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3名航天员实现天地通话,在空间站还能刷视频?这事没那么简单!

2021-06-23  |  钟铭聊科学 原创 收藏(12)  | 

随着载有3名航天员的神舟十二号成功发射升空,并与中国空间站实现对接。三位航天员开启了为期三个月的太空生活与工作。如今聂海胜、刘伯明、汤洪波3名航天员已经入驻空间站一周了。在这一周里,他们快递拆得手软,还吃了可口的太空外卖。不仅如此,他们还安装了wifi,进行了天地通话,能随时和家人视频通话。

那么问题来了,中国空间站在400公里的高空,是如何实现wifi网络连接的,又是如何实现航天员与地面通信的?

载人空间站的通信系统

中国空间站在位于340~450千米的近圆轨道上,设计寿命是10年,额定的乘员3人,除此之外,还有货运飞船,实验舱等结构,要实现测控通信任务挑战巨大,主要有五个挑战:

1,90%以上的高测控覆盖;

2,长时间连续高可靠测控,要保持至少10年;

3,高数据传输速率,下行最大数据传输速率不小于几百兆量级;

4,多目标同时测控,可以支持同时对3个目标提供测控支持;

5,测控资源的高效调度。

那应该如何解决这五个挑战呢?

在载人航天飞行任务的过程中,依靠的是陆海基测控装备来实现测控任务。而当神舟十二号与中国空间站实现交会对接时,则交给中继卫星来实现测控通信。在中国空间站建设之前,已经成功发射了3颗“天链一号”中继卫星,初步实现了覆盖全球的天基测控网络。

目前,三颗“天链一号”中继卫星分别定于东经77°、东经176.8°和东经16.8°,他们的配置组合可以实现超过90%的测控覆盖率,也就实现了挑战一“90%以上的高测控覆盖”。

不仅如此,“天链一号”中继卫星,可以支持单路最大百兆量级的数据传输,以及支持同一天线波束内的双目标同时测控。但是仅仅依靠“天链一号”是不够的。于是,在2019年4月9日发射了“天链二号01星”中继卫星,它是中国第二代中继卫星,性能强大,也可以实现反向单路最大几百兆量级数据传输,同时还能够多路传输。在“天链二号01星”配备了星间天线,每副星间天线可以支持双目标同时测控,所以利用两副星间天线就可以实现3个目标的同时测控。

“天链二号01星”中继卫星发射升空后,就与“天链一号”03星、04星组网,可以支持中国空间站的天基测控与数据中继支持。

同时“北斗”卫星导航系统可以进行测定轨,并且覆盖率高,同时精度高,可以帮助中国空间站在实施交会任务时提供必要的支持。

要实现地面与中国空间站的通信,还离不开地基测控站的支持,为了更好地与中国空间站进行通信,基测控站(船)包括7个国内站、5个国外站、3个国际联网站以及3艘测量船。为了实现高效调动资源,科学家们还把天基和地基的测控资源统筹在一起,一体化调度,这就解决了五大挑战。

太空Wi-Fi?

这次中国空间站还配备了Wi-Fi,航天员在太空中就可以与家人视频通话,还能上网冲浪,刷抖音之类的。那这是如何做到的呢?

在国际空间站建设初期,并没有配置因特网服务,所以能够发4封双向的电子邮件。这使得在国际空间站工作的宇航员生活十分单调。后来,配备了因特网后,还因为网络不够安全,导致宇航员的电脑中病毒。我们国家空间站汲取了这个经验,所以给航天员配备了因特网服务。

要配备这项服务,主要的是让因特网业务数据,在空间站和地面的因特网之间实现双向传输,这个过程需要穿越空间站局域网,空间通信链路、航天地面测控通信网、地面因特网等一系列通信环节,而借助的通信设备就是中继卫星。

由于在地面因特网运行的TCP/IP协议,如果空间站内也采用TCP/IP(传输控制协议/互联网协议),传输性能会受到物理因素的影响,导致延迟大,误码率高。

为了解决这个问题,科学家只能基于TCP/IP协议专门制定出CCSDS的AOS协议。利用这个协议,不仅安全,同时可以解决误码率高,不稳定延迟大的问题。

所以,别看只是一个安装wifi配置网络的事情,背后所需要的技术也是非常前沿的。这也从侧面让我们了解到中国空间站建设的难度有多高。

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