中國(guó)空間站階段的“招牌節(jié)目”——“天宮課堂”首度開課

12月9日，中國(guó)空間站階段的“招牌節(jié)目”——“天宮課堂”首度開課。在“天宮”之上，三名“太空老師”翟志剛、王亞平、葉光富面向全國(guó)乃至全球的青少年，以天地互動(dòng)的方式展現(xiàn)了中國(guó)空間站的工作生活場(chǎng)景，演示微重力環(huán)境下的生物和物理等現(xiàn)象，并與地面課堂進(jìn)行實(shí)時(shí)交流。在這場(chǎng)長(zhǎng)達(dá)四十余分鐘的“太空授課”過程中，中國(guó)空間站繞行了地球近半圈，期間，三名“太空老師”的授課內(nèi)容始終都能清晰、流暢地傳回地面。這背后展現(xiàn)了中國(guó)航天強(qiáng)大的測(cè)控技術(shù)能力，其中，中國(guó)的天基中繼系統(tǒng)——“天鏈”衛(wèi)星扮演著舉足輕重的角色。

北京空間信息傳輸中心總工程師單長(zhǎng)勝在接受《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者專訪時(shí)表示，作為遠(yuǎn)在太空中的中國(guó)最高課堂，中國(guó)空間站“天宮課堂”位于距離地面400公里左右的近地軌道之上，在這個(gè)高度的航天器大約每90分鐘繞飛地球一圈。期間，受地球曲率遮擋和視線視場(chǎng)問題影響，在大部分時(shí)間里，中國(guó)空間站都無(wú)法通過國(guó)內(nèi)陸基測(cè)控站和海上測(cè)量船等地海測(cè)控系統(tǒng)和地面建立聯(lián)系，只有在空間站飛臨控制中心或地面測(cè)控站附近時(shí)，才能取得雙向聯(lián)系，其他地區(qū)都是非受控區(qū)域，盲區(qū)極大，風(fēng)險(xiǎn)極高，更不可能開展實(shí)時(shí)，無(wú)間斷的“太空授課”。

據(jù)《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者了解，2003年，中國(guó)第一位航天員楊利偉順利進(jìn)入太空后，雖數(shù)次通過地面測(cè)控站進(jìn)行了“天地通話”，但每一次都有著很嚴(yán)格的時(shí)間窗口限制，只因那時(shí)中國(guó)境內(nèi)的測(cè)控站有效保持通信的時(shí)間僅在10分鐘左右。

確保航天器與地面無(wú)間斷聯(lián)系的難題也曾困擾著美俄(蘇)兩個(gè)航天大國(guó)。在兩國(guó)太空競(jìng)賽白熱化的冷戰(zhàn)時(shí)期，美蘇兩國(guó)憑借自身強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)實(shí)力，以及輻射全球的政治影響力，各自在全球多國(guó)都設(shè)有地面測(cè)控站，并研制了大量用于測(cè)控的飛機(jī)和測(cè)控船，但即便是這樣，也無(wú)法完全滿足對(duì)近地軌道航天器實(shí)現(xiàn)無(wú)間斷測(cè)控的需求。直到1983年，美國(guó)人采用“為衛(wèi)星搭建衛(wèi)星“的想法，從“挑戰(zhàn)者”號(hào)航天飛機(jī)上發(fā)射了人類第一顆跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星(TDRS)，開創(chuàng)了天基測(cè)控的新時(shí)代。這種衛(wèi)星能將近地軌道航天器上傳的數(shù)據(jù)再傳回地面，搭建一個(gè)從低軌衛(wèi)星到中繼衛(wèi)星，再到地面站的通訊流程。

單長(zhǎng)勝告訴《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者，中繼衛(wèi)星通常位于距地球三萬(wàn)多公里的地球同步軌道之上，它極大地提高了對(duì)中、低軌道航天器的測(cè)控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)母采w率，一顆中繼衛(wèi)星，就可以覆蓋近1/3的地球，而三顆中繼衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，就可以把整個(gè)地球都覆蓋到。

2008年，中國(guó)自己的中繼衛(wèi)星工程正式開建，并有了一個(gè)直觀的名字“天鏈”，而負(fù)責(zé)執(zhí)行中繼衛(wèi)星測(cè)控任務(wù)的北京空間信息傳輸中心團(tuán)隊(duì)，因?yàn)檫\(yùn)用天鏈衛(wèi)星在天地之間搭建了高速的信息通道，因此有了一個(gè)浪漫的任務(wù)代號(hào)——“天路”。

當(dāng)年的4月25日，天鏈一號(hào)01星從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心完美出征，由其構(gòu)建的跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(TDRSS)從根本上提高了測(cè)控、通信的覆蓋率。天鏈一號(hào)01星的成功發(fā)射，標(biāo)志著我國(guó)從此擁有了太空數(shù)據(jù)的“中轉(zhuǎn)站”，它可以為中、低軌道的航天器提供天基測(cè)控、數(shù)據(jù)中繼與測(cè)定軌服務(wù)，相當(dāng)于把地面測(cè)控?cái)?shù)傳站升高到幾萬(wàn)公里的軌道高度，既提高了數(shù)據(jù)回傳時(shí)效性，又增強(qiáng)了應(yīng)急協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)能力。

單長(zhǎng)勝介紹稱，一顆“天鏈”衛(wèi)星能觀測(cè)到中、低軌道航天器的一半軌道，兩顆“天鏈”衛(wèi)星能覆蓋大部分軌道，三顆“天鏈”衛(wèi)星組網(wǎng)就可以實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。因此，“天鏈”衛(wèi)星也被成為“衛(wèi)星的衛(wèi)星”。

同年，天鏈一號(hào)01星就參與并圓滿完成了神舟七號(hào)載人飛船數(shù)據(jù)中繼任務(wù)。中國(guó)首位進(jìn)行太空行走的航天員翟志剛所創(chuàng)造的“我已出艙，感覺良好”經(jīng)典一瞬，正是通過天鏈一號(hào)01星實(shí)時(shí)傳回地面。

2011年7月18日，天鏈一號(hào)02星發(fā)射升空，標(biāo)志著我國(guó)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)邁入了多星組網(wǎng)運(yùn)行階段。2012年7月25日，天鏈一號(hào)03星發(fā)射成功，三顆衛(wèi)星組網(wǎng)運(yùn)行，正式實(shí)現(xiàn)了對(duì)中、低軌航天器近100%的軌道覆蓋，我國(guó)也正式成為了世界上第二個(gè)擁有對(duì)中、低軌航天器具備全球覆蓋能力的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的國(guó)家。

在太空中圓滿打造“天鏈”之后，中國(guó)也有條件進(jìn)行意義深遠(yuǎn)的“太空授課”活動(dòng)。2013年，航天員王亞平在“神舟十號(hào)與天宮一號(hào)”組合體中首次給全國(guó)的中小學(xué)生進(jìn)行了一次生動(dòng)的太空授課。當(dāng)時(shí)，組合體到達(dá)“天鏈”衛(wèi)星預(yù)定捕跟等待點(diǎn)后，天路團(tuán)隊(duì)立即完成了“天鏈”衛(wèi)星與航天器的雙向捕獲，隨后，“天鏈”衛(wèi)星與地面站、測(cè)量船共同搭建了天地實(shí)時(shí)視頻直播系統(tǒng)，保障授課時(shí)長(zhǎng)達(dá)五十多分鐘。

單長(zhǎng)勝告訴《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者，實(shí)際上，一顆”天鏈“中繼衛(wèi)星即可支持”太空授課“全程，不需要中間切換中繼衛(wèi)星，太空授課時(shí)間大約是50分鐘左右，而目前中國(guó)空間站在慣性姿態(tài)下飛行，一顆中繼衛(wèi)星的可跟蹤時(shí)長(zhǎng)大約是 55 分鐘左右。天鏈中繼衛(wèi)星的天線能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確跟蹤空間站組合體，確保信號(hào)的雙向可靠傳輸。

而此次“太空授課”，新一代的中國(guó)“天鏈”則展現(xiàn)了更強(qiáng)大的功能。單長(zhǎng)勝稱，新一代天鏈衛(wèi)星增加了新的成員，“天鏈一號(hào)”04星和 “天鏈二號(hào)”01星。新成員的加入使得天鏈的傳輸?shù)乃俾蚀蟠筇嵘瑥亩鴰?lái)的是更加清晰的話音，和更為流暢的畫面。

除了在“太空授課”這樣中國(guó)航天的高光時(shí)刻中大放異彩，天鏈衛(wèi)星每時(shí)每刻都在助益于中國(guó)航天員的日常太空生活和工作。據(jù)單長(zhǎng)勝介紹，得益于天鏈衛(wèi)星的構(gòu)建，中國(guó)空間站可以為航天員提供雙向的圖像話音服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，航天員在空間站中就可以和地面的工作人員、家人進(jìn)行視頻通話，并能夠在空間站中上網(wǎng)，實(shí)時(shí)收看電視。

此外，更為重要的是，在”天宮”之外，天鏈衛(wèi)星有著更為廣闊的應(yīng)用范圍。單長(zhǎng)勝告訴《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者，具備大速率傳輸能力的“天鏈”，在管好用好，保護(hù)好中國(guó)太空資產(chǎn)的過程中都發(fā)揮著極為重要的作用。

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