多个航天器同时在线,“天链”如何开启“共享热点”?

导语:7月6日,我国一颗名为“天链一号05星”的卫星成功发射。与“全民目击”的神舟十二号飞船、天问、祝融号火星登陆相比,这次发射任务显得格外低调。然而,这颗不起眼的小卫星升空却与前二者得以上演“太空直播”息息相关。让我们来一起了解一下,“天链”是如何为我们与“祝融”、“天问”拉进天地间的距离的吧!

多个航天器同时在线,“天链”如何开启“共享热点”?

太空和地面如何通信?为何要用卫星架起WIFI?

每次航天器的发射与飞行任务都需要对飞行中的运载火箭和航天器进行跟踪测量和控制,也都会有万千数据汇集到航天飞行指控中心,经过处理再次变换成为指令发出。在这之中,往往有安装与地面测控站或是海面漂泊的远洋测量船为航天器与地面指控中心间“牵线搭桥”

然而,由于受地球曲率的影响,地面对中低轨道航天器的轨道覆盖范围非常有限,除一些地球同步轨道卫星外,其他航天器、特别是运行在400KM高度下的中低轨道航天器要想做到“一切尽在掌控”,需要在地球表面均匀布置上百个测控站,即便冷战时期的美苏两国也不可能做到;海上测控船部署位置相对灵活,但受船只整备、海况和气象条件影响也很难面面俱到。

图为模拟神州五号的太空飞行时的地面轨迹,从图上可以看出,飞船路过中国上空的时间很短,国境内的观测站和通讯站有效保持通讯时间有限。

要摆脱地球曲率影响,测控点自然站的越高、看的越远,因此无论是过去的美苏或是今天中国都放眼深空,把测控站放在了上万千米高的地球同步轨道上。

之所以选用该轨道有两个重要因素:一是同步,这一轨道的卫星的公转周期和地球的自转周期相同,因此地球同步轨道卫星可以全天候的和固定的卫星地面接收站联络,十分方便;二是够高,大多数低轨道卫星、载人飞船、空间站高度分布在100-400km,少量导航卫星和闪电轨道的卫星在20,000km的高度,而地球同步轨道的高度足足有36,000km的高度,除了为数不多的地月转移轨道的航天器需要额外照顾,其他所有航天器都在地球同步轨道的眼皮底下。

上世纪80年代美国率先发射了世界上第一颗数据中继卫星;而我国于2008年成功发射我国第一颗数据中继卫星“天链一号”,填补了我国数据中继和天基测控领域的空白。

2008年4月25日,我国首颗数据中继卫星“天链一号01星”在西昌卫星发射中心成功发射

图源:新华社/ 李刚 摄

用WLAN‘天链’:让中国拥有太空数据“路由器”

2003年,我国为了充分支撑载人航天飞行的测控需求立项并启动了天链一号中继卫星系统工程。

天链一号由中国航天科技集团公司基于成熟的东方红三号通用平台为基础研制:该平台作为第一代采用三轴稳定技术的同步卫星,其卫星公用平台整体设计、通信信道天线、全三轴姿态稳定技术、双组元统一推进系统等领域均属当时国际同类卫星(中型容量)的先进水平,自1997年首次升空以来,到2003年天链卫星启动研制时,已成功发射6颗,承担了中国公用网业务、VAST业务和一定的电视信号传输任务。作为一种成熟、先进的地球静止轨道卫星,自然也成为天链一号研制时的首选平台。

2008年4月25日,该系统01星成功发射、定点于印度洋上空后便参与并圆满完成了“神舟七号”数据中继服务。2011年、2012年相继成功发射天链一号02、03星,并分别定点于西太平洋与西非上空。它们同时运行并与地面应用系统、中继终端等组成跟踪与数据中继卫星系统,中国由此成为世界第三个组建起、也是目前唯二拥有对中、低轨道航天器全球覆盖中继卫星系统的国家。

由于天链一号的卫星平台设计寿命为8年、其子系统设计寿命为6年,原有的天链一号01~03星已在轨超期服役多年,亟待更新换代。因此,在2016年及今年,我国又分别发射了天链一号04、05星替换已到寿的中继卫星,参与了我国登陆月球、火星探测任务。

天链二号中继卫星基于东方红四号卫星平台,其搭载能力与寿命较天链一号有较大提升

此外我国为了人类首次月背探索之旅的数据搭桥,2018年12月又发射了我国、也是世界首颗地球轨道外专用中继通信卫星——“鹊桥”号中继卫星,图为嫦娥四号探测器与“月兔号”探测车成功链接中国航天测控的太空“WALN”。“鹊桥”号、天链二号的服役使我国中继卫星进入“2.0”时代。

“天路”繁忙却不堵:如何让太空“网速”更带劲?

我国早期航天遥测都采用名为“统一S波段测控系统”进行航天器通讯,这也是我们在直播中常听到的“USB跟踪正常”的由来。但各航天器搭载设备性能的提升也使访问数据越来越大,原来的S波段带宽愈发入不敷出,于是工程人员便盯上了更高频率的遥测系统。而从电磁波特性来说,其波长越短、波束越窄则频率越高、带宽越宽,传输速度也会更快,已运用于传统卫星通讯的Ka波段自然也成为天基测控的首选。

天链一号自设计时即采用了S/ka波段双馈源抛物面天线,以支持S和Ka双波段的星间链路。由于买入了毫米波段,其带宽暴涨可高出S波段2个以上数量级,传输速率也鸟枪换炮,天链卫星系统通信的一条链路的下行速率便可达到是1.2Gbps,中继卫星地面站实时接收太空数据,然后将数据传到北京飞控中心,再根据不同标识自动分发,时延仅为秒级。这也是当年神州十号的传输画面能从神州五号卡顿且仅数分钟的“PPT”升级为相对流畅的“直播授课”的底气所在。

由于高速率传输的要求,相关天线的波束很窄,工作波长越短,要求天线反射面的形面精度就越高,天线要有足够大的电尺寸(天线直径/工作波长)以实现高增益。天链一号上采用了铝合金制柔性网状天线,以确保用有限的天线体积获得足够大的电尺寸,也一度成为我国卫星所搭载电尺寸最大的通讯天线,并配合星载闭环捕获跟踪技术对高速运动的用户航天器进行捕获和跟踪。

正在调试中的“鹊桥号”中继卫星天线 图源:中国航天科技集团有限公司官网

而在天链二号、鹊桥号中继卫星上则引用强度高、低热膨胀系数、反射率高特点的极细镀金钼丝纤维合股加捻技术,在天线尺寸进一步做大的同时也将重量降低近90%。

东华大学开发的极细金属丝合股及经编技术使的我国中继卫星天线尺寸进一步刷新

随着我国“天问一号”奔赴火星开启我国深空探测时代,需要测控距离延伸800,000至10亿公里外的太空,所需要的大容量、超远距离测控传输能力,也将要70米级天线才能支持,在星上搭建这样尺寸的天线几乎是不可能的。因此在鹊桥号中继卫星保障嫦娥四号登月任务期间,我国还实验了超远程星间激光链路通讯技术,以搭载的重量轻、体积小的激光通讯终端,通过激光比微波宽几个数量级的特性,提供极大的信息交换容量,实现万里深空外速率1Gbps级数据传输,让未来我国远在各地外行星遨游的探测器也能享受“WIFI服务”。

多个航天器同时在线,“天链”如何开启“共享热点”?

中继卫星架的高、看的远,需要要盯住的航天器自然比地面测控站更多,特别是随着近年来航天器发射成本的降低,在轨航天器的数量在可预见的未来里将会出现爆发式增长,这就为中继卫星测控网络的多址接入能力提出了更高的要求。然而,中继卫星的通信带宽资源是有限的,不同的航天器,具有不同的数据速率、调制方式、频带宽度和多普勒频移,所以如何实现多个用户高效地共享链路资源,是测控网络支持为多个航天器服务所需解决的关键问题。

针对中继卫星有效载荷数量与容量有限的问题,为“天链”设计了一套更加高效的天基测控网按需访问系统——采用混合自由/按需分配策略 (CFDAMA)分配测控资源:它在信道负载较低时,主要通过自由分配方式获得时隙资源 而在信道负载较高时,时隙的分配主要是按需分配方式发送资源预约请求。

不同用户飞行器共享测控网络模拟示意图

平时中继卫星将数据包透明转发给对应的中继卫星地面站,中继卫星地面站通过地面网络直接将数据包转发给地面资源调度中心,并按用户飞行器与中继卫星的连接顺序查找用户飞行器与当前中继卫星的可用通信时间段,生成相应的数传业务指令,到预约时间点触发定时器并向用户飞行器发送数据传输业务指令,用户飞行器接收到指令后进行数据传输业务的回传。通过这套运营方式,使“天链”信道利用率得以最大化,理论上可帮助256个用户飞行器高效共享链路资源。

结语:

“天链”的升空,配合境内外地面测控站与远望测量船进一步铺开我国航天测控网络,也让我们了解人类太空活动从最简单的“短讯播报”升级到“视频直播”,让太空与我们的距离不再遥远。随着卫星数量的暴增、空间站建设初具成型、深空探测不断提速,对中继卫星系统的通信能力和服务能力需求也将与日俱增,未来我国将有更多、性能更强大的“天链”组网运行,为航天器提高、更快、更远的通讯服务。