跟踪与数据中继卫星系统及其技术的新发展

1、跟踪与数据中继卫星，以其能较大幅度地覆盖和转发地球站对中、低轨道航天器的跟踪测控信号并对中、低轨道航天器发回地面的数据、图像、话音等信息进行实时、连续的中继等优势，逐渐成为发展航天技术越来越重要的项目。美国与俄罗斯两国的跟踪与数据中继卫星已组网运行，现正在发展后续系统；欧空局和日本在这种卫星的发展中以其新思路和技术途径，大有后来居上之趋势。 一、美国的跟踪与数据中继卫星（）系统1用年时间完成了第一代系统的组网 1983年4月4日，美国挑战者号航天飞机发射了第一颗跟踪与数据中继卫星(TDRS-1)，直至年月第颗（）卫星发射后，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。除去研制时

2、间外，其发射时间跨度长达年，足以证明这是一项难度很大的工作。 美国之所以如此坚持不懈地努力发展这一系统，重要原因就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，直到年发射第颗卫星（）时，美国只能保持一颗完好的卫星在轨，虽然其间也曾有过颗工作卫星在轨的情况，但没有足够的轨道备份。尽管如此，这种卫星系统已发挥了很大作用，它曾为种以上各种中、低轨道航天器提供跟踪与数据中继业务。 美国这一系统的发展，基本适应于各种用户航天器发展的规模和速度，因此其系统利用率及服务能力(注：系统利用率定义为系统运行时间与向用户实际提供业务的时间比，用以衡量系统容量是否存在浪费问题。系统服务能力定义为系统所具有的

3、业务能力与所安排的用户实际业务之比，用以衡量系统设计对用户航天器需求的适应性)均较高。统计表明，自1989 年该系统全部投入运行以来，平均系统利用率已超过，年月日至1991 年月日期间，系统利用率接近，系统服务能力也超过。 美国TDRS系统的经济效益也是可观的。该系统年投入的运行费用约万美元，其经济效益不仅表现在大量民用中、低轨道航天器为使用该系统所交纳的费用，仅军用中、低轨道航天器使用该系统每年就付费达亿美元。 为保证上述工作能力，美国还建立了完善的地面支持系统。第一个白沙站配置了副.米的天线用于向馈送数据； 一副米频段天线用于紧急情况下的遥测信号接收和遥控指令发射；副米频段天线和副米频段天

4、线用于用户航天器的模拟。 第二个白沙站于年春投入使用。这两个白沙站可同时处理颗用户航天器的业务，而且处理业务的时间保证率从原来的提高到.。 2以保证性能、节约经费为原则开发第二代TDRS系统 根据中、低轨道航天器，特别是当时自由号空间站发展的需要，美国航宇局曾计划发展新一代系统，称为高级跟踪与数据中继卫星（）。计划研制颗卫星，总投资约亿美元。但是年美国国会否决了航宇局的议案，于是航宇局改变方案，决定采购颗性能类似于第颗第一代TDRS的新卫星。为了避免来自商用通信卫星的干扰，也为了提高中继能力，提供较高的数据率，保证用户航天器发展要求的跟踪与数据中继业务能力，新一代跟踪与数据中继卫星将增加频段。

5、 美国休斯空间与通信公司于年月赢得了这项研制颗第二代卫星的4.82 亿美元的固定价格合同，由航宇局提供宇宙神级火箭发射卫星， 美国会批准年拨款.亿美元。第二代的第一颗卫星计划于年发射。 第二代卫星选用平台，每颗卫星装载副米直径并具有弹性后效的可控单址天线，每副天线都能提供、频段或、频段业务。 3第一代与第二代卫星所能提供的跟踪与数据中继能力比较 (1)第一代卫星 ）频段多址业务（） ·返回链路：利用星上个阵元的相控阵天线和地基波束成形网络， 可同时支持条返回信道。采用伪噪声码分多址技术，每条信道最大数据率可达/。 ·前向链路：每颗卫星可提供一条频段多址前向链路（即从中继卫星

6、发出信息的链路），最大数据率/。 ）频段单址业务（）和频段单址业务（） 每一副.米的天线都能同时支持一种和业务。 ·返回链路：从用户航天器接收信息的链路。 对于频段单址业务，当采用10Mb/s的编码信道传输时， 最大信息速率为/。 对于频段单址业务，最大信息传输速率为/。 ·前向链路：从中继卫星发出信息的链路。 频段单址前向链路最大数据率为/ （最小数据率为/）； 频段单址前向链路数据率为/（最小数据率/）。 (2)第二代卫星 ）单址可控天线 ·频段：返回与前向数据率分别为/和/； ·、频段：返回与前向数据率分别为/和/。 ）多址天线 频段相控阵天线能同

7、时接收个用户航天器发来的信息，每个用户航天器数据率可达/。 频段相控阵天线前向链路数据率（单独发射一个信道信息的能力）为/。 从上述比较中可以看出，第二代卫星的、频段单址能力没有变化，而多址能力，返回与前向链路则分别提高了倍和倍。 二、欧空局的数据中继卫星（）欧空局于1989年决定发展数据中继卫星，以试验型卫星阿蒂米斯(Artemis)为起点，分两步走达到实用水平。但由于年月，欧空局部长会议批准的长远规划对载人航天作了重大调整，使神号小型航天飞机、有人照料自由飞行器被取消，由此直接引发了DRS 计划的削减，颗卫星的计划只准备研制颗。年以后，国际空间站发展出现转机，同时出于对欧洲空间技术发展的长

8、远考虑，欧空局又决定恢复DRS计划，年发射第一颗卫星，年发射第二颗。 由于试验卫星阿蒂米斯用于数据中继的星间链路只有频段，故该卫星发射并试验后，将与定于年发射的卫星组成双星系统，主要用于对地观测卫星、极轨平台和其它科学卫星的数据中继。阿蒂米斯原定今年由阿里安5发射，最近已决定改由日本的H2A运载火箭发射，时间也推至2000年初。 实用的卫星，星间链路除频段外，还增加了频段。 颗卫星总投资.亿欧洲货币单位（）。 主要的投资国家包括：意大利（占）、法国（占）、德国（占）。第一颗卫星分配经费亿，分配经费亿。 .的有效载荷 卫星的、频段单址业务使用一副可同时工作在和频段的反射器天线。与阿蒂米斯相比，增

9、加了频段多址业务，使用相控阵天线，多址阵元前向链路为个，返向链路为个。增加频段多址天线后，可提供多个数据信道，至少在前向链路中可增加一个以上用户，返回链路可增加两个以上用户，而阿蒂米斯在某一时刻只能处理一个用户航天器的信息。 卫星有效载荷所能提供的工作能力是，从地面到卫星馈电链路的所有信号均由卫星上固定的馈电链路天线（）和可控的馈电链路天线（）接收，在卫星和该卫星覆盖地球视场内任一点间建立双向点波束，并允许和欧洲区域以外的国家（美国、日本、法属圭亚那库鲁航天中心等）实现射频连通。 卫星将收到的信号放大并将频率从Ka频段下变频为55GHz，然后信号通过同轴切换矩阵进行编路，并分配到下述3个主要的

10、发射部分： 在光学频段发射信号时，首先将信号进行调制，然后送到光学终端。 在Ka频段发射信号时，首先将信号上变频到23GHz，放大后送到285米直径的反射器天线。 在S频段发射信号时，首先将信号下变频到2GHz，分两路，一路经过放大后送到反射器天线上，另一路则直接送到发射天线阵列分系统。 .的数据中继业务 根据需要，可以实现三种轨道间链路配置： ·两条频段轨道间链路和一条光学轨道间链路； ·一条频段轨道间链路、一条频段轨道间链路和一条光学轨道间链路； ·两条频段轨道间链路和一条光学轨道间链路。 轨道间链路和馈电链路之间的连通也具有灵活性；利用可控天线，甚至轨道间这

11、三种链路之外的链路也可与馈电链路连通。 信道可分为宽带信道（）和窄带信道（）两种。在前向链路中，窄带信道载波最大数据率为/， 而宽带信道载波的最大数据率为/。在返回链路中，窄带信道的最大数据率为/，宽带信道的最大数据率为/。每个轨道间链路，最多能同时容纳条前向信道， 同时能容纳的返回信道最大数量为条，其中条宽带信道，条窄带信道，它们可以灵活的方式分配到各个轨道间链路。 前向链路和返回链路均有几种类型的传输模式，取决于所选择的轨道间链路的寻址方式、信道类型、测距信号是否存在等。 系统根据传输模式规定了两个利用率等级：低利用率等级为.， 高利用率等级为0.999。高利用率等级适用于数据率达/的前向

12、链路和窄带返回链路。 一般对于频段轨道间链路要求采用扩展频谱技术，目的是为了减少在地球表面上波束照射的功率谱密度，因为较高的功率谱密度对工作在相同频段的其它业务将会产生干扰。 实现扩展频谱的技术途径是将/的二元伪噪声序列加到数据上。 为实现测距功能，在频段使用具有/的伪噪声码， 在频段使用具有/的伪噪声码。 在°相位差载波中，由伪噪声码调制数据载波。°相位载波比同相位载波最多可低的电平（同相位载波即非对称性四相移键控，）。 由于各国的数据中继卫星正朝互为备份和联网方向发展，故欧空局的系统与美国航宇局的一样，在频段采用相同的测距模式。 为实现用户航天器所要求的端端链路性能，在

13、高数据率业务中采用“信道编码”技术，而那些打算访问透明转发器的用户航天器部门，有可能在诸如对其它信道的干扰电平和功率密度等限制之内，需要设计自己专用的调制和编码方案。 3.的轨道确定（定轨）业务 系统的用户空间终端（）定位业务只限于定轨，而不能实现诸如导航那样的实时定位。 定轨的主要技术途径是：通过当时正在工作的系统频段或频段的轨道间链路，进行用户空间终端的距离和距离变化率测量。 距离和距离变化率测量是通过从地球站到卫星到用户空间终端，再从用户空间终端到卫星到地球站的路线进行信号编路来实现的。 定轨的基本要求是定轨精度，而定轨精度又受到下述主要因素的影响： ·大气影响（空气阻力、在对

14、流层和电离层中的传播损耗）； ·仪器测量误差； ·系统的位置误差； ·其它固有误差（包括地球、太阳和月球重力、太阳辐射压等）。 在上述诸误差源中，大气影响是最主要的。一般来说，这种影响主要表现在距离和距离变化率所受到的通过对流层和电离层的信号传输与折射。这两种影响的效果也有较大差异，主要取决于用户航天器实际飞行轨道倾角和轨道高度、用户航天器位置和在电离层内定轨信号传输的路径长度。电离层延迟是具有很高变化量的电子密度的函数，取决于轨道高度、地理位置、太阳方位角和太阳活动状况等多种因素。 经综合分析计算，若系统采用合适的位置精度值，那么用户航天器的定轨精度可达米的量级

15、。 然而，由于大气层的影响和建模误差的影响，对于较低的用户航天器飞行轨道，实现米的定轨精度将十分困难。如利用频段的轨道间链路，对公里以下的用户航天器定轨难以实现米精度。同样，利用频段的轨道间链路，对于公里以下的用户航天器定轨实现米精度也很困难。 三、日本数据中继与跟踪卫星（）日本以其经济和技术实力，为稳步实现航天技术的快速发展，十分重视数据中继与跟踪卫星的发展，年决定将其三步走的发展步骤变为四步走的发展策略。前三步为试验阶段：第一步是利用工程试验卫星（-）进行试验；第二步是利用通信工程试验卫星（OMETS）进行试验；第三步是利用光学轨道间通信工程试验卫星（ICETS）进行试验。第四步是发射颗实

16、用型数据中继与跟踪卫星。 .工程试验卫星 日本工程试验卫星 6于年月发射，虽未进入预定轨道，但仍进行了数据中继试验。 该卫星的基本性能如下： （）频段中继链路 频段频率为/（前向与返向）， 个部件的相控阵天线，全向等效辐射功率（）为.，增益/噪声温度比（/）为- /，前向链路带宽，返回链路带宽。 与之相配合的频段馈电链路，上、下行频率为/（或）。 该频段要求用户卫星装 S频段固态功率放大器(）。 （）频段中继链路 其前向与返向链路频率为/， 仪器装在cm 盘状万向架上。，/值为/，前向与返向带宽。 与之相配合的频段馈电链路，上、下行分别为和。 该中继链路要求用户卫星装频段行波管放大器。 （）激

17、光通信链路 和地球站进行的通信试验。发射光信号为波长，ls激光二极管，.；接收为的氩激光器；数据率为./， .cm直径的接收镜。 .通信工程试验卫星 该卫星将与日本先进地球观测卫星(ADEOS)进行数据中继试验，并与美国、欧空局进行系统互操作试验。这是研制实用型数据中继与跟踪卫星的关键项目，定于今年发射。其基本性能如下： （）频段中继链路 其前向与返回轨道间链路频率为/，m 直径的天线，控制能力为±°，前向链路采用、带宽的；返向链路为、带宽的。最大为.。 （）频段中继链路 其前向与返回轨道间链路采用/，天线直径m前向链路采用、带宽的；返回链路采用、带宽的行波管放大器，EIR

18、P 大于。 （）轨道间通信设备 可向用户航天器提供、频段双向通信链路，可以支持的用户航天器在1000km 有较好视常 轨道间链路天线系统由m直径、中心馈源并带有天线指向机构的卡塞格伦主反射器天线、m直径的副反射器和包括跟踪接收机的射频部分组成。 跟踪水平可达到： ·程序跟踪：频段°，频段±° ·载波跟踪：频段±° 馈电链路天线系统由m直径的偏置馈源格雷戈里主反射器、带有天线指向机构的40 cm副反射器和带有跟踪接收机的机箱组成。 （）和先进地球观测卫星之间进行轨道间通信试验 计划进行频段单址返回链路、频段单址前向链路和频段单

19、址返回链路等三种链路通信试验。 .光学轨道间通信工程试验卫星 日本财年批准投资亿日元启动了该项计划， 专门验证与欧空局阿蒂米斯卫星间的激光链路（年月与欧空局签订协议），1994财年拨款7.70亿日元，年又申请亿日元。为此，日本除在深入研究激光卫星间通信的可行性外，还在研究与通信研究实验室光学地球站的激光测距技术。 该卫星为kg发射重量的三轴稳定卫星，年用火箭发射，运行在 550km高度的圆轨道，设计寿命为年。 卫星的基本性能如下： 表1_日、美、欧三方互操作空间网S频段参数日本宇宙开发事业团美国航宇局欧空局前向链路调制方式UQPSK 数据率0.1300 频率2025 带宽10MHz(最小)极化

20、右旋圆极化和左旋圆极化EIRP(dBW)3843.6.41返回链路调制方式SS 数据率0.1300/s/16000kb/s 频率2200 带宽10MHz 极化右旋圆极化和左旋圆极化G值(dB/K)7.08.56.5（）轨道间链路·频段前向与返回轨道间链路（欧、日两国卫星），频率为/MHz， ，/ /。 ·激光链路 信标，接收（/）， 发射（/），的l激光二极管，cm直径的接收镜。 （）验证方案 欧空局的阿蒂米斯卫星首先向光学轨道间通信工程试验卫星发射一个可扫描的宽视场信标信号。后者捕获该信号时，主要是瞄准前者的激光波束，捕获后发出响应信号，然后进行跟踪通信。接收时要求跟踪精

21、度小于。 . 实用型数据中继与跟踪卫星 计划于2000年12月发射第一颗（170°），89月发射第颗（90°）。 卫星装载副ma/频段反射器天线。其性能如下： （）频段中继链路 其前向与返回轨道间链路频率为/， ，/值为/，前向与返回链路的带宽分别为/，数据率前向为/，返向为/。 （）频段中继链路 其前向与返回轨道间链路为/，为， 前向链路与返回链路的信道带宽为/，数据率为/。 四、美、欧、日数据中继系统的互操作与联网计划美国航宇局、欧空局和日本宇宙开发事业团都在发展、频段的数据中继与跟踪系统，年三方成立了空间网互操作委员会（），随后达成协议，建立互操作系统，以实现三方联网

22、。 研究工作大体上分两个阶段，第一阶段主要解决频段的互操作问题。第二阶段解决 Ka频段的互操作问题。 为了建立互操作系统，三方对轨道间信号的跟踪与捕获方法、通信链路分析和使用频率进行了长时间的广泛协调，从技术上已基本达成了协议。 .频段的互操作射频参数 频段互操作技术问题和建议的链路参数解决较早，协调后的参数见表1。 .频段的互操作射频参数 关于频段空间网互操作问题，协调较为复杂，最后三方都同意前向链路使用，返回链路使用。频段单址链路主要参数见表。 表2_Ka频段单址互操作信号参数日本宇宙开发事业团美国航宇局欧空局互操作空间网(SNIP)前向链路数据率BPSK：100kb/s15b/sQPSK

23、：100kb/s30b/s SQPN：1300kb/sBPSK：300kb/s25b/sSQPSK：50Mb/sBPSK：1kb/s25b/sUQPSK：1kb/s25b/sBPSK：300kb/s12.2b/s 载波频率(GHz)23.20523.445可调谐宽带：23.505窄带：23.487523.522523.12.点调谐23.205.链路带宽(MHz) 30505010EIRP(dBW)4848545(待定)返回链路数据率BPSK：160b/sQPSK：1120Mb/sSQPN：1300kb/sBPSK：1kb/s325Mb/sSQPSK：1kb/s650Mb/sBPSK：1kb/s

24、75Mb/sUQPSK：1kb/s75Mb/sQPSK：75150Mb/s BPSK：(待定)75Mb/sQPSK：78143Mb/s载波频率(GHz)25.52526.425调谐(1MHz一档)25.2527.5点调谐25.2527.5调谐(5MHz一档)25.52527.425链路带宽(3dB)150MHz 1GHz,250MHz，80MHz 225MHz 225MHz 接收G/(dB/K)26.029.422.3待定五、前苏联/ 俄罗斯的卫星数据中继网前苏联/俄罗斯的跟踪与数据中继卫星系统分军用和民用两大系统。民用系统，亦即公开系统，又分为东部、中部和西部三个独立的网络。 （一）主要的公

25、开网络及应用 苏俄的卫星数据中继网(SDRN)，根据在国际电联频率登记委员会的登记，分为卫星位于°轨道位置的东部网、卫星位于°轨道位置的西部网和卫星位于° 轨道位置的中部网。直至年月，正常运行的只有颗卫星构成的个网络：即宇宙-卫星服务的中部网和宇宙-卫星服务的西部网。 公开系统又笼而统之称为射线系统 .使用的频率 根据登记的频率，射线系统主要使用固定卫星业务频段的台转发器。 中继卫星与用户航天器间的上行、下行链路主要使用（返回链路）和（前向链路），可用带宽为。 与莫斯科、哈巴洛夫斯克地球站的跟踪、遥测和控制业务使用10.82、11.3 和z 个频段。 来自地球站的

26、馈电上行链路使用.。 实际上，所有上述工作频段均位于国际固定卫星业务子频段之内，该频段已由国际通信卫星和欧洲通信卫星使用。 .主要应用 系统的主要用途是为低地球轨道卫星提供通信和控制，为和平号空间站、联盟飞船以及早期的礼炮号空间站与地面控制站之间提供双向电视数据交换。 该系统所能提供的业务还包括： (1)世界范围电视会议业务和遥医学业务； (2)实时电视转播业务； (3)电视信息的双向交换业务并构成电视转换网； (4)在俄罗斯境外和境内边远地区出现灾害和人为事件后，提供紧急通信服务。 现在低轨道航天器和地面控制站之间的电视交换业务大约每月次，平均每次分钟。 西部网重点进行商业服务，提供电视、话音和数据业务，主要服务对象是全球性通信、华盛顿的国际电信机构和独联体的广播电视业务等。 .以低投入建立广泛的通信能力 苏/俄采取利用通信卫星、研制专用卫星等途径，从而以较低投入建立了广泛的通信能力。 （）利用地平线搭载射线数据中继转发器 在地平线卫星上搭载一台转发器（加一台备份），转发器为行波管放大器，上、下行频率分别为/，带宽，为/，天线点波束.°。 （）利用虹搭载射线数据中继转发器 虹卫星与地平线卫星类似