张开“天地网络”——空间站的通信方式
张开“天地网络”——空间站的通信方式
空间站在太空遨游时需要与地面实时通信，航天员在太空生活时也需要与家人和地面工作人员随时联系。为此，空间站和地面站之间架设了一张看不见的“天地网络”。
1.“天地网络”的组成
“天地网络”由多个终端组成，包括空间站、“天链”通信卫星、地面测控站、测量船等，通过天线和通信链路上的数据解码、译码设备等获取、传递信息。中国空间站以核心舱的测控通信链路作为主要的天地通信途径。
2.“天地网络”的设计原则
第一，通信全球覆盖。在天地通信中，为了保障信息传递准确、及时，同时在空间站围绕地球快速飞行的过程中保持信号稳定，需要时刻处于通信状态。
第二，高速低延迟。空间站除了要实时传输遥测和图像信息，还要支持航天员在轨生活的网络需求，以及太空授课、天地通话等专项任务。目前，中国空间站向地球传输数据的速度已经达到了1.2Gbps，几乎与5G通信速率一致，语音通话的时延更是在1秒以内，与在地球上打电话几乎没有差异。
3.“天地网络”的巧设计
空间站的天线和地面上的天线需要在彼此的测控区才能通信。可问题在于空间站和地球都在运动，怎么保证两者能够随时联络呢？
为此，设计人员围绕中国空间站建设了一张覆盖全球的“通信网络”。在地面上，有喀什测控站、青岛测控站等陆基测控站；在海面上，有“远望号”航天测量船这种海基测控站；在太空中，距离地球36 000km的地球同步轨道上运行着“天链”中继卫星、“北斗”导航卫星，可以提供稳定的大范围通信和定位支持。海陆空共同构成了为空间站服务的全方位“天地网络”，让空间站始终与地面的“家人”保持联系。
新疆喀什航天跟踪测量站（左）和航行在大洋上的“远望号”航天测量船（右）。
图片来源：中国载人航天工程网
“天地网络”小课堂
中国空间站的“天地网络”要发挥作用，离不开两个重要的数据支撑——位置和时间。这两个数据来源于“北斗”卫星导航系统。要使用“北斗”卫星导航系统为空间站定位，需要几颗卫星才能实现呢？
假设，空间站的空间位置坐标是（x，y，z），“北斗”卫星的已知位置是（x1，y1，z1），信号传输时间是t1，那么空间站和“北斗”卫星之间的距离就可以通过两点间距离公式计算得出。
这个方程里有3个未知数，没有唯一解。如果想得到唯一解，就需要一个三元二次方程。此时，再多加两颗卫星的位置及信号传输时间（x2，y2，z2，t2）和（x3，y3，z3，t3），就有了一个三元二次方程组，从而能顺利得到空间站的位置。综上，需要3颗“北斗”卫星才能确认空间站的位置。
理论上，3颗“北斗”卫星就可以完成定位，可实际上是使用4颗卫星进行精准定位的，增加的这一颗则是为了确定时间。通过“头顶”飞行的4颗“北斗”卫星，中国空间站得以掌握自身的位置和时间信息。
注：实际应用中往往借助第四颗星，或者排除明显不合适的坐标来确认待求坐标。