3名航天員實現天地通話,在空間站還能刷視頻?這事沒那…


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3名航天員實現天地通話,在空間站還能刷視頻?這事沒那麼簡單!

隨著載有3名航天員的神舟十二號成功發射升空,並與中國空間站實現對接。三位航天員開啟了為期三個月的太空生活與工作。如今聶海勝、劉伯明、湯洪波3名航天員已經入駐空間站一周了。在這一周裡,他們快遞拆得手軟,還吃了可口的太空外賣。不僅如此,他們還安裝了wifi,進行了天地通話,能隨時和家人視頻通話。

那麼問題來了,中國空間站在400公里的高空,是如何實現wifi網絡連接的,又是如何實現航天員與地面通信的?

載人空間站的通信系統

中國空間站在位於340~450千米的近圓軌道上,設計壽命是10年,額定的乘員3人,除此之外,還有貨運飛船,實驗艙等結構,要實現測控通信任務挑戰巨大,主要有五個挑戰:

1,90%以上的高測控覆蓋;

2,長時間連續高可靠測控,要保持至少10年;

3,高數據傳輸速率,下行最大數據傳輸速率不小於幾百兆量級;

4,多目標同時測控,可以支持同時對3個目標提供測控支持;

5,測控資源的高效調度。

那應該如何解決這五個挑戰呢?

在載人航天飛行任務的過程中,依靠的是陸海基測控裝備來實現測控任務。而當神舟十二號與中國空間站實現交會對接時,則交給中繼衛星來實現測控通信。在中國空間站建設之前,已經成功發射了3顆“天鏈一號”中繼衛星,初步實現了覆蓋全球的天基測控網絡。

目前,三顆“天鏈一號”中繼衛星分別定於東經77°、東經176.8°和東經16.8°,他們的配置組合可以實現超過90%的測控覆蓋率,也就實現了挑戰一“90 %以上的高測控覆蓋”。

不僅如此,“天鏈一號”中繼衛星,可以支持單路最大百兆量級的數據傳輸,以及支持同一天線波束內的雙目標同時測控。但是僅僅依靠“天鏈一號”是不夠的。於是,在2019年4月9日發射了“天鏈二號01星”中繼衛星,它是中國第二代中繼衛星,性能強大,也可以實現反向單路最大幾百兆量級數據傳輸,同時還能夠多路傳輸。在“天鏈二號01星”配備了星間天線,每副星間天線可以支持雙目標同時測控,所以利用兩副星間天線就可以實現3個目標的同時測控。

“天鏈二號01星”中繼衛星發射升空後,就與“天鏈一號”03星、04星組網,可以支持中國空間站的天基測控與數據中繼支持。

同時“北斗”衛星導航系統可以進行測定軌,並且覆蓋率高,同時精度高,可以幫助中國空間站在實施交會任務時提供必要的支持。

要實現地面與中國空間站的通信,還離不開地基測控站的支持,為了更好地與中國空間站進行通信,基測控站(船)包括7個國內站、5個國外站、3個國際聯網站以及3艘測量船。為了實現高效調動資源,科學家們還把天基和地基的測控資源統籌在一起,一體化調度,這就解決了五大挑戰。

太空Wi-Fi?

這次中國空間站還配備了Wi-Fi,航天員在太空中就可以與家人視頻通話,還能上網衝浪,刷抖音之類的。那這是如何做到的呢?

在國際空間站建設初期,並沒有配置因特網服務,所以能夠發4封雙向的電子郵件。這使得在國際空間站工作的宇航員生活十分單調。後來,配備了因特網後,還因為網絡不夠安全,導致宇航員的電腦中病毒。我們國家空間站汲取了這個經驗,所以給航天員配備了因特網服務。

要配備這項服務,主要的是讓因特網業務數據,在空間站和地面的因特網之間實現雙向傳輸,這個過程需要穿越空間站局域網,空間通信鏈路、航天地面測控通信網、地面因特網等一系列通信環節,而藉助的通信設備就是中繼衛星。

由於在地面因特網運行的TCP/IP協議,如果空間站內也採用TCP/IP(傳輸控制協議/互聯網協議),傳輸性能會受到物理因素的影響,導致延遲大,誤碼率高。

為了解決這個問題,科學家只能基於TCP/IP協議專門製定出CCSDS的AOS協議。利用這個協議,不僅安全,同時可以解決誤碼率高,不穩定延遲大的問題。

所以,別看只是一個安裝wifi配置網絡的事情,背後所需要的技術也是非常前沿的。這也從側面讓我們了解到中國空間站建設的難度有多高。