遨游在太空中的航天器，在接收地面指令和開展天地通信時，主要依靠分布在內(nèi)陸、島嶼以及海上的移動地面測控站進行數(shù)據(jù)傳輸。然而，現(xiàn)有地面測控站通信時采用的高頻電波受直線傳播特性和地球曲率影響，對中、低軌道航天器的覆蓋范圍較小，在跟蹤中、低軌道航天器時存在不少的信號盲區(qū)，通信時間也受到了較多限制。

　　隨著人類在深空探索的腳步越走越遠，實現(xiàn)穩(wěn)定通暢的數(shù)據(jù)傳輸和測控成為當務(wù)之急。中繼衛(wèi)星系統(tǒng)由中繼衛(wèi)星、地面系統(tǒng)和用戶終端三部分組成，通過中繼衛(wèi)星將地面系統(tǒng)發(fā)射的指令數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給用戶終端，中繼衛(wèi)星在接收到用戶端返回信號后，再反饋給地面系統(tǒng)。在空間任務(wù)中嶄露頭角的中繼衛(wèi)星，不僅可在距離地面36000公里上將中、低軌道衛(wèi)星一覽無余，還可搭建溝通航天器與地面測控站數(shù)據(jù)通信的專用“高速路”。

　　中繼衛(wèi)星好比是飛行在地球靜止軌道高度的測控站，可實現(xiàn)地面與中、低軌道航天器實時的跟蹤、測控和數(shù)據(jù)通信，是專門負責連天通地的數(shù)據(jù)大管家。研究表明，利用三顆中繼衛(wèi)星，就可實現(xiàn)對中、低軌道航天器絕大部分軌道的測控覆蓋。相比一般的通信衛(wèi)星，中繼衛(wèi)星有高動態(tài)、高碼速率和高軌道覆蓋率這一“三高”優(yōu)勢，從根本上解決了航天測控、空地通信高覆蓋率問題，具有極高的經(jīng)濟效益和應(yīng)用前景，因而被譽為“衛(wèi)星的衛(wèi)星”。

　　航天器飛行的得力干將

　　中繼衛(wèi)星集跟蹤、測控、數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷喾N功能于一體，不僅是空天“多能手”，而且是空間信息傳輸?shù)闹匾獦屑~和高效穩(wěn)定的天基測量平臺，是航天器順利完成空間任務(wù)的“得力干將”。

　　在中繼衛(wèi)星研究領(lǐng)域，以美國為首的西方國家起步早，研究時間久，因而具備了一定的發(fā)展優(yōu)勢。早在20世紀80年代，美國就建立了全球首個“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)”。作為美國國家航空航天局的三大測控網(wǎng)之一，美國的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)也被稱為天基網(wǎng)，主要為運載火箭、低軌道衛(wèi)星、國際空間站和其他航天器提供測控信息和數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，已建立起龐大的中繼衛(wèi)星測控網(wǎng)絡(luò)。目前，美國國家航空航天局正在加速“空間通信與導航”等航天計劃，旨在對現(xiàn)有的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)進行升級改造。

　　為牢牢掌握航空航天領(lǐng)域發(fā)展的“獨立自主權(quán)”，歐洲航天局于2001年發(fā)射了第一代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星。到2008年，歐盟繼續(xù)提出“歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”計劃，并于2014年發(fā)射首顆“哨兵”系列衛(wèi)星。與此同時，新興航天大國日本也積極投身中繼衛(wèi)星研制領(lǐng)域，并于2002年發(fā)射了第一顆中繼衛(wèi)星試驗星。2008年，日本也啟動了下一代中繼衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研制工作，并計劃于2019年發(fā)射“光數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”，采用光通信與射頻通信相融合的技術(shù)方案。

　　作為原兩極格局中的重要一極，蘇聯(lián)也于20世紀80年代開始發(fā)展“射線”數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。為確保國家航空航天安全，實現(xiàn)航天任務(wù)獨立的中繼衛(wèi)星通信鏈路，俄羅斯已經(jīng)開始研制第二代“射線”中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。該系統(tǒng)從2011年開始陸續(xù)發(fā)射升空，目前已組成星座提供全球中繼衛(wèi)星測控覆蓋，并在國際空間站與地面控制中心之間提供視頻傳輸和數(shù)據(jù)通信功能。

　　我國從上世紀70年代就開始了中繼衛(wèi)星的概念研究。2008年4月，“天鏈一號01星”成功發(fā)射并在軌運行，實現(xiàn)了我國的空間測控從陸、海向太空的大幅度躍進。此后發(fā)射升空的“天鏈一號02星”和“天鏈一號03星”，使我國成為繼美國之后第二個實現(xiàn)中繼衛(wèi)星三星組網(wǎng)、全球覆蓋的國家，對中、低軌道的測控覆蓋率接近100%。此次發(fā)射的“天鏈一號04星”，將為我國“天宮二號”空間站、“神舟”系列飛船、中低軌道衛(wèi)星和其他航天器提供數(shù)據(jù)中繼和測控服務(wù)，是實現(xiàn)我國未來空間探測任務(wù)的“一員猛將”。

　　空間“數(shù)據(jù)高速路”初見成效

　　相比于地面測控站系統(tǒng)，中繼衛(wèi)星具有測控通信覆蓋率高、數(shù)據(jù)實時回傳性能好、建設(shè)維持費用低等突出特點。在中繼衛(wèi)星的“慧眼”下，航天器飛行過程中出現(xiàn)的小故障都可以盡早發(fā)現(xiàn)、盡早解決。同時，實時數(shù)據(jù)通信還將進一步增強對在軌航天器的測控能力，不僅完成實時性任務(wù)的能力得到顯著提升，也進一步確保了太空飛行尤其是載人飛行的安全。

　　除使用常規(guī)波段的無線電射頻通信外，中繼衛(wèi)星星間激光通信近幾年得到廣泛關(guān)注。使用激光通信可進一步提升數(shù)據(jù)傳輸速率，并有效確保系統(tǒng)的抗干擾和抗攔截能力。目前，歐洲航天局已經(jīng)在Artemis中繼衛(wèi)星上與多顆衛(wèi)星開展了激光通信試驗，美國國家航空航天局開展的“小型天基衛(wèi)星”計劃、“激光通信光載荷”也都專門對空間激光通信進行了深入探索，將為未來中繼衛(wèi)星高效數(shù)據(jù)傳輸發(fā)展提供新的技術(shù)方案。

　　中繼衛(wèi)星的使用，還將進一步提升各類衛(wèi)星的使用效益和應(yīng)急能力。中低軌道的遙感探測衛(wèi)星可實時回傳熱點地區(qū)和突發(fā)事件的現(xiàn)場遙測信息，擔當快速反應(yīng)的“偵察尖兵”。通過搭建的專用通信網(wǎng)絡(luò)，在應(yīng)對重大自然災害時，中繼衛(wèi)星可實現(xiàn)各類資源和環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星數(shù)據(jù)的實時下傳，從而提供更好的解決方案和更多的災害預警時間。

　　目前，美國與俄羅斯的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)均已進入應(yīng)用階段，并積極探索小衛(wèi)星星座、激光通信、行星中繼衛(wèi)星體系等先進技術(shù)的研發(fā)工作。歐洲航天局和日本則啟用新的思路和技術(shù)途徑，正在加速發(fā)展后續(xù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。未來，中繼衛(wèi)星將可取代大部分地面測控站的測控任務(wù)，成為保障太空飛行安全、實現(xiàn)天地通信的“主力軍”，將對國民經(jīng)濟和國防建設(shè)發(fā)揮重大推動作用。

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　　日前，我國第四顆中繼衛(wèi)星“天鏈一號04星”成功發(fā)射升空，將與我國此前發(fā)射的天“天鏈一號01星”、“天鏈一號02星”星和“天鏈一號03星”實現(xiàn)全球組網(wǎng)運行，為我國航天發(fā)射和空間飛行試驗任務(wù)提供數(shù)據(jù)中繼和測控服務(wù)。中繼衛(wèi)星系統(tǒng)可大幅度提升對航天器的測控覆蓋能力，并有效減少航天測控系統(tǒng)的建設(shè)和維護成本，早已得到世界各主要航天大國的“青睞”，是空天測控和通信的效能“倍增器”。為助推國民經(jīng)濟和國防建設(shè)發(fā)展，一場圍繞中繼衛(wèi)星的太空賽跑已悄然展開，未來依托中繼衛(wèi)星開展天基測控將成為航天技術(shù)發(fā)展的一大重要方向。(來源|學習時報)