| ——揭秘我国首次载人交会对接任务中的天地对话技术
一边是300多公里外的地球轨道，一边是北京航天飞行控制中心的指控大厅，无论是航天员对地面的信息反馈、状态汇报，还是地面对航天员的殷殷嘱托、缱绻问候，其声音和图像都可以通过“天地对话”的航天通信系统跨越时空，经久回荡……
早在载人航天工程一期实施之时，中国航天就实现了天地图像的下传与话音的天地互通。而在此次天宫一号与神舟九号载人交会对接任务实施过程中，中国航天则成功突破了地面图像的双向传输。
据中国航天科技集团公司五院技术专家介绍，这种双向互通的“天地对话”的实现要归功于航天测控与通信分系统。这个为天地之间架设桥梁的“大功臣”是如何完成使命的？它和地面的手机通信到底有何不同？记者的采访也许能为您揭开其神秘的面纱。
天地对话：
从“接力赛”到“马拉松”
众所周知，我们每天接触的“手机通话”是一种采用无线电波传输信号的通信方式。一部手机和覆盖一定区域的众多无线基站让人与人的沟通变得“随心所欲”。而天地对话，就类似于我们的移动电话通信，只是距离更加遥远。
“要实现天地对话，就需要在地面和飞船上配置天地通信设备和畅通的无线天地通信信道。”五院测控与通信分系统副主任设计师郭佩告诉记者，目前我国载人航天工程天地通信是采用S频段统一测控通信系统、天地超短波通信系统、短波通信设备和中继卫星系统，来保证地面与航天员间通话的稳定和可靠。
那么，以上这些通信系统是如何完成它们的传输任务，让地面的人可以看到清晰的画面、听到航天员洪亮的声音的呢？
“为了实现指挥中心与航天员的直接对话，我们要动用海、陆、空三方力量。”郭佩介绍道，由地面站通过位于太平洋上空的中继卫星与指挥中心联结在一起，建成地面站与指挥中心的星型网。这张“网”支持了数据从地面站传送给中继卫星，再由中继卫星转发给飞行器的路径。“反方向传送也是走这条‘老路’。”
事实上，中继卫星这员“大将”接手此项工作的时间并不长。
早在神舟七号飞天时，人们能目睹航天员翟志刚在刘伯明的协助下打开舱门，在太空中成功展开五星红旗的画面，全要仰仗远望号测量船和多个地面站，以“接力赛跑”的方式收发信号，再传回地面。
当时，神舟飞船围绕地球飞行时，一个地面站能够捕获到飞船的时间大约在六七分钟左右。为了能让太空传输下来的画面、语音不间断，地面站、测量船以“接力”传输的方式将信号延续下来。但即使这样，包括借助国内外测控站、多艘测量船等手段，我国对飞船的测控覆盖率也只能实现12%左右。
然而，从天宫一号飞天的那一刻开始，这样的接力格局被彻底打破。天宫一号与中继卫星实现“太空握手”后，数据传送从“多人接力赛跑”变为“单人马拉松”。
目前，我国已经发射了两颗中继卫星，即天链一号01星和天链一号02星。一颗中继卫星可以连续跟踪目标飞行器50多分钟，测控通信覆盖率也由原来的12%扩大到70%以上。只要目标飞行器在中继卫星的覆盖范围内，就具备双向通信条件。经过它的中转，可提供遥测遥控、语音、图像及其他数据传输业务，监控追踪天宫一号和神舟九号的各项活动，保证其在轨正常运行。
天地对话：
一项需要“精雕细琢”的技术活
从表面上看，天地对话的原理和过程与移动电话相似，但毕竟通话的一头是以大约每秒钟8千米的速度在太空中飞行的航天员，这使得通话变成了一项需要“精雕细琢”的技术活。
地面与航天员通话，并不能像我们打电话那样“随心所欲”，它有一定的时间限制，并需要在地面测控站和中继卫星测控通信覆盖区域内进行。根据飞船飞行轨道和地面站的布站情况，在组合体某个飞行圈次，与地面通话的时间一般在一个小时以内。为此，上行话音同时通过多种传输信道进行传输，组合体上天地通信设备同时接收到之后，在多种传输信号中选择一路接收效果比较好的话音，供航天员收听地面话音。
由于受飞船体积和功耗的限制，通常飞船上安装的天地通信设备尺寸较小，发射功率不大。为了保证通信质量，弥补飞船设备发射功率小、接收机灵敏度低的不足，地面站设备一般要采取提高发射机发射功率、使用高增益定向跟踪天线以及提高地面接收机灵敏度等措施。
地面站经过卫星通信电路或地面光纤通信电路与北京航天飞行控制中心沟通通信电路，使航天员与指挥人员直接通话。多种天地通信系统相结合，连接着飞船和北京航天飞行控制中心，保证地面与航天员的天地对话就像我们在地面打电话一样自然、清晰。
“正如我们日常用QQ聊天时，会出现延时现象一样，天地对话时也会有一定的时间延迟。”郭佩介绍说，会存在地面和飞船天地通信设备处理时间延迟、天地之间的传输时间延迟以及地面载人航天测控网传输时间的延迟等现象。但这些时间延迟的总和一般都会控制在一定时间范围之内。
对于天地通信是否需要安全加密的提问，郭佩肯定地点头。由于地面与航天员的通信都是通过开放的无线电信道传输的，为保证所传信息只能被相关人员接收，话音信号在发送端要进行加密处理，在接收端必须经解密才能恢复出原始发送信息。
天地对话：
“随心所欲”是目标
看似复杂的天地对话系统，操作起来却非常简单。
地面与太空中的航天员通话时，一般在地面站和中继卫星测控通信覆盖区内进行。当飞船进入测控通信区前，地面站天地通信设备以及其他相关设备开机，接通与北京航天飞行控制中心的通信线路。
和手机上显示的信号标识一样，当飞船进入测控通信区后，其仪表板上就会显示“飞入通信区”，航天员就位，飞船开始自动执行一系列指令链。北京航天飞行控制中心就能与航天员进行沟通联系。此时画面与我们熟悉的视频通话并无二致。通话结束后，北京航天飞行控制中心调度指挥人员通知航天员，结束本测控通信区的遥控通信，关闭地面站相关设备，结束本测控通信区的工作。
载人航天工程是一项庞大的系统工程，天地对话就是在天地间建造一座沟通的桥梁，通过这座桥梁，航天员畅享着与地面的双向图像、双向话音通信以及电子邮件沟通。
在首次载人交会对接过程中，航天员要在太空飞行10多天。地面工程指挥人员可以通过天地对话指挥、协调航天员的工作，以便顺利完成载人航天的预定任务；地面航天员系统的医生和教员可以及时了解、掌握航天员的生理及心理状况，在地面和航天员之间建立了医疗救助、心理支持和技术支持的沟通渠道；为航天员与航天员家属之间提供了对话的机会，便于航天员及时得到心理上的支持；对于广大普通百姓了解航天员的太空生活、掌握载人航天科技知识也起着不可替代的作用。
当然，随着我国航天器的数量不断增加，航天员在轨飞行时间逐步延长，航天员在轨工作任务将日益繁重。这对航天员的生理、心理以及医学监督、医学保障等都提出了更高的要求。以往点对点传输信息的局面将会彻底改变，实现航天器与航天器、航天器与地面之间的通信互联成为载人航天活动的发展趋势。当天地一体化互联网建成的那一天，航天员将更加方便地与地面直接交流。（杨蕾）
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