造“天链”搭“鹊桥”：我国中继卫星发展与应用

文/赵志远

2003年，中国立项并启动天链一号中继卫星系统工程。历经近20年发展，天链卫星系统已经成为我国空间信息高速传输的骨干基础设施，为航天器提供数据中继和测控等基础性保障，扮演着“太空侦查员”“通信接线员”“太空导航员”的角色，充分发挥天基测控与数据传输的优势与效能。此外，鹊桥中继星、天问一号探测器环绕器分别在探月、探火任务中发挥了重要作用，保障探测任务顺利开展。

中继卫星系统是我国航天力量与综合国力的集中体现，为我国建设航天强国提供了重要支撑。未来，我国中继卫星系统将不断提升航天测控和天基信息传输能力，不断拓展应用范围，创造更大的经济和社会效益，为中国人探索浩瀚宇宙的征程提供坚实保障。

▲ 天链二号01星

从保障载人航天起步

二十世纪七八十年代，我国科学家开展载人飞船和空间站预先研究，针对载人航天器测控与在轨通信时间短暂的问题进行了深入论证，提出研制中继卫星，并开展相关概念研究。

随着我国载人航天任务立项，研制中继卫星的需求更加迫切，中国空间技术研究院成立课题组，配合某卫星平台早期开发，系统性开展中继卫星的预先研究，形成第一代中继卫星——天链一号的初步方案，并完成了卫星关键功能的地面演示验证试验。

2003年，天链一号转入正式研制阶段。经过几年努力，我国科研人员攻克了所有关键技术，卫星通过各项大型试验和测试，性能全部满足要求。2008年4月25日，天链一号01星发射升空，进入地球同步轨道，我国首个天基测控和数据“中转站”正式建立，开辟了新的卫星应用领域。

天链一号01星的成功发射，使我国航天测控和管理能力有了巨大提升。在此之前，虽然有全国布设的地面测控网和远洋测量船，我国对载人飞船和其他中低轨航天器的轨道覆盖范围仍非常有限。2003年，航天员杨利伟执行“神舟五号”飞行任务期间，数次进行天地通话，每次都有严格的时间窗口限制，且通话带宽很低。到了2008年8月的“神舟七号”任务，天链一号01星“大显身手”，一举将飞船测控覆盖率从18%提升到50%。

此后，天链一号01星圆满完成以“神舟八号”“神舟九号”“神舟十号”“天宫一号”为代表的载人航天任务，以及地面舰船、测控站等非航天器类用户的数据中继任务。此外，卫星研制过程中积累的大量经验也为后续中继卫星系统建设奠定了坚实基础。

2011年和2012年，天链一号02星和03星相继发射，与在轨的01星完成组网，实现对全球高度200千米以上、2000千米以下空间的全轨道覆盖，覆盖率近100%。由此，我国成为继美国之后第二个拥有全球覆盖中继卫星系统的国家。天链系统为我国神舟飞船、空间实验室、空间站提供数据中继与测控服务，支持空间交会对接任务，还为我国中低轨的资源系列、高分系列等卫星提供数据中继服务，向航天器发射提供测控支持，架起天地间信息通路。

2016年12月，天链一号04星发射升空，“接棒”超期服役的01星。04星在国产化方面迈进一大步，减少了60%的进口产品，整星国产化率提升了10%。2021年7月6日，天链一号05星发射升空，顺利进入预定轨道，我国第一代数据中继系列卫星圆满收官。

天链一号04星、05星的部署，进一步增强了我国中继卫星系统高速数据传输和多目标服务能力，显著提升了我国航天测控和天基信息传输能力，充分体现出天基信息网络覆盖率高、任务实效性好、数据传输能力强、效费比高等优势，取得了显著的经济和社会效益。

▲ 鹊桥地月通信中继卫星

“天链二号”开拓发展

“天链一号”作为载人航天工程的重要一环，开启了我国中继卫星系统建设的历程。与此同时，随着我国空间基础建设快速发展，各类空间活动频繁开展，用户对于中继卫星提供的天基测控、数据传输服务的需求与日俱增。为此，我国在2010年启动了第二代中继卫星系统——天链二号的研制工作。

“天链二号”要达到卫星数据传输能力大幅提升、服务用户数量翻倍等目标，其充分继承了第一代中继卫星系统的技术基础，采用了更加先进的卫星平台和载荷技术，实现热控、结构、控制、电子、天线及材料、工艺等方面的优化和突破，通过上百项试验验证，性能大幅提升。

据悉，该系统采用东方红四号卫星平台，性能更优，载重更大，设计寿命由7年提升至12年。为了实现更强的数据传输能力，天链二号01星采用了更加先进的有效载荷技术，配置多副新型天线，卫星服务覆盖范围极大提升。

在兼容“天链一号”工作频率的同时，“天链二号”扩展了工作频率的带宽和转发器的通道数量，一方面，扩大了服务用户目标的数量，另一方面，可以适应各类数据传输要求，大大提升系统的数据传输速率和传输效能，对用户目标的数据传输能力和对地传输总速率达到吉比特/秒级别。此外，“天链二号”的自主工作能力进一步增强，增加多目标任务调度功能，可以自动接收多目标任务，并自主排序。

2019年3月，天链二号01星发射升空，进入地球同步轨道，开始为各类航天器提供数据中继和测控服务。该卫星性能优越，对提高中低轨卫星和载人航天器信息回传时效性、在轨运行安全性、任务实施灵活性均发挥了重要作用。

2021年12月，天链二号02星成功发射，我国继续向新一代中继卫星系统组网迈进。经过近20年发展，天链系统发射中继卫星数量增加至7颗，形成了两代中继卫星相互兼容、在轨协同组网工作的局面。随着“中继卫星天团”阵容再升级，天基中继系统的稳定性、可靠性、灵活性服务能力得到进一步提升。

谱写星际通信中继新篇章

除了面向地球轨道航天器的天链卫星系统，在“嫦娥四号”、“天问一号”深空探测任务中，鹊桥中继星和天问一号探测器环绕器分别承担起星际通信中继的重任，确保探测任务顺利实施。

月球背面探测具有重大科学价值，但在“嫦娥四号”之前，世界上没有任何国家把探测器发射到月球背面软着陆。由于潮汐锁定，月球背面总是对地球“不可见”，月面探测器无法与地球建立直接的通信联系。“嫦娥四号”要实现人类首次月背软着陆，通信是首先要解决的问题。

对此，传统的地球轨道中继卫星鞭长莫及，必须研制专用的中继卫星。

2018年5月21日，鹊桥中继星发射升空，进入绕地月L2平动点的Halo轨道，成为世界首颗地球轨道外的专用数据中继卫星。“鹊桥”的轨道是“躲”在月球背面方向远端、随着月球一起运行的绕地轨道，使得“鹊桥”可以同时与月背、地球建立通信联系，又能与地、月保持相对稳定的静止状态，从而节省燃料，延长寿命。

鹊桥中继星搭载两种特殊天线：1个伞形天线直径4.2米，工作在X频段，负责对着陆器和月球车的中继通信；多个螺旋天线工作在S频段，负责与地面站通信。各个通信链路均可同时进行数据发送和接收。

鹊桥中继星是实现“嫦娥四号”月背软着陆和巡视探测任务的关键。3年多来，鹊桥中继星为着陆器和巡视器在30多个月昼提供中继通信服务，支持其完成休眠、唤醒、月面行走及科学探测，传回了大量有价值的科学探测数据，确保任务圆满完成。

“天问一号”火星探测任务使我国深空探测能力和水平进入世界航天第一梯队。天问一号探测器包括环绕器和着陆器，而环绕器除了要开展火星全球遥感探测任务，还要为祝融号火星车提供通信中继服务。

“祝融号”具备直接对地通信能力，但由于地火距离遥远，直接对地通信链路的传输速率极慢，只有16比特/秒，相当于每秒仅发送1个汉字。所以，直接对地通信只用于传输工程遥测数据，辅助判断火星车工作状态，而图像和其他科学探测数据都依赖环绕器架设的中继通信链路回传地球。

天问一号环绕器配置2.5米口径的高增益天线，提供高速接收上行指令、测距信号的通道以及下行遥测、数据传输、测距信号的通道。在中继通信轨道，环绕器轨道周期约8.2个小时，每个火星日绕飞3圈，其中1圈的近火点位于祝融号火星车所在的乌托邦平原上空，每个火星日提供4～6小时中继通信，既能将地面指令发给“祝融号”，也能把“祝融号”的科学数据传回地面。此外，“祝融号”与欧洲2003年发射的火星快车轨道器开展了在轨中继通信试验，增加了中继通信的机会，提高了通信速率和科研效率，也创造了太空合作的典范。

▲ 地月通信中继卫星工作原理示意图

为航天应用保驾护航

我国中继卫星系统从服务载人航天工程起步，自建成以来，任务规模和用户数量快速增长，先后为载人航天、中低轨航天器、运载火箭、舰船、航空器等多类型用户目标提供了天基测控和数据中继服务，协同用户目标完成多样化任务，在维护国家空间安全、促进国民经济发展等方面都发挥了重要作用，应用效能显著。

载人航天应用方面，自2008年9月至今，天链系统保障多次载人航天任务，天基、陆基、海基共同构成我国新一代载人航天测控通信网，将载人航天测控通信覆盖率提高至接近100%。天宫空间站中，天链系统把天地间的互联网融为一体，航天员可以随时随地接入网络，天链系统的服务能力在天地通话和太空授课中得到完美体现。

中低轨航天器应用方面，中继卫星系统为我国遥感、测绘等多个系列中低轨航天器提供了长期、可靠的天基数据传输及天基测控服务，将中低轨航天器获取的数据以近实时方式中继回传至国内，同时，有效增强了对中低轨航天器的测控覆盖率和应急抢救处置能力。

火箭发射及早期测控段应用方面，我国从2012年开始基于中继卫星对火箭发射任务实施天基测控，目前已为几乎所有火箭型号发射及航天器早期测控任务提供天基测控支持，使多款型号火箭发射全程可见，下传全部遥测和多路图像，成本优势显著，灵活机动性好。2021年9月20日，长征七号火箭发射任务首次无测量船参与，全程基于天基系统实施测控。天链卫星覆盖火箭飞行全过程，“护航”天舟货运飞船对接空间站。

航空和航海应用方面，天链卫星系统一方面为远程飞机、飞艇、高超音速飞行器等航空应用提供远程、超视距测控与数据中继支持，为航空器提供全空域、全天候飞行保障，另一方面，支持远洋科考等多次重大航海任务，为我国航海活动，特别是远洋航行，提供了安全可靠的通信手段。舰船用户装备中继终端后，通过中继卫星实现与陆地台站的双向图像、话音传输。

经历近20年发展，我国中继卫星系统建设走出了符合国情、技术上自主创新的道路。天链系统不依靠国外建站，实现对用户航天器全球覆盖，不断提升我国天基测控系统服务用户的能力以及可靠性与安全性，为建设航天强国提供了重要支持保障。