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(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)。天地隔萬里,天地通話看上去卻與在地球上無異,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)專家。

  黨的百年華誕到來之際,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(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(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,習(xí)近平總書記對(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(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)摯問候。

  “我們一定牢記總書記指示,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。

  天地通話一“鏈”牽,信號(hào)不間斷,網(wǎng)速還超快

  大屏幕上,通話視頻畫面清晰明亮,聲音清脆響亮。

  同一時(shí)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(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!碧戽湺(hào)01星副總設(shè)計(jì)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(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(diǎn)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(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。”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(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!崩钕蜿栒f,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)。”航天科技集團(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。

  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(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氣的瓶頸,在太空極端物理環(huán)境下實(shí)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(shí)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(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),能通過佩戴WiFi頭戴而自由活動(dòng)

  有人稱:“ 空氣、陽光、水和WiFi是現(xiàn)代人類生存的四要素!蹦敲,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?cè)诘厍蛏嫌肳iFi時(shí),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(shí),也需要天鏈中繼衛(wèi)星系統(tǒng)這個(gè)“太空基站”來中繼傳輸信息。

  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(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專用電話與航天員進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)私密通話,地面工作人員都聽不到!币子枭f。

  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。

  從神舟五號(hào)通話時(shí)只能聽到地面聲音、看不到地面畫面,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。

  星空浩瀚無比,探索永無止境。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。

編輯:陳少婷