【教評航天教室】中繼衛星如何為「天地對話」保駕護航？
在「天宮課堂」港澳專場直播中，香港首位載荷專家黎家盈博士身處距離地面約 400 公里的「天宮」空間站，向學生展示微重力下的科學實驗。只見她時而像懂得輕功般在艙室漂浮，時而又像魔術師般讓晶瑩的水球懸浮在半空中。當香港會場的同學向她提問時，黎博士幾乎立刻便能回答，畫面和聲音都清晰流暢，就像大家身處同一個禮堂。然而，這場看似平常的天地對話，背後其實涉及極其複雜的太空通訊科技。
要理解這項科技的技術難度，我們得先打破一個視覺錯覺：電視畫面上的空間站看似平穩，但實際上它並不是靜止懸掛在天上。它正以每秒約 7.7 公里（時速超過 27,000 公里）的速度在近地軌道（LEO）上高速飛行。空間站每隔約 90 分鐘就會環繞地球一圈。換句話說，當你讀完這句話時，它已經飛過了數十公里。要在這樣一個「極速過山車」上維持長時間的高清視訊通話，並且不卡頓、不斷線，傳統的地面通訊技術根本無法做到。
在「天鏈」系統問世前，航天任務主要依靠散布全球的地面測控站與遠洋測控船。不過，無線電訊號大多沿直線傳播，這衍生出一個幾何問題：地球的曲率。當空間站飛越地面站上空時，訊號可以非常順暢；不過一旦飛越地平線，地球就會成為一堵物理高牆，瞬間阻斷訊號。
由於空間站飛得太快，每次掠過單一地面站的通訊窗口往往只有短短幾分鐘。即使在世界各地建滿測控站，航天員仍會頻繁地進入無法與地面聯絡的「通訊盲區」。
為了解決這個難題，工程師決定把通訊基地台直接搬到太空去，這正是「天鏈」中繼衛星系統的由來。天鏈衛星被精準部署在距離地面約 35,786 公里的「地球同步軌道」（GEO）上。
這個軌道有一個嚴格的物理條件：必須位於地球的赤道正上方。在這個高度，衛星繞地球公轉一圈的時間剛好是 24 小時，與地球自轉完全同速。因此從地面仰望，天鏈衛星就像是一隻始終懸停在空中的獵鷹，保持相對靜止。
然而，地球畢竟是個龐大的球體。受限於曲率，單一顆天鏈衛星的視野有限，無法獨自覆蓋整個地球。這意味着如果只有一顆衛星，空間站一旦飛往地球另一側，依然會陷入失聯。為了解決這個問題，科學家實現了科幻大師亞瑟·克拉克（Arthur C. Clarke）早在 1945 年提出的經典構想：只要在赤道上空均勻布置三顆相隔 120 度的同步衛星，它們的通訊範圍就能互相交疊，將整個地球包裹其中。
形成星座網絡 消除通訊死角
中國的「天鏈」系統正是如此。它們並非單打獨鬥，而是一個精密的星座網絡。當空間站以極速飛出第一顆天鏈衛星的視野時，數據鏈路會瞬間「交棒」給前方的第二顆衛星。透過這種無縫接力，系統將空間站的通訊覆蓋率從過去的不到 20% 躍升至近乎 100%，徹底消除了通訊死角。
要在數萬公里外精準捕捉一個每秒移動近 8 公里的目標，難度極高。這就像你站在高山之巔，用一束極細的手電筒光束，去持續照亮數十公里外一隻高速飛行的螢火蟲。
為了克服這點，工程師為天鏈衛星配備了雙向主動追蹤系統與高精度指向天線。當空間站在下方高速飛行時，天鏈衛星上的天線微動驅動馬達會不斷精算目標位置，隨時微調角度。這套精密的硬件設備在太空中日夜運作，克服了電磁波來回傳輸約 0.24 秒的物理延遲。這就是為什麼香港會場的同學向黎博士提問時，她幾乎能「立刻」回答。
「天鏈」系統的藍圖早在本世紀初就展開，2008 年 4 月首顆天鏈一號 01 星順利升空，標誌着中國正式掌握了這項中繼技術，更為同年神舟七號的首次太空漫步提供了通訊保障。到了 2019 年 3 月，天鏈二號首星發射升空，並於 2022 年順利完成三星全球組網。相較於第一代的 S 頻段，天鏈二號採用了頻寬更大的 Ka 頻段通訊技術。如果說早期的系統是單線道公路，新一代系統就是多車道高速公路，具備了更強大的「多目標服務」能力。
目前，太空中正上演着「兩代同堂」的場面：天鏈一號與二號併網運行。這種資源疊加的設計，讓系統能同時為多個航天器傳輸高清畫面。
隨着人類腳步邁向深空，中繼衛星的角色更加重要。在月球背面，依靠懸停在地月拉格朗日 L2 點的「鵲橋」中繼星，地球才得以順利接收到探測器的訊號。未來，更先進的激光通訊技術有望取代傳統無線電，帶來更高的傳輸速度。屆時，人類探索宇宙的第一手發現，將能在短時間內傳遞回地球了。
●鄭俊傑校長（中華基督教會基全小學） 教育評議會增選委員
