「天链一号」卫星有什么用？

太空说话听不清？试看天链中继星

2008年4月25日，我国发射了自己的第一颗中继卫星——天链一号01星，中国航天迈入太空中继时代。

天链一号

中继可以说是一种历史十分悠久的通信手段，在力所不能及的情况下通信，中继可以快速传递信息。我国古代的长城就采用中继的方式来转发敌情信息，这就是我们所熟悉的烽火，远在千里之外的指挥中枢也能迅速知晓敌情，效率远超千里马。只不过这种中继的方式携带的信息太少，也难以确认消息的真伪，这就有了“烽火戏诸侯”的故事。

在长城烽火的方式中，我们可以看到，烽火台的位置越高，传递的距离也越远，这样就可以减少烽火台修筑的数量，即中继的数量。这一原则在今天仍然延续，今天的通信卫星就是将中继的方式延伸到了高度为36000公里左右的地球同步轨道之上，在这一高度上，3颗通信卫星即可覆盖全球除南北两极之外的绝大多数地区。

中继卫星本质上仍然是通信卫星的一种，通常的通信卫星是将地面上相隔很远的卫星地面接收站之间转发数据（比如我们的卫星电视信号，俗称卫视，还有卫星电话等等），目前已经有超过2000颗通信卫星被送上了太空。

不过中继卫星虽然属于通信卫星，但在功能上却与常见的通信卫星大相径庭，中继卫星并不参与地面信号的转发，而是卫星之间，以及在卫星地面接收站和其他卫星之间转发消息。

为什么需要中继卫星呢？大多数卫星位于几百公里高度的低地球轨道，速度非常快，绕地球一圈只需要几个小时，而地面站只能和大多数卫星保持每圈十几分钟的联络。然而地面的卫星地面接收站的数量和分布却十分有限，原因有很多：

然而随着卫星功能越来越多，人们对卫星信号的实时性需求也越来越大。尤其是载人航天的蓬勃发展，将宇航员只身置于孤立无援的太空中显然是很有风险的，地面人员和宇航员当然想24小时不间断的通信，来及时处理这些载人飞船和空间站的需求和问题。然而这些飞船90分钟就能绕地球一圈，即使是当时广袤的苏联领土，也只能做到大约一半的联络时间。

最初的设想是航天测量船，每当有载人飞船发射的时候，多艘航天测量船奔赴世界各大洋，确保飞船与地面通信没有盲区。然而空间站技术的成熟，使得宇航员能长时间不间断的停留在太空中，而航天测量船不能长期停留在大洋中，也不能广泛分布，因此只能顾及少数重要的实时性航天飞行。

这时候，就轮到中继卫星上场了，既然地球上不方便接收，高高在上的太空中最适合接收卫星信号。

最适合信号中继的轨道一定是地球同步轨道了，这个轨道有两个重要的特点：

1973年，第一个中继卫星的计划开始实施，十年后的1983年4月5日，世界上第一颗中继卫星TDRS-1被“挑战者”号航天飞机送上太空。再由一枚太空火箭将这颗卫星推入地球同步轨道，具体的位置就在美国当时地面接收网络最薄弱的印度洋地区上空。

这颗卫星拥有12路信号收发通道和30路信号接收通道的，当年的表现就可以说是一鸣惊人。在此后的航天飞机信号中继任务中， TDRS-1这一颗卫星的能力超过了美国当时所有地面监测网的中继能力，从此航天飞机在飞行过程中和地面通信再也没有通信盲区了。

不过仅仅依靠一颗中继卫星是不足以覆盖地球的，一颗地球同步轨道卫星大约可以覆盖120°左右扇形范围内的地面和太空，因此需要3颗地球同步轨道卫星组网，覆盖全球除了南北极之外的360°地球主要区域和高度在2000公里以下的低地球轨道卫星。TDRS-1在阴差阳错的轨道调整的故障中幸运的覆盖了南极点，因此南极点的孤岛——阿蒙森-斯科特南极科考站也借助TDRS-1和地球上的其他人进行联络。

1985年10月25日，苏联发射世界上第二颗中继卫星，编号为宇宙1700，设计寿命5年，位于东经95°，地处印度洋上空，对应苏联的西伯利亚地区。这颗中继卫星最大的客户就是第二年发射的，大名鼎鼎的“和平号”空间站。

不幸的是，世界上第三颗中继卫星TDRS-2却遭遇了航天史上有史以来最惨痛的悲剧。

1986年1月28日，搭载世界首位平民宇航员麦考利夫的“挑战者”号航天飞机在发射73秒后爆炸，7名宇航员全部牺牲，同行的TDRS-2中继卫星也在这趟旅程中随之烟消云散。

这起灾难拖延了美国中继卫星部署的计划，苏联组建出了第一个组网成功的中继卫星网络。1987年11月26日，宇宙1897号卫星发射成功，并主动变轨到位于非洲上空的东经12°，两颗中继卫星一起保障了1988年“暴风雪”号航天飞机的首次飞行。

不过“挑战者”号这次事故并不能阻止人类探索太空的脚步，美国自己中继卫星组网也势在必行。1988年9月29日和1989年3月13日，第三、四颗中继卫星TDRS-3/TDRS-4相继成功发射，分别部署在大西洋上空和太平洋上空，完成第一个覆盖全球的中继卫星网络。

尽管“暴风雪”号航天飞机由于资金等多种原因最终再也没能重返太空，但苏联和后续的俄罗斯继续组建了自己的中继卫星系统。1989年12月27日，宇宙2054卫星发射成功，位于西经16°的大西洋上空，到1995年，一共5颗中继卫星组成了俄罗斯的第一代太空中继网络，这个网络成功的保障了“和平号”空间站和地面的正常通信，首个长期有人驻守的空间站可以随时随地的和地面各方进行同步的通信。

卫星组网也并不意味着万事大吉，由于卫星寿命有限，以及中继卫星自身通道和带宽数量限制，中继卫星系统需要补充新鲜血液。

在TDRS组网之后的30年间，平均每10年更新了一代，每代3颗新的TDRS中继卫星加入网络，覆盖了地球和低地球轨道的所有卫星和卫星地面接收站。由于老卫星大多能发挥余热，因此除了两颗已经退役的老者，老中青三代TDRS中继卫星都在努力工作中，退休的TDRS-1则在岗位上坚守了27年。

苏联解体对苏联航天的冲击是很大的，俄罗斯的第二代中继卫星“射线2号”最终缩减到仅发射一颗。而随着“和平号”空间站于2001年退役，俄罗斯对中继卫星的需求也大幅下降，出现了青黄不接的局面。

随着前些年俄罗斯经济有所起色，航天需求日益增加，对军事力量的投入也在加大。2011年12月11日、2012年11月3日和2014年4月28日，俄罗斯的“射线5号”系列3颗中继卫星相继发射升空，分别部署在印度洋上空的东经95°，大西洋上空的西经16°和太平洋上空的东经167°。这些中继卫星不仅可以支持“联盟号”载人飞船和国际空间站的通信中继工作，还可以支持俄罗斯的战略力量的实时跟踪和通信。

中继卫星的优势十分明显，可以大面积覆盖地面和空间、实时传输需要的信息、性价比也比地面站高的多，因此除了美俄之外，其他国家也逐渐开始研发自己的中继卫星。

2002年9月10日，日本发射了首颗中继卫星“回声”号，这颗卫星位于东经90.75°，位于印度洋上空。直到2017年8月5日正式退役，这颗卫星一共工作了15年。这么长的时间中，“回声”号并不清闲。比如在2006年，日本发射了一颗“网速”最快的遥感卫星“大地”号，这颗卫星可以用于获取高清地面影像，由于高清大图的尺寸很大，为了快速传输这些高清无码大图，“大地”号的通信传输速率高达278MB/s，比“回声”号的中继速度240 MB/s还要高。然而“大地”号采用的是太阳同步轨道，难以与地面长期保持联络，而巨大的数据量使得“大地”号无法仅在和地面联络的时候就发完数据，因此95%的数据通过“回声”号中继给了地面，数据总量大约1PB，或1024TB。

2008年4月25日，我国发射了自己的第一颗中继卫星——天链一号01星，中国航天迈入太空中继时代。随后的2011年7月11日、2012年7月25日和2016年11月22日，天链一号的02/03/04星相继发射成功，使得我国组建起了自己的覆盖全球的太空中继网络——天链一号，这也是世界上第三个组建起覆盖全球的太空中继网络。

欧空局也积极研发了自己的中继系统，2016年1月，搭载欧空局的EDRS-A中继系统的欧洲通信卫星发射升空，第二个携带EDRS中继系统的通信卫星也将于今年（2018年）发射升空。

中继卫星的工作方式非常简单，当任何卫星无法与任何地面站进行联络的时候，就将天线对准有着固定位置的中继卫星，由于组网的中继卫星全部覆盖低地球轨道，因此这些卫星一定能找到一颗可以用于中继的卫星。而中继卫星则不间断的和一个或多个卫星地面接收站进行联络的，因此中继卫星会实时的将这些卫星的信号转发给地面。

当中继卫星组网后，中继卫星之间也可以进行信号传输，这就意味着，任何一颗卫星都可以和一颗中继卫星联络，而中继卫星的网络可以给全球任意的甚至所有的卫星地面接收站转发这些信息。

这就意味着，如果有需要，任意一颗卫星，在中继卫星网络的帮助下，可以进行全球同步直播。

天宫一号上，神舟十号飞船的航天员们进行的太空授课

著名的三次太空课堂中，中继卫星都在后台扮演者重要的角色。第一次太空课堂因为“挑战者”号航天飞机的爆炸而终止，并导致事后多年没有再规划太空授课。当时唯一的一颗中继卫星TDRS-1是这堂课的重要信息中转站。

实际的第一次太空授课，即第二次太空课堂在2007年的国际空间站中，当时组网的TDRS中继卫星网络能够实时的将国际空间站的视频信号转发到世界各地。

最近的一次太空课堂是在天宫一号上，2012年7月25日，天链一号03星发射成功，标志着我国的太空中继网络正式形成。2013年6月20日，神舟十号飞船的航天员们进驻天宫一号时，王亚平为全国的中小学生们主讲了这堂时长40分钟的太空物理课。

40分钟的上课时间外加前后的准备和收尾时间，天宫一号已经飞过了半个地球。而无论天宫一号在何处，总处于一颗天链一号卫星的中继范围内，天链一号卫星之间也可以进行再次中继，并将天宫一号的视频信号传回卫星地面接收站。

既然地球中继卫星具有大面积覆盖、实时传输和超高性价比等诸多优势，那么为何中继卫星并没有广泛应用呢？这也与中继卫星的技术难度有关。

首先，中继卫星需要眼观六路、耳听八方，一颗中继卫星需要和整个负责的卫星网络进行通信，这需要中继卫星的天线不断的跟踪多个位置不同的卫星，随时接受新的中继任务，这对天线的伺服系统是巨大的考验。天线的伺服系统相当于天线的脖子，中继卫星的脖子不仅需要转的准确，还需要经常转、各种转，不要嫌晕。

更有技术难度的是通信系统的设计，高速率、高频率射频频段（主要是Ka波段的毫米波）、高增益窄波束天线、多通道，这些都对中继卫星的通信系统设计和加工提出了巨大的挑战。比如中继卫星Ka波段的天线，要求实现数米宽直径的抛物面“大锅”实现0.1毫米级别的误差，并且在太空中也保持这样的精度，难度可想而知。

除了地球中继卫星，还有别的中继卫星吗？

答案是有的！

2018年5月21日凌晨5时28分，一条火龙划破了西昌宁静的夜空，一枚长征四号丙运载火箭携带“鹊桥”号地月中继卫星升空，25分钟后，火箭将“鹊桥”号送入地月转移轨道后与卫星分离，“鹊桥”号开始奔赴月球方向的地月拉格朗日L2点，为2018年12月8日发射的嫦娥四号保驾护航。

为何嫦娥未动，“鹊桥”先行呢？这和嫦娥四号的任务有关。嫦娥四号是世界第一次在月球背面软着陆的航天器。但月球的背面却如图深处闺房中娇羞的少女一样从不示人，由于地球和月球存在潮汐锁定，月球的自转周期和公转周期完全相同。这就意味着数百万年来，人类都只能看到月球的正面，却丝毫看不到月球背面的样子。而人类能有幸一睹月球背面真容的时间仅有60年，1959年10月6日，“月球3号”探测器才第一次飞到了月球的背面。

而由于人类在地球上根本看不到月球的背面，处在月球背面的航天器也会被月球正面所遮挡，因此人类也无法和月球背面的航天器进行直接联络，这就像是隔了一座山的两个人，彼此说话无法听见，何况这座山是月球。

解决的方式就是“鹊桥”号中继卫星：

“鹊桥”比地上的中继卫星站的更高，选择的是地月拉格朗日点L2。拉格朗日点是5个特殊的点，在这些点上，卫星能够相对地球和月球保持相同的位置，即从地球（地面站）和月球（嫦娥四号）的角度来看，“鹊桥”号是静止不动的。

那么为什么要选L2点呢？五个拉格朗日点中，L1位于地球和月球之间，L3位于地球背面，更是联系不上月球的背面了，而L4和L5两个点并不能覆盖月球背面。只有L2点能覆盖最大面积的月球背面，这个点就位于月球背面一侧。

那为什么“鹊桥”号需要围绕L2点旋转呢？地月L2点是公认的重要的地月中继点，地月L2点也位于月球背面的阴影区，因此直接停留在这个点也没法和地球直接联络。此外未来的地月L2点会很拥挤，因此任何单个航天器不应当独占L2点的位置，大家都在围绕这一点的“操场”上跑步，互相错开，避免拥挤。相比尚未热闹的地月L2点，日地L2点附近已经熙熙攘攘，那里是太空望远镜的绝佳场所。

在地月系之外，一些其他天体也需要人造中继卫星系统。不过由于这些天体离地球太远，一次通信的传输时间至少也需要几分钟，因此这些中继卫星没有实时性需求，更多的是以更快的带宽传输数据，以及和“鹊桥”号类似，对人类难以直接“听清”的探测器实行信号中继。

火星的天空是除地月系之外，中继卫星最忙碌的地方了。目前在火星地表奔跑的火星车还有老当益壮“机遇”号（2004年1月着陆）和正值壮年的“好奇”号（2012年8月着陆），预计2020年还将新增两位新成员“火星2020”和ExtroMars。

火星地表长期奔波着数台火星车，这些火星车显然不如天上飞的探测器灵活，迫切的需要数据中继。天上飞的小伙伴们转个身就可以把“大锅”天线朝向地球，火星车显然是臣妾做不到啊。一辆小轿车大小甚至更小的火星车如果需要直接对地传输大量的数据，就要背负一个几米宽，和小轿车差不多大的“大锅”天线，变身“背锅侠”。不仅如此，“背锅侠”还要随着火星的自转去调整这口锅的方向，这样对于火星车来说，“背锅侠”就成了一个巨大的累赘，火星车显然不堪重负。

于是在各辆火星车的设计中，地球和火星车的直接联系仅限于一些特殊的控制指令，传输速率是比特量级的，大量的分析数据和火星照片都通过天上飞的小伙伴们进行一次中继，传输速率可以高达MB/s量级。而几乎所有在火星上空飞行的轨道探测器都具有中继的能力，这样只要火星车的头顶有任意一颗探测器，就可以与地面进行通信了。目前火星上空盘旋着“奥德赛”号、“火星快车”号、火星大气与挥发物演化探测器MAVEN、火星勘测轨道飞行器MRO、ExtroMars轨道飞行器共5颗可以从事中继探测器，他们都是地球和火星之间的中继卫星。其实并不是一定要这么多中继卫星，只是2001年发射的“奥德赛”号和2003年发射的“火星快车”号都在继续健康努力的继续超期工作，使得火星上空也热闹非凡。

除了这些长期从事中继工作的小伙伴们，还有一些临时的友情帮助。就在这个月，2018年5月5日，世界上最小的两颗火星中继卫星“瓦力”和“伊娃”，随着“洞察”号火星行星物理探测器一起私奔火星。“洞察”号将最终在火星地表着陆，不过“瓦力”和“伊娃”却将在太阳系内自由漂泊。为了感谢“洞察”号带着情侣二人逃离地球，“瓦力”和“伊娃”将在“洞察”号降落的过程中提供信号中继，成为地面了解“洞察”号降落过程最快捷的方式。比起重达两吨多的地球中继卫星，“瓦力”和“伊娃”只有一个小型行李箱的大小，重量只有13.5kg。

更多有关这对“小情侣”的八卦，可以移步此文：

而要说到最远的中继卫星，那一定是“卡西尼”号土星探测器了，从土星发送数据回地球需要90分钟左右的时间。去年（2017年），“卡西尼”号结束了其20年的使命，吻向她最爱的土星地平线。陪伴“卡西尼”号一路风雨同舟前往土星的还有“惠更斯”号，不过“惠更斯”号此行的目的却是土星有着神秘面纱（厚重大气层）的土卫六“泰坦”。在“卡西尼”号抵达土星的第一年（2004年），“惠更斯”号离开“卡西尼”号，义无反顾的前往着陆在土卫六的地表。小巧玲珑的“惠更斯”号并没有直接和地球通信的能力，因此“惠更斯”号的所有数据都通过“卡西尼”号中继。

首先，在降落的两个多小时里，“卡西尼”号接收来自“惠更斯”号的信号，在“惠更斯”号电量耗尽而长眠土卫六“泰坦”之后，“卡西尼”号调转天线，向地球发送“惠更斯”号的信息。尽管中继软件出现了一些问题，但“卡西尼”号仍然将一半的照片回传到了地球。

天链一号、“鹊桥”号和一群中继卫星小伙伴们一起，是太空通信畅通的幕后工作者，正是有了这些中继卫星，太空才能够自由联通。