基本介紹
衛星簡介,衛星系統,01星,02星,03星,04星,研究由來,衛星優勢,技術難度,現狀發展,研製狀況,發展展望,運載火箭,殘骸墜落,作用意義,航天方面,套用方面,角色方面,系統建成,
衛星簡介
2008年4月25日23時35分，中國首顆數據中繼衛星“天鏈一號”在西昌衛星發射中心由“長征三號丙”運載火箭成功發射升空。25分鐘後，西安衛星測控中心傳來數據表明，“天鏈一號”準確進入預定的地球同步轉移軌道。定點 77°E。這也意味著，中國太空飛行器開始擁有天上數據“中轉站”。
中繼衛星享有“衛星的衛星”之譽，可為衛星、飛船等太空飛行器提供數據中繼和測控服務，極大提高各類衛星使用效益和應急能力，能使資源衛星、環境衛星等數據實時下傳，從而為應對重大自然災害贏得更多預警時間。
天鏈一號衛星的誕生
921載人航天工程啟動後，面對地面測控網對低軌道載人飛船覆蓋率極低的形勢，中國一方面通過外交努力增設海外測控站，另一方面以當時最新研製的東方紅三號衛星平台為基礎展開數據中繼衛星的預研，其指標瞄準當時日本計畫的回聲數據中繼衛星，力求單項性能接近日本、綜合性能超過日本。衛星研製人員經過數年的努力攻克了一系列技術難點，最後誕生了天鏈一號中繼衛星。
天鏈2號衛星的構想圖
天鏈2號衛星的構想圖天鏈一號衛星的誕生
2012年7月25日，托舉著“天鏈一號03星”的“長征三號丙”運載火箭發射升空。
2012年7月25日23時43分，中國在西昌衛星發射中心用長征三號丙運載火箭成功發射“天鏈一號03星”，衛星順利進入太空預定軌道。這次發射成功後，“天鏈一號”衛星將實現全球組網運行，標誌著中國第一代中繼衛星系統正式建成。
衛星系統
01星
天鏈一號衛星以東方紅三號衛星平台為基礎，設計壽命6年。星間通信鏈路使用單個S/Ka波段雙饋源拋物面天線，測控信號使用S波段單址鏈路中繼(SSA)信號，星地高速通信使用Ka波段天線。衛星大型拋物面天線指向、捕獲和跟蹤使用星載閉環捕獲跟蹤技術。天鏈一號01星研製成功後在地面測試階段完全滿足了研製要求，2008年4月25日發射成功後定點和在軌測試順利，圓滿地完成了神州七號載人飛行的測控與數據轉發任務，受到了用戶的好評。
02星
2011年7月11日23時41分，中國在西昌衛星發射中心用長征三號丙運載火箭，成功將“天鏈一號02星”送入太空。火箭飛行約26分鐘後，西安衛星測控中心傳來的數據表明，星箭分離，衛星成功進入地球同步轉移軌道。“天鏈一號02星”是中國第二顆地球同步軌道數據中繼衛星，由中國航天科技集團公司所屬中國空間技術研究院為主研製。它將與2008年發射的“天鏈一號01星”組網運行，為中國神舟飛船以及未來空間實驗室、空間站建設提供數據中繼和測控服務，並將套用於中國將於2011年下半年實施的首次空間交會對接任務。
天鏈一號02星發射
天鏈一號02星發射03星
“天鏈一號03星”是中國發射的第三顆地球同步軌道數據中繼衛星，由中國航天科技集團公司所屬中國空間技術研究院為主研製。經一段時間在軌驗證和系統聯調後，“天鏈一號03星”將與2008年發射的01星、2011年發射的02星實現全球組網運行，建成比較完備的中繼衛星系統。這一系統將進一步提高中國載人航天飛行任務的測控覆蓋率。同時，還為中國中、低軌道資源衛星提供數據中繼服務，為太空飛行器發射提供測控支持。
中美中繼衛星覆蓋對比圖
中美中繼衛星覆蓋對比圖04星
2016年11月22日23時24分，我國在西昌衛星發射中心使用長征三號丙運載火箭成功將天鏈一號04星送入太空。天鏈一號04星是我國第4顆地球同步軌道數據中繼衛星，將與天鏈一號01星、02星、03星實現全球組網運行，為我國神舟飛船、空間實驗室、空間站提供數據中繼與測控服務，支持空間交會對接任務，同時為我國中、低軌道資源衛星提供數據中繼服務，為太空飛行器發射提供測控支持。天鏈一號04星和長征三號丙運載火箭，分別由中國航天科技集團公司所屬中國空間技術研究院、中國運載火箭技術研究院研製。這是長征系列運載火箭的第241次飛行。
長征三號丙運載火箭成功將天鏈一號04星送入太空
長征三號丙運載火箭成功將天鏈一號04星送入太空研究由來
地面覆蓋率有限
海上的遠望系列測量船和陸上的一系列測控站，長期以來一直支撐著中國航天測控任務，為中國數十年來一系列衛星、飛船和探測器的發射與測控立下汗馬功勞。
地面覆蓋率小、投資巨大
細心的觀眾肯定可以看到馬林迪站到喀拉蚩站之間的停頓，如果觀眾更關注中國航天的話，更能看到以往歷次神舟飛船飛行期間，顯示地面測控站覆蓋範圍的不規則圓區域都很小。由於地球曲率的影響，地面/海上測控站對中低軌道太空飛行器的覆蓋範圍很小，這種現象在人類航天活動的早期可謂家常便飯，最初人們很自然的想到通過增加陸上、海上測控站和測量飛機來提高測控覆蓋率。
美蘇兩強在冷戰期間建立了覆蓋全球的測控站並擁有大量測量船和測量飛機，但這一系統建設耗資巨大，而且受到地理、政治等各方面因素的影響很多地方無法設定測控站，更不要說要在全球範圍內建立完整覆蓋的地面測控網，所需測控站數量是驚人的。如對300千米高度的低軌道太空飛行器進行100%的覆蓋，理論上需要布設100多個站點均勻分布在地表，這在預算、政治上是不可行的。
跟蹤/數據中繼衛星的誕生
為了擺脫地球曲率的限制，科幻作家克拉克在1945年就提出了地球同步軌道通信衛星的構想，隨著航天技術的進步逐漸得到實現。1963年到1964年美國先後發射3顆試驗性靜止軌道通信衛星，其中1964年8月19日發射的同步3號衛星獲得了完全成功。
理論上說3顆靜止軌道通信衛星可以實現對全球的通信覆蓋，這個得天獨厚的優勢使得通信衛星產業獲得了長足的發展。
而早在地球同步軌道通信衛星成功前，人們就在構想使用地球同步軌道衛星中轉遙測信號，實現對中低軌道太空飛行器的全面跟蹤覆蓋。美蘇先後研製並發射了跟蹤與數據中繼衛星，用於提高太空飛行器的測控覆蓋率和提高測控網的實時性。
1983年美國使用太空梭發射了世界上第一顆數據中繼衛星，開啟了航天測控的新紀元。
衛星優勢
從理論上說，跟蹤與數據中繼衛星就是一種特殊的通信衛星。類似於通信衛星對地面短波通信的優勢，數據中繼衛星對基於地面測控站的傳統測控體系同樣具有壓倒性的優勢。數據中繼衛星的優勢表現在測控通信覆蓋率高、高度的實時性和優異的經濟性。
測控/通信覆蓋率高
中國天鏈一號01星發射後，神舟七號飛船的測控覆蓋率大幅度提高，直觀的表現在神舟七號的轉播時間更長，一個半小時有將近50分鐘可以觀察到航天員，測控覆蓋率從15%提高到50%。利用3顆左右的中繼衛星，可以實現對中低軌道太空飛行器的大部分軌道覆蓋，如美國數據中繼衛星系統對200~1200千米高度衛星覆蓋率85%以上，對12000~20000千米高度衛星覆蓋率達到100%。
可實時回傳數據
不僅如此，由於可以通過數據中繼衛星實時聯繫，中低軌道的遙感衛星可以通過數據中繼衛星實時回傳熱點地區和敏感突發事件的偵察信息，提高了反應速度，這種效果是地面測控站網路根本無法實現的。實時回傳數據還大大加強了對太空飛行器狀態的監控能力，提高了太空飛行器尤其是載人飛船的安全性，這也有利於更好的完成實時性強的任務。
建設/維持費用低廉
數據中繼衛星不僅覆蓋率高、實時性好，而且價格尤其是使用維持費用低廉。既沒有陸上測控站和海上測量船等為數眾多的操作人員，也沒有海外陸上測控站易受政治因素影響的問題。中繼衛星的使用可以取代大部分的地面測控站的任務，成為航天測控網路的主力，降低測控網的建設運行費用。
技術難度
數據中繼衛星堪稱航天測控的革命性成果，但中繼衛星也具有極大的技術難度。細心的讀者可以發現，前面提到第一顆同步軌道通信衛星1964年成功，而第一顆同步軌道中繼衛星發射則要等到19年後的1983年。
數據中繼衛星不同於傳統的通信衛星，它必須要解決高速運動的衛星之間的捕獲與跟蹤，對精度要求極高。
實現狹窄波束跟蹤
由於中繼衛星需要高速率傳輸數據，而且本身位於35800千米高空的靜止軌道，為保證通信質量，衛星天線的波束寬度極其狹窄。以美國的數據中繼衛星為例，Ku/Ka波段波束寬僅為0.28度，為了有效跟蹤中低軌道用戶衛星，自動跟蹤精度高達0.06度。高增益窄波束天線如何“捕獲”用戶衛星是數據中繼衛星需要解決的首要難題。
中繼衛星為了與眾多中低軌道衛星通信，天線處於複雜的變速運動狀態，在轉動速度、加速度和角度上都沒有規律，天線的機械驅動機構不僅要精度高，而且要求在惡劣工作環境下長時間穩定運行，還要做到體積小功率大，製造難度很大。
同樣麻煩的還有天線與衛星的振動耦合問題，非線性結構的天線不規律的運動和振動，對衛星本體姿態控制也有很複雜的影響，對衛星控制提出了很大的挑戰。
研製高性能天線
中繼衛星研製的另一個重要障礙在於其高性能的天線，為了實現高傳輸速率，為眾多衛星提供中繼服務，中繼衛星需要使用增益極高的通信天線，一般是高等效全向輻射功率(EIRP)的拋物面天線。天線增益與天線尺寸成正比，與工作波長成反比，天線直徑與工作波長之比又稱電尺寸，美國第二代數據中繼衛星TDRS-H、I和J三顆衛星的單址天線電尺寸達到了驚人的400，相當於數十米直徑的S波段天線的電尺寸。天線的電尺寸越大、研製難度就越大，目前數據中繼衛星的天線尺寸在各種衛星中是最大的。
中繼衛星單址天線一般使用Ka波段工作波長，選擇毫米波段雖然容易獲得更大的天線增益，但對天線反射面精度要求也極高，要求數米直徑的天線整體形面誤差要低於0.1毫米。對於直徑數米的天線，在外太空高溫差條件下要達到、並長期保持這樣的精度，其難度可想而知。
中國衛星電子器件性能仍較為落後
相比捕獲跟蹤和天線的巨大技術障礙，中繼衛星Ka波段轉發器的技術難度要低得多，但其絕對難度仍然不可小視，Ka波段轉發器的研製難度從來就是各種常用波段中最大的。根據現有資料推斷，中國第一顆數據中繼衛星天鏈一號01星使用的是進口轉發器。天鏈中繼衛星系統的地面設備使用了中國電子科技集團的毫米波固態功率放大器，保證了天鏈衛星的正常工作和神舟七號數據的順利回傳，成為該公司念念不忘的業績，但地面設備原始設計使用的仍然是進口器件，很難想像要求更為苛刻的星載轉發器會使用國產器件。
現狀發展
研製狀況
中國運載火箭技術研究院研製的“長征三號丙”運載火箭承擔此次發射任務，該火箭為新型三級液體推進劑火箭，捆綁有兩個助推器，火箭全長約55米，起飛質量約343噸。這次發射是“長征三號丙”運載火箭首次航天發射，也是中國“長征”系列運載火箭第105次飛行。
發展展望
天鏈一號是中國第一代數據中繼衛星，天鏈一號02星的發射有望將中低軌道太空飛行器覆蓋率進一步提高到75%。天鏈一號至少會發射3顆衛星，由此判斷很可能形成第一代中繼衛星系統2顆工作星加1顆備用星的布局，也不排除進一步擴展到4顆中繼星的可能。
Artemis中繼衛星和Spot4衛星
Artemis中繼衛星和Spot4衛星中國第二代數據中繼衛星將使用東方紅四號平台，裝有2具S/Ka雙饋源拋物面單址天線，S波段相控陣多址天線，還可能增加雷射通信單元用於超高速率的星間通信。歐空局已經在Artemis中繼衛星和Spot4衛星之間進行了首次雷射通信，未來中國中繼衛星星座如果擴展到4顆甚至更多，為了更高效的進行數據中繼，星間使用雷射通信將是必然的趨勢。
運載火箭
用於發射衛星的“長征三號丙”運載火箭，由中國航天科技集團公司所屬中國運載火箭技術研究所研製，為新型三級液體擠進劑火箭，主要用於發射地球同步軌道衛星，其GTO運載能力為3.8噸。全長約55米，起飛質量約343噸。該型號火箭最大的特徵是將攜帶兩個助推器，技術難點主要 為軸不對稱，這項技術在中國尚屬首次。 這次航天發射是“長征三號丙”火箭的首次發射，也是長征系列運載火箭的第105次飛行。“天鏈一號”的成功發射，標誌著“長征三號丙”運載火箭正式投入國際衛星商業發射服務市場，對於進一步滿足中國及國際市場衛星發射服務的需求、增強中國長征火箭市場競爭力具有重大意義。
殘骸墜落
2008年4月25日23時35分，中國首顆數據中繼衛星“天鏈一號”在西昌衛星發射中心成功發射。時隔8分鐘，用於發射該衛星的運載火箭“長征三號丙”的一級助推器殘骸墜在貴州省仁懷市九倉鎮境內。殘骸墜落山溝，無人員傷亡和損失。
2008年4月25日23點35分，設在遵義市仁懷九倉中學的火箭助推器殘骸搜救臨時指揮所已做好火箭助推器殘骸著地準備。在九倉鎮就有觀察哨8處，觀測點240個，每個點都有幹部和民兵值守，基本上每個角度都可觀測得到火箭助推器殘骸的落地情況。
2008年4月25日23點43分，火箭助推器殘骸著地，由仁懷民兵應急分隊組成的搜救組立即奔赴九倉鎮已發現的殘骸落地現場。“長征三號丙”的一級助推器殘骸為白色殘骸形體，分為7個部分散落在不同位置，相距最近的3米左右，最遠的約200米，其中一部分殘骸，長約3米，直徑約2.5米。因殘骸物體發出的氣味相當難聞，搜救人員只能分散在不同位置進行警戒。據指揮所不完全統計，參加此次搜救、疏散撤離的幹部、民兵預備役人員、部隊應急分隊官兵達1000餘人，疏散撤離民眾達8萬餘人。
作用意義
航天方面
本次發射還是中國2008年首次航天發射、2007年9月交付使用的“遠望五號”航天遠洋測量船首次出海執行測控任務、西昌發射場新改進的低溫燃料加注設備和二號工位遠距離測控發射模式首次執行任務等，集多個首次於一身的此次航天發射獲得成功，表明新投入的一系列新型號 新設備經受住考驗，中國航天綜合實力得到穩步提升。
天鏈一號待發攝影圖
天鏈一號待發攝影圖“天鏈一號”的順利升空引起了國際社會的高度關注，美聯社、路透社、NASA等媒體與相關機構均在第一時間內進行報導。相關報導除了表示中繼衛星順利發射，意味著中國航天事業進一步發展外，還有美國軍事專家認為這會大幅提升中國的軍事能力。
“天鏈一號”的順利升空要素顯示；中國首顆數據中繼衛星“天鏈一號”的成功發射，相對而言也是向世界宣布：中國太空飛行器已進入了一個新的台階，既中國有了天上數據“中轉站”。
中繼衛星的成功發射標誌中國航天應急和管理能力又有新進步。
套用方面
1：遠望號測量船隊加上10餘個地面站，才能為神舟飛船提供12%的測控覆蓋率。一顆中繼衛星即可覆蓋衛星或飛船50%的飛行弧段，無論是經濟效益還是使用效率都有了質的提高。
2：太空飛行器在太空中出現故障，搶救時機往往以秒計，一旦錯過就可能造成永遠無法挽回的損失。隨著中國衛星數量的增多，故障率不可避免要增加。中繼衛星投入套用後，將使太空飛行器故障能夠及早發現、儘早解決。
3：資源衛星、環境衛星等套用衛星獲得的科學數據，要在衛星經過地面站上空時才能下傳使用，如果突發重大自然災害，就會失掉最佳的應對處置時機。中繼衛星可使各類衛星實現數據實時下傳，及時套用，是各類套用衛星的效能倍增器。
角色方面
一是太空偵察員。作為中國第一代中繼衛星，天鏈一號01、02、03共三顆衛星平衡部署在赤道上空36000公里的地球同步軌道上，能夠對200公里以上、2000公里以下的空間全軌道覆蓋，覆蓋率近100%。也就是說，它們就像三個24小時不間斷值守的優秀警衛員，眼睛像鷹一樣緊盯著太空各個角落，守護著中國的全部太空資產，一旦發現敵情，立即報告。
二是通信接線員。中繼，其實就是接線員的意思。中國在軌的各類太空飛行器應該不少於100件，承擔著資源勘測、環境監控、敵情偵測、信息傳輸、科學試驗等各類民用國防任務，中繼衛星的任務就是把它們所蒐集的各類情報、產生的各類數據集中起來，形成一個有機的數據傳輸整體，第一提高傳輸效率，第二實現信息資源共享，第三實現應急的協調聯動。
三是太空導航員。中繼衛星高高在上，下邊的情況一清二楚，就可以適時為在太空航行的太空飛行器、空間站提供準確預警預報，導航定位，讓中國的太空航行更安全、更準。據報導，“天鏈一號”01星、02星兩顆中繼衛星組網運行以來，先後參加了天宮一號與神舟八號、神舟九號交會對接任務並發揮了重要作用。任務過程中，中繼衛星發揮高碼速率、高動態、高軌道覆蓋率的優勢，提升了飛船和天宮一號的測控覆蓋率和數據傳輸能力，增強了空間交會對接任務實施的安全性和可靠性，為實施手控交會對接、開展空間科學實驗等提供了穩妥高效的天基測控通信保障。隨著03號衛星成功入軌並完成天鏈一號組網，天鏈一號對我太空航行的服務支持將實現全方位、無盲區。
系統建成
2012年7月25日夜間，中國第三顆地球同步軌道數據中繼衛星“天鏈一號03星”在西昌衛星發射中心成功發射。經過一段時間在軌驗證和系統聯調後，“天鏈一號03星”將和2008年發射的01星、2011年發射的02星實現全球組網運行，中國將由此正式建成第一代中繼衛星系統。
航天專家稱，中國“天鏈一號03星”與01星、02星成功實現全球組網運行，建成比較完備的中繼衛星系統，將進一步提高中國載人航天飛行任務的測控覆蓋率，將為中國神舟飛船以及未來空間實驗室、空間站建設提供數據中繼和測控服務。同時，還將為中國中、低軌道資源衛星提供數據中繼服務，為太空飛行器發射提供測控支持。
中繼衛星 | 發射日期 | 運載火箭 | 工作狀態 | 軌位 | 衛星質量 |
天鏈一號01星 | 2008.4.25 | CZ-3C Y1 | 正常 | 76.95°E | 2475 |
天鏈一號02星 | 2011.7.11 | CZ-3C Y8 | 正常 | 176.76°E | |
天鏈一號03星 | 2012.7.25 | CZ-3C Y9 | 正常 | 16.65°E | 2462 |
天鏈一號04星 | 2016.11.22 23:24 | CZ-3C Y | 正常 | 76.4E | 2400 |
