作为这样远距离数据传输的技术保障，如何保证太空授课稳定、实时地进行，如果让您来做，会如何一步步去实现呢？航天员们是不是第一次进入太空就能实现这样的连线年，航天员杨利伟第一次进入太空，期间他数次与地面控制站进行“天地通话”，但这种通话都有着很严格的限制，必须在喀什测控站收到神舟五号信息后，利用极短的时间窗口，抓紧进行通讯。因为飞船绕地球一圈大概才90分钟。卫星路过中国上空的时间很短，中国境内的观测站和通讯站有效保持通讯时间极限也就10分钟左右。在21个小时飞行时间内，杨利伟绕地球飞行了14圈。当时中国的对太空通讯能力除了几艘派到外面的远望测量船，就只能依赖位于本土的一些测控站（喀什、西安、青岛等），所以要和杨利伟通信，就要利用每一次宝贵的飞跃中国大陆间隔，抓紧做沟通。当时他与国防部长通线分，是飞行第六圈，简短汇报任务后就必须结束。后来在10月15日19点58分，是飞行第八圈，他与家人进行了通线秒。

  在这些时间外，杨利伟几乎是没有很好的方法和地面有任何联系的，只能一个人蜷缩在狭小封闭的舱内，等待下一个通信周期的到来，默默忍受着孤独与恐惧。直到2013年6月20日，在天宫1号上，不但天地通信不再是障碍，更出现了女航天员王亚平给全国中小学生通过央视直播的方式，进行了长达51分钟的太空授课。

  这一切的巨大变化就来自这个新的通讯手段：天链一号中继卫星通信系统。这个系统通过在距离地球36000千米的高度放置通信卫星，这个轨道高度处卫星围绕地球一圈时间与地球自转一圈时间恰好一样，因而相对我们静止。这样的话就等于在太空中拥有一座一座“传话的烽火台”，这些烽火台之间也可以彼此通信，只需三颗就能轻松实现对地球所有点全覆盖。2021年7月6日23时53分，中国成功发射了天链一号05星，标志着中国圆满结束了第一代数据系列中继卫星发射进程，也标志着中国变成全球上第二个成功搭建中继卫星全球组网系统的国家。

  美国是在1983年4月发射了世界上第一颗中继卫星。在经历过第2颗卫星发射失败、补发第7颗卫星作为应急备用星之后，历时近12年，直到1995年美国才完成搭建具备在轨运行和轨道备份能力的中继卫星系统的建设工作。2007年8月8日，美国奋进号航天飞机载着包括美国首位教师宇航员芭芭拉·摩根在内的七名宇航员从肯尼迪航天中心顺利升空。时年56岁的芭芭拉·摩根是美国小学教师，是第一个成功进入太空的NASA“太空教学计划”的宇航员，曾是1986年“挑战者”号航天飞机事故中遇难女教师克丽斯塔·麦考利夫的替补，此次升空进行了人类首次太空授课。1945年，英国一位正在部队从事雷达技术工作的年仅28岁的军人，在一本期刊上发表了一篇具有历史意义的科学设想论文：《地球外的中继——卫星能给出全世界的无线电覆盖吗？》。文中，作者首先从当时的通信情况出发，分析了实现全世界的全天候通信和电视广播的必要性，继而首先提出了卫星通信的可行性：如果人工发射卫星到地球轨道上，就可以将它作为接收和反射地面信号的中间站，实现远距离通信和跨海通信。为此他建议采用三颗相互等距离间隔的同步卫星，组成除两极以外的全球通信网，并提出了可通过卫星同时向几个地区转播广播节目的设想。几十年后，这位全球卫星通信理论的奠定人，成了当今最著名的太空题材科幻作家。他便是科幻大师阿瑟·克拉克（1917—2008）。克拉克既有作家善于幻想的浪漫情怀，又有科学家严密的思维方法。他的几部优秀的太空科幻小说，都极富科学预见意义。据说，早前世界各大卫星通信公司每年都要向克拉克支付数美元或数美分的象征性红利，因为他的设想功勋卓著，但当时并未为这一技术理论申请专利。克拉克曾在一篇题为《通信卫星简史——我是如何在太空中失去10亿美元的》的文章中对此进行了具体的回顾。许多人都为他感到惋惜，感慨说克拉克本来是有可能因此而成为一个富翁的——事实上克拉克确实成了富翁，不过他是凭创作科幻作品达到了这一目的。在克拉克享有盛名之后，他的长篇作品往往是只需交出一份提纲，就能获得上百万元的预支稿酬。1961年7月10日，美国发射了第一颗商业通信卫星“电星1号”，它成功进行了横跨大西洋的美国与英法两国的首次电视中继转播、照片传真和电话通信试验。跟踪与数据中继卫星系统(Tracking and Data Relay Satellite System），简称中继系统，是通信卫星的一种，它也被称为“卫星的卫星”，可为卫星、飞船等航天器提供数据中继和测控服务，极大提高各类卫星使用效益和应急能力，能使资源卫星、环境卫星等数据实时下传，为应对重大自然灾害赢得更多预警时间。

  随着航天器种类和数量的增多，航天器的跟踪和控制任务越来越重，数据传输量也慢慢变得大，单靠地面测控站难以胜任。即使是在全球布设了测控网的美国．对载人航天器这样的中低轨道航天器的控制，其轨道覆盖率也只能达到15%。为及时有效地完成对航天器的管理和数据收集工作，中继卫星应运而生。跟踪与数据中继卫星系统是20世纪航天测控通信技术的重大突破，从根本上解决了测控、通信的高覆盖率问题，同时一并还解决了高速数传和多目标测控通信等技术难题，并具备极高的经济效益。这个系统使航天测控通信技术发生了革命性的变化，还在继续向前发展，不断地拓宽自己的应用领域。美国与俄罗斯两国的跟踪与数据中继卫星系统均已进入应用阶段,正在发展后续系统。欧空局和日本在这类卫星的发展中采用了新的思路和技术途径。1983年4月4日美国发射了第一颗跟踪与数据中继卫星TDRS-1，开创了天基测控新时代；1993年1月，美国第6颗跟踪与数据中继卫星(TDRS-6)发射后，该系统具有了在轨运行和轨道备份能力，这才真正完成其组网过程。1995年7月13日美国发射了第7颗TDRS卫星作为应急备用星，结束了长达10余年的第一代跟踪与数据中继卫星系统的建设工作。美国之所以如此坚持不解地努力发展这一系统，重要原因是它是一种作用很大的卫星。由于发射失败和卫星本身故障，直到1991年发射第5颗卫星(TDRS-5)时，只能保持一颗完好的卫星在轨，虽然其间也曾有过2颗上作卫星在轨的情况，但只有少数的轨道备份。尽管如此，这种卫星系统已发挥了很大作用，它曾为12种以上的各种中、低轨道航天器提供跟踪与数据中继业务。这中间还包括著名的哈勃望远镜。而我国从上世纪80年代初期就开始跟踪TDRSS这一新技术，并在“九五”期间开展了一系列的预研工作，于2008年4月25日23时35分在西昌卫星发射中心成功用“长征三号丙”运载火箭将“天链一号01星”发射。所以2003年航天员杨利伟第一次进入太空的“天地通话”需要等待时间窗口是不是就很好理解了。我国跟踪与数据中继卫星系统的发展大致分两步走。第一步是先建立单星系统，使其最大返向数传速率达几百兆，对用户航天器的轨道覆盖率达50%以上。第二步是采用大型卫星平台建立双星系统，通过2颗星使对用户航天器的轨道覆盖率达到85%。我国中继卫星系统从提出、实施和建成历经20余年。2008年4月25日，中国首颗数据中继卫星天链一号01星成功发射升空，填补了我国数据中继和天基测控领域的空白，不仅使我国航天测控网覆盖率大幅度的提高，同时还增强航天器测控及星地数据传输的实时性。2011年7月和2012年7月，天链一号02星和天链一号03星先后发射成功，实现了天链一号卫星三星全球组网，标志着我国第一代数据中继卫星系统正式建成。这一系统显著提升了我国载人航天飞行任务的测控覆盖率，为我国神舟飞船、空间实验室、空间站建设提供了有力的测控和通信保障，同时也为我国中、低轨道航天器提供数据中继服务，为航天器发射提供测控支持。所以2013年6月20日神舟10号上女航天员王亚平的太空授课就顺理成章了。为进一步提升我国第一代中继卫星系统的稳健性，保证系统的覆盖率和服务能力，又研制了后续一代中继卫星，并于2016年11月成功发射了天链一号04星。04星升空后，由01、02、03、04星组成的全球网可为我国神舟飞船、空间实验室、未来空间站提供数据中继与测控服务，支持空间交会对接任务，为航天器发射提供测控支持；同时为中、低轨道卫星提供数据中继服务，将数据来进行实时下传，极大提高各类卫星的使用效益和应急能力。因此，2016年，在天宫二号与神舟十一号载人飞行任务中，“天链一号”卫星才能为自动交会对接、手控交会对接、飞船撤离、返回及搜救回收提供全过程天基测控服务。同时，也为航天员景海鹏、陈冬与地面“天地双向视频通话”，提供了有力的技术支撑。“天链二号01星”作为中国第二代数据中继卫星系统的第一颗卫星，于2019年3月31日23时51分，在西昌卫星发射中心用“长征三号乙”运载火箭将其送入太空。“天链二号”中继卫星系统在任务规划、系统管理、业务运行上相比“天链一号”中继卫星系统取得显著进步，数据传输速率和多目标服务能力也有较大提升，将对提高中低轨卫星、载人航天器信息回传时效性、在轨运行安全性和任务实施灵活性发挥及其重要的作用。2021年7月6日23时53分，中国在西昌卫星发射中心用长征三号丙运载火箭，成功将天链一号05星送入预定轨道。至此，中国第一代数据中继系列卫星圆满收官，中国变成全球上第二个具有全球覆盖能力的中继卫星系统的国家。

  正是有这项更成熟的通信保障技术，2021年12月9日中央电视台全程现场直播神舟十三号三位航天员在中国空间站进行太空授课，并与中国科技馆的地面主课堂、广西南宁、四川汶川、香港、澳门的地面分课堂进行实时交流，才能实现与地面上一样的体验。