6月20日，神舟十號3名航天員在天宮一號開展基礎(chǔ)物理實驗，為青少年進行太空授課，全國8萬余所中學6000余萬名師生同步收看直播。這是中國首次舉行太空科普教育活動，得益于2012年7月建成的能夠覆蓋全球的載人航天天基測控網(wǎng)。這個由13個地面測控站、4艘遠洋測量船、1個天基測控系統(tǒng)組成的航天測控網(wǎng)，首次在神舟十號飛行任務(wù)中亮相，為太空授課提供通信支持。

把測控站搬到天上

在距地球數(shù)百千米外的太空中運行著成百上千個航天器，這些航天器猶如人們放入太空中的“風箏”，而控制這些航天器的“無形之手”，就是航天測控。一個國家無論在地面建了多少個測控站，造了多少艘海上測量船，都很難完全滿足大型航天任務(wù)跟蹤測控的需要。在太空中建立衛(wèi)星觀測與數(shù)據(jù)中繼傳輸系統(tǒng)，是航天強國的必由之路。

中繼衛(wèi)星堪稱航天測控的革命性成果。其主要功能是進行空天數(shù)據(jù)中繼，相當于把地面測控站搬到距離地面36000千米的地球同步軌道，為衛(wèi)星、飛船等航天器提供數(shù)據(jù)中繼和測控服務(wù)。

作為在太空中運行的數(shù)據(jù)“中轉(zhuǎn)站”，中繼衛(wèi)星與傳統(tǒng)地基測控相比，具有“站得更高、看得更遠”的優(yōu)勢。與通信衛(wèi)星不同，中繼衛(wèi)星主要捕獲跟蹤在軌運行的高速動態(tài)目標，能使資源衛(wèi)星、環(huán)境衛(wèi)星等獲取的數(shù)據(jù)實時下傳，極大提升了各類衛(wèi)星的使用效益。

中繼衛(wèi)星系統(tǒng)由位于地球同步軌道的中繼衛(wèi)星、地面系統(tǒng)和用戶終端3部分組成?！爸欣^”的概念，就是傳遞地面應(yīng)用系統(tǒng)和用戶終端之間的信號，類似于“用手機轉(zhuǎn)發(fā)短信”。具體而言，中繼衛(wèi)星將地面系統(tǒng)發(fā)射的遙控指令等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給用戶終端，用戶終端接收、解調(diào)遙控指令，并按照指令規(guī)定內(nèi)容做出0向應(yīng)，同時返向傳輸其自身數(shù)據(jù)，中繼衛(wèi)星接收到這些信號后，再反饋給地面系統(tǒng)。

中國的“天鏈”

2003年1月，我國第一代中繼衛(wèi)星系統(tǒng)工程正式立項，第一顆中繼衛(wèi)星被命名為“天鏈一號01星”。2008年4月25日，“天鏈一號01星”成功發(fā)射并順利在軌運行，使我國成為繼美國、俄羅斯、歐洲和日本之后世界上第五個擁有中繼衛(wèi)星的國家。在神舟七號任務(wù)中，“天鏈一號01星”得到成功試驗驗證，突破了高動態(tài)條件下的天基測控和數(shù)據(jù)中繼技術(shù)，實現(xiàn)了我國航天測控由陸?；蛱旎目缭?。

2011年7月11日，“天鏈一號02星”發(fā)射成功并與“天鏈一號01星”組網(wǎng)運行。在天宮一號與神舟八號、神舟九號交會對接任務(wù)中，中繼衛(wèi)星系統(tǒng)作為我國陸海天基三位一體載人航天測控通信網(wǎng)的重要組成部分，發(fā)揮了舉足輕重的作用，使航天測控覆蓋率從18%提升到近70%。

2012年7月25日23時43分，我國第三顆中繼衛(wèi)星“天鏈一號03星”在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射升空，標志著中國中繼衛(wèi)星系統(tǒng)邁入全球組網(wǎng)運行階段?！疤戽溡惶?3星”與“天鏈一號01星”“天鏈一號02星”實現(xiàn)組網(wǎng)運行后，使我國航天測控覆蓋率提升到近100%，基本消除航天器測控盲區(qū)。

載人航天更有看頭

在“天鏈一號01星”發(fā)射前，遠望號測量船隊加上十余個地面站，才能為神舟飛船提供12%的測控覆蓋率，而一顆中繼衛(wèi)星即可覆蓋衛(wèi)星或飛船50%的飛行弧段。如果把過去的載人航天天地通信比作“鄉(xiāng)間小路”，那么中繼衛(wèi)星參加后的天地通信就是一條“雙向高速公路”，可以更快更高效地完成信息傳達。

中繼衛(wèi)星系統(tǒng)具有高碼速率、高動態(tài)、高軌道覆蓋率的優(yōu)勢，提升了飛船和天宮一號的測控覆蓋率和數(shù)據(jù)傳輸能力，增強了空間交會對接任務(wù)實施的安全性和可靠性，為實施手控交會對接、開展空間科學實驗等提供了穩(wěn)妥高效的天基測控通信保障。

神舟六號任務(wù)中，聶海勝在太空能聽到女兒為他唱《生日快樂歌》，卻不能看到女兒可愛的笑臉。神舟七號任務(wù)中，翟志剛手舉五星紅旗向全國人民送來問候，卻看不到戰(zhàn)友關(guān)切的目光。而神舟九號任務(wù)中，航天員景海鵬、劉旺、劉洋不僅能夠與地面進行雙向視頻通話，還能通過中繼衛(wèi)星發(fā)送和接收電子郵件，使天地之間溝通交流方式更加多樣化。待到神舟十號任務(wù)，青少年們都可收看精彩的太空授課直播。

智能化管理衛(wèi)星

24小時不間斷管理3顆中繼衛(wèi)星，執(zhí)行數(shù)十個天基測控和數(shù)據(jù)中繼任務(wù)，自動化智能化是必然選擇。為此，北京空間信息中繼傳輸技術(shù)研究中心設(shè)計了衛(wèi)星控制腳本及自動化調(diào)度模板，建立了穩(wěn)定可靠的自動化運行模式，系統(tǒng)內(nèi)上百套設(shè)備均實現(xiàn)了“有人值守、無人操作”。中心還開發(fā)研制出系統(tǒng)自動化運行監(jiān)視軟件和衛(wèi)星故障自動診斷系統(tǒng)，有效縮短了異常狀態(tài)的發(fā)現(xiàn)、判斷和處置時間。

隨著我國航天事業(yè)不斷發(fā)展，大力發(fā)展中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，實現(xiàn)航天測控通信天基與地基網(wǎng)絡(luò)一體化是大勢所趨。3顆中繼衛(wèi)星組網(wǎng)運行，為我國神舟飛船、空間實驗室、空間站及中低軌道資源衛(wèi)星提供全時段的數(shù)據(jù)中繼和測控服務(wù)，無論經(jīng)濟效益還是使用效率都將發(fā)生質(zhì)的飛躍。

此外，航天器在太空中出現(xiàn)故障，搶救時機往往以秒計算。隨著中國發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量的增多，故障率不可避免，中繼衛(wèi)星投入應(yīng)用后，將使航天器的故障及早發(fā)現(xiàn)、盡早解決。資源衛(wèi)星、環(huán)境衛(wèi)星等應(yīng)用衛(wèi)星獲得的科學數(shù)據(jù)，要在衛(wèi)星經(jīng)過地面測控站上空時才能下傳使用，如果突發(fā)重大自然災(zāi)害，就會失掉最佳的應(yīng)對處置時機。中繼衛(wèi)星可使各類衛(wèi)星實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時下傳、及時應(yīng)用，成為應(yīng)用衛(wèi)星的效能“倍增器”。