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1、跟踪与数据中继卫星系统发展与研究张男摘 要：跟踪与数据中继卫星是航天技术发展的必然趋势。本文主要研究了各国跟踪与数据中继卫星系统现状，并对其未来发展进行了探讨。关键词:跟踪与数据中继卫星系统；跟踪与数据中继卫星Development And Research Of Tracking and Data Relay Satellite SystemAbstract: Tracking and data relay satellite is the inevitable trend of the development of Aerospace Technology，This paper mainl
2、y researches the tracking and data relay satellite system status quo, and the future development are discussed.Keywords: Tracking and Data Relay Satellite System；Tracking and Data Relay Satellite0引言跟踪与数据中继卫星（TDRS）是装有跟踪与通信转发设备的地球同步静止轨道卫星，用于中、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、连续跟踪与轨道测控等服务，其有利的空间位置可以有效地提高地
3、面站的传输效率，满足各种航天器实时通信的要求。美国是最早研制中继卫星的国家，20世纪80年代初开始陆续进行TDRS的发射部署，目前已有两代共8颗中继卫星在轨组网运行，具备全球轨道覆盖能力，计划在2012年补充三代TDRS来满足2025年前的用户需要1。俄罗斯继承了前苏联的航天遗产，其卫星数据中继网主要包括军用急流（POTOK）和民用射线（LUCH）系统2。欧洲航天局发展ARTEMIS计划和DRS计划，现仅有一颗阿蒂米斯试验型中继卫星在轨3。日本制定了包括ETS-VI，COMETS，OICETS和DRTS四部走的发展策略，现有一颗数据中继试验卫星在轨4。我国从2008年至今已发射在轨“天链一号”
4、01、02号星，形成了覆盖国土大经度间距的中继卫星系统，有效提高了我国航天测控水平。1美国数据中继卫星20世纪60年代，NASA为了向用户提供更高的近地轨道覆盖率以及规避国外建设地面站的需要，开始研究和设计军民两用跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS）。1976年，NASA正式启动了第一代TDRS的研制工作；到1988年，美国建立TDRSS的两节点空间体系，从而能够为TDRSS用户提供全时段覆盖服务；目前，TDRSS系统已 图1 TDRSS配置（2010年12月）发展成6颗一代卫星（F1-6）、3颗二代卫星（TDRS H、I、J）和三个地面站组成的完善系统。如图1所示。 19831995年，美国
5、相继把6颗一代TDRS送入轨道，一代星上有两副能够同时提供S、Ku频段业务的单址天线（SA）以及1副S频段多址（MA）相控阵天线，对于多址业务，由于当时技术水平以及卫星平台对载荷的重量和空间等约束，采用了地面波束形成的方式，由白沙地面终端站（WSGT）进行星地链路控制及中继转发。20002002年，为满足日益增强的通信业务需求，尤其是空间站的需求，美国又先后发射了3颗二代TDRS，与一代星相比，二代TDRS主要有以下变化：增强了多址业务返向（MAR）性能，这主要是考虑到将部分S频段单址（SSA）用户迁移到MA业务上；单址天线增加了Ka频段业务，这是因为NASA的频率分配主要是在该频段且打算将未
6、来的用户迁移至Ka频段；增加了在地球同步轨道上并置TDRS的能力（共位），在必要时由2颗部分工作的TDRS提供由1颗全功能卫星所提供的服务；对200km高度用户航天器轨道覆盖率为100%。2006年，NASA分析TDRSS需求及在轨TDRS剩余寿命，认为需要在2012年补充该星座，启动了三代TDRS（TDRS-K&L+M&N）的研发采购工作。在技术上，三代TDRS将基于二代TDRS设计，遵循一代TDRS的地面形成S频段多址返向波束体系结构，继续提供按需接入业务，保留支持TDRS共位的双频段测控（TT&C）但要求升级星上指令和遥测链路安全系统（COMSEC）。美国一、二代TDRS性能特点如表1所
7、示。表1 美国一、二代TDRS性能特点5时间业务参数一代TDRS二代TDRS单址链路数2 SSA；2KuSA2SSA；2KuSA；2KaSA多址前向链路数1条10kbps1条300kbps1）多址返向链路数5条100kbps（最多可有20条）5条3Mbps用户跟踪精度150m（3）150m（3）当前SSA前向最大速率7Mbps7Mbit/s调制方式数据率300kbps：QPSK/SS-BPSK；300kbps数据率7Mbps：BPSK；数据率1Mbps：PCM/PM；数据率8kbps：PCM/PM数据率300kbps：QPSK/SS-BPSK；300kbps数据率7Mbps：BPSK；数据率1
8、Mbps：PCM/PM；数据率8kbps：PCM/PMSSA返向最大速率（I+Q）6Mbps（1/2速率编码）6Mbps（1/2速率编码）前向纠错模式1/2或1/3速率卷积编码1/2或1/3速率卷积编码SMA前向最大速率300kbps300kbps调制方式QPSK/SS-BPSKQPSK/SS-BPSKSMA返向最大速率（I+Q）300kbps（1/2速率编码）3Mbps（1/2速率编码）前向纠错能力1/2速率卷积编码1/2速率卷积编码KuSA前向最大速率25Mbps2）25Mbps2）调制方式数据率300kbps：QPSK/SS-BPSK300kbps数据率25Mbps：BPSK数据率300
9、kbps：QPSK/SS-BPSK300kbps数据率25Mbps：BPSKKuSA返向最大速率（I+Q）300Mbps（不编码）300Mbps（不编码）前向纠错模式1/2速率卷积编码或不编码1/2速率卷积编码或不编码KaSA前向最大速率无25Mbps调制方式无数据率300kbps：QPSK/SS-BPSK300kbps数据率25Mbps：BPSKKaSA返向最大速率（I+Q）无300Mbps（不编码）前向纠错模式无1/2速率卷积编码或不编码用户业务增强改造后3）SSA前向最大速率7Mbps7MbpsSSA返向最大速率（I+Q）16Mbps（SQPSK）23.6Mbps（8PSK）16Mbps
10、（SQPSK）23.6Mbps（8PSK）KuSA前向最大速率50Mbps50MbpsKuSA返向最大速率（I+Q）410Mbps（SQPSK）600Mbps（8PSK）410Mbps（SQPSK）600Mbps（8PSK）KaSA前向最大速率50Mbps50MbpsKaSA返向最大速率（I+Q）无225MHz信道： 410Mbps（SQPSK） 600Mbps（8PSK ）650MHz信道 1.0Gbps（SQPSK） 1.2Gbps（8PSK ）注：1）每颗二代TDRS都配有2个MAF链路能力，由于地面系统限制，目前仅有1个MAF链路支持用户；2）目前WSC/GRGT数据接口支持7Mbps
11、，计划进行升级以支持25Mbps；3）目前戈达德航天飞行中心正在对TDRSS进行用户业务增强改造。除了军民两用的TDRS系统，美军还拥有军用“卫星数据系统”（SDS），目前已发展两代8星，采用倾角为57的大椭圆轨道，远地点位于西伯利亚上空，能够对地球两极以及高纬度地区提供良好的波束覆盖，现主要为锁眼-12（KH-12）光电成像侦查卫星和其他电子侦查卫星提供双向中继信息，同时为极地战略核力量提供GEO军事通信卫星难以覆盖的中继服务。2俄罗斯数据中继卫星1976年，前苏联开始发展第二代全球指令和控制系统（GKKRS），包括民用射线（LUCH）系统和军用急流（POTOK）系统。LUCH系统首先采用通
12、信卫星搭载其数据中继转发器方式（如利用地平线-5（Gorizont-5）卫星搭载LUCH数据中继转发器；利用虹（Raduga）卫星搭载Ku波段的LUCH数据中继转发器），从而以较低投入建立了广泛的通信能力和中继能力。从1985 1995年，前苏联先后发射了5颗二代专用LUCH通信与数据中继卫星，由LUCH卫星组成的卫星数据中继网（SDRN）类似于美国的TDRSS，分为东部、中部、西部三个独立网络，卫星装载3台Ku频段转发器和抛物面单址天线及多址相控阵天线，与用户航天器间的链路主要使用15.05GHz（返向链路）和13.52GHz（前向链路）可用带宽为34MHz，与莫斯科、哈巴洛夫斯克地球站的跟
13、踪、遥测和控制业务使用10.82GHz、11.32GHz和13.7GHz3个波段，来自地球站的馈电前向链路使用14.62GHz，LUCH系统还拥有两条高速数据链路，可以实时传输和平号空间站的电视画面。POTOK系统采用C频段相控阵天线，主要为光电成像侦查、海洋监视等军用卫星提供双向中继信息，19822000年共发射了10颗POTOK卫星。3欧洲数据中继卫星1989年，欧空局（ESA）制定了数据中继和技术任务（DRTM）计划，该计划包括高级中继和技术任务（Artemis）和欧洲数据中继卫星系统（EDRSS）两部分6。ESA于2001年发射了第一代数据中继卫星Artemis，并于2003年投入使用
14、，该卫星为技术试验卫星，用于数据中继的星间链路只有Ka频段，Ka频段前向链路为27.530GHz，返向链路为18.120.2GHz，全向等效辐射功率（EIRP）为43dBW，带宽为234MHz，数据传输速率为50Mbps，比特误码率10-6。Artemis卫星具备激光通信终端，与法国Spot-4光电成像侦查卫星间具备星间激光链接能力，如图2所示。2009年，ESA正式启动EDRSS计划。与Artemis相比，二代EDRS卫星上有2条S频段单址线路和2条Ka频段单址线路，S、Ka频段单址 图2 Artemis与Spot-4进行星间激光通信业务共用一副天线，S频段单址线路与美、日中继卫星兼容；在实
15、用型EDRS卫星的星间链路中，还将增设S频段多址业务，其多址阵元前向链路为24个，返向链路为48个，与Artemis在某一时刻只能处理一个用户航天器相比，EDRS可同时提供多个数据信道，至少在前向链路可增加1个以上用户，返向链路增加2个以上用户。4日本数据中继卫星日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的中继卫星计划实施四步走的发展策略：第一步利用技术试验卫星-6（ETS-6）进行空间网络系统的操作技术试验和数据中继试验；第二步利用通信工程试验卫星（COMETS）进行S/Ka双波段轨道间链路通信跟踪试验；第三部利用光学轨道间通信工程试验卫星（OICETS）进行光学通信试验；第四步是在上述试验取得成功的基础上发射2颗实用型数据与中继卫星组成数据中继系统（DRTS），如图3所示。ETS-6于1994年8月发射，虽未进入预定轨道，按仍进行了S频段中继链路、Ka频段中继链路、激光通信链路数据中继试验。COMETS于1998年
