[科普中国]-跟踪与数据中继卫星

随着人类社会的发展，从人们的日常生活到国际间日益复杂的政治、经济、军事关系，对各种信息量的需求都在不断增长。军用航天装备或军用天基设施的建造，对航天器数据传输和测控的及时性提出了更高的要求，传统的地基系统已无法满足上述要求。各国非常重视跟踪与数据中继卫星系统的发展，以解决军事对地观察卫星、军事通信、测绘与定位卫星、飞船、遥感卫星、科学探测卫星等卫星系统通信和数据传输的及时性问题。1

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。2

由于高频段电波的直线传播特性和地球曲率的影响， 使地球测控站跟踪中、低轨道航天器的轨道弧段和通信时间受到限制。而跟踪与数据中继卫星相当于把地面测控站升高到地球静止轨道高度， 所以1颗卫星就能以较大覆盖范围， 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、图像和话音等进行实时、连续的中继等。所以用2颗这种卫星组网就可以覆盖除极轨卫星以外的中、低轨道卫星的运行空域， 从而大大减少地面测控站或测量船的数量， 尤其是可弥补在国外难以建立测控站的缺陷。所以， 它现已逐渐成为发展航天技术越来越重要的项目。美国不少卫星、导弹的数据甚至航天飞机、空间站的通信都是通过跟踪与数据中继卫星来完成的。这种卫星具有全轨道连续覆盖、全天候数据收集高速率数据传输能力， 是大型空间系统的重要组成部分， 可为各类航天器提供良好的测控和通信手段。3

1983年4月4日，美国发射了第一颗跟踪与数据中继卫星（TDRS），直至1993年1月第6颗TDRS卫星发射后（其间第2颗卫星发射失败），该系统才具备了在轨运行和轨道备份能力。

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。

根据中低轨航天器，特别是当时自由号空间站发展的需要，并考虑第一代跟踪与数据中继卫星系统的寿命问题，美国航宇局计划发展第二代跟踪与数据中继卫星系统（TDASS，全称为跟踪与数据获取卫星系统）。后来，因经费问题不能直接上TDASS系统，而改为采用“高级跟踪与数据中继卫星系统”（ATDRSS）作为过渡。最初计划研制9颗卫星，也因国会否决改为3颗（由美国休斯空间与通信公司承制），从而形成ATDRSS系统。3颗卫星分别称为TDRS-H、I和J，其中TDRS-H和I已于2000年6月和2002年9月相继发射，TDRS-H处于部分工作状态，TDRS-I处于校验状态。这3颗卫星用来补充和增强现有TDRSS系统的功能，并提供带宽更宽、频率选择更灵活的空间数据和图像中继，从而将第一代TDRSS系统升级为ATDRSS系统。2

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。TDRSS系统取代了大部分航宇局地基测控站，其东、西双星对200Km高的用户航天器轨道的覆盖范围为85%，对1200-2000Km高的用户航天器轨道的覆盖范围为100%，最高可跟踪到5000Km高的航天器，单址通信业务对12000Km高的航天器仍能100%覆盖。

TDRS卫星采用三轴稳定方式，主要由星体、有效载荷和天线三部分组成。星体结构部分（平台）包括：跟踪、遥测、遥控指令（TT&C）以及电源、推进动力和姿态控制等分系统。

第一代TDRS星上有两个单通道天线、一个S波段多址相控天线、一个2m的Ku波段天线、一个S波段圆锥天线及用于商业通信的一个C波段天线和一个0.6m的K波段天线。其中，单通道天线工作在S波段或Ku波段，用于大业务量的用户航天器与TDRS卫星之间的业务通信，而且是一副天线对一个用户的单址通信；S波段多址相控天线有30个螺旋阵元，一点对多点接收时使用30个阵元，由地面指令形成20个波束，同时接收来自20多个用户航天器的信号，发射时使用12个阵元；Ku波段抛物面天线用于支持TDRS星与白沙地面站的双向通信，支持TDRS星-地链路；S波段圆锥天线作为2m抛物面天线的备份，当卫星不能指向地面时，接收来自任何方向的指令。

TDRS-H、I、J在外形上与TDRS卫星的结构基本类似，但功能上有所改进。相对于TDRS卫星，它大大增强了S波段多址能力，增加了Ka波段高速数据率业务，增加了卫星自主操作能力，提高了下行链路的质量。其中，新增的Ka波段单通道业务和已有的Ku波段业务是时分式的。Ka波段系统是当前Ku波段用户服务的备份，支持与Ku波段同样的数据传输速率。每一个单通道天线都能由地面重新配置指令来自主选择Ka波段或Ku波段服务。一个用户航天器或者两个联合轨道用户航天器都可以选择S/Ka波段或S/Ku波段服务。2

前苏联/俄罗斯已拥有多个军用和民用数据中继卫星系统。民用系统又称为“射线”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-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。系统的主要用途是为低地轨道卫星提供通信和控制，为和平号空间站、联盟TM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。军事数据中继卫星系统称为“急流”，早在1982年5月就发射了第一颗“急流”卫星。

前苏联的数据中继卫星同其它类型的卫星一样，寿命较短，因此每2-3年至少要发射一颗。2

欧空局1989年决定发展数据中继卫星（DRS），以试验型中继卫星“阿蒂米斯”为起点，分两步达到实用水平。原定于1999年发射DRS-1，2003年发射DRS-2，但后来有所推迟。“阿蒂米斯”卫星是一颗地球同步卫星，加上DRS部件就构成第一个欧洲数据中继系统。由于试验卫星“阿蒂米斯”用于数据中继的星间链路只有Ka频段，故该卫星与后来发射的DRS-1卫星组成双星系统，主要用于对地观测卫星、极轨平台和其他科学卫星的数据中继。实用的DRS卫星，星间链路除Ka频段外，还增加了S频段。

欧空局对DRS系统的设想是：DRS星上有两条S波段单址线路和两条Ka波段单址线路，S波段单址线路传输低、中速率的数据，并与美国和日本的跟踪与数据中继卫星相兼容，Ka波段单址线路用于传输高数据率的数据。在此指导下，把DRS-1星定点在44°W，把TDR-2星定点在59°E。

DRS可以实现三种轨道间链路：(1)2条S波段链路，1条光学链路；(2)1条S波段链路，1条Ka波段链路，1条光学链路；(3)2条Ka波段链路，1条光学链路。

轨道间链路和馈电链路之间的连接具有灵活性，利用可控天线甚至轨道间的三种链路之外的链路也可与馈电链路连通。

DRS系统根据传输模式的不同有两个利用率等级：低利用率等级为0.99，高利用率等级为0.999。高利用率等级适用于数传速率达25bit/s的前向链路和窄带返向链路。2

日本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年确定了四步走的发展策略：(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。2

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。

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%。

根据国外建设跟踪与数据中继卫星系统的经验，我国在发展自己的跟踪与数据中继卫星系统时，一定要注意以下几点：(1)务必在早期做好长远规划，以利于系统后续发展，比如设备、容量等各方面；(2)务必考虑通信的标准化，尤其要考虑各波段收发信号的标准和转发器的标准；(3)务必考虑服务的多元化，不可单一着眼于为某一航天系统服务；(4)务必对系统进行充分仿真，以保障系统安全可靠。2