信號不間斷、時延僅為秒級：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)委國家監(jiān)委網(wǎng)站 柴雅欣 薛鵬
“我們在北京等候各位凱旋！”6月23日上午，習(xí)近平總書記來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)的神舟十二號航天員聶海勝、劉伯明、湯洪波親切通話，代表黨中央、國務(wù)院和中央軍委，代表全國各族人民，向他們表示誠摯問候。
一周前，6月17日9時22分，長征二號F遙十二運(yùn)載火箭成功將神舟十二號載人飛船送入預(yù)定軌道。3名航天員開啟太空之旅，成為首批進(jìn)駐中國空間站的航天員。
神奇的天地通信系統(tǒng)，讓天地之間不再遙遠(yuǎn)。天地隔萬里，天地通話看上去卻與在地球上無異，這是怎樣實現(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)專家。
黨的百年華誕到來之際，在中國人自己的空間站進(jìn)行首次天地通話
“敬禮！”上午9時40分，習(xí)近平總書記起身，走到前方指揮席，大屏幕傳來的清晰畫面里，3名航天員精神飽滿，聲音洪亮，向習(xí)近平總書記敬禮。
習(xí)近平總書記非常關(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個月時間。你們在太空的工作生活情況，時刻牽動著全國人民的心”，親切詢問“你們現(xiàn)在身體怎么樣、生活怎么樣？工作順利嗎？”
視頻畫面中，聶海勝、劉伯明、湯洪波依次向習(xí)近平總書記匯報情況。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，習(xí)近平總書記對我國航天事業(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)近平總書記在北京飛控中心同正在天宮一號執(zhí)行任務(wù)的神舟十號的3名航天員進(jìn)行天地通話。從身體狀況到工作進(jìn)展，從個人到家國再到航天夢，習(xí)近平總書記親切真摯的話語，為三位航天員送去了暖心關(guān)懷。
2016年11月9日，習(xí)近平總書記來到中國載人航天工程指揮中心，同正在天宮二號執(zhí)行任務(wù)的神舟十一號的2名航天員親切通話，代表黨中央、國務(wù)院和中央軍委，代表全國各族人民，向他們表示誠摯問候。
“我們一定牢記總書記指示，不辱使命、不負(fù)重托，堅決完成各項任務(wù)。”執(zhí)行神舟十二號航天任務(wù)的指令長聶海勝在通話時說。
天地通話一“鏈”牽，信號不間斷，網(wǎng)速還超快
大屏幕上，通話視頻畫面清晰明亮，聲音清脆響亮。
同一時刻，在距地面約3.6萬公里的高空，太空數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站——由天鏈一號03星、04星，天鏈二號01星共3顆中繼衛(wèi)星組成的天基測控系統(tǒng)實時保障著這場天地通話。
“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01星副總設(shè)計師李向陽告訴記者，地面通話信息先從地面站通過星地上行鏈路到達(dá)天鏈中繼衛(wèi)星，此時，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>
“形象點說，天鏈中繼衛(wèi)星系統(tǒng)就像放置在距地面3.6萬公里高度的幾個‘太空基站’，發(fā)揮空間站與地面站之間通信的‘信息橋’作用。”李向陽說。
中繼衛(wèi)星是服務(wù)于航天器的衛(wèi)星，被稱為“衛(wèi)星的衛(wèi)星”，可以“居高臨下”觀測在中低軌道運(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，我國主要通過地面測控站實現(xiàn)對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)時間無法和地面測控系統(tǒng)實時聯(lián)系，信號中斷是常有的事。
2003年，楊利偉搭乘神舟五號載人飛船升空，中國人首次進(jìn)入太空。其間，他數(shù)次與地面控制站進(jìn)行天地通話，但由于地面測控的局限，每次都有嚴(yán)格的時間窗口限制。
同年，天鏈一號中繼衛(wèi)星系統(tǒng)工程立項。從2008年到2016年，第一代4顆天鏈衛(wèi)星相繼升空，我國也在此期間成為世界上第二個擁有全球覆蓋能力中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的國家。2019年，天鏈二號01星升空，成為我國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。”李向陽說，天鏈二號01星首次參與空間站天地通話，它在天鏈一號基礎(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)，不僅能讓地面實時看到空間站狀態(tài)、拍攝地球美景，還能幫助航天員通過儀表大屏幕，實現(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)星地面站實時接收太空數(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)識自動分發(fā)，時延僅為秒級。”航天科技集團(tuán)五院空間站系統(tǒng)測控與通信分系統(tǒng)主任設(shè)計師易予生表示，“天路”繁忙，但不會“擁堵”，更不會中斷。
“空間站穩(wěn)定飛行之后，通過3顆中繼衛(wèi)星和核心艙的中繼天線，天地測控覆蓋率可達(dá)90%以上。等到空間站三艙形成組合體后，通過另外兩個艙中繼天線偏裝，測控覆蓋率可接近100%。”易予生說。
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)
天地通話是我國載人航天活動的“傳統(tǒng)項目”，它既是情感的交流，也是技術(shù)和能力的展示。
我國正式應(yīng)用天地通話技術(shù)，是從楊利偉搭乘神舟五號飛天開始的，當(dāng)時天地通話技術(shù)剛起步，帶寬很低，楊利偉只能聽到地面的聲音，看不到畫面；地面人員看到楊利偉的畫質(zhì)也不是很清晰，而且時常“卡殼”。
神舟九號時，我國天地通話技術(shù)也進(jìn)入第二階段：實現(xiàn)了雙向可視的通話；由于帶寬改善，圖像變得越來越清晰，三位航天員在艙內(nèi)的實時場景都能清楚展示在地面通信系統(tǒng)屏幕上。
等到神舟十號，天鏈中繼衛(wèi)星系統(tǒng)已實現(xiàn)三星組網(wǎng)，天地通話技術(shù)進(jìn)入第三階段，通話時長更長。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)時采用的是藍(lán)牙通信技術(shù)，在點對點傳播的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了三名航天員間、航天員與地面間的通話。
2016年，在天宮二號上，航天員可以隨時和地面溝通信息，收發(fā)電子郵件，與親朋好友進(jìn)行音視頻交流。其中，語音傳輸采用國際先進(jìn)的編解碼方案，突破了以往只能抓取基本生活語氣的瓶頸，在太空極端物理環(huán)境下實現(xiàn)高質(zhì)量語音通信。
這一次，天地通話畫質(zhì)高清、傳輸迅速，效果與我們平時網(wǎng)絡(luò)視頻通話效果幾無差別。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現(xiàn)了三個首次：首次實現(xiàn)對航天器內(nèi)部的各個通話終端進(jìn)行實時維護(hù)與管理，首次采用數(shù)字混音技術(shù)實現(xiàn)各個終端之間互相通話，首次通過上注等方式對各種音頻參數(shù)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。
航天員在艙內(nèi)互相通話或與地面通話時，能通過佩戴WiFi頭戴而自由活動
有人稱：“ 空氣、陽光、水和WiFi是現(xiàn)代人類生存的四要素。”那么，航天員是否能在太空用上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。”李向陽說，我們在地球上用WiFi時，需要地面的通信基站來中繼傳輸上網(wǎng)信息；在空間站，航天員用WiFi時，也需要天鏈中繼衛(wèi)星系統(tǒng)這個“太空基站”來中繼傳輸信息。
空間站與空間實驗室(天宮一號、天宮二號)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驗室的8倍。通過空間以太網(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WiFi熱點接入網(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，航天科技集團(tuán)五院總體設(shè)計部測控與通信分系統(tǒng)的設(shè)計師們采用了先進(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)多點進(jìn)行布設(shè)，確保信號覆蓋無死角。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，能通過佩戴WiFi頭戴而自由活動，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專用電話與航天員進(jìn)行點對點私密通話，地面工作人員都聽不到。”易予生說。
太空家園溫馨舒適，背后是中國航天自立自強(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。”在向習(xí)近平總書記匯報相關(guān)情況時，第一次進(jìn)入太空的湯洪波激動地說。
從神舟五號通話時只能聽到地面聲音、看不到地面畫面，到神舟九號實現(xiàn)天地間雙向可視通話，再到天和核心艙安上WiFi，實現(xiàn)信號不間斷、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航天自立自強(qiáng)的鏗鏘腳步。
透過中繼衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)可以看到，我國已經(jīng)走出了一條符合國情、技術(shù)上自主創(chuàng)新的道路：不依靠國外建站，實現(xiàn)對用戶航天器全球覆蓋；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)動航天器之間跟蹤與高速數(shù)據(jù)中繼問題；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)行兩次出艙活動和操作機(jī)械臂等一系列技術(shù)驗證試驗，我們一定精心操作，確保各項試驗圓滿順利。”劉伯明在匯報情況時，提到了后續(xù)的工作計劃。
根據(jù)公開信息，中國空間站核心艙上的機(jī)械臂是我國目前智能程度最高、難度最大、系統(tǒng)最復(fù)雜的空間智能制造系統(tǒng)，是對人類手臂的最真實還原。該機(jī)械臂可以移動空間站中的實驗艙，能給航天員提供各種強(qiáng)大支持。
作為人類歷史上規(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，我國在今明兩年還將實施8次飛行任務(wù)，2022年完成空間站在軌建造，建成國家太空實驗室。
星空浩瀚無比，探索永無止境。飛天夢是強(qiáng)國夢的重要組成部分。在中國共產(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一一變?yōu)楝F(xiàn)實。
天和筑夢、中國空間站的建成和運(yùn)營，注定將成為我國建設(shè)創(chuàng)新型國家的又一重要里程碑。
