信號(hào)不間斷、時(shí)延僅為秒級(jí)：天地通話何以如此清晰
深度關(guān)注 | 天地通話何以如此清晰
中央紀(jì)委國(guó)家監(jiān)委網(wǎng)站 柴雅欣 薛鵬
“我們?cè)诒本┑群蚋魑粍P旋！”6月23日上午，習(xí)近平總書(shū)記來(lái)到北京航天飛行控制中心，同正在天和核心艙執(zhí)行任務(wù)的神舟十二號(hào)航天員聶海勝、劉伯明、湯洪波親切通話，代表黨中央、國(guó)務(wù)院和中央軍委，代表全國(guó)各族人民，向他們表示誠(chéng)摯問(wèn)候。
一周前，6月17日9時(shí)22分，長(zhǎng)征二號(hào)F遙十二運(yùn)載火箭成功將神舟十二號(hào)載人飛船送入預(yù)定軌道。3名航天員開(kāi)啟太空之旅，成為首批進(jìn)駐中國(guó)空間站的航天員。
神奇的天地通信系統(tǒng)，讓天地之間不再遙遠(yuǎn)。天地隔萬(wàn)里，天地通話看上去卻與在地球上無(wú)異，這是怎樣實(shí)現(xiàn)的？圖像、話音如何傳輸？背后有哪些科技支撐？記者就此采訪了相關(guān)專(zhuān)家。
黨的百年華誕到來(lái)之際，在中國(guó)人自己的空間站進(jìn)行首次天地通話
“敬禮！”上午9時(shí)40分，習(xí)近平總書(shū)記起身，走到前方指揮席，大屏幕傳來(lái)的清晰畫(huà)面里，3名航天員精神飽滿，聲音洪亮，向習(xí)近平總書(shū)記敬禮。
習(xí)近平總書(shū)記非常關(guān)心三位航天員的身體、生活狀況以及工作進(jìn)展，指出“你們是進(jìn)駐天和核心艙的首批航天員，將在太空駐留3個(gè)月時(shí)間。你們?cè)谔盏墓ぷ魃钋闆r，時(shí)刻牽動(dòng)著全國(guó)人民的心”，親切詢(xún)問(wèn)“你們現(xiàn)在身體怎么樣、生活怎么樣？工作順利嗎？”
視頻畫(huà)面中，聶海勝、劉伯明、湯洪波依次向習(xí)近平總書(shū)記匯報(bào)情況。他們身后，鮮艷的黨旗和五星紅旗閃耀在天和核心艙。
黨的十八大以來(lái)，習(xí)近平總書(shū)記對(duì)我國(guó)航天事業(yè)高度重視、寄予厚望，多次與正在執(zhí)行任務(wù)的航天員進(jìn)行天地通話。
2013年6月24日，習(xí)近平總書(shū)記在北京飛控中心同正在天宮一號(hào)執(zhí)行任務(wù)的神舟十號(hào)的3名航天員進(jìn)行天地通話。從身體狀況到工作進(jìn)展，從個(gè)人到家國(guó)再到航天夢(mèng)，習(xí)近平總書(shū)記親切真摯的話語(yǔ)，為三位航天員送去了暖心關(guān)懷。
2016年11月9日，習(xí)近平總書(shū)記來(lái)到中國(guó)載人航天工程指揮中心，同正在天宮二號(hào)執(zhí)行任務(wù)的神舟十一號(hào)的2名航天員親切通話，代表黨中央、國(guó)務(wù)院和中央軍委，代表全國(guó)各族人民，向他們表示誠(chéng)摯問(wèn)候。
“我們一定牢記總書(shū)記指示，不辱使命、不負(fù)重托，堅(jiān)決完成各項(xiàng)任務(wù)�！眻�(zhí)行神舟十二號(hào)航天任務(wù)的指令長(zhǎng)聶海勝在通話時(shí)說(shuō)。
天地通話一“鏈”牽，信號(hào)不間斷，網(wǎng)速還超快
大屏幕上，通話視頻畫(huà)面清晰明亮，聲音清脆響亮。
同一時(shí)刻，在距地面約3.6萬(wàn)公里的高空，太空數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站——由天鏈一號(hào)03星、04星，天鏈二號(hào)01星共3顆中繼衛(wèi)星組成的天基測(cè)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)保障著這場(chǎng)天地通話。
“本次天地通話需要空間站、天鏈中繼衛(wèi)星系統(tǒng)、地面站三方面共同完成。”天鏈二號(hào)01星副總設(shè)計(jì)師李向陽(yáng)告訴記者，地面通話信息先從地面站通過(guò)星地上行鏈路到達(dá)天鏈中繼衛(wèi)星，此時(shí)，中繼衛(wèi)星的星間鏈路天線正精準(zhǔn)跟蹤著空間站。中繼衛(wèi)星收到地面站的通話信息后，再通過(guò)自身的星間鏈路天線傳輸給空間站的中繼天線，這樣航天員就接收到了來(lái)自地面的通話信息。同樣，航天員給地面的通話信息也依次通過(guò)空間站中繼天線、天鏈中繼衛(wèi)星、星地下行鏈路等傳輸?shù)降孛嬲尽?/p>
“形象點(diǎn)說(shuō)，天鏈中繼衛(wèi)星系統(tǒng)就像放置在距地面3.6萬(wàn)公里高度的幾個(gè)‘太空基站’，發(fā)揮空間站與地面站之間通信的‘信息橋’作用�！崩钕蜿�(yáng)說(shuō)。
中繼衛(wèi)星是服務(wù)于航天器的衛(wèi)星，被稱(chēng)為“衛(wèi)星的衛(wèi)星”，可以“居高臨下”觀測(cè)在中低軌道運(yùn)行的航天器，將獲得的數(shù)據(jù)回傳到地面站。在天鏈中繼衛(wèi)星投入使用之前，我國(guó)主要通過(guò)地面測(cè)控站實(shí)現(xiàn)對(duì)中低軌航天器的跟蹤監(jiān)控和通信傳輸。然而，空間站約90分鐘繞地球一圈，受地球曲率遮擋等影響，多數(shù)時(shí)間無(wú)法和地面測(cè)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)聯(lián)系，信號(hào)中斷是常有的事。
2003年，楊利偉搭乘神舟五號(hào)載人飛船升空，中國(guó)人首次進(jìn)入太空。其間，他數(shù)次與地面控制站進(jìn)行天地通話，但由于地面測(cè)控的局限，每次都有嚴(yán)格的時(shí)間窗口限制。
同年，天鏈一號(hào)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)工程立項(xiàng)。從2008年到2016年，第一代4顆天鏈衛(wèi)星相繼升空，我國(guó)也在此期間成為世界上第二個(gè)擁有全球覆蓋能力中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的國(guó)家。2019年，天鏈二號(hào)01星升空，成為我國(guó)自主研制的第二代地球同步軌道數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的首顆星。
第二代中繼衛(wèi)星與第一代并非替代關(guān)系，而是相互配合，共同發(fā)力，更好地發(fā)揮數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站作用。此次流暢、清晰、高質(zhì)量的天地通話，正是天鏈家族聯(lián)手保障能力的一次完美檢閱。
“視頻通話畫(huà)面更清晰、通話更順暢，反映出本次天鏈中繼衛(wèi)星系統(tǒng)與空間站、地面站之間的信息傳輸速率更高，通信鏈路也更穩(wěn)定了�！崩钕蜿�(yáng)說(shuō)，天鏈二號(hào)01星首次參與空間站天地通話，它在天鏈一號(hào)基礎(chǔ)上性能有了很大提升，研制的新型星間鏈路天線性能更高，覆蓋范圍更廣，衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸速率增加了一倍以上，服務(wù)目標(biāo)數(shù)量也多出了好幾倍。
空間站核心艙配置了多路高清攝像機(jī)，不僅能讓地面實(shí)時(shí)看到空間站狀態(tài)、拍攝地球美景，還能幫助航天員通過(guò)儀表大屏幕，實(shí)現(xiàn)與地面間的雙向高清視頻通話。
只是拍攝高清還不夠，數(shù)據(jù)高速回傳才能原汁原味地呈現(xiàn)。“通信鏈路的下行速率是1.2G，與地面5G通信速率相當(dāng)。中繼衛(wèi)星地面站實(shí)時(shí)接收太空數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳到北京飛控中心，再根據(jù)不同標(biāo)識(shí)自動(dòng)分發(fā)，時(shí)延僅為秒級(jí)�！焙教炜萍技瘓F(tuán)五院空間站系統(tǒng)測(cè)控與通信分系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師易予生表示，“天路”繁忙，但不會(huì)“擁堵”，更不會(huì)中斷。
“空間站穩(wěn)定飛行之后，通過(guò)3顆中繼衛(wèi)星和核心艙的中繼天線，天地測(cè)控覆蓋率可達(dá)90%以上。等到空間站三艙形成組合體后，通過(guò)另外兩個(gè)艙中繼天線偏裝，測(cè)控覆蓋率可接近100%�！币子枭f(shuō)。
天地通話既是情感交流也是技術(shù)展示，神奇的天地通信系統(tǒng)讓天地之間不再遙遠(yuǎn)
天地通話是我國(guó)載人航天活動(dòng)的“傳統(tǒng)項(xiàng)目”，它既是情感的交流，也是技術(shù)和能力的展示。
我國(guó)正式應(yīng)用天地通話技術(shù)，是從楊利偉搭乘神舟五號(hào)飛天開(kāi)始的，當(dāng)時(shí)天地通話技術(shù)剛起步，帶寬很低，楊利偉只能聽(tīng)到地面的聲音，看不到畫(huà)面；地面人員看到楊利偉的畫(huà)質(zhì)也不是很清晰，而且時(shí)�！翱ぁ薄�
神舟九號(hào)時(shí)，我國(guó)天地通話技術(shù)也進(jìn)入第二階段：實(shí)現(xiàn)了雙向可視的通話；由于帶寬改善，圖像變得越來(lái)越清晰，三位航天員在艙內(nèi)的實(shí)時(shí)場(chǎng)景都能清楚展示在地面通信系統(tǒng)屏幕上。
等到神舟十號(hào)，天鏈中繼衛(wèi)星系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)三星組網(wǎng)，天地通話技術(shù)進(jìn)入第三階段，通話時(shí)長(zhǎng)更長(zhǎng)。得益于此，首次“太空授課”完美上演，40多分鐘的課程清晰連貫。據(jù)介紹，當(dāng)時(shí)采用的是藍(lán)牙通信技術(shù)，在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳播的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了三名航天員間、航天員與地面間的通話。
2016年，在天宮二號(hào)上，航天員可以隨時(shí)和地面溝通信息，收發(fā)電子郵件，與親朋好友進(jìn)行音視頻交流。其中，語(yǔ)音傳輸采用國(guó)際先進(jìn)的編解碼方案，突破了以往只能抓取基本生活語(yǔ)氣的瓶頸，在太空極端物理環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量語(yǔ)音通信。
這一次，天地通話畫(huà)質(zhì)高清、傳輸迅速，效果與我們平時(shí)網(wǎng)絡(luò)視頻通話效果幾無(wú)差別。據(jù)了解，用于此次天地通話的圖像、話音及其通信產(chǎn)品由航天科技集團(tuán)八院研制，該院研制的空間站話音處理器實(shí)現(xiàn)了三個(gè)首次：首次實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器內(nèi)部的各個(gè)通話終端進(jìn)行實(shí)時(shí)維護(hù)與管理，首次采用數(shù)字混音技術(shù)實(shí)現(xiàn)各個(gè)終端之間互相通話，首次通過(guò)上注等方式對(duì)各種音頻參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。
航天員在艙內(nèi)互相通話或與地面通話時(shí)，能通過(guò)佩戴WiFi頭戴而自由活動(dòng)
有人稱(chēng)：“ 空氣、陽(yáng)光、水和WiFi是現(xiàn)代人類(lèi)生存的四要素�！蹦敲矗教靻T是否能在太空用上WiFi呢？
“航天員在空間站可以用WiFi，使用方式和我們生活中基本上是一樣的。”李向陽(yáng)說(shuō)，我們?cè)诘厍蛏嫌肳iFi時(shí)，需要地面的通信基站來(lái)中繼傳輸上網(wǎng)信息；在空間站，航天員用WiFi時(shí)，也需要天鏈中繼衛(wèi)星系統(tǒng)這個(gè)“太空基站”來(lái)中繼傳輸信息。
空間站與空間實(shí)驗(yàn)室(天宮一號(hào)、天宮二號(hào))相比，最大的不同是增加了天地互聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)，空間站天地間的通信速率是空間實(shí)驗(yàn)室的8倍。通過(guò)空間以太網(wǎng)交換機(jī)組成的在軌通信網(wǎng)交換網(wǎng)絡(luò)和天地網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，天地間的互聯(lián)網(wǎng)融為一體，航天員使用隨身攜帶的手持?jǐn)z像機(jī)和平板電腦，通過(guò)WiFi熱點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)，便可像在家一樣盡情上網(wǎng)。
為方便航天員在艙內(nèi)自由活動(dòng)，航天科技集團(tuán)五院總體設(shè)計(jì)部測(cè)控與通信分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師們采用了先進(jìn)的WiFi通信技術(shù)，取代了傳統(tǒng)的有線頭戴通信，并在艙內(nèi)多點(diǎn)進(jìn)行布設(shè)，確保信號(hào)覆蓋無(wú)死角。據(jù)易予生介紹，航天員在艙內(nèi)互相通話或與地面通話時(shí)，能通過(guò)佩戴WiFi頭戴而自由活動(dòng)，不再受電纜束縛，工作效率極大提高。
神奇的天地通信系統(tǒng)，讓天地之間不再遙遠(yuǎn)。據(jù)易予生介紹，在駐留空間站的3個(gè)月里，航天員不僅可以與地面進(jìn)行音視頻通信、收發(fā)電子郵件，還可以收看電視節(jié)目、與家人進(jìn)行私密通話。
“航天員家屬在地面可通過(guò)專(zhuān)用電話與航天員進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)私密通話，地面工作人員都聽(tīng)不到�！币子枭f(shuō)。
太空家園溫馨舒適，背后是中國(guó)航天自立自強(qiáng)的鏗鏘腳步
“飲食起居和工作都狀態(tài)良好，還能與家人視頻通話。我們的太空家園很溫馨、很舒適�！痹谙蛄�(xí)近平總書(shū)記匯報(bào)相關(guān)情況時(shí)，第一次進(jìn)入太空的湯洪波激動(dòng)地說(shuō)。
從神舟五號(hào)通話時(shí)只能聽(tīng)到地面聲音、看不到地面畫(huà)面，到神舟九號(hào)實(shí)現(xiàn)天地間雙向可視通話，再到天和核心艙安上WiFi，實(shí)現(xiàn)信號(hào)不間斷、網(wǎng)速還超快的天地通話，溫馨舒適的太空家園背后是中國(guó)航天自立自強(qiáng)的鏗鏘腳步。
透過(guò)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)可以看到，我國(guó)已經(jīng)走出了一條符合國(guó)情、技術(shù)上自主創(chuàng)新的道路：不依靠國(guó)外建站，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶(hù)航天器全球覆蓋；突破了星上自主閉環(huán)精密捕獲跟蹤等關(guān)鍵技術(shù)，解決了高速運(yùn)動(dòng)航天器之間跟蹤與高速數(shù)據(jù)中繼問(wèn)題；建立了星—星、星—地技術(shù)體制和全程鏈路指標(biāo)體系。
“后續(xù)我們將執(zhí)行兩次出艙活動(dòng)和操作機(jī)械臂等一系列技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)，我們一定精心操作，確保各項(xiàng)試驗(yàn)圓滿順利�！眲⒉髟趨R報(bào)情況時(shí)，提到了后續(xù)的工作計(jì)劃。
根據(jù)公開(kāi)信息，中國(guó)空間站核心艙上的機(jī)械臂是我國(guó)目前智能程度最高、難度最大、系統(tǒng)最復(fù)雜的空間智能制造系統(tǒng)，是對(duì)人類(lèi)手臂的最真實(shí)還原。該機(jī)械臂可以移動(dòng)空間站中的實(shí)驗(yàn)艙，能給航天員提供各種強(qiáng)大支持。
作為人類(lèi)歷史上規(guī)模最大的航天器，空間站代表當(dāng)今航天領(lǐng)域最全面、最復(fù)雜、最先進(jìn)和最綜合的科學(xué)技術(shù)成果。按照空間站建造任務(wù)規(guī)劃，我國(guó)在今明兩年還將實(shí)施8次飛行任務(wù)，2022年完成空間站在軌建造，建成國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室。
星空浩瀚無(wú)比，探索永無(wú)止境。飛天夢(mèng)是強(qiáng)國(guó)夢(mèng)的重要組成部分。在中國(guó)共產(chǎn)黨的領(lǐng)導(dǎo)下，一代代科技工作者創(chuàng)造了東方紅響徹天空、神舟飛天、嫦娥探月、天宮對(duì)接、祝融登火等光輝成就，把融入進(jìn)中華民族血液里的飛天夢(mèng)一一變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
天和筑夢(mèng)、中國(guó)空間站的建成和運(yùn)營(yíng)，注定將成為我國(guó)建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家的又一重要里程碑。
