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中继卫星

是通信卫星的一种,主要用下数据传输,其特点是数据传输量大。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,数据传输量也越来越大,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怍,中继卫星应运而生。 [1]

中继卫星被称为“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。

跟踪与数据中继卫星系统(Tracking and Data RelaySatellite System),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服务的系统,简称中继系统。跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)是20世纪航天测控通信技术的重大突破。其“天基”设计思想,从根本上解决了测控、通信的高覆盖率问题,同时一还解决了高速数传和多目标测控通信等技术难题,并具有很高的经济效益。TDRSS系统使航天测控通信技术发生了革命性的变化,目前还在继续向前发展,不断地拓宽自己的应用领域。现在,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。我国正在积极推进研究跟踪与数据卫星系统。

用于转发地球站对中低轨道航天器的跟踪测控信号和中继航天器发回地面的信息的地球静止通信卫星。高频段电波的直线传播特性和地球曲率的影响,使地面测控站跟踪中、低轨道航天器的轨道弧段和通信时间受到限制。跟踪与数据中继卫星的作用,相当于把地面的测控站升高到了地球静止卫星轨道高度,可居高临下地观测到在近地空间内运行的大部分航天器。由适当配置的两颗卫星和一座地球站组网,可取代分布在世界各地的许多测控站,实现对中、低轨道航天器85%~100%的轨道覆盖。

高频段电波的直线传播特性和地球曲率的影响,使测控站跟踪中、低轨道航天器的轨道弧段和通信时间受到限制,跟踪和数据中继卫星相当于把地面上的测控站升高到了地球静止卫星轨道高度,一颗卫星就能观测到大部分在近地空域内飞行的航天器,两颗卫星组网就能基本上覆盖整个中、低轨道的空域。因此由两颗卫星和一个测控站所组成的跟踪和数据中继卫星系统,可以取代配置在世界各地由许多测控站构成的航天测控网。跟踪和数据中继卫星的主要用途是:

① 跟踪、测定中、低轨道卫星:为了尽可能多地覆盖地球表面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:气象、海洋、测地和资源等对地观测卫星在飞经未设地球站的上空时,把遥感、遥测信息暂时存贮在记录器里,而在飞经地球站时再转发。这种跟踪和数据中继卫星能实时地把大量的遥感和遥测数据转发回地面。

③ 承担航天飞机和载人飞船的通信和数据传输中继业务:地面上的航天测控网(见航天测控和数据采集网)平均仅能覆盖15%的近地轨道,航天员与地面上的航天控制中心直接通话和实时传输数据的时间有限。两颗适当配置的跟踪和数据中继卫星能使航天飞机和载人飞船在全部飞行的85%时间内保持与地面联系。

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,更有效地为军事服务。

1)覆盖率高

中继卫星系统极大地提高对中、低轨航天器的测控和数传的覆盖率,例如:对于一颗轨道高度为500km的卫星,如在国内设多个站,每天可测控时段只有30min~40min,而设置一颗中继卫星可将这一时间提高到10h以上;利用多颗中继星(如3颗)组网形成系统后,可实现对中、低轨航天器的全轨道覆盖,大大提高了卫星效能。

2)实时性好

可提供与载人航天器的实时联系;可实时获得中、低轨航天器观测地球产生的数据和图像,增加其实效性;能实时监控这些航天器,可明显提高其生存能力;此外和用户航天器一起,可具备提供实时观测境外热点地区突发事件的能力。在目前技术水平下,这是具备此功能的唯一系统。

3)效费比高

如果用扩大地球站网络来增加覆盖性和实时性,例如:对于轨道高度约300km的卫星,为了满足100%覆盖,必须在地球上设100多个站来实现,但实际上,考虑到经费、地理环境和政治因素,这根本不能实现。中继卫星可大幅度减少地面站、测量船的数量,具有很大的终济优势。 [2]

中继卫星在研制中遇到的独特的关键技术和难点,至少有如下几个方面:

这是建立星间传输信道的首要条件,特别是由于高速率传输的要求,相关天线的波束很窄,如美国中继卫星单址天线波束宽仅为0.28m。天线必须对高速运动的用户航天器进行捕获和跟踪,并且为了简化系统设计,用户航天器没有信标,中继卫星必须跟踪它发送的数传信号,而这种信号随用户航天器的不同,具有不同的数据速率、调制方式、频带宽度和多普勒频移。另外,由于用户航天器资源的限制,其天线尺寸和发射功率都十分有限,这些都使中继卫星对用户航天器的捕获跟踪显得特别困难。负责完成这一任务的捕获跟踪分系统具有多个关键部件(如单通道调制器、捕获跟踪接收机等)。这些关键部件的硬件和软件相当复杂,在角度误差信号的提取、处理等方面具有多项关键技术。目前美国中继卫星对中低轨航天器的自动跟踪精度约为0.06m。

由于用户航天器轨道高度较低(通常只有几百千米),在地球边缘处开始捕获时信号可能穿过大气顶层,由此产生的信号衰落将对捕获跟踪功能带来不利影响;在自跟踪过程中,还可能出现来自地面和其他卫星的干扰信号(这对工作于Ku频段的中继星较易发生),这些都是捕获跟踪设计师必须面对和尽量解决的问题。 [2]

电联规定星间链路的工作频段为Ka和s频段,美国中继卫星还使用Ku频段(严格地说,Ku频段不是可用频段,美国由于在国际电联规定前已使用此频段,故获得许可保持使用权利至今)。因此,现有中继卫星天线都工作于S/Ka或s/Ka/Ku频段。

众所周知,高的数传速率要求链路具有高的EIRP值和G/T值。这都要求中继卫星单址天线具有高的增益。例如,美国第二代中继卫星单址天线Ku频段就达51.7dB-52.6dB,勋频段达54.7dB-56.4dB。如此高的增益要求其天线具有极高的电尺寸D/A,美国第二代中继卫星天线的D/A即达400,这相当于一个工作于2GHz的60m直径天线的电尺寸。所以,到目前为止,无论是哪国研制的中继卫星,其单址天线的电尺寸都是所有卫星天线中最大的。

工作波长越短,要求天线反射面的形面精度就越高,例如,工作于Ka频段的中继天线,如果要求其形面误差产生的天线增益损失小于0.5dB,天线主反射面的形面误差就必须小于0.3mm,这不但包括加工产生的误差,还应包括天线在轨时由于极端的真空环境和温差(可达250°C以上)环境对反射面形变的影响,这对于直径达几米的天线是一项异常艰难的任务。目前,用于中继卫星的大型天线有固面和网状两种,前者尺寸适中,一般达3m左右,后者尺寸可做得更大(如美国中继卫星达4.8m左右),但由于工作于Ka频段,研制难度更大,网状反射面在轨电性能和形面精度很难保证,目前美国第二代中继卫星后2颗星已开发了反射面在轨形面调整技术,但这使技术难度明显增加。

此外,这种天线还应提供双频或三频的跟踪功能,具有性能优异的射频敏感器等。所以,可以毫不夸张地说,中继卫星的超大D/A比的多频段精密跟踪天线是目前研制难度最大的星载天线。 [2]

中继卫星在轨工作时,大型单址天线处于轨迹复杂、速度变化的运动状态。这种天线一般配置一两副,每副天线转动部分(包括相应的高频箱)的质量可达100kg以上。星体和运动的天线之间存在严重的动力学耦合,加上天线本身是一个非线性、柔性结构系统,要想使波束极窄的天线完成对快速响应空间航天器的捕获跟踪任务,必须攻克高精度复合控制技术。应进行的工作至少包括考虑各系统和相关部件(如天线反射面、天线驱动机构、支撑杆和绞链等)的模态频率、阻尼等挠性影响,完成挠性结构动力学建模和分析,考虑天线运动速度、产生的干扰力矩和卫星姿态运动的综合影响。国际上采用的手段有前馈、反馈和补偿等。中继卫星的这一控制难题无论在理论上、设计上和地面验证试验上都是对设计人员的巨大挑战。

如果天线选用网状天线的形式,其挠性特性、结构振动特性和与卫星的耦合动力学特性将更为复杂,复合控制也会更加困难。 [2]

为了提高射频性能,多数中继卫星(如美国第一、第二代中继卫星,日本的DRTS等)的单址天线的大型主反射面背部都有一个装有多台Ku/Ka频段设备的高频箱,此天线反射面对高频箱的热控影响极大:一方面它产生遮挡,影响高频箱散热面的辐射散热;另一方面它还引起高频箱外热流在一个日周期内的巨大变化;再加上天线在轨完成捕获跟踪功能时要不断转动,使得主反射面、高频箱和太阳光的夹角不断变化,使外热流变化规律十分复杂,这给热控设计带来了很大的困难。此外,由于高频箱内捕获跟踪设备对相位关系要求很严,又工作在Ku/Ka频段,这对相应部位的温度变化提出了高的要求。因此,为了获得好的性能,必须攻克这一特殊的热设计问题。并且这一问题对采用固面反射面天线更为突出。 [2]

和通信卫星相比,中继卫星的总体设计存在一些特点:

(1)分析表明,如果设计好,中继卫星完全可在轨道倾角变化较大(如±40°,甚至更大)的条件下工作,也就是说,并不要求严格的南北位置保持,卫星寿命并不以星上装载大量推进剂为必要条件。在通信卫星总体设计中经常困惑设计师的推进剂多少决定卫星寿命的问题,对中继卫星来说则可用全新的思路来解决,从而明显提高卫星平台的能力。例如:一颗干重约1150kg的地球静止轨道中继卫星,定点后一般需要290kg左右推进剂以维持8年寿命;如果改进设计(如增加对地天线指向调节功能等),卫星定点时可工作在倾角-4°的地球同步轨道,不进行南北位置保持,最多只需60kg推进剂,即可达到8年~9年寿命。卫星可节省约200kg(考虑改进设计还需要一些质量)的推进剂重量,这应是一个跨越式的进步,总体设计师应利用或部分利用这一特点,研制出效能比更好的中继卫星。

(2)由于天线、高频箱等星外部件即使在收拢状态体积也很大,设计师在解决卫星和运载火箭整流罩的兼容问题时将会遇到困难,这在卫星本体尺寸大的情况下将更加突出。

(3)对功率需求不大,目前各个中继卫星的卫星功率都只有2kW左右,明显低于普通通信卫星。

(4)和同时代的大型通信卫星相比,起飞质量相对较低,目前最重的是美国第二代中继卫星,约3100kg,其他的中继卫星的起飞质量都在2200kg~2700kg左右。

加上其他技术上的原因,原来为一般通信卫星量体裁衣开发的大型公用平台用于中继星并不完全适用,在研制中要进行较多的改动,这也是研制中的一个难点。例如,美国第二代中继卫星就选用了BSS-601平台的改型。据报道,新订货的美国第三代中继卫星(首颗星将于2012年底发射)仍使用BSS-601平台,并未选用波音卫星系统公司的能力最大的BSS-702平台。 [2]

1983年4月,美国从“挑战者”号航天飞机上发射了第一颗跟踪和数据中继卫星(TDRS),它是现代最大的通信卫星,也是首次在一颗卫星上同时采用S、C和Ku3个频段的通信卫星。卫星重2吨多,太阳电池翼伸开后,翼展达17.4米,横向跨度为13米。卫星工作10年后,太阳电池阵仍可提供1850瓦功率。星体采用三轴姿态控制稳定方式(见航天器姿态控制)。卫星上装有 7副不同类型的天线。两副直径4.9米抛物面天线在卫星发射过程中收拢成筒状,入轨后通过机械螺杆控制撑开呈伞形,每个天线有两副馈源,分别用于S和Ku频段的跟踪和数据中继。一副直径为 2米的抛物面天线用于对卫星通信地球站的Ku频段双向通信。这3副天线均装在精密的万向架上,由地面指令控制,能自动跟踪其他航天器,指向精度达0.06°。星体中部是30个螺旋组成的S频段相控阵天线,用作多址通信。还有一副直径1.12米的Ku频段抛物面天线和一副C频段铲形天线,用于美国国内通信。Ku、S频段转发器能提供的通信容量有20个S频段多址信道,2个S频段单址信道和2个Ku频段单址信道。此外,12个C频段转发器可传输电话、电视和数据等。

数量:6颗。

1983年4月4日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,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。其中包括著名的哈勃望远镜。如今,美国正在研制下一代的高级跟踪与数据中继卫星系统(ATDRSS)新一代跟踪数据中继卫星计划再发射3颗卫星,称为TDRS-H, I, J.其中TDRS-H和I已于2000年6月和2002年9月发射升空。TDRS-H处于部分工作状态,TDRS-I处于校验状态。目前,美国TDRSS系统的空间部分由地球同步轨道上的6颗在轨中继星组成,即TDRS-F1、F3、F4、F5、F6、F7(TDRS-F2发射失败)。另外,还有ATDRSS系统的TDRS-H、I。

数量:4颗以上;即2颗以上军用,2颗民用。

前苏联/俄罗斯已拥有多个军用和民用数据中继卫星系统。

军用系统又称为保密的数据中继系统,1982年5月发射首颗,1986,1989年又相继发射两颗,都定点于西经14度。可见这种系统至少有2颗卫星同时在轨服务。

民用系统又称为“射线”系统,也称为保密的数据中继系统分为东部、中部和西部3个独立的网络。从1985年至今已发展了两代“射线”中继星,其空-地段采用Ku波段,空一空段采用UHF波段。直至1993年3月,正常运行的只有2颗卫星构成的两个网络:即“宇宙”1897卫星服务的中部网和“宇宙”2054卫星服务的西部网。前苏联的数据中继卫星同其它类型的卫星一样,寿命较短,因此隔2-3年至少要发射一颗。

数量:2颗。

欧洲航天局于1989年决定发展数据中继卫星,期间有过一些停顿,到1993年欧洲空间局才决定恢复DRS计划。1999年发射第一颗,2003年发射第二颗。

数量:2颗。

日木宇宙开发事业团对日本的数据中继和跟踪卫星DRTS进行了规划,并于1993年确定了4步走的发展策略:

(1)1995年利用工程试验卫星(ETS)6进行试验;

(2)1997年利用通信工程试验卫星COMETS进行试验;

(3)1998年利用光学轨道间通信工程试验卫星OICETS进行试验;

(4)2000年发射2颗实用型数据中继和跟踪卫星。

DRTS系统的目的在于为日本空间活动,如地球观测和国际空间站计划,建立通信基础设施。

数量:4颗。

2008年4月25日23时35分4月26日,我国首颗数据中继卫星“天链一号01星”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,填补了我国卫星领域的又一空白。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,到目前为止已取得了一定的成果。

2011年发射了天链一号02星。

2012年7月25日23时43分,中国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭将“天链一号03星”顺利发射升空,并成功送入太空预定轨道。“天链一号03星”是中国发射的第三颗地球同步轨道数据中继卫星,其成功发射后,将实现“天链一号”卫星全球组网运行,标志着中国第一代中继卫星系统正式建成。 [3]

2016年11月22日23时24分04秒,我国在西昌卫星发射中心使用长征三号丙运载火箭成功将天链一号04星送入太空。

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: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: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%。


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