跨越半个地球的“太空授课”是如何实现的？

【环球时报-环球网报道 记者 樊巍 王然】12月9日，中国空间站阶段的“招牌节目”——“天宫课堂”首度开课。在“天宫”之上，三名“太空老师”翟志刚、王亚平、叶光富面向全国乃至全球的青少年，以天地互动的方式展现了中国空间站的工作生活场景，演示微重力环境下的生物和物理等现象，并与地面课堂进行实时交流。在这场长达四十余分钟的“太空授课”过程中，中国空间站绕行了地球近半圈，期间，三名“太空老师”的授课内容始终都能清晰、流畅地传回地面。这背后展现了中国航天强大的测控技术能力，其中，中国的天基中继系统——“天链”卫星扮演着举足轻重的角色。
北京空间信息传输中心总工程师单长胜在接受《环球时报》记者专访时表示，作为远在太空中的中国最高课堂，中国空间站“天宫课堂”位于距离地面400公里左右的近地轨道之上，在这个高度的航天器大约每90分钟绕飞地球一圈。期间，受地球曲率遮挡和视线视场问题影响，在大部分时间里，中国空间站都无法通过国内陆基测控站和海上测量船等地海测控系统和地面建立联系，只有在空间站飞临控制中心或地面测控站附近时，才能取得双向联系，其他地区都是非受控区域，盲区极大，风险极高，更不可能开展实时，无间断的“太空授课”。
据《环球时报》记者了解，2003年，中国第一位航天员杨利伟顺利进入太空后，虽数次通过地面测控站进行了“天地通话”，但每一次都有着很严格的时间窗口限制，只因那时中国境内的测控站有效保持通信的时间仅在10分钟左右。
确保航天器与地面无间断联系的难题也曾困扰着美俄（苏）两个航天大国。在两国太空竞赛白热化的冷战时期，美苏两国凭借自身强大的经济实力，以及辐射全球的政治影响力，各自在全球多国都设有地面测控站，并研制了大量用于测控的飞机和测控船，但即便是这样，也无法完全满足对近地轨道航天器实现无间断测控的需求。直到1983年，美国人采用“为卫星搭建卫星“的想法，从“挑战者”号航天飞机上发射了人类第一颗跟踪和数据中继卫星(TDRS)，开创了天基测控的新时代。这种卫星能将近地轨道航天器上传的数据再传回地面，搭建一个从低轨卫星到中继卫星，再到地面站的通讯流程。
单长胜告诉《环球时报》记者，中继卫星通常位于距地球三万多公里的地球同步轨道之上，它极大地提高了对中、低轨道航天器的测控和数据传输的覆盖率，一颗中继卫星，就可以覆盖近1/3的地球，而三颗中继卫星实现组网，就可以把整个地球都覆盖到。
2008年，中国自己的中继卫星工程正式开建，并有了一个直观的名字“天链”，而负责执行中继卫星测控任务的北京空间信息传输中心团队，因为运用天链卫星在天地之间搭建了高速的信息通道，因此有了一个浪漫的任务代号——“天路”。
当年的4月25日，天链一号01星从西昌卫星发射中心完美出征，由其构建的跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS）从根本上提高了测控、通信的覆盖率。天链一号01星的成功发射，标志着我国从此拥有了太空数据的“中转站”，它可以为中、低轨道的航天器提供天基测控、数据中继与测定轨服务，相当于把地面测控数传站升高到几万公里的轨道高度，既提高了数据回传时效性，又增强了应急协调联动能力。
单长胜介绍称，一颗“天链”卫星能观测到中、低轨道航天器的一半轨道，两颗“天链”卫星能覆盖大部分轨道，三颗“天链”卫星组网就可以实现全球覆盖。因此，“天链”卫星也被成为“卫星的卫星”。
同年，天链一号01星就参与并圆满完成了神舟七号载人飞船数据中继任务。中国首位进行太空行走的航天员翟志刚所创造的“我已出舱，感觉良好”经典一瞬，正是通过天链一号01星实时传回地面。
2011年7月18日，天链一号02星发射升空，标志着我国中继卫星系统建设迈入了多星组网运行阶段。2012年7月25日，天链一号03星发射成功，三颗卫星组网运行，正式实现了对中、低轨航天器近100%的轨道覆盖，我国也正式成为了世界上第二个拥有对中、低轨航天器具备全球覆盖能力的中继卫星系统的国家。
在太空中圆满打造“天链”之后，中国也有条件进行意义深远的“太空授课”活动。2013年，航天员王亚平在“神舟十号与天宫一号”组合体中首次给全国的中小学生进行了一次生动的太空授课。当时，组合体到达“天链”卫星预定捕跟等待点后，天路团队立即完成了“天链”卫星与航天器的双向捕获，随后，“天链”卫星与地面站、测量船共同搭建了天地实时视频直播系统，保障授课时长达五十多分钟。
单长胜告诉《环球时报》记者，实际上，一颗”天链“中继卫星即可支持”太空授课“全程，不需要中间切换中继卫星，太空授课时间大约是50分钟左右，而目前中国空间站在惯性姿态下飞行，一颗中继卫星的可跟踪时长大约是 55 分钟左右。天链中继卫星的天线能够实时、准确跟踪空间站组合体，确保信号的双向可靠传输。
而此次“太空授课”，新一代的中国“天链”则展现了更强大的功能。单长胜称，新一代天链卫星增加了新的成员，“天链一号”04星和 “天链二号”01星。新成员的加入使得天链的传输的速率大大提升，从而带来的是更加清晰的话音，和更为流畅的画面。
除了在“太空授课”这样中国航天的高光时刻中大放异彩，天链卫星每时每刻都在助益于中国航天员的日常太空生活和工作。据单长胜介绍，得益于天链卫星的构建，中国空间站可以为航天员提供双向的图像话音服务和网络服务，航天员在空间站中就可以和地面的工作人员、家人进行视频通话，并能够在空间站中上网，实时收看电视。
此外，更为重要的是，在”天宫”之外，天链卫星有着更为广阔的应用范围。单长胜告诉《环球时报》记者，具备大速率传输能力的“天链”，在管好用好，保护好中国太空资产的过程中都发挥着极为重要的作用。

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