國內外中繼星的現狀及發展趨勢

楊 飛，周亞萍，李晴飛

（南京熊貓電子股份有限公司，南京 210002）

國內外中繼星的現狀及發展趨勢

楊 飛，周亞萍，李晴飛

（南京熊貓電子股份有限公司，南京 210002）

中繼星在天基系統中具有舉足輕重的作用，本文介紹了中繼星的演化歷史以及相關產品，并對當前中繼星的關鍵技術進行了分析，最后從系統設計和關鍵技術兩個角度上提出了中繼星未來的發展趨勢。

跟蹤與數據中繼衛星；用戶終端；天基網；發展趨勢

1 引言

隨著人類對空間資源需求的不斷增長，作為重要空間通信傳輸媒介的跟蹤與數據中繼衛星（TDRS）在經過二十多年的不懈努力，已于1983年誕生在美國。在隨后的幾十年里，歐空局、俄羅斯、日本、中國也相繼地發射了多顆TDRS衛星，這一重大突破標志著空間信息科學時代的來臨。

跟蹤與數據中繼衛星（簡稱中繼星）在地球同步靜止軌道上運行，由于可以最大限度地克服由于地球曲率和無線電波直線傳播特性帶來的負面影響，實現較大范圍覆蓋地球，因此它既能直視中低軌道航天器和非航天器用戶，又能直視地面站，從而可為用戶提供高效、實時的數據中繼、連續跟蹤與軌道測控等服務。中繼星系統的出現令測控、通信傳輸技術發生了革命性的變化，目前還仍在飛速地向前發展，不斷地拓寬著自己的應用領域[1]。

本文首先以國內外中繼星的發展狀況為主要背景，通過研究其演化歷程和終端產品，揭示了當前中繼星的關鍵技術，并推演出中繼星的發展趨勢。

2 國內外中繼星的發展狀況

美國與俄羅斯兩國的跟蹤與數據中繼衛星系統均已進入應用階段，且正在著手發展新一代中繼系統；歐空局和日本在中繼衛星的發展中，采用了較多新的思路和技術。近年來，我國也在積極地推進研究跟蹤與數據衛星系統。其中，以美國為代表的中繼衛星，由于技術先進已成為了世界各國關注的焦點，也是本文研究參考的重點對象[2]。

2.1 美國中繼星的演化發展

20世紀60年代，NASA為了向用戶提供更高的近地軌道覆蓋率以及規避國外建設地面站的需要，開始研究和設計軍民兩用跟蹤與數據中繼衛星系統。1976年，NASA正式啟動了第一代中繼星的研制工作。直到1983年4月，美國從“挑戰者”號航天飛機上發射了第一顆中繼星，在后續幾十年里美國又發射了若干中繼星，其發展歷程可簡單劃分三代。具體如下：

（1）第一代中繼星：1983～1995年，美國相繼把6顆第一代中繼星送入了軌道，并成功地實現了星間組網，星上有兩副能夠同時提供S，Ku頻段業務的單址天線，以及1副S頻段多址相控陣天線，對于多址業務，由于當時技術水平以及衛星平臺對載荷的重量和空間等約束，采用了地面波束形成的方式，由地面終端站進行星地鏈路控制及中繼轉發。曾提供跟蹤與數據中繼業務應用于12種中低軌道航天器。

（2）第二代中繼星：隨著通信業務需求的不斷增加以及第一代中繼星壽命期限的逼近，美國又與2000年、2002年、2003年先后發射了3顆第二代中繼星，這3顆衛星用來補充和增強現有TDRS系統的功能，并提供帶寬更寬、調頻更靈活的空間數據和圖像的中繼，且具有數據傳輸和為地面和空間提供近似連續的通信聯系的雙重能力。除了業務能力的擴展外，第二代星較第一代星相比，還具有如下優勢：

⊙ 增強了多址業務返向（MAR）性能，將部分S頻段單址（SSA）用戶遷移到MA業務上。

⊙ 單址天線增加了Ka頻段業務，其數據傳輸速率可達800Mb/s。

⊙ 增加了在地球同步軌道上并置中繼星的能力（共位），在必要時由2顆部分工作的中繼星提供由1顆全功能衛星所提供的服務。

⊙ 實現對200km高度用戶航天器軌道覆蓋率為100%。

目前，美國的中繼星系統已發展成6顆第一代衛星、3顆第二代衛星和三個地面站組成的全球覆蓋系統，如圖1所示。

（3）第三代中繼星：2006年，NASA分析中繼星系統的全面需求及在軌中繼星的剩余壽命，認定需在2012年補充中繼星的星座，從而啟動了第三代TDRS的研發采購工作。在技術上，第三代星將繼承第二代星設計，遵循第一代中繼星的地面形成S頻段多址返向波束體系結構，繼續提供按需接入業務，保留支持中繼星系統共位的雙頻段測控，但要求升級星上指令和遙測鏈路安全系統。

圖1 美國中繼星分布圖

2.2 歐空局中繼星的演化發展

1989日，歐空局（ESA）制訂了數據中繼和技術任務計劃，該計劃包括高級中繼和技術任務、歐洲數據中繼衛星系統兩部分[3]。最終于2001年發射了第一代數據中繼衛星Artemis，并于2003年投入使用。Artemis衛星具備激光通信終端，與法國Spot-4光電成像偵查衛星間具備星間激光鏈接能力。該衛星用于數據中繼的星間鏈路僅有Ka頻段，帶寬為234MHz，數據傳輸速率為50Mb/s，雖然對于衛星本身僅是試驗衛星，但對歐洲的意義巨大。為此，ESA在2009年正式啟動歐洲數據中繼衛星系統。與Artemis相比，設計的第二代EDRS衛星上有2條S頻段單址線路和2條Ka頻段單址線路，S，Ka頻段單址業務共用一副天線，S頻段單址線路與美、日中繼衛星兼容；在實用型EDRS衛星的星間鏈路中，還將增設S頻段多址業務，可同時提供多個數據信道，至少在前向鏈路可增加1個以上用戶，返向鏈路增加2個以上用戶。

2.3 日本中繼星的演化發展

日本宇宙航空研究開發機構的中繼衛星計劃實施四步走的發展策略：第一步利用技術試驗衛星-6 （ETS-6）進行空間網絡系統的操作技術試驗和數據中繼試驗；第二步利用通信工程試驗衛星進行S/ Ka雙波段軌道間鏈路通信跟蹤試驗；第三步利用光學軌道間通信工程試驗衛星進行光學通信試驗；第四步是在上述試驗取得成功的基礎上發射2顆實用型數據與中繼衛星組成數據中繼系統。

按照以上四步，ETS-6于1994年8月發射，雖未進入預定軌道，但仍進行了S頻段中繼鏈路、Ka頻段中繼鏈路、激光通信鏈路數據中繼試驗；光學軌道間通信工程試驗衛星于2005年8月發射，該衛星是一種空間光通信技術軌道驗證衛星，主要用于完成低軌道與高軌道間激光通信試驗，其返向數據傳輸率可達50Mb/s，前向數據傳輸為2Mb/s，與歐洲Artemis衛星可實現雙向光學鏈路通信；在積累一定的經驗后，日本最終將發射兩顆實用型數據中繼技術衛星。

2.4 俄羅斯中繼星的演化發展

俄羅斯中繼衛星系統分軍用（POTOK）和民用（LUCH）兩大類，均是GEO衛星系統，研制單位為列舍特涅夫信息衛星系統公司。從1982年至2000年共發射了10顆“急流”GEO軍用中繼衛星，其主天線是在八邊形平面上的相控陣天線，它的主要功能是對“琥珀”偵察衛星提供中繼服務。此外，它還承擔著地球站之間的通信任務。直到2011年9月，第二代“魚叉”軍用中繼衛星的首顆星發射成功，俄羅斯中繼衛星才有了新的發展。

民用（LUCH）系統又稱為“射線”系統，也稱為保密的數據中繼系統，分為東部、中部和西部三個獨立的網絡。從1985年至今已發展了兩代“射線”中繼星，其空-地段采用Ku波段，空-空段采用UHF波段。衛星裝載3臺Ku頻段轉發器和拋物面單址天線及多址相控陣天線，與用戶航天器間的鏈路可用帶寬為34MHz，與莫斯科、哈巴洛夫斯克地球站的跟蹤、遙測和控制業務使用。直至1993年3月，正常運行的只有2顆衛星構成的兩個網絡：即“宇宙”1897衛星服務的中部網和“宇宙”2054衛星服務的西部網。

2.5 中國中繼星的演化發展

我國從20世紀80年代初期就開始中繼星相關技術的研究，并在“九五”期間開展了一系列的預研工作。我國中繼星的發展大致分兩步走：第一步，先建立單星系統，對用戶航天器的軌道覆蓋率達50%以上；第二步，采用大型衛星平臺建立多星系統，通過3顆星使對用戶航天器的軌道覆蓋率達到85%。

2008年4日，我國首顆數據中繼衛星“天鏈一號”01星于發射成功，又于2011年7月和2012年7月相繼發射了“天鏈一號”02星和03星，并成功地實現了“天鏈一號”衛星準全球組網運行，標志著中國第一代中繼衛星系統正式建成，也令中國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。

迄今為止，中國第一代中繼星已被廣泛應用于：載人航天保駕護航、為多種對地觀測衛星提供數據中繼服務、中低軌衛星提供測控中繼服務、地面的應急和特殊通信中繼服務等多種領域。另外，除了正在運行的“天鏈一號”之外，中國下一代數據中繼衛星系統正在緊鑼密鼓的推進之中。

3 中繼星的終端產品

近年來，隨著中繼星使用范圍的擴大，國內外眾多中繼星相關的應用產品相繼出現，且大部分產品均集中于S，Ku頻段。下面僅對其中部分終端產品進行簡單介紹[3]。

（1）ITT公司開發的中繼星SMA&SSA鏈路收發的終端產品，如圖2所示。

圖2 ITT公司SMA終端

（2）2012年，美國普渡大學（PURDUE）研制了基于軟件無線電設計思想的SMA終端，支持SSA返向鏈路和SMA返向鏈路業務。如圖3所示。

圖3 普渡大學SMA&SSA終端

（3）美國CE公司TTC308/703用戶應答機，工作于S頻段，跟蹤靈敏度指標-119dBm/10kb/s，碼捕獲最小門限S/N=33dBz，頻率捕獲范圍±160kHz，數據速率最高300kb/s，噪聲系數2dB，捕獲時間短碼不大于20s、長碼不大于8s，射頻輸出功率5W，功耗小于19W，重量5kg。

（4）加拿大CAL公司用戶應答機，工作于S頻段，碼捕獲最小門限S/N=36.5dBz，頻率捕獲范圍優于±100kHz，數據速率最高150kb/s（TDRSS速率1，2，4kb/s），調制方式BPSK，噪聲系數2.5dB，捕獲時間短碼不大于5s、長碼不大于30s，射頻輸出功率5W，功耗33W，重量3.6kg。

（5）法國Alcatel Espace公司用戶應答機，工作于S頻段，碼捕獲最小門限S/N=33dBz，頻率捕獲范圍優于±160kHz，數據速率最高8kb/s（TDRSS速率1kb/s），調制方式BPSK，噪聲系數1dB，捕獲時間短碼不大于5s、長碼不大于30s，射頻輸出功率5W，功耗32W，重量4kg。

通過以上中繼星終端產品的介紹，不難發現其越來越向模塊化、小型化、低功耗、多功能、易擴展等方向發展，功能也愈發復雜、高端、完善，這也將是未來中繼星終端產品發展的主流方向。

4 中繼星的關鍵技術

近年來，作為天基核心承載的中繼星無論是軍用還是民用上均呈現逐年遞增的趨勢。在衛星設計和應用過程中需要解決眾多的關鍵技術，其中大部分均集中于星上關鍵技術和終端關鍵技術。具體如下：

4.1 星上關鍵技術

（1）星載閉環捕獲跟蹤技術。星載天線必須對高速運動的用戶航天器進行捕獲和跟蹤，然而由于用戶航天器沒有信標，中繼衛星必須跟蹤它發送的數傳信號，且此信號由于航天器不同而具有不同的數據速率、調制方式、頻帶寬度和多普勒頻移。該技術解決是建立星間傳輸信道的首要條件，特別是針對高速率傳輸的要求。

（2）衛星姿態和天線指向的復合控制技術。中繼衛星在軌工作時，大型的單址天線處于軌跡復雜、速度變化的運動狀態。由于星體和運動的天線之間存在嚴重的動力學耦合，加上天線本身是一個非線性、柔性結構系統，要令波束極窄的天線完成對用戶航天器的捕獲跟蹤任務，必須攻克高精度復合控制技術。

（3）極寬頻帶的Ku/Ka頻段轉發器技術。由于中繼數的傳速率很高，故對轉發器的帶寬需求極寬。Ka頻段的通信衛星星載轉發器需要解決頻率計劃的設置、轉發器帶內雜波、幅頻特性和通帶之間的隔離等技術難題。

（4）高性能天線驅動技術。中繼衛星的單址天線均選用機械驅動方式，由于在軌要求精度高，載荷慣量大，工作環境惡劣，故高性能天線驅動技術是星載設計中重點考慮的關鍵技術。

4.2 終端關鍵技術

中繼星實際應用中，用戶終端仍需解決若干關鍵技術問題，具體如下：

（1）數字化綜合基帶處理技術。為了適應復雜的前、返向信號形式，用戶終端常采用數字化綜合基帶實現工作頻率、調制方式、數據速率、PN碼型和發射功率的可編程，并完成低信噪比解調、中高速數據傳輸等功能。用FPGA芯片完成前向擴頻信號PN碼的捕獲、跟蹤，載波提取、信息解調和返向各種模式信號的產生、數字調制等功能；用DSP芯片完成工作參數的選擇和工作模式的切換等，實現基帶可編程。

（2）AGC技術。用戶終端動態使用范圍一般不小于50dB的需求，而為防止強信號引起接收信道過載，以保證綜合基帶在整個動態范圍內正常工作，一般要求綜合基帶的輸入滿足一定的條件。例如：需要保證整個動態范圍內信道工作在線性狀態；保證弱信號時到A/D輸入端的噪聲不使A/D限幅；保證強信號時到A/D輸入端的信號電平不超過A/D的峰-峰值，較好地使用AGC技術可以滿足以上要求。

（3）終端小型化技術。用戶終端的小型化、低功耗和輕重量是基本要求。為此，射頻部分需采用微波集成電路實現，綜合基帶部分采用低功耗、超大規模FPGA、高速微處理器芯片和表面貼裝小型化元件等數字化技術實現[4]。

每一代中繼星的性能提升均離不開關鍵技術的突破，衛星通信的設計師在總體設計中需從全局上考慮星上關鍵技術和終端關鍵技術，從而全面地提升中繼星的性能以及擴展未來的應用。

5 中繼星的未來發展趨勢

隨著技術不斷地突破和擴展，作為通信衛星網絡的骨干載體，中繼星未來必將具有更廣闊的發展空間和應用前景，從系統設計和關鍵技術上必將呈現出如下趨勢：

（1）通信頻段向高頻段方向發展。隨著空間信息技術的發展，用戶對中繼星的數傳速率要求越來越高，超寬帶、大容量的高頻段通信系統將成為中繼星未來發展的必然趨勢，如Ka頻段逐步替代Ku頻段，甚至W頻段（60GHz）也將是不久待開發的目標頻段之一。

（2）激光通信鏈路的組建。隨著通信數據率的提高，以微波為載體的空間衛星通信技術已不能完全滿足當前的發展。為滿足未來空間高速數據傳輸和國際天基網互操作的高速需求，下一代數據中繼衛星系統的星間鏈路必將向激光通信技術方向發展，以滿足高數據傳輸率的實際需要。目前，美國、歐洲和日本均在積極推進該技術的實施[5]。

（3）天基網的互聯互通。不同體系衛星網之間的互聯互通一直是國際衛星通信研究的重點問題，如1985年美、日、歐三方成立了天基網互操作小組，致力于解決中繼衛星系統國際大聯網問題。目前，S頻段互操作已基本協商一致，雖然目前還有許多問題仍有待進一步協商，但未來更多頻段的衛星網系統將會統一標準。隨著空間研究的逐步國際化，不同國家中繼星的互聯互通必將成為未來的發展趨勢。

（4）強性能衛星天線。隨著對中繼星轉發能力需求的日益增長，下一代中繼星必將面臨天線更大、數量和種類更多、波束寬度更窄、捕獲跟蹤精度要求更高、運動部件和衛星姿態之間的耦合更復雜、轉發器帶寬更寬等難題，因此，研制先進的強性能衛星天線將是下一代中繼星提升性能的關鍵，如近年來出現的多波束相控陣天線等。

（5）先進的調制技術。中繼星系統在未來必將發展成頻帶受限系統，且隨著數傳速率的不斷提高，星地返向鏈路的可用頻帶寬度將成為瓶頸。更先進的調制技術將成為未來中繼星應用的必然趨勢，例如8相相移鍵控、16進制脈沖幅度調制等均將被采用。

（6）用戶接入和衛星資源分配由人工調度分配方式向自動化調整分配方向發展。

（7）在發展中繼衛星系統的同時，用戶終端將朝著小型化、智能化、低功耗和高可靠性方向發展。

（8）在中繼星應用方面，原單址通信方式將向多址通信方式發展，以增加中繼星的用戶容量。

6 結束語

中繼星以高覆蓋率、高數據率和多目標測控能力在空間技術發展中起到了極其重要的作用，日益受到世界各國的重視。我國作為擁有中繼星技術的航天大國，借鑒國內外先進的中繼星技術，加快研究與建設具有我國特色的下一代中繼星系統，已成為我國衛星事業當下亟待解決的問題。

本文通過對現有的中繼星系統的研究，分別從系統設計和關鍵技術兩個角度上提出了中繼星未來的發展趨勢，其意義旨在為我國下一代中繼星的設計和發展提出部分參考性的意見，為我國下一代中繼星的全面建設貢獻綿薄之力。

[1] 劉保國．中繼衛星系統在我國航天測控中的應用[J]．飛行器測控學報，2012(12):1-5

[2] 史西斌，李本津，王錕等．美國三代跟蹤與數據中繼衛星系統的發展[J]．飛行器測控學報，2011(2):1-8

[3] Fujiwara Y, Sudo Y. Japan’s first data relay test satellite[C], 2003, Paris：IAF.

[4] 熊小莉．中繼衛星系統用戶終端關鍵技術分析[J]．電訊技術，2010(7):15-20

[5] 王家勝．中國數據中繼衛星系統及其應用拓展[J]．航天器工程，2013(1):1-6

The General Situation and Development of TDRS at Home and Aboard

Yang Fei, Zhou Yaping, Li Qingfei

(Nanjing Panda Electronics Company Limited, Nanjing, 210002)

The TDRS play a vital role in space-based system. The paper firstly described the TDRS evolutionary history and the related products, and discussed the key technology of the TDRS. With the guidance of system design and key technology, the paper gives the development trends of TDRS。

Tracking and Data Relay Satellite(TDRS); customer terminal; space network; Development Trends.

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.07.011

TN927+.2

A

1672-7274（2015）07-0043-05

楊 飛，博士，南京熊貓電子股份有限公司工程師。

周亞萍，本科，南京熊貓電子股份有限公司高級工程師。

李晴飛，碩士，南京熊貓電子股份有限公司工程師。