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谈太空授课的技术支撑  

2013-06-23 02:01:33|  分类: 随笔 |  标签: |举报 |字号 订阅

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谈太空授课的技术支撑请点击文章底部的重播按钮可观看太空授课)

当一颗低轨道卫星绕地球一圈时,一个地面站只有2%-3%左右的时间,能够“看”到这颗卫星,并和它对话。要想再次和它对话,要等卫星再绕地球一圈,直至我们能“看”到它的时候。所以每次星地对话的时间很短,这样就不能进行太空授课、交流问答。为了实时掌握低轨航天器数据,就要提高轨道覆盖率。而提高轨道覆盖率,靠大大增加地面卫星接收站的数量和大量建造远洋测量船(如“远望”系列测量船)是不可取的,因为这样做太浪费了。可行性办法就是在太空建立数据中继卫星。如果在36000公里的地球同步轨道,均匀部署3颗数据中继卫星,假设为ABC三星。这样,无论低轨道卫星在什么位置运行,在它的上方,至少都被ABC中的某一颗中继卫星覆盖。无论一个国家的地面站在地球的什么位置,在它的上方,至少都被一颗固定的中继星覆盖。当低轨道卫星被一颗中继星覆盖时,随时可以将自己的数据通过这颗中继星转发本国地面站而当低轨道卫星被AB星覆盖时,就随时可以将自己的数据发给AB星,A/B星可以将数据接力发给C星,再通过C星与本国地面站的链路传输给地面。

理论上,一颗地球同步轨道上的数据中继卫星,轨道覆盖率就可以达到50%,三颗就可以实现100%的覆盖率。

中继卫星的核心优势

实时全程测控:中继卫星可以大幅提升航天器的测控覆盖率接近100%。增强了空间交会对接任务实施的安全性和可靠性,为实施手控交会对接、开展空间科学实验等提供了稳妥高效的天基测控通信保障。

实时全程传输:中继卫星作为在太空中运行的数据“中转站”,能使资源卫星、环境卫星等数据实时下传,极大提升各类卫星使用效益和应急能力,同时降低测控成本:最少只要3颗卫星,就可以进行全球中继卫星组网。如果中继卫星的功能足够先进,则可以替代大批地面卫星测控站和远洋测量船,经济效益非常可观。

我国于2008年4月25日2011年7月11日2012年7月25日分别发射了天链一号01天链一号02星 天链一号03星

“01星”成功应用于神舟七号载人航天飞行任务,将“神舟”飞船的测控覆盖率从12%提高到40%以上。

“02星” 神州飞船测控的轨道覆盖率提高到70%以上。2012年6月16日晚,当“神舟九号”飞船运行至第2圈,测控人员遥控天链01/02两颗中继卫星对飞船实施捕获跟踪,建立了星间双向通信链路。卫星传回了飞船轨道舱的实时画面。

03星 成功发射后,经过一段时间在轨验证和系统联调,03星与01星、02星实现了全球组网运行,国由此正式建成第一代中继卫星系统,并在航天领域愈来愈显现出其独特而深远的作用。

数据中继卫星需要克服的第一个技术难题是对航天器的捕获和跟踪。中继卫星运行高度是36000公里,低轨航天器的高度仅为数百公里,距离非常远;而视频、高质量静态图像又需要高速数据传输中继卫星与低轨航天器之间需要采用增益高、波束极窄的Ku/Ka波段天线进行通讯。通讯距离远、通讯波束窄,这就对跟踪精度提出了极高要求,要达到0.06度。

中继卫星为了与众多中低轨道卫星通信,天线处于复杂的变速运动状态,在转动速度、加速度和角度上都没有规律,天线的机械驱动机构不仅要精度高,而且要求在恶劣工作环境下长时间稳定运行,制造难度很大。同样麻烦的还有天线与卫星的振动耦合问题,非线性结构的天线不规律的运动和振动,对卫星本体姿态控制也有很复杂的影响,对卫星控制也提出了很大的挑战。而天线制造本身也是一个难题,高数据传输速率要求高增益天线,通俗地说,中继卫星的抛物面通信天线尺寸要尽可能的大。同时,Ku/Ka波段波长小,对天线抛物面精度要求也非常高。数米直径的抛物面天线整体形面误差要低于0.1毫米,并且要在外太空高温差条件下长期保持这样的精度,其难度可想而知。

所以,数据中继卫星可以称得上是当今技术含量最高的通讯卫星。我国在去年完成第一代"天链一号"数据中继卫星体系的建设,进行“太空授课”实则是对自己航天测控实力的一次展示。

美联社在评价神十太空授课时,认为这与航天器交会对接同等重要。



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