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技术解读|“天宫课堂”第一课是怎么传回地面的?
来源:科普中国网  |  发布时间:2021-12-13  |  浏览量:1503

    12月9日15时40分,“天宫课堂”第一课在空间站正式开课。神舟十三号乘组航天员翟志刚、王亚平、叶光富在轨展示了中国空间站工作生活场景,演示微重力环境下细胞学实验、物体运动、液体表面张力等现象,并与地面课堂进行实时交流。你知道稳定清晰的画面和声音是怎样从九天之外传回来的吗?

    测控系统全面覆盖,建立天地通信传输之路

    记者从中国电子科技集团了解到,为实现天地互联互通、即时通话,中国电科研制的通信测控系统在天地之间打造了一条宽带、高效、稳定的通信传输“天路”,满足“超长待机”需求。

    测控系统全面覆盖,建立天地通信传输高速天路。在陆上测控站、中继卫星系统中,中国电科从不同维度编织了一条实现100%覆盖的测控通信网。遍布各个测控站点的统一测控系统,与架设在太空36000公里的中继卫星组网运行,在天与地之间打造一条宽带、高效、可靠的通信传输天路,提供天地之间的图像传输。

    中国电科研制的天链一号地面终端站是数据中继卫星系统的重要组成部分,是保证天地信息传输的关键。为适应空间站任务需求,中国电科对天链一号地面终端站进行了升级改造,实现了链路资源的自动化分配及故障自动处置,提高了任务运行的可靠性,缩短了任务准备和故障处置时间。

    天地链路的互为备份,可保证无论飞船飞行轨道和位置如何变化,都能让地面稳定地接受信号,支撑完成太空授课。

    通信系统全面升级,助力通信实时交互

    卫星通信装备作为天地间的“顺风耳”和“千里眼”,是天地话音图像的管理和指挥中心,负责将各测控站点的话音、图像、测控等关键数据发送至中心,为指挥决策提供支持。

    为适应载人空间站和神舟飞船任务对通信系统的要求,中国电科新建了多套固定站、车载站和便携站,并对卫星通信设备硬件及软件进行了升级改造。在新建和升级后的系统中,采用自主研制生产的大功率功放等设备,系统传输容量提升5至10倍,卫星通信传输能力大大提升,可满足载人空间站长期在轨运行数据传输的要求。

    要想在电视上看到清楚画面,需要天地图像编解码终端对音视频进行编码压缩。中国电科新研制的多种天地图像编解码终端,可适应载人空间站多舱、多场景天地图像传输要求,完成低速图像、高清图像及全景图片等各类图像信息的传输,为天地之间联通构建可视化平台。

    同时,据中国航天科技集团五院空间站系统测控与通信分系统主任设计师易予生介绍,此次天地授课基于我国天链中继系统,采用高速双向音视频传输,以天地对话等互动形式开展,舱内采用多台高清摄像机通过中继高速链路将高清视频实时传送至地面,地面上行两路高清图像送至舱内显示器,从而实现双向视频传输。为了确保授课高可靠、高水平地顺利实施,研制团队对授课过程、天地协同程序进行了多次全流程协同演练。授课过程中地面工作人员实时监视空间站上各设备状态,同时监测天地链路状态,确保参与授课的所有设备工作正常,帮助航天员太空授课更加得心应手。

    情景照明技术首次在大型载人航天器内全范围应用

    太空授课开始后,地面上学生们认真听讲的画面同步出现在了空间站核心舱内,王亚平通过一个大大的液晶屏,能够清楚地看到孩子们的一举一动。这个大屏幕就是仪表与照明分系统的重要设备之一。

图片来源:@新华社

    五院空间站系统仪表与照明分系统主任设计师李皖玲介绍,仪表与照明分系统是空间站系统中最具有航天员参与特点的分系统之一,具备人机交互功能,能够为航天员操作空间站提供交互及操作平台,同时为航天员在轨期间的工作、生活、出舱活动、交会对接等任务提供环境照明,其显示、手控和照明等子系统使用的很多器件和技术非常新颖、独特且趋于相关技术领域前沿。授课中发挥重要作用的液晶显示屏,是集图形图像显示、流媒体及视频播放、报警驱动、指令发送、天地文本交互、触摸操作、多总线通讯、支持用户在轨动态配置等多功能为一体的新一代分布式数字化远程终端设备,作为人机交互仪表,是航天员的“显示器”,为航天员提供空间站的健康状态信息,持续为空间站运行和航天员安全保驾护航。

    早在空间站设计建造之初,五院设计师们秉承以人为本的设计理念,始终将航天员在轨生活体验放在首位,想尽一切办法使他们生活更便利、工作更高效。由于空间站在轨飞行会周期性经过地球阴影区,照明问题尤为重要。航天员在空间站的工作、生活等活动都离不开照明设备。李皖玲介绍,照明子系统可以为空间站组合体提供舱内、舱外照明支持,照明产品主要有情景照明、便携照明和舱外泛光照明等。空间站照明子系统是我国首次在空间飞行器上应用情景模式可调照明技术,也是全球首次在大型载人航天器内部全范围应用情景照明技术。

    在长期在轨工作和生活中,单一的照明模式容易造成航天员工作效率降低、生物钟紊乱以及睡眠障碍等问题,情景照明可以通过对色温、亮度、照明区域的可控调节,解决上述诸多问题。照明区域可分为工作区、生活区、阅读区、维修区等,确保了航天员工作有台灯、吃饭有餐灯、睡眠有夜灯、读书有阅读灯、娱乐有照明灯,此外,航天员在进行设备维修时还有专用头灯,一旦发生危险时还有用于逃生、自救的应急照明。这些灯具在开关时,除了像我们平时在家里开关灯一样,使用开关板有线控制以外,还增加了手持移动设备Wifi无线控制功能,航天员们通过手机APP就可以控制开关灯、调节亮度、色温等。这些人性化的设计为航天员在轨工作、生活提供了一个温馨、舒适的家。

    ◎ 庞丹 王雪姣 科技日报记者 付毅飞

    来源:科技日报

    编辑:张琦琪

    审核:朱丽

    终审:刘海英


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