“太空授課”超級功臣：天鏈衛星，突破美國阻撓，1.2G下行速率
在這個畫面提升的背後，卻是我國在空間通信中繼上的突破，天鏈衛星就是這樣橫空出世的，它的“副產品”還成了嫦娥四號的功臣，壹直到現在還在服役中！
各位有看過衛星發射與測控的記錄片的壹定會發現壹個問題，衛星測控信號註入是有時間的，必須在某時某刻到某時某刻之間完成，要不然不是等到壹天後就是因為衛星沒有及時註入測控數據，失控丟了！
為什麽會這樣？原因理解起來壹點都不難，衛星繞著地球轉，比如我國的天宮空間站飛行壹圈的時間在92.2分鐘左右，測控站的天線最佳仰角範圍，對應到400千米的天宮空間站軌道上，也就1000多千公裏！
假設測控天線最佳仰角是30度，空間站軌道高度400千米，那麽最佳測控範圍大約只有1400千米多點，每秒7.8千米的速度，只需180秒不到就會飛出這個範圍，留給測控的時間只有3分鐘。
很多朋友應該會說，下壹圈它不是又會飛過頭頂？那麽急幹什麽，壹圈只需90分鐘，再等壹圈就好了，問題來了，地球壹天也就24小時，92分鐘壹圈，壹天就15.6圈，赤道上每隔92分鐘距離會相差2560千米。
而測控的區域則是以測控天線為天頂，半徑700千米的圓形（假設最佳仰角是30度，空間站軌道高度400千米），2560千米早就超過了測控範圍，等明天吧！
所以要全天24小時無死角測控的話，需要在全球布滿測控天線，顯然這是不可能的，為了執行阿波羅任務，美國耗資6億美元（1960年代的幣值）在全球建設了20多個地面站，但即使在最有利的情況下也只能覆蓋30%以下的地球軌道。
要怎樣才能解決全球測控的問題？
早期有地面站以及通信網絡組成的系統就是NASA最早建立的“全球測控系統”STADAN ，但顯然在90分鐘的軌道時間內只能提供15分鐘的測控仍然不能滿足需求，因此NASA決定建立 MSFN 網絡，後因1970年代航天飛機計劃的誕生對測控提出了更高的要求，NASA將前兩者合並成了STDN。
但STDN需要遍布全球的測控站，NASA又更改系統增加了 TDE 和 TDW（用於 東 和 西 ），以及壹顆在軌備用衛星，最終變成了TDRS。
上圖是截止 2019年3月為止，當前 跟蹤和數據中繼衛星 (TDRS) 配置，其中10顆衛星在軌（四顆 第壹代 、三顆 第二代 和三顆 第三代衛星 ）。
軌道大致位於3.6萬千米的地球靜止衛星軌道，這個軌道的衛星可以看從理論上看只需3顆即可“看到”全球所有低軌道衛星，結合地面站的配置，可以全天24小時無死角的對衛星進行測控與管理。
對於TDRS的好處大家都知道，但問題有兩個，首先就是建立這個中繼衛星的技術問題，首先就是中繼通信技術，另壹個比較麻煩的就是天線對準問題，總不能用當年的機械天線，隨時跟蹤衛星，萬壹同時要跟蹤多個衛星該怎麽辦，所以星載相控陣天線也是難題？
當然最麻煩的事情其實早就發生了，天鏈衛星是測控衛星的衛星，它本身也是需要測控的，那麽問題來了，而且在天鏈計劃之前，我國的衛星和航天計劃早就展開，又是如何解決的？
地面測控站與遠航系列
我國國土東西最遠相隔4000多千米，相差60個經度，占了地球的360 的1/6，但航天器發射入軌都是朝向東南或者西南，很快就會飛出我國的測控區域，怎麽辦？
建設地面站，NASA可以在全球各國建設地面站，只要他們看上就可以協商，但我們不行，只能建造遠望系列測控船，遠航壹號於 1977年8月31日在 江南造船廠 建成下水，曾44次遠征，足跡遍布三大洋逾44萬海裏，完成57次重大科研試驗任務，執行了神舟五號的測控任務。
從遠望壹號到遠望七號，後來的遠望二十壹與二十二等系列測控船，就是為了全球測控建造的，遠望系列船只很經典，調配非常靈活，但成本高昂，還是需要地面站來配合。 1996年10月6日，中國在基裏巴斯的測控站落成，多次測控我國發射的衛星，成本遠低於遠望系列測控船。
2003年11月7日 ，在美國的運作下，基裏巴斯與我國臺灣省建交，這導致了我國失去了在基裏巴斯的衛星測控站，盡管這不至於影響我國航天事業的發展，但也是海外測控站建設的壹次重挫。
自1996年後，我國在海外的測控站建設也步入佳境，到現在為止已經有十個海外測控站，如下表：
全球100%測控：天鏈衛星
早在20世紀70年代，我國就提出了研制中繼衛星的想法，但由於技術以及資金與航天計劃配套的需求，壹直到2003年1月，天鏈壹號 中繼衛星系統工程才正式立項。
天鏈壹號衛星於2008年4月25日發射，地球靜止軌道，發射後我國對中低軌道航天器的測控覆蓋率從12%提升到50%左右，並且完成了神舟七號的數據中繼。到2021年7月6日，天鏈壹號05星完成發射，天鏈系列總***6顆星，已經100%覆蓋地球軌道測控。
早在2013年 6月20日上午10點 的神舟十號太空授課已經讓大家見識到了天鏈衛星的作用，在整個51分鐘的課堂裏，神舟十號飛越了半個多地球，要是地面站中繼，那壹定是斷斷續續的，但有了天鏈衛星就沒有問題了，在這個過程中信號中繼切換沒有任何停頓，第壹次壹覽無遺的展現了中國航天通信中繼技術。
現在的天鏈衛星已經增加到了6顆，而且帶寬比2013年時已經有大大改善，通信的下行速率達到了1.2G，和各位用的5G線路通信質量差不多，甚至可能還要好壹些，數據會在北京飛控中心落地，然後從那裏經過路由傳輸到全球各地。
各位也註意到了，天宮核心艙內有無線路由器，航天員可以自由使用手機以及其他基於TCP/IP的通信設備，就像妳在家裏用壹樣方便，在這個背後就是天鏈衛星的支持。
另外各位應該也註意到了為嫦娥四號準備的鵲橋中繼衛星，同樣也是我國中繼衛星技術的壹次突破性使用。
有了天鏈衛星還需要建設地面站與遠洋測控船嗎？
當然是需要的，但相對而言對地面站和遠航系列測控船的依賴會更小壹些，而且這些衛星都在天上，美國再運作搗亂、再封鎖也沒有用。
但有壹點是天鏈衛星無法解決的，比如深空測控，我國在火星上的祝融號火星車通過軌道上天問壹號向地球傳輸數據，或者從地球向火星發射測控信號時，天鏈壹號根本就用不上。
不是因為它們位置或者角度不對，而是天線不夠大，因為向火星發射信號需要大口徑的測控天線，至少也得幾十米，但在近地軌道上的衛星暫時並不能達到這個級別，因此我們的測控站和遠望系列還是少不了。
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