信號不間斷、時延僅為秒級：天地通話何以如此清晰
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中央紀委國家監委網站 柴雅欣 薛鵬
“我們在北京等候各位凱旋！”6月23日上午，習近平總書記來到北京航太飛行控制中心，同正在天和核心艙執行任務的神舟十二號航太員聶海勝、劉伯明、湯洪波親切通話，代表黨中央、國務院和中央軍委，代表全國各族人民，向他們表示誠摯問候。
一週前，6月17日9時22分，長征二號F遙十二運載火箭成功將神舟十二號載人飛船送入預定軌道。3名航太員開啟太空之旅，成為首批進駐中國空間站的航太員。
神奇的天地通信系統，讓天地之間不再遙遠。天地隔萬里，天地通話看上去卻與在地球上無異，這是怎樣實現的？圖像、話音如何傳輸？背後有哪些科技支撐？記者就此採訪了相關專家。
黨的百年華誕到來之際，在中國人自己的空間站進行首次天地通話
“敬禮！”上午9時40分，習近平總書記起身，走到前方指揮席，大螢幕傳來的清晰畫面裏，3名航太員精神飽滿，聲音洪亮，向習近平總書記敬禮。
習近平總書記非常關心三位航太員的身體、生活狀況以及工作進展，指出“你們是進駐天和核心艙的首批航太員，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“你們現在身體怎麼樣、生活怎麼樣？工作順利嗎？”
視頻畫面中，聶海勝、劉伯明、湯洪波依次向習近平總書記彙報情況。他們身後，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，習近平總書記對我國航太事業高度重視、寄予厚望，多次與正在執行任務的航太員進行天地通話。
2013年6月24日，習近平總書記在北京飛控中心同正在天宮一號執行任務的神舟十號的3名航太員進行天地通話。從身體狀況到工作進展，從個人到家國再到航太夢，習近平總書記親切真摯的話語，為三位航太員送去了暖心關懷。
2016年11月9日，習近平總書記來到中國載人航太工程指揮中心，同正在天宮二號執行任務的神舟十一號的2名航太員親切通話，代表黨中央、國務院和中央軍委，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、不負重托，堅決完成各項任務。”執行神舟十二號航太任務的指令長聶海勝在通話時說。
天地通話一“鏈”牽，信號不間斷，網速還超快
大螢幕上，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，太空數據轉机站——由天鏈一號03星、04星，天鏈二號01星共3顆中繼衛星組成的天基測控系統實時保障著這場天地通話。
“本次天地通話需要空間站、天鏈中繼衛星系統、地面站三方面共同完成。”天鏈二號01星副總設計師李向陽告訴記者，地面通話資訊先從地面站通過星地上行鏈路到達天鏈中繼衛星，此時，中繼衛星的星間鏈路天線正精準跟蹤著空間站。中繼衛星收到地面站的通話資訊後，再通過自身的星間鏈路天線傳輸給空間站的中繼天線，這樣航太員就接收到了來自地面的通話資訊。同樣，航太員給地面的通話資訊也依次通過空間站中繼天線、天鏈中繼衛星、星地下行鏈路等傳輸到地面站。
“形象點說，天鏈中繼衛星系統就像放置在距地面3.6萬公里高度的幾個‘太空基站’，發揮空間站與地面站之間通信的‘資訊橋’作用。”李向陽說。
中繼衛星是服務於航太器的衛星，被稱為“衛星的衛星”，可以“居高臨下”觀測在中低軌道運作的航太器，將獲得的數據回傳到地面站。在天鏈中繼衛星投入使用之前，我國主要通過地面測控站實現對中低軌航太器的跟蹤監控和通信傳輸。然而，空間站約90分鐘繞地球一圈，受地球曲率遮擋等影響，多數時間無法和地面測控系統實時聯繫，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，中國人首次進入太空。其間，他數次與地面控制站進行天地通話，但由於地面測控的局限，每次都有嚴格的時間窗口限制。
同年，天鏈一號中繼衛星系統工程立項。從2008年到2016年，第一代4顆天鏈衛星相繼升空，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星系統的國家。2019年，天鏈二號01星升空，成為我國自主研製的第二代地球同步軌道數據中繼衛星的首顆星。
第二代中繼衛星與第一代並非替代關係，而是相互配合，共同發力，更好地發揮數據轉机站作用。此次流暢、清晰、高品質的天地通話，正是天鏈家族聯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星系統與空間站、地面站之間的資訊傳輸速率更高，通信鏈路也更穩定了。”李向陽說，天鏈二號01星首次參與空間站天地通話，它在天鏈一號基礎上性能有了很大提升，研製的新型星間鏈路天線性能更高，覆蓋範圍更廣，衛星數據傳輸速率增加了一倍以上，服務目標數量也多出了好幾倍。
空間站核心艙配置了多路高清錄影機，不僅能讓地面實時看到空間站狀態、拍攝地球美景，還能幫助航太員通過儀錶大螢幕，實現與地面間的雙向高清視頻通話。
只是拍攝高清還不夠，數據高速回傳才能原汁原味地呈現。“通信鏈路的下行速率是1.2G，與地面5G通信速率相當。中繼衛星地面站實時接收太空數據，然後將數據傳到北京飛控中心，再根據不同標識自動分發，時延僅為秒級。”航太科技集團五院空間站系統測控與通信分系統主任設計師易予生表示，“天路”繁忙，但不會“擁堵”，更不會中斷。
“空間站穩定飛行之後，通過3顆中繼衛星和核心艙的中繼天線，天地測控覆蓋率可達90%以上。等到空間站三艙形成組合體後，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展示，神奇的天地通信系統讓天地之間不再遙遠
天地通話是我國載人航太活動的“傳統項目”，它既是情感的交流，也是技術和能力的展示。
我國正式應用天地通話技術，是從楊利偉搭乘神舟五號飛天開始的，當時天地通話技術剛起步，頻寬很低，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，我國天地通話技術也進入第二階段：實現了雙向可視的通話；由於頻寬改善，圖像變得越來越清晰，三位航太員在艙內的實時場景都能清楚展示在地面通信系統螢幕上。
等到神舟十號，天鏈中繼衛星系統已實現三星組網，天地通話技術進入第三階段，通話時長更長。得益於此，首次“太空授課”完美上演，40多分鐘的課程清晰連貫。據介紹，當時採用的是藍芽通信技術，在點對點傳播的基礎上，實現了三名航太員間、航太員與地面間的通話。
2016年，在天宮二號上，航太員可以隨時和地面溝通資訊，收發電子郵件，與親朋好友進行音視頻交流。其中，語音傳輸採用國際先進的編解碼方案，突破了以往只能抓取基本生活語氣的瓶頸，在太空極端物理環境下實現高品質語音通信。
這一次，天地通話畫質高清、傳輸迅速，效果與我們平時網路視頻通話效果幾無差別。據了解，用於此次天地通話的圖像、話音及其通信產品由航太科技集團八院研製，該院研製的空間站話音處理器實現了三個首次：首次實現對航太器內部的各個通話終端進行實時維護與管理，首次採用數字混音技術實現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進行動態調整。
航太員在艙內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是現代人類生存的四要素。”那麼，航太員是否能在太空用上WiFi呢？
“航太員在空間站可以用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資訊；在空間站，航太員用WiFi時，也需要天鏈中繼衛星系統這個“太空基站”來中繼傳輸資訊。
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網際網路通信系統，空間站天地間的通信速率是空間實驗室的8倍。通過空間乙太網交換機組成的在軌通信網交換網路和天地網關係統，天地間的網際網路融為一體，航太員使用隨身攜帶的手持錄影機和平板電腦，通過WiFi熱點接入網路，便可像在家一樣盡情上網。
為方便航太員在艙內自由活動，航太科技集團五院總體設計部測控與通信分系統的設計師們採用了先進的WiFi通信技術，取代了傳統的有線頭戴通信，並在艙內多點進行布設，確保信號覆蓋無死角。據易予生介紹，航太員在艙內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，讓天地之間不再遙遠。據易予生介紹，在駐留空間站的3個月裏，航太員不僅可以與地面進行音視頻通信、收發電子郵件，還可以收看電視節目、與家人進行私密通話。
“航太員家屬在地面可通過專用電話與航太員進行點對點私密通話，地面工作人員都聽不到。”易予生說。
太空家園溫馨舒適，背後是中國航太自立自強的鏗鏘腳步
“飲食起居和工作都狀態良好，還能與家人視頻通話。我們的太空家園很溫馨、很舒適。”在向習近平總書記彙報相關情況時，第一次進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，到神舟九號實現天地間雙向可視通話，再到天和核心艙安上WiFi，實現信號不間斷、網速還超快的天地通話，溫馨舒適的太空家園背後是中國航太自立自強的鏗鏘腳步。
透過中繼衛星系統建設可以看到，我國已經走出了一條符合國情、技術上自主創新的道路：不依靠國外建站，實現對用戶航太器全球覆蓋；突破了星上自主閉環精密捕獲跟蹤等關鍵技術，解決了高速運動航太器之間跟蹤與高速數據中繼問題；建立了星—星、星—地技術體制和全程鏈路指標體系。
“後續我們將執行兩次出艙活動和操作機械臂等一系列技術驗證試驗，我們一定精心操作，確保各項試驗圓滿順利。”劉伯明在彙報情況時，提到了後續的工作計劃。
根據公開資訊，中國空間站核心艙上的機械臂是我國目前智慧程度最高、難度最大、系統最複雜的空間智慧製造系統，是對人類手臂的最真實還原。該機械臂可以移動空間站中的實驗艙，能給航太員提供各種強大支援。
作為人類歷史上規模最大的航太器，空間站代表當今航太領域最全面、最複雜、最先進和最綜合的科學技術成果。按照空間站建造任務規劃，我國在今明兩年還將實施8次飛行任務，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。飛天夢是強國夢的重要組成部分。在中國共產黨的領導下，一代代科技工作者創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，把融入進中華民族血液裏的飛天夢一一變為現實。
天和築夢、中國空間站的建成和運營，註定將成為我國建設創新型國家的又一重要里程碑。
