1、天链一号一、卫星简介“天链一号”是中国第一颗地球同步轨道数据中继卫星，由中国航天科技集团公司所属中国空间技术研究院为主研制，主要用于为中国神舟载人飞船及后续载人航天器提供数据中继和测控服务。同时，为中国中、低轨道资源卫星提供数据中继服务，为航天器发射提供测控支持。2012 年 7 月 25 日夜间， “天链一号 03 星”成功发射，中国将由此正式建成第一代中继卫星系统。2008 年 4 月 25 日 23 时 35 分，中国首颗数据中继卫星“ 天链一号”在西昌卫星发射中心由“长征三号丙”运载火箭成功发射升空。25 分钟后，西安卫星测控中心传来数据表明， “天链一号”准确进入预定的地球同步转移轨
2、道。定点 77E。这也意味着，中国航天器开始拥有天上数据“中转站” 。中继卫星享有“卫星的卫星”之誉，可为卫星、飞船等航天器提供数据中继和测控服务，极大提高各类卫星使用效益和应急能力，能使资源卫星、环境卫星等数据实时下传，从而为应对重大自然灾害赢得更多预警时间。二、天链一号卫星的诞生921 载人航天工程启动后，面对地面测控网对低轨道载人飞船覆盖率极低的形势，中国一方面通过外交努力增设海外测控站，另一方面以当时最新研制的东方红三号卫星平台为基础展开数据中继卫星的预研，其指标瞄准当时日本计划的回声数据中继卫星，力求单项性能接近日本、综合性能超过日本。卫星研制人员经过数年的努力攻克了一系列技术难点，
3、最后诞生了天链一号中继卫星。2012 年 7 月 25 日 23 时 43 分，中国在西昌卫星发射中心用长征三号丙运载火箭成功发射“天链一号 03 星” ，卫星顺利进入太空预定轨道。这次发射成功后， “天链一号”卫星将实现全球组网运行，标志着中国第一代中继卫星系统正式建成。三、卫星系统01 星，天链一号卫星以东方红三号卫星平台为基础，设计寿命 6 年。星间通信链路使用单个 S/Ka 波段双馈源抛物面天线，测控信号使用 S 波段单址链路中继(SSA)信号，星地高速通信使用 Ka 波段天线。卫星大型抛物面天线指向、捕获和跟踪使用星载闭环捕获跟踪技术。天链一号 01 星研制成功后在地面测试阶段完全满
4、足了研制要求， 2008 年 4 月 25 日发射成功后定点和在轨测试顺利，圆满地完成了神州七号载人飞行的测控与数据转发任务，受到了用户的好评。02 星，2011 年 7 月 11 日 23 时 41 分，天链一号 02 星发射。中国在西昌卫星发射中心用长征三号丙运载火箭，成功将“天链一号 02 星”送入太空。火箭飞行约 26 分钟后，西安卫星测控中心传来的数据表明，星箭分离，卫星成功进入地球同步转移轨道。 “天链一号 02 星 ”是中国第二颗地球同步轨道数据中继卫星，由中国航天科技集团公司所属中国空间技术研究院为主研制。它将与 2008 年发射的“天链一号 01 星”组网运行，为中国神舟飞船
5、以及未来空间实验室、空间站建设提供数据中继和测控服务，并将应用于中国将于2011 年下半年实施的首次空间交会对接任务。03 星， “天链一号 03 星”是中国发射的第三颗。地球同步轨道数据中继卫星，由中国航天科技集团公司所属中国空间技术研究院为主研制。经一段时间在轨验证和系统联调后，“天链一号 03 星”将与 2008 年发射的 01 星、2011 年发射的 02 星实现全球组网运行，建成比较完备的中继卫星系统。这一系统将进一步提高中国载人航天飞行任务的测控覆盖率。同时，还为中国中、低轨道资源卫星提供数据中继服务，为航天器发射提供测控支持。四、研究由来（一）地面覆盖率有限海上的远望系列测量船和
6、陆上的一系列测控站，长期以来一直支撑着中国航天测控任务，为中国数十年来一系列卫星、飞船和探测器的发射与测控立下汗马功劳。在神舟七号出舱活动期间，直播屏幕左上角的滨海、南亚、喀什等文字，分别表示东非肯尼亚的马林迪测控站、南亚巴基斯坦的卡拉奇测控站和中国新疆的喀什测控站。地面覆盖率小、投资巨大细心的观众肯定可以看到马林迪站到卡拉奇站之间的停顿，如果观众更关注中国航天的话，更能看到以往历次神舟飞船飞行期间，显示地面测控站覆盖范围的不规则圆区域都很小。由于地球曲率的影响，地面/海上测控站对中低轨道航天器的覆盖范围很小，这种现象在人类航天活动的早期可谓家常便饭，最初人们很自然的想到通过增加陆上、海上测控
7、站和测量飞机来提高测控覆盖率。美苏两强在冷战期间建立了覆盖全球的测控站并拥有大量测量船和测量飞机，但这一系统建设耗资巨大，而且受到地理、政治等各方面因素的影响很多地方无法设置测控站，更不要说要在全球范围内建立完整覆盖的地面测控网，所需测控站数量是惊人的。如对 300 千米高度的低轨道航天器进行 100%的覆盖，理论上需要布设 100 多个站点均匀分布在地表，这在预算、政治上是不可行的。（二）跟踪/数据中继卫星的诞生为了摆脱地球曲率的限制，科幻作家克拉克在 1945 年就提出了地球同步轨道通信卫星的设想，随着航天技术的进步逐渐得到实现。1963 年到 1964 年美国先后发射 3 颗试验性静止轨
8、道通信卫星，其中 1964 年 8 月 19 日发射的同步 3 号卫星获得了完全成功。理论上说 3 颗静止轨道通信卫星可以实现对全球的通信覆盖，这个得天独厚的优势使得通信卫星产业获得了长足的发展。而早在地球同步轨道通信卫星成功前，人们就在设想使用地球同步轨道卫星中转遥测信号，实现对中低轨道航天器的全面跟踪覆盖。美苏先后研制并发射了跟踪与数据中继卫星，用于提高航天器的测控覆盖率和提高测控网的实时性。1983 年美国使用航天飞机发射了世界上第一颗数据中继卫星，开启了航天测控的新纪元。五、卫星优势从理论上说，跟踪与数据中继卫星就是一种特殊的通信卫星。类似于通信卫星对地面短波通信的优势，数据中继卫星对
9、基于地面测控站的传统测控体系同样具有压倒性的优势。数据中继卫星的优势表现在测控通信覆盖率高、高度的实时性和优异的经济性。（一）测控/通信覆盖率高中国天链一号 01 星发射后，神舟七号飞船的测控覆盖率大幅度提高，直观的表现在神舟七号的转播时间更长，一个半小时有将近 50 分钟可以观察到航天员，测控覆盖率从 15%提高到 50%。利用 3 颗左右的中继卫星，可以实现对中低轨道航天器的大部分轨道覆盖，如美国数据中继卫星系统对 2001200 千米高度卫星覆盖率 85%以上，对 1200020000 千米高度卫星覆盖率达到 100%。（二）可实时回传数据不仅如此，由于可以通过数据中继卫星实时联系，中低
10、轨道的遥感卫星可以通过数据中继卫星实时回传热点地区和敏感突发事件的侦察信息，提高了反应速度，这种效果是地面测控站网络根本无法实现的。实时回传数据还大大加强了对航天器状态的监控能力，提高了航天器尤其是载人飞船的安全性，这也有利于更好的完成实时性强的任务。（三）建设/维持费用低廉数据中继卫星不仅覆盖率高、实时性好，而且价格尤其是使用维持费用低廉。既没有陆上测控站和海上测量船等为数众多的操作人员，也没有海外陆上测控站易受政治因素影响的问题。中继卫星的使用可以取代大部分的地面测控站的任务，成为航天测控网络的主力，降低测控网的建设运行费用。六、技术难度数据中继卫星堪称航天测控的革命性成果，但中继卫星也具
11、有极大的技术难度。细心的读者可以发现，前面提到第一颗同步轨道通信卫星 1964 年成功，而第一颗同步轨道中继卫星发射则要等到 19 年后的 1983 年。数据中继卫星不同于传统的通信卫星，它必须要解决高速运动的卫星之间的捕获与跟踪，对精度要求极高。（一）实现狭窄波束跟踪由于中继卫星需要高速率传输数据，而且本身位于 35800 千米高空的静止轨道，为保证通信质量，卫星天线的波束宽度极其狭窄。以美国的数据中继卫星为例，Ku/Ka 波段波束宽仅为 0.28 度，为了有效跟踪中低轨道用户卫星，自动跟踪精度高达 0.06 度。高增益窄波束天线如何“捕获”用户卫星是数据中继卫星需要解决的首要难题。中继卫星
12、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，还要做到体积小功率大，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，对卫星控制提出了很大的挑战。（二）研制高性能天线中继卫星研制的另一个重要障碍在于其高性能的天线，为了实现高传输速率，为众多卫星提供中继服务，中继卫星需要使用增益极高的通信天线，一般是高等效全向辐射功率(EIRP)的抛物面天线。天线增益与天线尺寸成正比，与工作波长成反比，天线直径与工作波
13、长之比又称电尺寸，美国第二代数据中继卫星 TDRS-H、I 和 J 三颗卫星的单址天线电尺寸达到了惊人的 400，相当于数十米直径的 S 波段天线的电尺寸。天线的电尺寸越大、研制难度就越大，目前数据中继卫星的天线尺寸在各种卫星中是最大的。中继卫星单址天线一般使用 Ka 波段工作波长，选择毫米波段虽然容易获得更大的天线增益，但对天线反射面精度要求也极高，要求数米直径的天线整体形面误差要低于 0.1 毫米。对于直径数米的天线，在外太空高温差条件下要达到、并长期保持这样的精度，其难度可想而知。（三）中国卫星电子器件性能仍较为落后相比捕获跟踪和天线的巨大技术障碍，中继卫星 Ka 波段转发器的技术难度要
14、低得多，但其绝对难度仍然不可小视，Ka 波段转发器的研制难度从来就是各种常用波段中最大的。根据现有资料推断，中国第一颗数据中继卫星天链一号 01 星使用的是进口转发器。天链中继卫星系统的地面设备使用了中国电子科技集团的毫米波固态功率放大器，保证了天链卫星的正常工作和神舟七号数据的顺利回传，成为该公司念念不忘的业绩，但地面设备原始设计使用的仍然是进口器件，很难想象要求更为苛刻的星载转发器会使用国产器件。七、现状发展（一）研制状况“天链一号”由中国空间技术研究院为主研制，采用成熟的“东方红三号”通用平台并突破多项关键技术，其发射成功填补了中国中继卫星领域的空白。专家称，随着中国航天事业的发展，中继
15、卫星将得到更广泛应用。中国运载火箭技术研究院研制的“长征三号丙”运载火箭承担此次发射任务，该火箭为新型三级液体推进剂火箭，捆绑有两个助推器，火箭全长约 55 米，起飞质量约 343 吨。这次发射是“长征三号丙”运载火箭首次航天发射，也是中国“长征”系列运载火箭第 105 次飞行。（二）发展展望天链一号 02 星的发射有望将中低轨道航天器覆盖率进一步提高到 75%。天链一号至少会发射 3 颗卫星，由此判断很可能形成第一代中继卫星系统 2 颗工作星加 1 颗备用星的布局，也不排除进一步扩展到 4 颗中继星的可能。中国第二代数据中继卫星将使用东方红四号平台，装有 2 具 S/Ka 双馈源抛物面单址天
16、线，S 波段相控阵多址天线，还可能增加激光通信单元用于超高速率的星间通信。欧空局已经在 Artemis 中继卫星和 Spot4 卫星之间进行了首次激光通信，未来中国中继卫星星座如果扩展到 4 颗甚至更多，为了更高效的进行数据中继，星间使用激光通信将是必然的趋势。八、运载火箭用于发射卫星的“长征三号丙”运载火箭，由中国航天科技集团公司所属中国运载火箭技术研究所研制，为新型三级液体挤进剂火箭，主要用于发射地球同步轨道卫星，其GTO 运载能力为 3.8 吨。全长约 55 米，起飞质量约 343 吨。该型号火箭最大的特征是将携带两个助推器，技术难点主要 为轴不对称，这项技术在中国尚属首次。 这次航天发
17、射是“长征三号丙”火箭的首次发射，也是长征系列运载火箭的第 105 次飞行。 “天链一号”的成功发射，标志着“长征三号丙”运载火箭正式投入国际卫星商业发射服务市场，对于进一步满足中国及国际市场卫星发射服务的需求、增强中国长征火箭市场竞争力具有重大意义。九、残骸坠落2008 年 4 月 25 日 23 时 35 分，中国首颗数据中继卫星“ 天链一号”在西昌卫星发射中心成功发射。时隔 8 分钟，用于发射该卫星的运载火箭“长征三号丙”的一级助推器残骸坠在贵州省仁怀市九仓镇境内。残骸坠落山沟，无人员伤亡和损失。2008 年 4 月 25 日 23 点 35 分，设在遵义市仁怀九仓中学的火箭助推器残骸搜
18、救临时指挥所已做好火箭助推器残骸着地准备。在九仓镇就有观察哨 8 处，观测点 240 个，每个点都有干部和民兵值守，基本上每个角度都可观测得到火箭助推器残骸的落地情况。2008 年 4 月 25 日 23 点 43 分，火箭助推器残骸着地，由仁怀民兵应急分队组成的搜救组立即奔赴九仓镇已发现的残骸落地现场。 “长征三号丙”的一级助推器残骸为白色残骸形体，分为 7 个部分散落在不同位置，相距最近的 3 米左右，最远的约 200 米，其中一部分残骸，长约 3 米，直径约 2.5 米。因残骸物体发出的气味相当难闻，搜救人员只能分散在不同位置进行警戒。据指挥所不完全统计，参加此次搜救、疏散撤离的干部、民
19、兵预备役人员、部队应急分队官兵达 1000 余人，疏散撤离群众达 8 万余人。十、作用意义（一）航天方面本次发射还是中国 2008 年首次航天发射、2007 年 9 月交付使用的“远望五号”航天远洋测量船首次出海执行测控任务、西昌发射场新改进的低温燃料加注设备和二号工位远距离测控发射模式首次执行任务等，集多个首次于一身的此次航天发射获得成功，表明新投入的一系列新型号 新设备经受住考验。（二）综合实力得到稳步提升。“天链一号”的顺利升空引起了国际社会的高度关注，美联社、路透社、NASA 等媒体与相关机构均在第一时间内进行报道。相关报道除了表示中继卫星顺利发射，意味着中国航天事业进一步发展外，还有
20、美国军事专家认为这会大幅提升中国的军事能力。“天链一号”的顺利升空要素显示；中国首颗数据中继卫星“天链一号”的成功发射，相对而言也是向世界宣布：中国航天器已进入了一个新的台阶，既中国有了天上数据“中转站” 。中继卫星的成功发射标志中国航天应急和管理能力又有新进步。（三）应用方面1：远望号测量船队加上 10 余个地面站，才能为神舟飞船提供 12%的测控覆盖率。一颗中继卫星即可覆盖卫星或飞船 50%的飞行弧段，无论是经济效益还是使用效率都有了质的提高。2：航天器在太空中出现故障，抢救时机往往以秒计，一旦错过就可能造成永远无法挽回的损失。随着中国卫星数量的增多，故障率不可避免要增加。中继卫星投入应用
21、后，将使航天器故障能够及早发现、尽早解决。3：资源卫星、环境卫星等应用卫星获得的科学数据，要在卫星经过地面站上空时才能下传使用，如果突发重大自然灾害，就会失掉最佳的应对处置时机。中继卫星可使各类卫星实现数据实时下传，及时应用，是各类应用卫星的效能倍增器。（四）角色方面一是太空侦察员。作为中国第一代中继卫星，天链一号 01、02 、03 共三颗卫星平衡部署在赤道上空 36000 公里的地球同步轨道上，能够对 200 公里以上、2000 公里以下的空间全轨道覆盖，覆盖率近 100%。也就是说，它们就像三个 24 小时不间断值守的优秀警卫员，眼睛像鹰一样紧盯着太空各个角落，守护着中国的全部太空资产，
22、一旦发现敌情，立即报告。二是通信接线员。中继，其实就是接线员的意思。中国在轨的各类航天器应该不少于100 件，承担着资源勘测、环境监控、敌情侦测、信息传输、科学试验等各类民用国防任务，中继卫星的任务就是把它们所搜集的各类情报、产生的各类数据集中起来，形成一个有机的数据传输整体，第一提高传输效率，第二实现信息资源共享，第三实现应急的协调联动。三是太空导航员。中继卫星高高在上，下边的情况一清二楚，就可以适时为在太空航行的航天器、空间站提供准确预警预报，导航定位，让中国的太空航行更安全、更准。据报道，“天链一号”01 星、02 星两颗中继卫星组网运行以来，先后参加了天宫一号与神舟八号、神舟九号交会对接任务并发挥了重要作用。任务过程中，中继卫星发挥高码速率、高动态、高轨道覆盖率的优势，提升了飞船和天宫一号的测控覆盖率和数据传输能力，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。随着 03 号卫星成功入轨并完成天链一号组网，天链一号对我太空航行的服务支持将实现全方位、无盲区。
