在過去大半個世紀,人類已經把通信網路實現了全球覆蓋,今天基本上有人類頻繁活動的地方,基本上就有無線通信基站,有了這些通信基站,我們可以隨時實現手機打電話和上網。
但是中國的航天器面臨著一個問題,中國的神舟飛船和天宮空間站能夠直接和地面進行的通信的時間都存在一個窗口期。
2003年,中國首位航天員楊利偉升空的時候,中國當時有喀什、西安、青島等幾個地面測控站,外加幾艘遠望號測控船。
當時楊利偉乘坐的神舟五號飛船,軌道高度是340公里左右,環繞地球飛行一周的時間大概是90分鐘,神舟五號進入喀什測控站範圍到脫離青島測控站範圍的整個過程,差不多只有10分鐘時間,當時北京的航天飛控中心想要和楊利偉進行通話,只能利用這10分鐘時間。
而且當時的通信帶寬非常窄,飛船上採集到的音視頻數據,需要壓縮180倍之後,才能下傳到北京,當時的飛控中心看見楊利偉的畫面,基本上只能靠眨眼補幀,是真正的PPT幀率。
在那個年代,航天員想要和地面說句話,或者打個招呼,都是非常奢侈的事情。在窗口期以外的時間,地面飛控中心甚至連飛船和航天員的運行狀況都是完全不知道的。
想要解決這件事情,只有兩個辦法,一個是在全球建設測控站。
比如在南美洲,中國在阿根廷的一個叫內烏肯的地方,租了一塊200公頃的土地,期限50年,建設了一個35米口徑的巨型天線,也就是我們俗稱的「鍋」。
比如在南半球的澳大利亞,是大洋洲建立測控站的最優地點,這裡就有中國、美國、歐洲建立的10多個測控站。
當然,像阿根廷這樣的機會並不常有,更多的是世界各國的測控站實現聯網共享通信和測控服務,外國的飛船和衛星掠過中國上空的時候,我們提供通信和測控服務,中國的飛船或者空間站飛到外國上空的時候,外國的測控站給北京飛控中心提供數據。
目前,除了NASA以外,中國和很多國家都建立了測控站國際網路,比如法國、智利和瑞典,同時中國的測控站和測控船也給外國提供過測控服務,比如澳大利亞的通信衛星和早年的銥星。
不過地面測控站局限性太強了,除了有國際政治因素的影響,也受到地理因素影響,還會受到天氣影響。
更完善的辦法還得是在太空上弄一個天基測控網,和地面測控網相互配合。
美國在70年代就啟動了天基測控網路衛星,到目前為止,已經發射了大約12顆衛星,目前有10顆正在運行。
國際空間站現在每天24小時進行4K視頻直播,就是通過這10顆中繼衛星實現的。
中國在神舟五號飛船發射之後,也開始建立我們自己的天基測控網路,命名為天鏈衛星。天鏈衛星其實本身就是一個Ka/S頻段的通信衛星,造這麼個衛星本身沒有什麼太多的難點,難點在於發射升空。
天基測控衛星是在地球靜止軌道上運行的,地球靜止軌道是一條非常特殊的軌道,是特指在地球赤道正上方的地球同步軌道,這條軌道上的衛星和地面相對靜止,而且只有一條,想要在這條軌道上部署衛星,必須在國際電聯報備,審批通過之後,要在規定的期限之內把衛星發射上去,否則過時不候。
而且這條軌道高度是3.5萬公里,距離地球相當遠,這要求火箭的入軌精度非常高,別看中、美、歐入軌輕輕鬆鬆,很多航天小國就算能通過國際電聯的審批,要把衛星發射上去還是非常吃力的,比如印度,印度2020年發射首顆地球靜止軌道衛星,就失敗了,到如今2022年,也沒有機會把這顆衛星補上去。
中國分別在2008年、2011年、2012年發射了三顆天鏈衛星,一顆停留在非洲上空,一顆在印度洋上空,一顆在太平洋上空,三顆衛星組網的時候,中國成為了三個擁有天基測控全球覆蓋能力的國家之一,而且還超越了俄羅斯,目前也只有中美擁有實時全球無縫連接的通信能力。
目前,中國的天地通信帶寬已經介於4G和5G之間,天鏈衛星的壽命大概是5~8年左右,未來我們還會發射帶寬更大,更先進的天鏈衛星。