星系统研制收官,该星同时是东方红三号卫星平台的最后一次应用^[5][7]。

应用

系统投入运行后首先服务于载人航天。自 01 星发射以来,天链卫星先后为神舟系列飞船、天宫一号目标飞行器、天宫二号空间实验室以及天和核心舱等各阶段任务提供测控与通信保障,并支持空间交会对接^[5]。在天宫二号与神舟十一号任务中,航天员借助该系统完成天地通话,并通过前向高速上行链路首次实现天地双向视频通话^[2]。

对地观测类卫星是另一类主要用户。中继卫星可为中、低轨的资源系列、高分系列等卫星提供长期在轨高速数据中继,把遥感数据实时下传到地面,从而减少对地面站过境时机的依赖^[1]。这类能力对灾害监测等时效性要求高的任务尤为重要^[10]。

系统的服务对象还包括运载火箭。天链卫星为火箭发射过程提供天基测控手段,使发射全程的测控与数据中继能力得到补充^[5]。据航天科技集团介绍,该系统使中国载人航天测控通信覆盖率从不足 20% 提高到 98% 以上^[5]。

在轨运行中,天链一号还出现过多星协同的使用方式。2021 年 5 月天舟二号入轨后,天链一号 03 星、04 星与天链二号 01 星组网,对天和核心舱与货运飞船同时提供双目标天基测控与数据中继支持。

局限

覆盖范围受轨道几何条件约束。三星组网实现的是对中、低轨航天器的近全球覆盖,对部分轨道高度更高的航天器以及极区等特殊几何条件,仍存在可见性限制;这也正是后续天链二号扩展服务高度、兼顾部分同步轨道用户需求的原因^[11]。

系统资源本身有限。中继卫星在某一时段只能为一种任务提供服务,而数据中继、卫星工程测控与地面站设备维护彼此排斥;当多个用户申请时段冲突时必须进行取舍,部分申请只能被部分满足或被取消。

单星寿命与系统连续性之间存在矛盾。第一代卫星的设计寿命为 6 年,01 星在超期服役两年多之后才由 04 星接替,期间需依靠备份星共轨维持系统不中断^[8]。第一代系统的传输速率与转发器通道数量也相对有限,天链二号通过兼容原频率、扩展带宽与增加通道,把传输速率提高了 1 倍^[11]。

技术难度集中在星上设备。中继卫星需在数万千米高度上以极窄波束跟踪高速目标,对天线型面精度、驱动机构与姿态控制提出很高要求,相关高性能转发器与器件长期是研制中的难点^[8]。

参见

• 天链二号 —— 中国第二代数据中继卫星系统,与天链一号构成两代同时在轨服务的格局。

• 跟踪与数据中继卫星 —— 天链一号所属的卫星类别,承担数据中继与天基测控功能。

• 东方红三号卫星平台 —— 天链一号各星所采用的基础卫星平台。

• 中国空间技术研究院 —— 天链一号的抓总研制单位。

• 神舟飞船 —— 天链一号最主要的服务对象之一。

• 西昌卫星发射中心 —— 天链一号全部卫星的发射场所。