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中继|西安科技助力我国空间站 “太空新家”核心舱建设

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西安新闻网讯 4月29日 ， 空间站天和核心舱发射圆满成功 。 建造空间站 ， 解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题 ， 是我国载人航天工程“三步走”发展战略中的第三步目标 。 航天科技集团五院西安分院在空间站天和核心舱任务中承担了中继终端、USB天线网络和仪表计算机应用软件研制任务 ， 成功助力我国空间站“太空新家”核心舱建设 。
空间站天和核心舱：空间站的“机房”+“起居室”
中国空间站共有三个舱段 ， 由核心舱（天宫天和）、实验舱一（天宫问天）、实验舱二（天宫梦天）三舱组成 。 核心舱发射入轨后将进行平台测试、航天员长期在轨驻留支持和出舱活动任务技术支持 。 实验舱一和二作为核心舱的部分备份 ， 与核心舱交会对接形成水平对称“T”字结构组合体 。 预计在2022年底 ， 将全面建成我国首个空间站 。
与之前发射的天宫二号相比 ， 天和核心舱无论是在重量还是体积方面都全面升级 。 空间站核心舱对于空间站的作用 ， 相当于是“机房+起居室”的作用 。 作为空间站的关键 ， 核心舱是空间站的主要控制节点 ， 是未来空间站的指挥控制中心 。 除了控制功能外 ， 核心舱中还包含着航天员的卧室、卫生间、厨房以及储藏室等 ， 让航天员安全、高效、愉快地工作和生活 ， 并在此开展一定的空间科学试验等活动 。
中继终端：核心舱15年超长“服役”的“太空伴侣”
要确保天和核心舱与地面通信的实时畅通 ， 就必须依靠西安分院研制的中继终端 。 通过与中继卫星天链一号和天链二号建立中继链路 ， 实现中继通信 。 空间站天和核心舱安装了西安分院研制的第三代中继终端产品 。 空间站天和核心舱中继终端通过中继卫星建立空间站与地面的通信链路 ， 承担着航天员与地面语音、视频、电子邮件 ， 科学实验数据下传以及整舱遥测传输的功能 。 可以说 ， 有了中继终端这个“太空伴侣”的陪伴 ， 核心舱在遥远的太空将不再寂寞 。 中继终端的传输信息功能也让“家书抵万金”成为现实 。
这就好比在太空中搭建了地面与中继卫星、中继卫星与核心舱之间的“天路” 。 对于提升地面对核心舱的测控覆盖率 ， 保证地面与核心舱的持续通信发挥着重要作用 。 在此次任务中 ， 航天员要实现在太空长时间驻留 ， 这也是对中继终端通信测控能力的一大考验 。
【中继|西安科技助力我国空间站 “太空新家”核心舱建设】空间站天和核心舱中继终端与其它型号在设计上最大的区别在于 ， 为了保证在轨15年的使用寿命 ， 除可靠性要求高 ， 还需要具备在轨可维修性 。 因此 ， 空间站中继终端采用了集成化、模块化的设计思路 ， 在保证传输信号质量的同时 ， 方便航天员维修更换 。 为了保证空间站核心舱的长时间使用 ， 西安分院的研制人员对中继终端进行了可维修设计 。 这相比于之前发射型号在轨无法修复的设计而言可谓是一大突破 。
虽然在前期设计生产阶段 ， 研制团队已经为可维修性修改了大量设计 。 但是为了同时保障核心舱的高可靠性 ， 在核心舱发射前 ， 研制人员已经在地面的真空环境做了加速寿命实验 ， 模拟在轨的15年运行状态 ， 充分保证核心舱在轨使用万无一失 。
和以往载人工程任务型号相比 ， 除了具备在轨可维修的特性外 ， 中继终端的通信测控数据传输更加迅速 。 根据工程总体要求 ， 本次空间站测控通信功能采取天基测控为主、地基测控为辅的设计原则 。 核心舱发往地面的速率相当于地面5G通信速率的几十倍 ， 保障地面与空间站的联络畅通无阻 。
在研制过程中 ， 西安分院研制团队大幅减小了中继终端设备体积和重量 ， 简化系统组成 ， 并且首次设计了中继终端在轨自主运行功能 ， 大大降低了空间站长期运营期间地面管控压力 。
USB天线网络：核心舱通达天地的“信号枢纽”
在空间站天和核心舱中航天员活动区的角落里 ， 藏着一个汉语辞典大小的设备 ， 它就是USB天线网络 。 USB天线网络长、宽、高约为20cm*20cm*10cm大小 ， 属于空间站测控与通信分系统 ， 它负责在测控接收机、发射机与测控天线之间架起一座信号往来的桥梁 。 这座桥梁兼具有效过滤杂波及减少干扰的功能 ， 并且能正确将有效信号送达目的地两项重任 。 空间站时刻在地面测控站的安全掌控之中 ， 掌控的方式即是遥控指令的上传及遥测信息的下达 ， 同时还有航天员与地面的通讯信号 。 这些指令及信息能够清晰准确地在地面测控站与空间站之间往来 ， 天线网络发挥着不可或缺的作用 。
空间站天和核心舱USB天线网络主要是由微波无源部件组成 。 当测控通信信号要通过天线网络时 ， 首先天线网络会对信号进行杂波及干扰的滤波抑制 ， 再对有效信号进行分流或合成 ， 最终送达收发信机或天线 。 对于空间站天和核心舱来说 ， USB天线系统在测控系统中属于少有的独一份配置 。
作为无源产品的USB天线网络具有高可靠性 ， 一旦开机便处于常通状态 ， 需要在轨自主运行15年 ， 无需航天员的额外操作 。 为了保证在轨使用寿命 ， USB天线网络在材料的选用、装配工艺以及结构的工效学设计等方面都进行了新一轮的技术改进和试验验证 。
西安分院该天线网络研制负责人朋毅介绍说：“空间站天和核心舱天线网络的研制技术是现阶段同类性能需求的先进技术 ， 更是经过地面试验及飞行验证的成熟技术 ， 为的就是确保产品的可靠性、安全性 。 同时 ， 针对特殊应用环境及寿命要求进行了综合分析设计 ， 解决了小型化、高可靠、长寿命、保障航天员生命安全等各项难题 。 ”
仪表计算机应用软件：核心舱的“智慧大脑”
当地面向核心舱发送指令后 ， 空间站天和核心舱的仪表计算机应用软件就正式开始自主运行 。 仪表计算机应用软件作为天和核心舱仪表的“智慧大脑” ， 是核心舱仪表数据处理中枢系统 ， 承担着核心舱仪表与照明分系统内部和外部数据信息处理的功能 。
空间站天和核心舱仪表计算机应用软件功能复杂 ， 属于基于操作系统的多任务实时要求高的应用软件 。 和以往载人工程任务相比不同的是 ， 空间站天和核心舱的仪表需要处理三舱大容量数据 。 空间站天和核心舱和两个实验舱需要处理的数据信息量约为载人飞船数据信息量的3倍以上 ， 并且解算数据信息的方式各异 ， 参数间的关联纷繁复杂 ， 尤其是总线需要的通信负荷量巨大 。 为了解决这一难题 ， 研制团队通过合理的任务分配及优化算法 ， 有效解决了总线通信吞吐量大和实时性高的问题 。
如何能确保仪表计算机应用软件在15年间保持稳定运行是另一技术难点 。 西安分院仪表计算机应用软件负责人张赤萍介绍说：“仪表计算机应用软件通过上注方式 ， 实现了在轨软件系数和代码更新技术 。 同时 ， 采用了多项可靠性措施 ， 可以确保更新软件的可靠性和安全性 ， 并且在更新过程中不影响软件的正常工作 。 ”
西安报业全媒体采访人员 关颖

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