第9章跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)9.1系統(tǒng)概述9.2國外跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展9.3美歐日TDRSS的聯(lián)網(wǎng)互操作9.4我國的跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)9.5本章小結(jié)

9.1系統(tǒng)概述

跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(TDRSS,TrackingandDataRelaySatelliteSystem)簡稱中繼衛(wèi)星系統(tǒng),是為中、低軌道的航天器與航天器之間、航天器與地面站之間提供高覆蓋率數(shù)據(jù)中繼、連續(xù)軌道跟蹤與測控的通信系統(tǒng)。

跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星主要應(yīng)用在以下幾個(gè)方面:

(1)跟蹤和測定中、低軌道衛(wèi)星。

(2)為對地觀測衛(wèi)星實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)遙感、遙測數(shù)據(jù)。

(3)承擔(dān)通信和數(shù)據(jù)傳輸中繼業(yè)務(wù)。

(4)滿足軍事特殊需要。

9.1.1系統(tǒng)組成及工作原理

跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)一般由空間部分、地面終端和中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的服務(wù)對象用戶航天器三個(gè)主要部分組成。圖9-1是由兩顆地球同步衛(wèi)星構(gòu)成的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的系統(tǒng)組成。

圖9-1跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)組成

9.1.2系統(tǒng)特點(diǎn)

從組成和工作原理角度來看,跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)對用戶航天器有很高的軌道覆蓋率。

(2)對用戶航天器進(jìn)行集中管理。

(3)能減少地面站的數(shù)目,節(jié)省經(jīng)費(fèi)。

(4)具有強(qiáng)大的跟蹤和數(shù)據(jù)傳輸能力,服務(wù)質(zhì)量高。

由于受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和中繼衛(wèi)星技術(shù)水平的限制,跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)有如下不足點(diǎn)需改進(jìn):

(1)不能跟蹤高軌道衛(wèi)星。

(2)提高了對用戶航天器的要求。

(3)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的位置固定,而且所有中、低軌道用戶都由該系統(tǒng)控制,因此一旦中繼衛(wèi)星受到干擾或者破壞,整個(gè)系統(tǒng)將陷于癱瘓狀態(tài)。

9.1.3系統(tǒng)的通信業(yè)務(wù)和鏈路特性

跟蹤與數(shù)字中繼衛(wèi)星系統(tǒng)對用戶航天器提供3種服務(wù):Ku頻段單址勤務(wù)(KSA)、S頻段單址勤務(wù)(SSA)、S頻段多址勤務(wù)(SMA)。KSA為Ku頻段單用戶提供高數(shù)據(jù)率服務(wù),SSA為S頻段的單用戶提供中等數(shù)據(jù)率服務(wù),SMA為多達(dá)20個(gè)的用戶提供低數(shù)據(jù)率服務(wù)。3種服務(wù)都能在數(shù)據(jù)通信的同時(shí)完成目標(biāo)的測距與測速。

中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的鏈路主要有空地鏈路、軌道間鏈路、星間鏈路、前向鏈路和反向鏈路。

(1)空地鏈路也稱為饋電鏈路,主要用于建立中繼衛(wèi)星與地面站之間的通路。一個(gè)鏈路中可包含多路復(fù)用信道,也有上行與下行之分。

(2)軌道間鏈路是中繼衛(wèi)星與用戶航天器位于不同傾角和高度的軌道時(shí)所構(gòu)建的通路。

(3)星間鏈路是指同一軌道上不同位置的中繼衛(wèi)星或衛(wèi)星之間的通路。

(4)前向鏈路包括地面站經(jīng)中繼衛(wèi)星到用戶航天器、中繼衛(wèi)星到用戶航天器、星間鏈路中的主星到輔星的連通鏈路。

(5)反向鏈路包括用戶航天器經(jīng)中繼衛(wèi)星到地面站、用戶航天器到中繼衛(wèi)星以及星間鏈路中的輔星到主星的連通鏈路。

圖9-2是由地面站中繼衛(wèi)星用戶航天器構(gòu)成的前向鏈路傳輸信道。其中從地面站到中繼衛(wèi)星發(fā)送Ku頻段信號,是7路頻分復(fù)用信號,它們是:

(1)中繼衛(wèi)星到用戶航天器的2個(gè)S頻段單址鏈路(SSA):提供S頻段單路服務(wù),即各用S頻段的一個(gè)頻道為一個(gè)用戶航天器提供服務(wù)。

(2)中繼衛(wèi)星到用戶航天器的2個(gè)Ku頻段單址鏈路(KSA):提供Ku頻段的單路服務(wù),即各用Ku頻段的一個(gè)頻道為一個(gè)用戶航天器提供服務(wù)。

(3)中繼衛(wèi)星到用戶航天器的1個(gè)S頻段多址鏈路(SMA):為S頻段的20個(gè)用戶提供服務(wù),用S頻段的一個(gè)頻率和20個(gè)不同的PN碼代表20個(gè)地址為20個(gè)用戶航天器提供服務(wù)。

(4)遙控指令信道:用于發(fā)送對中繼衛(wèi)星進(jìn)行控制的遙控指令。

(5)導(dǎo)頻信道:向中繼衛(wèi)星提供頻率基準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)頻率相干。

圖9-2中繼衛(wèi)星系統(tǒng)前向鏈路結(jié)構(gòu)示意圖

由用戶航天器中繼衛(wèi)星地面站構(gòu)成的反向鏈路傳輸信道如圖9-3所示。在用戶航天器到中繼衛(wèi)星的星間傳輸段中,各用戶航天器向中繼星反向發(fā)射S頻段或Ku頻段載波信號,載波信號包含用戶星要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號、遙測信號和轉(zhuǎn)發(fā)的測距偽隨機(jī)碼信號。

圖9-3中繼衛(wèi)星系統(tǒng)返向鏈路傳輸信道

中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的前向鏈路中,3種服務(wù)都采用統(tǒng)一的信號形式,這有利于地面站、中繼衛(wèi)星以及用戶航天器相應(yīng)部分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。但由于反向鏈路業(yè)務(wù)相對復(fù)雜,數(shù)據(jù)速率變化較大,需要將其分為兩個(gè)數(shù)據(jù)組,每個(gè)數(shù)據(jù)組又分為不同的模式,因此在用戶航天器經(jīng)中繼衛(wèi)星到地面站的反向通信鏈路的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須分別考慮。

9.2國外跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展

9.2.1美國TDRS系統(tǒng)圖9-4是美國的跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)分布圖,其主要組成有空間部分、地面終端以及用戶終端三部分,下面將詳細(xì)論述。

圖9-4美國的跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)分布

1.空間部分

美國的TDRS空間部分包括地球同步軌道上的9顆TDRS衛(wèi)星,其中一代中繼星4顆、二代3顆、三代2顆。第一代TDRS共發(fā)射了7顆星,TDRS2發(fā)射失敗,TDRS1和TDRS4已經(jīng)退役并脫軌,二代和三代補(bǔ)充并增強(qiáng)了原有TDRS的功能。

第一代TDRS采用三軸穩(wěn)定系統(tǒng),質(zhì)量約2300kg,太陽電池翼直徑達(dá)17m,額定功率為1700W。圖9-5給出了一代TDRS星的外形結(jié)構(gòu)。

圖9-5美國一代TDRS的外形結(jié)構(gòu)

第二代TDRS的外形結(jié)構(gòu)如圖9-6所示。圖9-6美國二代TDRS的外形結(jié)構(gòu)

美國第一代、第二代TDRS的性能特點(diǎn)如表9-1所示。

第三代TDRS的外形圖如圖9-7所示。圖9-7美國三代TDRS的外形圖

2.地面終端

1998年,第三個(gè)地面站即關(guān)島遠(yuǎn)方終端站GRGT作為WSGT的擴(kuò)展建成并投入使用。GRGT的建成使NASA真正向用戶提供了高效的、100%的全球通信。白沙綜合設(shè)施

目前有7套自主工作的空地鏈路終端SGLT,其中WSGT有2套、STGT有3套,SGLT有2套。圖9-8所示為TDRS系統(tǒng)白沙綜合設(shè)施。

圖9-8TDRS系統(tǒng)白沙綜合設(shè)施

3.用戶終端

TDRS系統(tǒng)通過NASA通信網(wǎng)接口,在用戶終端控制中心和在軌用戶終端之間,提供S、Ku和Ka3個(gè)頻段的前向和反向通信鏈路以及信息傳遞業(yè)務(wù)。除此之外還提供用戶航

天器仿真和TDRS系統(tǒng)校驗(yàn)業(yè)務(wù),利用地面終端站產(chǎn)生的數(shù)據(jù)模仿用戶航天器,校驗(yàn)TDRS系統(tǒng)的性能。

9.2.2俄羅斯SDRN系統(tǒng)

俄羅斯的跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(SDRN,SatelliteDataandRelyNework)包括軍用和民用兩大系統(tǒng)。軍用系統(tǒng)稱為急流系統(tǒng),民用系統(tǒng)稱為射線系統(tǒng)。

射線系統(tǒng)的主要用途是為低地球軌道衛(wèi)星提供通信和控制,為禮炮號空間站、和平號空間站、聯(lián)盟號系列載人飛船與地面測控站之間提供雙向電視、數(shù)據(jù)交換。同時(shí)還可以用

于電視轉(zhuǎn)播、電視會(huì)議和應(yīng)急通信。除此之外,該系統(tǒng)所能提供的業(yè)務(wù)還包括:世界范圍電視會(huì)議業(yè)務(wù)和遙醫(yī)學(xué)業(yè)務(wù);實(shí)時(shí)電視轉(zhuǎn)播業(yè)務(wù);電視信息的雙向交換業(yè)務(wù)并構(gòu)成電視轉(zhuǎn)換網(wǎng);在俄羅斯境外和境內(nèi)邊遠(yuǎn)地區(qū)出現(xiàn)災(zāi)害和人為事件后,提供緊急通信服務(wù)。

第一代射線衛(wèi)星的主要技術(shù)特性如表9-2所示,其中早期發(fā)射的宇宙系列衛(wèi)星的部分指標(biāo)略低于表中參數(shù)。

圖9-9和圖9-10分別是射線5A與射線5B的外形圖,從外形上看,它們和美國第一代TDRS類似。第二代射線衛(wèi)星的主要技術(shù)特性見表9-3。

圖9-9-射線5A外形圖

圖9-10射線5B外形圖

9.2.3歐洲EDRS系統(tǒng)

1989年,歐空局制訂了分兩步走的策略發(fā)展數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星,有14個(gè)歐洲國家參與此計(jì)劃。計(jì)劃第一步是先發(fā)射試驗(yàn)型光學(xué)通信衛(wèi)星阿蒂米斯,第二步是發(fā)射工作型數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星DRS。

阿蒂米斯衛(wèi)星的重要試驗(yàn)任務(wù)主要有三項(xiàng):

一是半導(dǎo)體激光星間鏈路通信試驗(yàn);

二是作為未來數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的試驗(yàn)衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)中繼試驗(yàn);

三是為歐洲大陸車輛進(jìn)行L頻段的移動(dòng)通信試驗(yàn)。

表9-4給出了歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的主要技術(shù)特性。

9.2.4日本DRTS系統(tǒng)

隨著空間站時(shí)代的到來,會(huì)有許多航天器工作在低地球軌道,而這些航天器只由地面站直接進(jìn)行控制是不夠的。另一方面,日本認(rèn)為國際合作也是必不可少的。因此,日本決

定研制自己的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng),以促進(jìn)日本的空間活動(dòng)。

1993年,日本宇宙開發(fā)事業(yè)團(tuán)確定了日本數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系

實(shí)用型數(shù)據(jù)中繼試驗(yàn)衛(wèi)星DRTS于2002年9月發(fā)射成功,原計(jì)劃發(fā)送兩顆,但其中一顆的研制因故中止。DRTS衛(wèi)星為日本先進(jìn)地球觀測衛(wèi)星、國際空間站及日本希望號實(shí)驗(yàn)艙等提供了數(shù)據(jù)中繼服務(wù),取得了重要成果。DRTS衛(wèi)星的主要技術(shù)特性如表9-5所示。

9.3美歐日TDRSS的聯(lián)網(wǎng)互操作

隨著空間活動(dòng)的國際化,中繼衛(wèi)星系統(tǒng)對低軌道用戶星的覆蓋均存在盲區(qū),且由于歐、日條件不足,美、歐、日產(chǎn)生了大聯(lián)合的思想,即國際大聯(lián)網(wǎng),以期在系統(tǒng)運(yùn)行中能夠提供相互支持。1985年美國宇航局、歐空局和日本宇宙開發(fā)事業(yè)團(tuán)成立了空間網(wǎng)互操作委員會(huì),此后相繼召開了四次會(huì)議,一致贊成三網(wǎng)互操作,并制訂方案,逐步實(shí)施。

研究工作大體上分為兩個(gè)階段:第一階段主要解決S頻段的互操作問題;第二階段解決Ka頻段的互操作問題。為了建立互操作系統(tǒng),三方對軌道間信號的跟蹤與捕獲方法、通

信鏈路分析和使用頻率進(jìn)行了長時(shí)間的廣泛協(xié)調(diào),從技術(shù)上已基本達(dá)成協(xié)議。

表9-6給出了三方的S頻段互操作射頻參數(shù)。

表9-7是美歐日三方協(xié)調(diào)后Ka頻段單址鏈路互操作射頻信號參數(shù)。

9.4我國的跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)

20世紀(jì)80年代初期空間站還處于早期的論證階段,我國就已開始跟蹤TDRS系統(tǒng),并展開一系列預(yù)研工作,取得了一定成果。我國中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展大致分為兩步:第一步建立單星系統(tǒng),使其最大反向數(shù)據(jù)率達(dá)到數(shù)百兆比特每秒,對用戶航天器的軌道覆蓋率達(dá)50%以上;第二步采用大型衛(wèi)星平臺(tái)建立雙星系統(tǒng),通過2顆衛(wèi)星對用戶航天器實(shí)現(xiàn)85%的軌道覆蓋率。

天鏈一號中繼衛(wèi)星系統(tǒng)和國外同類系統(tǒng)相比,有其自己的特點(diǎn)。首先,結(jié)合中國國情,利用地域遼闊和已初具規(guī)模的地面高速光纖干線設(shè)施,配置較少的衛(wèi)星,只在國內(nèi)設(shè)管控

站,構(gòu)建了具有準(zhǔn)全球覆蓋能力的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。其次,雖然第一顆中繼衛(wèi)星發(fā)射較晚,但發(fā)展十分迅速,僅用4年時(shí)間就建成了準(zhǔn)全球覆蓋的三星組網(wǎng)系統(tǒng),并實(shí)現(xiàn)了多方面的實(shí)際應(yīng)用。再次,基于充分的論證,采用了和美國TDRS系統(tǒng)星地大回路控制不同的捕獲跟蹤方案,在軌獲得了很好的效果。最后,一些關(guān)鍵部件實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化,擁有多項(xiàng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

當(dāng)前,數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)還處在不斷發(fā)展的過程中,包括中國在內(nèi)的許多國家都對有關(guān)中繼衛(wèi)星的先進(jìn)技術(shù)和應(yīng)用開展了深入研究,用以提高現(xiàn)有中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的性能,發(fā)展下一代系統(tǒng)。

9.5本章小結(jié)

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展,各種航天器的數(shù)量和種類不斷增加,如果依然采用地基測控系統(tǒng),難以滿足航天器測控全軌道覆蓋和未來航天測控高數(shù)據(jù)傳輸率的要求,中繼衛(wèi)星概念的提出開創(chuàng)了天基測控的新時(shí)代。

跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)以其高覆蓋率、高數(shù)據(jù)率和多目標(biāo)測控能力在空間技術(shù)發(fā)展中起到了極其重要的作用,日益受到世界各國的重視。20世紀(jì)80年代開始,美、俄、歐、

日相繼研發(fā)出自己的跟