太空请回答中继卫星助力载人航天和深空探测更便捷

　　2022年7月13日，我国长征三号乙运载火箭将天链二号03星送入预定轨道，标志着我国第二代地球同步轨道数据中继卫星成功组网运行，可具备满足中低轨道航天器全球覆盖的能力，并提供24小时无间断通信。
　　二代卫星系统组网示意图（来源：中国航天科技集团五院）
　　什么是中继卫星
　　跟踪与数据中继卫星简称中继卫星，是一种卫星的通信卫星，主要任务是为航天器提供中继通信服务。
　　之所以会出现这么一种卫星，主要是载人航天发展的需求。众所周知，载人飞船和空间站运行在近地轨道上，那么无论把地面站部署得多么密集，都很难保证24小时不间断的通信连接。载人飞行是一种充满了风险的事业，哪怕出现了几分钟的通信中断，都能够把地面控制人员吓得不轻，而且这么一段通信连接缺失，也会导致遥测数据不完整。载人飞行通信中断的主要原因，是地球本身挡住了地面站和飞船之间的视线。那么，如果把一批卫星部署到地球静止轨道上，让飞船和这些卫星通信，再把信息中转到地面上的控制中心，就基本上可以消除通信中断的现象了。
　　美国的中继卫星系统
　　世界上第一种跟踪与数据中继卫星是美国宇航局的跟踪和数据中继卫星系统（TDRSS）。美国宇航局在上世纪60年代初期创建了航天器跟踪和数据采集网络（STADAN），由分布在世界各地的天线和电话交换设备组成。低轨道航天器的轨道周期大约是90分钟，这个网络能够提供其中15分钟天地通信服务。为了实现对载人航天的全覆盖，美国宇航局又建立了一个载人航天飞行网络（MSFN），和深空网（DSN）一起，服务于阿波罗任务。
　　70年代航天飞机项目建立后，美国宇航局发现上述几个网络有功能重叠，于是把MSFN和STADAN合并成航天器跟踪和数据网络（STDN）。然而STDN也有很大缺点，特别是网络由遍布全球的地面站组成，很容易受到东道国政治变化的影响。为了保持高可靠性和更高的数据传输速度，美国宇航局开始了一项研究，使用天基通信节点来增强系统能力。这就是TDRSS的缘起。
　　在上世纪80年代和90年代，美国用航天飞机运送和运载火箭发射，部署大量TDRSS卫星。目前，美国在轨道上运行的TDRSS卫星有10多颗。
　　中继卫星不同于传统通信卫星，地面站虽然是固定的，但是中低轨道上的飞船却在高速运动。需要解决飞船、空间站与同步轨道卫星之间的精确捕获与跟踪问题。同时，为了保证足够的通信带宽，中继卫星还需要采用大口径跟踪天线来实现星间链路，这对捕获跟踪能力提出了极高的要求。这样大型的跟踪天线需要不停地晃动，对卫星的姿态保持也提出了很大挑战。
　　中国的天链卫星系统
　　中国从上世纪80年代初期开始研究中继卫星。2003年，中国开始研制天链一号中继卫星，采用了东方红三号卫星平台。到2008年4月，天链一号01星成功发射。这颗卫星立刻发挥了重大作用，神舟七号飞船的测控覆盖率从前六艘飞船的18提高到了50。
　　2011年7月着天链一号02星的成功发射，对飞船的轨道覆盖率达到了85。2012年7月，天链一号03星成功发射，3颗天链一号卫星分别部署在非洲、印度洋、太平洋上空，实现了对飞船轨道近乎于100的覆盖。2016年12月天链一号04星成功发射，接替01星。2021年7月天链一号05星成功发射。这批卫星的发射，使中国成为继美国之后，第二个拥有全球覆盖能力中继卫星系统的国家。天链一号为神舟飞船、空间实验室、空间站等载人航天器提供了数据中继与测控服务，特别是支持空间交会对接任务，发挥了巨大作用。
　　2010年，中国启动了天链二号卫星的研制工作。天链二号采用大尺寸的东方红四号平台，有效载荷容量和发电能力大幅度提高。因此，天链二号能够采用更加先进的有效载荷技术和多副新型天线，传输速率增加了1倍。2019年3月天链二号01星升空，2021年12月，天链二号02星成功发射。
　　天链卫星系统先后服务于神舟七号到神舟十四号载人飞船、天舟一号到四号货运飞船，天宫一号目标飞行器和天宫二号空间实验室，空间站的建造和运行也离不开天链系列卫星的支持。中央领导同志和航天员乘组通话，空间站里的太空授课，也都是在天链系列卫星支持下进行的。
　　天链一号05星模拟图（来源：航天科技集团五院）
　　数据中继卫星还可以支持各类其他航天活动，如运载火箭发射测控服务、各类遥感卫星在轨测控与数据传输服务等。比如2022年4月发射的中星6D，是中国第一颗采用中继测控技术的商业卫星。它的测控信息通过天链卫星回传至地面站，降低了对海外测控站点和测量舰船的依赖。目前，天链卫星也为中、低轨道遥感、测绘、气象等卫星提供服务，每天都很忙碌。
　　深空探测中的中继卫星
　　中国还有另外一种另类数据中继卫星，那就是部署在月球轨道上的鹊桥。嫦娥四号探测器要在月球背面着陆，月球挡住了着陆点和地球之间的视线。如果不采用数据中继的方式，地面上便不知道嫦娥四号到底怎么样了。鹊桥卫星部署在地月L2点，在这里做周期运动，通过定期轨控保持轨道的稳定性。地面测控指令通过鹊桥发射到嫦娥四号，嫦娥四号、玉兔二号拍摄的视频和采集的数据先发射到鹊桥卫星，然后再发回地球。
　　2018年5月，鹊桥卫星升空，实现了人类航天史上零的突破。2019年1月3日，鹊桥中继星成功支持了嫦娥四号的落月和两器分离任务，轰动世界。美国宇航局曾一度提出，能不能让鹊桥为美国的登月活动提供支持。但是因为美国国会自己的法律限制，这件事无法实现。
　　在火星轨道上，也活跃着一批数据中继卫星。但这些卫星并不是专用的，而是在绕飞探测器上携带了数据中继的有效载荷，包括中国的天问一号、欧洲的痕量气体探测器等型号，都有这样的功能。它们承担着着陆器和地球之间的数据桥接功能。今后的星际探索当中，绕飞器兼顾数据中继功能，将成为一种常态。