跟踪与数据中继卫星系统-概述

第四章跟踪与数据中继卫星系统

〔TDRSS〕4.1概述4.2TDRSS的组成及工作原理4.3数据中继和测距、测速4.4TDRSS的应用4.5TDRSS的开展天基测控通信网：跟踪与数据中继卫星系统4.1概述.解决了测控、通信的高覆盖率问题.解决了高速数传和多目标测控通信等.具有较高的经济效益简称TDRSS，是为中、低轨道的航天器与航天器之间、航天器与地面站之间提供数据中继、连续跟踪与轨适测控效劳的系统，简称中继系统。“天链一号〞是我国第一颗地球同步轨道数据中继卫星，主要用于为中国神舟载人飞船及后续载人航天器提供数据中继和测控效劳。同时，为中国中、低轨道资源卫星提供数据中继效劳，为航天器发射提供测控支持。天链一号TDRSS的用途：①跟踪、测定中、低轨道卫星：为了尽可能多地覆盖地球外表和获得较高的地面分辨能力，许多卫星都采用倾角大、高度低的轨道。跟踪和数据中继卫星几乎能对中、低轨道卫星进行连续跟踪，通过转发它们与测控站之间的测距和多普勒频移信息实现对这些卫星轨道的精确测定。

②为对地观测卫星实时转发遥感、遥测数据③承担航天飞机和载人飞船的通信和数据传输中继业务④满足军事特殊需要：以往各类军用的通信、导航、气象、侦察、监视和预警等卫星的地面航天控制中心，常须通过一系列地球站和民用通信网进行跟踪、测控和数据传输。跟踪和数据中继卫星可以摆脱对绝大多数地球站的依赖，而自成一独立的专用系统，更有效地为军事效劳。4.1.1天基测控系统的根本概念飞行器运行轨迹地面测控站地平线图4.1地面测控系统的覆盖限制地面测控站缺点：当采用地面测控站时，由于电波直线传播特性和地面曲率的限制，它对绕地飞行器的覆盖范围时有限的。雷达波束死区飞行器运行轨迹地面测控站地平线图4.1地面测控系统的覆盖限制雷达波束死区中继卫星图4.2一颗TDRS星覆盖图不可覆盖区如移到同步轨道高度，经过计算，利用一颗中继卫星，在最不利的情况下，可对200KM高的卫星也能跟踪其52%以上的轨道；对2000KM高的卫星，覆盖范围可高达68%以上。覆盖率的计算4.1.2内容使用两颗经度相隔130°的中继星，

对轨道高度为200KM的卫星，可覆盖85%以上的轨道，但存在一个不能覆盖的死区。图4.3两颗TDRS星覆盖图TDRS1TDRS2死区

对高度1200—2000KM的卫星，那么能覆盖100%轨道。

为了实现100%的地面覆盖，较好的方案是需再设一个TDRS3。中继卫星对用户卫星覆盖的计算假定中继卫星轨道半长轴为标准地球同步半径、用户星轨道偏心率不大〔即可认为是圆轨道〕，下面可以分3种情况讨论中继卫星跟踪用户星的时候地球的遮挡。我们用Hs代表用户星高度，Re代表地球半径，Rs代表中继卫星的高度。①中继卫星与地心的连线垂直于用户星轨道平面时，中继卫星对用户卫星始终可见，覆盖最大，追踪效果最好。中继卫星对用户卫星覆盖的计算②中继卫星位于用户星轨道平面时，中继卫星跟踪用户星，覆盖用户星是最差的。图中，弧ABCD的长度是用户星的可见弧段，也就是中继卫星对用户星的覆盖弧段。覆盖率=2(α+β)/2π中继卫星对用户卫星覆盖的计算③中继卫星到地心的连线既不垂直于用户星轨道平面，也不平行于用户星轨道平面，覆盖率介于两者之间，用户星一个轨道周期内既可能出现地球遮挡，也可能完全覆盖。

4.1.2TDRSS的特点和“T〞、“DR〞综合的根本原理TDRSS的特点表现在，它既与同步卫星通信不同，又与“TT&R〞不同。它与同步卫星的区别：①TDRSS要对用户星定轨。②TDRSS测控目标为高速空间飞行器；而卫星通信的用户为地球外表的卫星通信固定站或速度较低的移动通信站。③TDRSS要进行高速数据中继传输。④TDRSS能进行多目标测控通信。其多址通信的方法，包括码分多址和时分多址，并采用了TDRS星载相控阵天线及其多波束地面形成等新技术。TDRSS改进了统一载波系统中用频分复用来统一完成各种测控功能的方案，而采用时分复用和扩频复用来实现多种测控功能和数传功能的统一。这种“时分/扩频〞统一的原理，包括6个主要的技术要素：①时分复用。②一码多用。③I/Q正交复用。④纠错编、译码。⑤高速数传技术。⑥扩频测距。TDRSS的特点如下：①高覆盖率。②多目标测控通信。可同时对20个用户进行低速率测控通信，对4个用户进行中、高速率测控通信。③高的数传速率。④可取代全球布站，大大减少地面测控站数目及其维护费用。⑤可对很多用户航天器进行集中管理。TDRSS的多波束多目标测控通信4.13TDRSS定轨原理在TDRSS中，对用户航天器的定轨，采用的方法是：“动力学”法。（法）利用地面终端站→中继卫星→用户航天器→中继卫星→地面终端站的双向测距测速数据来定轨，电波的传播顺序为→→→→地面站测得和，从中扣除已测得的和，可得到

和航天飞机见的和，再根据轨道方程计算出用户航天器的轨道TDRS1TDRS2图4.5TDRSS对用户航天器的动力学测量采用三站测距交汇法可以对中继卫星进行精确定位，称为3法。中继卫星副站1副站2副站3主站正向信号反向信号图4.6对TDRSS的定位从主站向中继卫星发测距测速信号，数据处理系统一路从中继卫星返回地面，另两路分别送到远距离的、与主站呈三角形分布的两个无人应答站副站1和副站2，

通过该两站转发至中继卫星，再转发回主站，由此测得中继卫星与三个地面站的距离。4.1.4TDRSS概貌及其中继通信空间网络TDRSS是天/地大回路的长通道传输，它的传输通道划分为正向通道和反向通道。TDRSS地面终端站

用户航天器TDRS中继卫星遥控、跟踪（TT&C）遥控、跟踪（TT&C）TDRSS上行（K频）正向、遥控、跟踪用户星合练（S/K频）MA.SSA.KSA正向TDRSS下行（K频）反向、遥测、跟踪用户星合练（S/K频）MA、SSA、KSA反向MA、SSA正向（S频）遥控、跟踪MA、SSA反向（K频）遥测、跟踪KSA正向（S频）遥控、跟踪KSA反向（K频）遥测、跟踪TDRSS发射运载器机械电气1.正向通道：由地面→TDRS→用户航天器的通道。由图可见，地面终端站上行向TDRS星发射K频段信号，它是7路频分复合信号。①TDRS↔用户航天器的两个S频段单通道〔或S频段单址，简称SSA〕②TDRS↔用户航天器的两个K频段单通道〔或K频段单址，简称KSA〕③TDRS↔用户航天器的一个S频段多通道〔或称多址MA，又称SMA〕④遥控指令通道〔TC〕，用于TDRS的控制〔不再转发〕⑤导频通道〔GF〕TDR