科学探索|跨越半个地球的“太空授课”是如何实现的？跨越半个地球的“太空授课”

12月9日，中国空间站阶段的“招牌节目”——“天宫课堂”首度开课。在“天宫”之上，三名“太空老师”翟志刚、王亚平、叶光富面向全国乃至全球的青少年，以天地互动的方式展现了中国空间站的工作生活场景，演示微重力环境下的生物和物理等现象，并与地面课堂进行实时交流。

在这场长达四十余分钟的“太空授课”过程中，中国空间站绕行了地球近半圈，期间，三名“太空老师”的授课内容始终都能清晰、流畅地传回地面。这背后展现了中国航天强大的测控技术能力，其中，中国的天基中继系统——“天链”卫星扮演着举足轻重的角色。
北京空间信息传输中心总工程师单长胜在接受《环球时报》采访人员专访时表示，作为远在太空中的中国最高课堂，中国空间站“天宫课堂”位于距离地面400公里左右的近地轨道之上，在这个高度的航天器大约每90分钟绕飞地球一圈。期间，受地球曲率遮挡和视线视场问题影响，在大部分时间里，中国空间站都无法通过国内陆基测控站和海上测量船等地海测控系统和地面建立联系，只有在空间站飞临控制中心或地面测控站附近时，才能取得双向联系，其他地区都是非受控区域，盲区极大，风险极高，更不可能开展实时，无间断的“太空授课” 。
据《环球时报》采访人员了解，2003年，中国第一位航天员杨利伟顺利进入太空后，虽数次通过地面测控站进行了“天地通话”，但每一次都有着很严格的时间窗口限制，只因那时中国境内的测控站有效保持通信的时间仅在10分钟左右。
确保航天器与地面无间断联系的难题也曾困扰着美俄（苏）两个航天大国。在两国太空竞赛白热化的冷战时期，美苏两国凭借自身强大的经济实力，以及辐射全球的政治影响力，各自在全球多国都设有地面测控站，并研制了大量用于测控的飞机和测控船，但即便是这样，也无法完全满足对近地轨道航天器实现无间断测控的需求。直到1983年，美国人采用“为卫星搭建卫星“的想法，从“挑战者”号航天飞机上发射了人类第一颗跟踪和数据中继卫星（TDRS），开创了天基测控的新时代。这种卫星能将近地轨道航天器上传的数据再传回地面，搭建一个从低轨卫星到中继卫星，再到地面站的通讯流程。
【科学探索|跨越半个地球的“太空授课”是如何实现的？】单长胜告诉《环球时报》采访人员，中继卫星通常位于距地球三万多公里的地球同步轨道之上，它极大地提高了对中、低轨道航天器的测控和数据传输的覆盖率，一颗中继卫星，就可以覆盖近1/3的地球，而三颗中继卫星实现组网，就可以把整个地球都覆盖到。
2008年，中国自己的中继卫星工程正式开建，并有了一个直观的名字“天链”，而负责执行中继卫星测控任务的北京空间信息传输中心团队，因为运用天链卫星在天地之间搭建了高速的信息通道，因此有了一个浪漫的任务代号——“天路” 。
当年的4月25日，天链一号01星从西昌卫星发射中心完美出征，由其构建的跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS）从根本上提高了测控、通信的覆盖率。天链一号01星的成功发射，标志着我国从此拥有了太空数据的“中转站”，它可以为中、低轨道的航天器提供天基测控、数据中继与测定轨服务，相当于把地面测控数传站升高到几万公里的轨道高度，既提高了数据回传时效性，又增强了应急协调联动能力。
单长胜介绍称，一颗“天链”卫星能观测到中、低轨道航天器的一半轨道，两颗“天链”卫星能覆盖大部分轨道，三颗“天链”卫星组网就可以实现全球覆盖。因此，“天链”卫星也被成为“卫星的卫星” 。