地面測控站/船覆蓋率非常有限



此爲神七太空人出艙時的視頻截圖，畫面左上角“濱海”表示當時神七飛船上的攝像機視頻信號先發送到東非肯尼亞的馬林迪測控站，然後再傳回北京航太測控中心。



中國國內共有10個地面測控站、加上3個海外站、還有3艘遠望測量船，但這些測控站總共僅能覆蓋飛船運行軌道的15%，難以滿足載人航太進一步的任務需求。

海上的遠望系列測量船和陸上的一系列測控站，長期以來一直支撐著中國航太測控任務，爲中國數十年來一系列衛星、飛船和探測器的發射與測控立下汗馬功勞。

在神舟七號出艙活動期間，直播螢幕左上角的濱海、南亞、喀什等文字，分別表示東非肯尼亞的馬林迪測控站、南亞巴基斯坦的卡拉奇測控站和中國新疆的喀什測控站。

地面測控站/船覆蓋率小、投資巨大

細心的觀衆肯定可以看到馬林迪站到卡拉奇站之間的停頓，如果觀衆更關注中國航太的話，更能看到以往歷次神舟飛船飛行期間，顯示地面測控站覆蓋範圍的不規則圓區域都很小。由於地球曲率的影響，地面/海上測控站對中低軌道航天器的覆蓋範圍很小，這種現象在人類航太活動的早期可謂家常便飯，最初人們很自然的想到通過增加陸上、海上測控站和測量飛機來提高測控覆蓋率。

美蘇兩強在冷戰期間建立了覆蓋全球的測控站並擁有大量測量船和測量飛機，但這一系統建設耗資巨大，而且受到地理、政治等各方面因素的影響很多地方無法設置測控站，更不要說要在全球範圍內建立完整覆蓋的地面測控網，所需測控站數量是驚人的。如對300千米高度的低軌道航天器進行100%的覆蓋，理論上需要布設100多個站點均勻分佈在地表，這在預算、政治上是不可行的。

跟蹤/資料中繼衛星的誕生

爲了擺脫地球曲率的限制，科幻作家克拉克在1945年就提出了地球同步軌道通信衛星的設想，隨著航太技術的進步逐漸得到實現。1963年到1964年美國先後發射3顆試驗性靜止軌道通信衛星，其中1964年8月19日發射的同步3號衛星獲得了完全成功。

理論上說3顆靜止軌道通信衛星可以實現對全球的通信覆蓋，這個得天獨厚的優勢使得通信衛星産業獲得了長足的發展。

而早在地球同步軌道通信衛星成功前，人們就在設想使用地球同步軌道衛星中轉遙測信號，實現對中低軌道航天器的全面跟蹤覆蓋。美蘇先後研製並發射了跟蹤與資料中繼衛星，用於提高航天器的測控覆蓋率和提高測控網的即時性。

1983年美國使用太空梭發射了世界上第一顆資料中繼衛星，開啓了航太測控的新紀元。

跟蹤/資料中繼衛星的優勢



天鏈一號衛星的工作示意圖，由於其運行在高度36000公里的地球同步軌道，可以覆蓋低軌衛星50%運行軌道，將低軌衛星的資料中轉回地面航太測控中心。

從理論上說，跟蹤與資料中繼衛星就是一種特殊的通信衛星。類似於通信衛星對地面短波通信的優勢，資料中繼衛星對基於地面測控站的傳統測控體系同樣具有壓倒性的優勢。資料中繼衛星的優勢表現在測控通信覆蓋率高、高度的即時性和優異的經濟性。

測控/通信覆蓋率高

中國天鏈一號01星發射後，神舟七號飛船的測控覆蓋率大幅度提高，直觀的表現在神舟七號的轉播時間更長，一個半小時有將近50分鐘可以觀察到太空人，測控覆蓋率從15%提高到50%。利用3顆左右的中繼衛星，可以實現對中低軌道航天器的大部分軌道覆蓋，如美國資料中繼衛星系統對200~1200千米高度衛星覆蓋率85%以上，對12000~20000千米高度衛星覆蓋率達到100%。

可即時回傳資料

不僅如此，由於可以通過資料中繼衛星即時聯繫，中低軌道的遙感衛星可以通過資料中繼衛星即時回傳熱點地區和敏感突發事件的偵察資訊，提高了反應速度，這種效果是地面測控站網路根本無法實現的。即時回傳資料還大大加強了對航天器狀態的監控能力，提高了航天器尤其是載人飛船的安全性，這也有利於更好的完成即時性強的任務。

建設/維持費用低廉

資料中繼衛星不僅覆蓋率高、即時性好，而且價格尤其是使用維持費用低廉。既沒有陸上測控站和海上測量船等爲數衆多的操作人員，也沒有海外陸上測控站易受政治因素影響的問題。中繼衛星的使用可以取代大部分的地面測控站的任務，成爲航太測控網路的主力，降低測控網的建設運行費用。

跟蹤/資料中繼衛星技術難度大



美國TDRS資料中繼衛星，注意其帶有2個大型ku波段通信天線，以及1個較小的ka波段通信天線。與普通通信衛星的天線相比，這3個天線的尺寸都是最大的。



中國的天鏈一號衛星採用東方紅3號通信衛星的平臺，但其ka波段通信天線尺寸遠遠大於東方紅3號衛星的通信天線。

資料中繼衛星堪稱航太測控的革命性成果，但中繼衛星也具有極大的技術難度。細心的讀者可以發現，前面提到第一顆同步軌道通信衛星1964年成功，而第一顆同步軌道中繼衛星發射則要等到19年後的1983年。

資料中繼衛星不同於傳統的通信衛星，它必須要解決高速運動的衛星之間的捕獲與跟蹤，對精度要求極高。

實現狹窄波束跟蹤

由於中繼衛星需要高速率傳輸資料，而且本身位於35800千米高空的靜止軌道，爲保證通信質量，衛星天線的波束寬度極其狹窄。以美國的資料中繼衛星爲例，Ku/Ka波段波束寬僅爲0.28度，爲了有效跟蹤中低軌道用戶衛星，自動跟蹤精度高達0.06度。高增益窄波束天線如何“捕獲”用戶衛星是資料中繼衛星需要解決的首要難題。

中繼衛星爲了與衆多中低軌道衛星通信，天線處於複雜的變速運動狀態，在轉動速度、加速度和角度上都沒有規律，天線的機械驅動機構不僅要精度高，而且要求在惡劣工作環境下長時間穩定運行，還要做到體積小功率大，製造難度很大。

同樣麻煩的還有天線與衛星的振動耦合問題，非線性結構的天線不規律的運動和振動，對衛星本體姿態控制也有很複雜的影響，對衛星控制提出了很大的挑戰。

研製高性能天線

中繼衛星研製的另一個重要障礙在於其高性能的天線，爲了實現高傳輸速率，爲衆多衛星提供中繼服務，中繼衛星需要使用增益極高的通信天線，一般是高等效全向輻射功率(EIRP)的抛物面天線。天線增益與天線尺寸成正比，與工作波長成反比，天線直徑與工作波長之比又稱電尺寸，美國第二代數據中繼衛星TDRS-H、I和J三顆衛星的單址天線電尺寸達到了驚人的400，相當於數十米直徑的S波段天線的電尺寸。天線的電尺寸越大、研製難度就越大，目前資料中繼衛星的天線尺寸在各種衛星中是最大的。

中繼衛星單址天線一般使用Ka波段工作波長，選擇毫米波段雖然容易獲得更大的天線增益，但對天線反射面精度要求也極高，要求數米直徑的天線整體形面誤差要低於0.1毫米。對於直徑數米的天線，在外太空高溫差條件下要達到、並長期保持這樣的精度，其難度可想而知。

中國衛星電子器件性能仍較爲落後

相比捕獲跟蹤和天線的巨大技術障礙，中繼衛星Ka波段轉發器的技術難度要低得多，但其絕對難度仍然不可小視，Ka波段轉發器的研製難度從來就是各種常用波段中最大的。根據現有資料推斷，中國第一顆資料中繼衛星天鏈一號01星使用的是進口轉發器。天鏈中繼衛星系統的地面設備使用了中國電子科技集團的毫米波固態功率放大器，保證了天鏈衛星的正常工作和神舟七號數據的順利回傳，成爲該公司念念不忘的業績，但地面設備原始設計使用的仍然是進口器件，很難想象要求更爲苛刻的星載轉發器會使用國產器件。

中國資料中繼衛星簡介



天鏈2號衛星的構想圖，其使用2個S/ka波段天線、1個s波段天線和1個ka波段天線。



歐空局已經在Artemis中繼衛星和Spot4衛星之間進行了首次鐳射通信，星間鐳射通信是目前發展趨勢。

鏈一號衛星的誕生

921載人航太工程啓動後，面對地面測控網對低軌道載人飛船覆蓋率極低的形勢，中國一方面通過外交努力增設海外測控站，另一方面以當時最新研製的東方紅三號衛星平臺爲基礎展開資料中繼衛星的預研，其指標瞄準當時日本計劃的回聲資料中繼衛星，力求單項性能接近日本、綜合性能超過日本。衛星研製人員經過數年的努力攻克了一系列技術難點，最後誕生了天鏈一號中繼衛星。

天鏈一號衛星以東方紅三號衛星平臺爲基礎，設計壽命6年。星間通信鏈路使用單個S/Ka波段雙饋源抛物面天線，測控信號使用S波段單址鏈路中繼(SSA)信號，星地高速通信使用Ka波段天線。衛星大型抛物面天線指向、捕獲和跟蹤使用星載閉環捕獲跟蹤技術。天鏈一號01星研製成功後在地面測試階段完全滿足了研製要求，2008年4月25日發射成功後定點和在軌測試順利，圓滿地完成了神州七號載人飛行的測控與資料轉發任務，受到了用戶的好評。2011年7月11號天鏈一號02星發射成功，將與2008年的01星組網，服務於中國的航太測控，尤其是下半年的首次空間交會對接任務。

天鏈系列衛星發展展望

天鏈一號是中國第一代數據中繼衛星，天鏈一號02星的發射有望將中低軌道航天器覆蓋率進一步提高到75%。天鏈一號至少會發射3顆衛星，由此判斷很可能形成第一代中繼衛星系統2顆工作星加1顆備用星的佈局，也不排除進一步擴展到4顆中繼星的可能。

中國第二代數據中繼衛星將使用東方紅四號平臺，裝有2具S/Ka雙饋源抛物面單址天線，S波段相控陣多址天線，還可能增加鐳射通信單元用於超高速率的星間通信。歐空局已經在Artemis中繼衛星和Spot4衛星之間進行了首次鐳射通信，未來中國中繼衛星星座如果擴展到4顆甚至更多，爲了更高效的進行資料中繼，星間使用鐳射通信將是必然的趨勢。

結語

在天宮一號發射前，中國低調發射了天鏈一號02星，它將於天鏈一號01星一同完成天宮一號、神舟八號交會對接的測控任務。天鏈一號的投入使用，極大提升了中國航太測控系統的覆蓋率，地面測控站、海上測量船的開設、運行費用也會得到有效節約。

除了滿足載人航太的需求外，天鏈一號數據中繼衛星還可以爲中低軌道的各類民用遙感衛星、軍用偵察衛星提供測控、資料中繼服務，對國民經濟、國防建設均有巨大的促進作用。