中國數據中繼衛星系統及其應用拓展

王家勝

（中國空間技術研究院，北京 100094）

1 引言

數據中繼衛星（以下簡稱中繼衛星）系統是在航天器與地球站之間提供實時測控和數據中繼服務的系統。它一般位于地球靜止軌道，從上向下覆蓋用戶航天器。它的天基設計思想，最大限度地克服了由于地球曲率和無線電波直線傳播特性帶來的負面影響，從根本上解決了測控、數傳的軌道覆蓋率（用戶航天器可建立無線聯系的軌道弧段占總弧段的百分比）和實時傳輸信息的問題，具有很高的經濟效益。例如：單個地球站一天中只有大約30min時間與一顆高500km 圓軌道的衛星建立無線聯系，其軌道覆蓋率不到3%；而一顆中繼衛星即可使這一覆蓋率超過50%。中繼衛星系統使航天測控和信息傳輸領域發生了革命性的變化。

中繼衛星系統一般由在不同軌位的多顆衛星構成，以擴大軌道覆蓋率和提高同時為多個用戶航天器服務的能力。能對各種軌道的用戶航天器提供全時段實時服務的中繼衛星系統稱為全球覆蓋（即100%軌道覆蓋率）系統；考慮到絕大多數用戶航天器是低軌對地觀測衛星，能對這類衛星提供全時段實時服務的中繼衛星系統可稱為準全球覆蓋系統。

2 天鏈一號中繼衛星系統的建設歷程及其特點

2.1 建設歷程

中國較早就認識到中繼衛星和天基信息傳輸在航天事業發展中的重要作用。在20世紀80年代空間站的早期論證階段，中國就提出了發展自己的中繼衛星的設想。到了90年代后期，配合某衛星平臺的早期開發，較系統地開展了中繼衛星的預先研究。在需求分析和可行性論證的基礎上，進行不同技術途徑的比較，形成了中國第一代數據中繼衛星——天鏈一號的初步方案。它基于較成熟的衛星平臺，具有自己的技術特點，能夠滿足今后一段時期的需求。此外，還完成了星間捕獲跟蹤、鏈路功能等關鍵特性的地面演示驗證工作。此后，衛星轉入正式研制階段。經過幾年的努力，攻克了多項關鍵技術［1］，中國第一顆中繼衛星——天鏈一號01星于2008年4月25日成功發射，順利定點并正常運行，對中低軌用戶航天器的軌道覆蓋率超過50%。由于01星在軌的出色表現，中國迅速啟動了后續星的研制工作。2011年7月11日天鏈一號02星成功發射，把對中低軌用戶航天器的軌道覆蓋率提高到75%以上。2012年7月25日天鏈一號03星發射成功，形成了包括東、中、西三星組網的準全球覆蓋中繼衛星系統。這一系統也是中國第一個提供全球范圍實時信息傳輸服務的衛星系統。

2.2 中國是世界上第二個擁有準全球覆蓋能力GEO中繼衛星系統的國家

美國是最早進行GEO“跟蹤與數據中繼衛星系統”（TDRSS）研制的國家，構建了天基網（space network），最多時曾有9顆衛星在軌，目前仍有7顆衛星組網運行，并將在2015年前發射3 顆第三代“跟蹤與數據中繼衛星”（TDRS）［2］。它是世界上第一個擁有全球覆蓋能力的GEO 中繼衛星系統的國家，此外，它還有軍用中繼衛星系統。歐洲和日本各自都只發射了一顆GEO 試驗中繼衛星，分別為阿特米斯（Artmis）和“數據中繼試驗衛星”（DRTS），都未進入實用階段［3-4］。

俄羅斯中繼衛星系統的發展較早，曾在2000年以前發射了15顆軍、民用中繼衛星。但由于衛星壽命較短和經濟困難的原因，在本世紀初出現了有幾年無在軌工作衛星的狀態。直到2011年下半年又重新開始發射，現已有軍用一顆、民用兩顆衛星在軌運行。雖然俄羅斯在很早就規劃建立全球覆蓋（或準全球覆蓋）的中繼衛星系統，并申請了相關軌位。但只使用過13.5°W 和80°E（軍用）、16°W 和95°E（民用）兩組軌位，未構建成全球覆蓋（或準全球覆蓋）系統。俄羅斯已公布了達到這一目標的計劃：它最早有可能在2014年3月實現［5-7］。

天鏈一號三星組網系統的建成和成功運行，使中國繼美國之后成為世界上第二個擁有準全球覆蓋能力GEO 中繼衛星系統的國家，對中國航天事業發展作出了重大貢獻。

2.3 天鏈一號中繼衛星系統的特點

和國外同類系統相比，中國天鏈一號中繼衛星系統具有如下特點：

（1）結合中國國情，利用地域遼闊和已初具規模的地面高速光纖干線設施，配置較少的衛星，只在國內設管控站，構建了具有準全球覆蓋能力的中繼衛星系統。

（2）雖發射第一顆中繼衛星較晚（2008年4月，當時是世界上第五個發射中繼衛星的國家），但發展十分迅速。2012年就建成了準全球覆蓋的三星組網系統，并實現了多方面的實際應用。

（3）在充分論證的基礎上，采用了和美國TDRSS星地大回路控制不同的捕獲跟蹤方案，在軌獲得很好的效果。

（4）一些關鍵部件實現了國產化，擁有多項自主知識產權。

3 中國中繼衛星系統的應用

到目前為止，天鏈一號系統三星組網穩定運行，廣泛應用于多個用戶航天器和其他用戶的測控、通信、數據中繼，充分體現了天基信息傳輸在覆蓋性和實時性上的巨大優點。在航天領域起著越來越重要的作用。

（1）為載人航天保駕護航。2008年9月，天鏈一號01星首次執行任務，圓滿完成了對神舟七號載人飛船的數據中繼、測控和跟蹤，傳回的視頻圖像清晰，話音質量好，數據可靠，成功實現了中國天基信息傳輸的重大突破；2011年10月，01星和02星形成的雙星系統，圓滿完成神舟八號飛船和天宮一號目標飛行器的交會對接任務，極大地擴充了可數傳和測控的軌道弧段，并首次實現同一波束內雙目標的捕獲跟蹤和中繼數傳；2012年6月，神舟九號載人飛船發射升空，3名宇航員成功完成與天宮一號的自動和手動對接任務，并進駐天宮一號，實現了多項首創。在軌13天中，大量數據、圖像、音頻、電郵及神舟-天宮組合體的測控等信息，通過天鏈一號中繼衛星系統高質量地傳到地面指控中心，為此次任務的圓滿完成提供了有力的保障。此外，天宮一號從2011年8月發射升空以來，天鏈一號衛星系統完成了大量日常測控和數據中繼工作，為地面及時和全面掌控天宮一號的狀況，確保安全作出了重要的貢獻。

（2）為中國多種對地觀測衛星提供數據中繼服務。4年多來，它傳回了該類衛星在中國地球站不可見弧段獲得的大量圖像和高速數據，明顯增加了其軌道覆蓋率和信息的實時性。

（3）為中低軌衛星提供測控中繼服務。對裝有小型用戶終端的衛星，能實現近100%軌道段的測控，明顯提高了衛星運管的可靠性，特別是在處理應急事件（如航天器故障發現和排除等）上有明顯優點。

（4）為航天發射提供測控支持。由于遠洋測控船數量和布局的限制，發射GEO 衛星的運載火箭在飛行時總存在一定的無線傳輸盲區，人們無法得到該時段火箭運行的信息。利用中繼衛星系統克服了這一缺陷，可獲得火箭全飛行弧段的遙測數據，為運載火箭的監控和改進提供了有用的資料。另外，中繼衛星系統也為縮短航天發射任務的準備周期、逐步減少遠洋測控船和國外布站提供了有效的途徑。

（5）為特殊用途的飛機和其他飛行器等非航天用戶提供了測控和高速率數據中繼服務。

（6）地面的應急和特殊通信中繼服務。由于中繼衛星服務范圍廣，其鏈路具有極高的等效全向輻射功率（EIRP）和品質因素（G／T），波束的空間隔離性好，在應急通信和特殊通信中對地面終端的要求很低，和其他通信手段相比，它具有獨特的優點。

4 對未來中繼衛星系統技術和衛星技術發展的建議

4.1 對大系統技術發展的建議

（1）進一步優化頂層設計，提高覆蓋能力。由于現有GEO 軌位和管控站位置的局限，目前中國中繼衛星系統性能還未達到最佳。理想的情況是在GEO 上經度相隔約180°的兩個節點位置布置兩顆（或兩組）中繼衛星，在國土的東西端適當地點設置對應的管控站，通過高速光纖將管控站、系統管理中心及用戶連接起來［8］。這一配置可達到美國現有TDRSS的覆蓋能力（但美國是通過在三個節點的三組衛星和在國土外設站來實現的），即能將100%軌道覆蓋的下限延伸到73km［9］。實現這一方案的前提條件是申請并獲得相應的軌道資源（例如在166°W～172°W 附近的軌位等），應盡早開展這方面的工作。

（2）倡導研制能在軌道傾角變化較大（如±5°或更多）條件下工作的中繼衛星。它一方面能在同樣衛星平臺能力的條件下，明顯提高衛星和系統的工作壽命，帶來可觀的經濟效益；另一方面其實現的技術難度不大，由于捕獲跟蹤功能的需要，中繼衛星上多數天線都已具有指向可控功能，只要將剩下的固連在星本體上的天線裝上簡單的指向調整機構即可（大約±2°的調整范圍就能滿足12年以上的工作壽命要求）。如果衛星控制分系統能進行姿態動態偏置，消除軌道傾角對衛星姿態指向的耦合影響，也能達到這一目的。此外，在一定軌道傾角條件下，這種衛星還具有為兩極地區提供部分時段（例如每天4h）實時中繼服務的能力。美國從1997年起就利用了其部分中繼衛星（先后利用了位于174°W 附近的TDRS-1和TDRS-5等）具有的這一特性，實現了在南極麥克默多（McMurdo）地球站和美國本土白沙TDRSS地面終端站之間的高速數傳［10］。

從原理上講，中繼衛星也可工作在12h（或24h）周期的大橢圓軌道（HEO）上。這種衛星雖能提供一些獨特的服務（如對高緯度地區地面提供衛星通信），但對衛星平臺、衛星天線、星上部件的抗輻射特性和地面設施有高的要求（特別是對要求準全球覆蓋或高速率數據傳輸的情況）。在未來的系統設計上，應仔細分析、對比和權衡，作出正確的決策。

（3）提高系統的使用效率。一般說來，100%的軌道覆蓋率并不等同于100%的系統使用效率，它受多方面的影響，例如用戶航天器在服務區轉換時，由于其高速數傳終端天線（一般為帶機械轉動裝置的反射器天線）指向要旋轉約180°，并重新對另一顆中繼衛星捕獲跟蹤后才能重新工作，減少這一過渡時間（一般2～3 min）將有效地提高系統的使用效率和中繼信息的連續性。可能的努力方向有：在不影響捕獲跟蹤精度的前提下盡量提高終端天線的回掃速率；或開發性能優異（高EIRP 值、G／T 值和寬掃描角度等）的相控陣用戶終端（就目前的技術水平而言，后者的難度很大）等。此外，盡量減少每次跟蹤用戶航天器前向中繼星注入相關參數所用的時間，也能提高系統的使用效率，這在系統和衛星層面都有改進的空間。

（4）中繼衛星特有的（雙星或多星）共軌運行技術。由于軌道資源的限制，在將來可能出現兩顆中繼衛星或兩顆部分失效的中繼衛星共軌（等效成一顆全功能的中繼衛星）的情況，這必須事先對頻率計劃進行優化或修改，以能夠共軌工作。考慮到未來中繼衛星上不少天線具有高增益及寬角度轉動特性，在共軌時，應特別注意可能出現的特殊電磁干擾問題（包括與之共軌的其他衛星），并探索相關的應對措施。

（5）協調規范系統使用的頻率、極化和信標，有效地開發綜合能力。在不得不采用極化復用技術時，應特別注意這種應用在中繼衛星系統中的特殊困難，并研究解決措施。

4.2 對衛星研制技術發展的建議

毫無疑問，中國還將研制未來的中繼衛星系統，其衛星將裝載更復雜的有效載荷，提供更多種類且功能更強的服務。完成這一任務必須攻克很多新的關鍵技術，主要有以下建議。

（1）大型可展開網狀跟蹤天線。為了適應越來越高的數據傳輸需求，中繼衛星單址天線的電尺寸（口徑與工作波長的比值）將越來越大（此比值國際上已有超過400的例子）。由于發射重量和體積的限制，必須選用大型可展開網狀天線。由于它還應具有跟蹤功能，在雙頻段（或多頻段）工作，這給天線的設計、制造和地面試驗帶來大的困難。應該指出：簡單地把工作在Ku或更低頻段的傘形網狀天線方案拓展到Ka或更高頻段將可能遇到可行性問題，設計師必須進行仔細的論證和試驗，才能保證這種對中繼衛星而言影響成敗的關鍵部件的研制成功。

此外，隨著可展開天線的電尺寸越來越大，在軌環境下保持天線形面精度將越來越難，應考慮開發這種天線的形面在軌調整技術，美國TDRS-I和TDRS-J衛星已采用這一技術［11］。

（2）S頻段多址（SMA）技術。為了滿足數目較多且數傳速率較低的用戶（例如小衛星、某些航空器及臨近空間飛行器等）的需求，中繼衛星系統將逐漸提供SMA 業務。它一般采用碼分多址加空分多址方案，其返向鏈路多波束形成技術（有地面形成和星上形成兩種途徑）十分復雜。另外，為了使這種業務具有更高的效費比、更高的靈活性和更大的容量，要開發中繼衛星特有的按需分配的通道分配技術。

（3）更高無線電頻段技術和激光技術。利用越來越高的頻段一直是無線信息傳輸發展的方向。它一方面帶來新的頻譜資源，使更高速率的數傳成為可能；另一方面，它也引出新的技術難點：例如更低相位噪聲的本振和基準頻率源技術、新型功率放大器和低噪聲放大器技術等。W 頻段（60GHz）將是下一個開發的目標。此外，星載激光技術近年來已有明顯的進展，它也會出現在未來的中繼衛星上，但在其可靠性、功率、效率和對航天器平臺的適應性等方面仍有不少工作要做。

未來更高頻段和激光的應用，將首先出現在中繼衛星的星間鏈路，在星地鏈路上應用還存在大的困難：更高無線頻段的巨大雨衰和云、霧、雨、塵、對流層湍流對激光傳輸的嚴重影響（由于中繼衛星系統的地面管控站天線的工作仰角一般都很低，這一影響更為突出），將極大地劣化系統的可用度和實時性，而這正是中繼衛星系統必須強調的，到目前為止相關技術還未取得明顯突破［12］。

（4）更先進的調制技術。中繼衛星在現階段還不是一個頻帶受限系統，但由于前述的原因，隨著數傳速率的不斷提高（例如吉比特每秒量級），星地返向鏈路的可用頻帶寬度將成為瓶頸。采用更先進的調制技術，例如8相相移鍵控（8PSK）、16進制脈沖幅度調制（16PAM）等將是發展的方向之一，這將對有效載荷的設計提出高得多的要求。攻克這方面的關鍵技術是今后必須完成的任務。

（5）相關的平臺技術。上述新型有效載荷技術的應用將對中繼衛星平臺提出新的要求，更大電尺寸的天線的波束寬度更窄，要求姿控精度更高；激光技術的應用對姿態穩定度提出高的要求；未來中繼衛星將配置兩副（或多副）大型柔性跟蹤天線，控制它們之間的耦合及對衛星姿控的影響也將是必須攻克的技術難題。

和一般通信衛星相比，中繼衛星也有比較寬松的要求：如功率要求較低（美國第二代中繼衛星的功率約2.3kW，即將發射的第三代中繼衛星功率約3.2kW，都明顯低于同時期研制的通信衛星）、推進劑裝填量較少（它可設計成在小傾角GEO 軌道上工作，從而節約可觀的用于南北位置保持的推進劑）。總體設計人員應根據未來中繼衛星的實際情況，對選用的衛星平臺進行適當的改進，設計出性能更好的中繼衛星來。

5 中繼衛星系統應用領域若干可能的拓展

（1）對GTO 和GEO 用戶提供中繼服務。這是對現有應用領域的必然延伸，也是在近期內可望實現的項目。這一應用要求衛星的星間鏈路天線可轉動范圍明顯增大（例如：對軌道高度3100km 以下的用戶，±13°的天線轉動范圍即可滿足要求；而對GTO 和GEO 用戶，天線轉動范圍在東西方向要達到90°，在南北方向要大于用戶軌道傾角）。由于必須考慮星間鏈路天線轉動時和衛星本體的干涉及射頻傳輸等問題，大的天線轉角研制難度較大，這在研制有兩副星間鏈路天線的大型中繼衛星時更為突出。此外，對用戶航天器的程序跟蹤設計也將比小天線轉角的情況困難。

（2）支持航天器再入大氣層時的測控和通信。眾所周知，航天器在再入大氣層時產生的熱等離子層（即等離子鞘套）使無線電波產生吸收損耗、反射損耗和折射畸變失真，形成所謂再入通信“黑障”。經過多年的努力，人們雖然尋找了一些可能的應對措施（諸如提高工作頻率、改進航天器外形、注入消電子液體、改善外表面防熱材料和外加靜態磁場等），但都沒有突破性進展。目前的技術使得中繼衛星有可能解決這個問題。這一方面是由于采用極高頻率（如Ka甚至更高頻段）進行星間中繼技術已經日趨成熟，激光星間傳輸技術發展迅速；另一方面是再入航天器迎風面和背風面的等離子體角頻率可差近兩個數量級，而中繼衛星處于十分有利的位置，可從再入航天器的背風面方向與它建立通信鏈路。因此，利用中繼衛星突破再入通信“黑障”可能有很好的應用前景。

歐洲航天局曾在1998年10月進行過一次大氣層再 入 演 示 器（Atmospheric Reentry Demonstrator）試驗。由阿里安-5火箭發射一個質量為2.8t、70%縮比尺寸的阿波羅（Apollo）再入艙，經過約101min的亞軌道飛行（最高高度達830km）和再入，成功在134°W，3.9°N 的太平洋面上回收。再入過程中，進行了多項對落區飛機（L和S頻段）和美國“跟蹤與數據中繼衛星”（TDRS）（S頻段，2267MHz）的無線傳輸試驗，結果對飛機傳輸都出現了較長時間（3～7min）的“黑障”，但TDRS的信號接收沒有中斷（但出現了最大約25dB的衰減）。雖然條件比較特殊（TDRS的接收方向幾乎正對再入艙的背風面；又是亞軌道飛行，最高速度約7.6km／s，“黑障”現象相對較輕），但考慮到這是在S頻段，結果十分令人鼓舞［13］。

考慮到航天器再入時的信息傳輸速率一般都不高（多半為話音和測控數據等），加上表面材料的燒蝕可能對激光鏡頭產生嚴重的污染，筆者認為最有可能在Ka或W 頻段較早取得突破。

神舟載人航天工程的再入著陸場在內蒙古四子王旗，而中國就有對再入通信處于較好軌位的中繼衛星（其通信方向基本上在再入艙的背風面）。建議盡早策劃相關試驗（最好先在Ka頻段進行），以在再入通信突破“黑障”方面取得實質性進展。

（3）特殊衛星星座的控制和管理。研究表明，高橢圓軌道（HEO）衛星星座可對高緯度地區提供較好仰角的服務，但須要運營不同地域的幾個地球站。中繼衛星系統可完成此任務，減少運營成本。如：美國Sirius數字音頻廣播衛星系統（已建）和論證中的移動TV 廣播衛星星座系統等［14］。

（4）月球探測和行星探測。由于距離十分遙遠，月球和行星探測器重量和功率的約束十分突出，研制特殊用途的中繼器（衛星）是實現高效率探測的必要途徑。此外，在一些特定的探測地區和時段（例如有部分月球表面和近空在地球上永遠不可見，而人類探索的熱點——月球南極約有一半時間在地球上不可見等），探測器無法與地球建立直接的無線聯系；對于軌道面和黃道面夾角小的行星（如火星、木星等），存在連續數個月的太陽干擾期，這時如果地球、太陽和行星處于某特定幾何關系附近，探測器也將長期不能和地球進行信息交流。為了克服這一致命缺點，確保安全，繞月（或行星）或相關拉格朗日點中繼器（衛星）大有用處［15］。

在這一領域的一個例子是美國的“火星勘測軌道器”（Mars Reconnaissance Orbiter），它在軌工作21個月只傳回了20%的火星地面圖像；如果采用繞火星中繼衛星——“火星通信軌道器”（Mars Telecom Orbiter）方案，就能在幾個月內得到全部火星地圖，可見效益非常明顯。

應該指出，為完成這一任務須要研制全新的中繼衛星（或中繼器），在技術上將面臨很多新的困難，必須在深空特高無線電頻率（或激光）通信、超低噪聲和極低門限接收、高比率數據無損壓縮、極窄帶鎖相接收機、更先進的調制／解調和編／譯碼等技術上獲得突破，這無疑是對未來設計人員的巨大挑戰。

6 結束語

天鏈一號三星組網準全球覆蓋中繼衛星系統的建成和迅速得到廣泛的應用，展現了它在覆蓋性、實時性和經濟性等方面的明顯優點。它具有廣闊的發展前景，將在國民經濟建設中發揮越來越明顯的作用。中國應重視系統發展戰略路線的研究，前瞻性地推動系統和衛星層面上的技術發展，拓展可能的應用領域。可以預料，在中國航天人的不懈努力下，作為天基信息傳輸系統的關鍵成員，中國中繼衛星系統將有光輝的未來。

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