三位宇航员讲课时是如何实现天地通话的？建立太空信号基站

　　天宫课堂已经开课两次了，从第一次开课是去年12月9号，最近一次则是几天前的3月23号，期间航员的各种物理小实验讲解和演示实在是引人入胜，除此以外，还有之前的除夕夜现场直播拜年，相信大家还记忆犹新。
　　你知道吗，其实航天员在天宫号空间站中授课时，空间站并不是在我国领土的正上空的，当时的空间站正在南美洲上空飞过。
　　虽然空间站的轨道高度约为400千米，但是相对祖国大地来说，就相当于空间站一直处于地平面以下。Wi-Fi信号隔着一堵墙都会信号变弱，这意味着，就算不考虑大气因素，地球的遮挡会导致空间站内的信号变差甚至消失。
　　可是在授课过程中，我们不但可以看到天空课堂的画面，而且非常的清晰且流畅，几乎就是实时通讯，感觉不到有任何卡顿，那这是如何做到的呢？
　　对于地面通讯来说，比如朋友家人们之间的手机通讯，我们之间发送的信息是通过电磁波，通过各种信号之间的转换，我们所要发送或者接收的信息就从一个地方传输到另一个地方了。但是这样的传输有一个限制，那就是所在的地方需要有信号基站覆盖。
　　那这些基站之间是如何传输信号的呢？这就要依靠地球的天然发射层了，在地球的上空有一个厚厚的电离层。电离层在距离地面100-200千米高度的区间，这个区间可以反射一定波段的电磁波，其中3-30Mhz之间的信号反射效果最佳。
　　对地面通讯而言，基站发出的信号会在大地和电离层之间不断反射，这样就能将信号传输到远方。因此只要基站的数量足够多，地面通讯信号就能进行无差别覆盖了。
　　但是天上则不一样，空间站的高度是400千米左右，它发出的信号是无法穿越电离层，到达地球表面的，天宫号的信号会被电离层反射，直接弹到无人的太空中。
　　就算我们使用特殊波段的信号，使天宫号的信号能够直接穿越电离层，那么信号在到达地面后，也会直接反射再穿越电离层，还是会被弹到无人的太空。根本没法像3-30Mhz的信号一样在地面云电离层之间进行多次反射。
　　所以，为了实现太空空间站和地面之间的通讯，我们必须想别的方法。基于基站的思路，科学家们提出了＂太空基站＂的想法，也就是在太空中建设一个能够反射信号的东西，于是＂中继卫星＂就横空出世了。
　　地球中继卫星是一种地球静止卫星，这个＂静止＂是相对的，指它的轨道周期和地球的自转周期完全一致，且随着地球一起公转。中继卫星的运行轨道高度约为3.6万公里，这样的中继卫星相对地面保持静止，假如我们能够在地面上看到它，你会发现它是悬停在空中一动不动的。
　　中继卫星上天后，就相当于一个太空基站了。空间站发出特殊波的信号，直接被中继卫星接收，然后被中继卫星反射，这股信号就直接穿越大气层，到达地面基站了。这样就不需要考虑电离层的反射作用了。
　　如果多部署几颗中继卫星，比如说三颗，保证他们处于同一平面且相邻之间的夹角为120度，那么我们就能保证：在任一时刻，空间站的视野内都至少存在一颗中继卫星。三颗中继卫星之间几乎完全处于真空状态，没有任何遮挡，因此只要一颗中继卫星能看到空间站，就相当于三颗中继卫星都看到了空间站。
　　同理，对地面信号接收基站而言，它的视角里无时无刻都至少有一颗中继卫星，这就意味着地面基站也能随时和三颗中继卫星保持联系。信号就这样经过中继卫星一中转，就相当于空间站随时随地都能和地面保持通讯了。
　　当然，为了保证信息的传输速度和稳定，中继卫星的数量肯定不能只发射三颗。目前我国在轨的同步轨道天链中继卫星一共有7颗，能够轻松覆盖全轨道，所以地面和空间站之间的通信就能即时传输了。
　　这七颗天链卫星分别是：
　　天链一号01星（2008-019A）；
　　天链一号02星（2011-032A）；
　　天链一号03星（2012-040A）；
　　天链一号04星（2016-072A）；
　　天链二号01星（2019-017A）；
　　天链二号05星（2021-063A）；
　　天链二号02星（2021-124A）。
　　在这种全方位无死角覆盖下，哪怕是最极端折腾的情况，信号从空间站到地面，也只需要两颗中继卫星进行接力。
　　那有人会说了，这么折腾，延时会不会很明显啊？这点完全不用担心，要知道电磁波本质就是光，传输速度也是光速，一秒就能跑30万千米。
　　因此，电磁波走完地面——卫星A——卫星B——空间站——卫星B——卫星A——地面这个全过程，其实连一秒都不需要。之所以延迟是在秒级，这些时间主要都是信号转化阶段浪费的，如果我们能进一步信号的提高转化效率，那延迟时间能够更短。
　　因此，我们能够直播天宫课堂，都是依靠科学技术的发展，正是有了这些中继卫星，我们才能实现秒级延迟的，与天宫空间站的无障碍交流。