數據中繼衛星技術發展

文/楊詩瑞

▲ 中繼衛星服務空間站等航天器

研制數據中繼衛星，需要攻克眾多特有的關鍵技術，難度極大，故其發展相對緩慢。美國從提出中繼衛星概念到發射第一代中繼衛星首星，間隔約20年，再到第二代星座首星發射，又間隔了17年。

總體而言，數據中繼衛星技術發展路線是采用更先進的衛星平臺，升級天線，采用新型無線電頻段技術和鏈路調制體制等，提升衛星綜合能力，向用戶提供類型更多、功能更強的服務。與此同時，近地航天任務、深空探測任務以及臨近空間、低空超高速飛行等不同應用場景都對中繼衛星提出了不同的服務要求，推動中繼衛星由傳統全功能型向專業型方向發展。各航天大國通過創新體系架構，采用新型網絡技術和星座技術，持續推動新一代數據中繼衛星系統建設，完備中繼衛星體系，滿足未來航天任務需求。

以技術發展推動衛星性能提升

數據中繼衛星的主要載荷是天線陣列，傳統全功能型中繼衛星技術發展主要體現在單址信道性能、天線配置、數傳速率等方面的提升。

美國第一代中繼衛星載荷包括1副由30個螺旋天線單元組成的S頻段多址鏈路相控陣天線以及2副4.9米口徑的可轉動式S、Ku雙頻段單址鏈路拋物面天線。星間鏈路工作在S、Ku雙頻段，星地鏈路工作于Ku頻段，S頻段多址接入前向與返向速率300千比特/秒，單址接入最高傳輸速率10兆比特/秒，Ku頻段單址接入前向速率25兆比特/秒，返向速率150兆比特/秒。

經過第二代系統過渡，美國第三代中繼衛星性能有較大提高，采用了波音公司BSS-601HP平臺，同樣搭載2副單址天線和1副多址相控陣天線，單址天線提供Ku、Ka和S頻段通信，相控陣天線采用新的S頻段多址天線技術，并引入低密度奇偶校驗碼、Turbo乘積碼、8PSK調制等新調制形式，Ka頻段對單址用戶的傳輸速度達到800兆比特/秒。

激光通信技術可以極大提高數據傳輸速率，實現通信載荷的小型化、輕型化和低功耗，提高接收靈敏度，同時具有保密性好、抗干擾和抗截獲能力強的優點，是中繼衛星技術發展的重要方向。由于受大氣湍流影響很大，激光通信主要應用于星間鏈路，已進入實用化階段。美國第四代中繼衛星研制階段已明確增加激光鏈路，其激光終端傳輸速率可達72兆比特/秒～2.88吉比特/秒，未來應用于中繼衛星時，速率有望超過10吉比特/秒。

歐空局在中繼衛星激光鏈路技術領域可謂全球領先，2001年發射的第一顆技術試驗型中繼衛星配備激光通信載荷，從2003年4月開始為法國SPOT-4光學衛星和歐空局Envisat雷達衛星提供高速數據傳輸服務，其中SPOT-4衛星使用激光中繼鏈路。

自2016年開始，歐空局發射部署第二代中繼衛星。其中，EDRS-A衛星配置2副單址天線，分別提供激光和Ka頻段星間通信鏈路，激光返向數據傳輸速率最高達1.8吉比特/秒，Ka頻段返向最高達300兆比特/秒；EDRS-C衛星只有激光通信終端，指標與EDRS-A衛星相同。

日本衛星激光通信技術發展非常迅速。2002年日本發射第一代數據中繼衛星，配備S和Ka頻段星間鏈路，傳輸速率240兆比特/秒。2020年日本發射第二顆數據中繼衛星，直接跨入光通信階段，采用光通信與射頻通信相結合方案，聯合使用激光和S、Ka頻段，與“先進光學衛星”等低軌偵察衛星共同建立中繼鏈路，激光通信速率達到1.8吉比特/秒。

隨著認知無線電和軟件定義無線電技術成熟，星載器件能力提升，中繼衛星鏈路將根據干擾狀況、大氣環境狀態等進行自適應實時調整，實現鏈路參數與環境狀態的最佳匹配，提高數據傳輸容量，還能根據系統使用情況，通過軟件加載手段，隨時升級和改進鏈路調制體制。

▲ 中繼衛星完全展開

▲ 中繼衛星使用激光傳輸數據

構建新型數據中繼衛星體系架構

我們先簡單盤點一番各國中繼衛星體系的現狀。

目前美國正發展第三代中繼衛星系統，其第一代中繼衛星TDRS-1和TDRS-4已離軌報廢，其余4顆衛星仍在軌服役，第二代和第三代各3顆衛星均正常運行，共計10顆中繼衛星在軌，建成了世界上系統最完備、應用規模最大的中繼衛星體系，實現了全球覆蓋，用戶航天器接入系統日均近千次。

俄羅斯中繼衛星系統目前有3顆第二代“射線”衛星在軌服役，定點于東、中、西3個節點（東經167度，東經95度，西經16度），實現準全球覆蓋，用戶航天器接入系統日均近百次。

歐空局中繼衛星系統由2顆地球同步衛星和地面系統組成，衛星定點于東經9度和東經31度附近，實現區域覆蓋，用戶航天器接入系統日均數十次。

日本有1顆中繼衛星在軌，達到區域覆蓋，用戶航天器接入系統日均數十次。

2021年12月，中國天鏈二號02星發射升空，與天鏈一號星座、天鏈二號01星協同工作，由此，中國發射中繼衛星達到7顆，建成世界上第二個全球覆蓋的中繼衛星系統。

必須認識到，各國由于應用需求的差別，中繼衛星系統規模和體系架構有較大差異。

美國運行著世界上最龐大的空間和地面航天基礎設施。為支持本國及國際合作伙伴運行的空間任務，巨大需求催生了最龐大的天基中繼體系，向各類用戶提供測控和通信服務，尤其是滿足載人航天的全時測控和通信保障需求。為了實現天地測控一體化，與地面測控網的測控頻段保持一致，美國重點發展S頻段測控技術。

蘇聯時期建有龐大的空間基礎設施，大力發展載人航天事業，建成了規模龐大的數據中繼衛星體系。不過，2000年以后，受經費限制，俄羅斯航天活動收縮，其中繼衛星數量也縮減很多。

相比昔日美蘇兩強，歐空局的空間基礎設施數量較少，不能獨立開展載人航天任務，研制中繼衛星，主要是為了向衛星提供高速下行數據鏈路，為衛星、載人航天器和運載火箭跟蹤提供低速下行鏈路業務，發展重點是微波和光通信技術在星間鏈路中的應用。

另一方面，隨著衛星技術發展，除了傳統全功能型，數據中繼衛星也在向分布式、專業化方向發展。

歐空局EDRS-A和EDRS-C都不是獨立的數據中繼衛星：EDRS-A作為功能獨立的中繼載荷，搭載在通信衛星上；EDRS-C既是中繼衛星，又搭載了其他功能的通信載荷，共用平臺。歐空局這種專用衛星與多功能載荷相結合的形式使中繼衛星系統構建更加靈活多樣，提高了系統彈性。

隨著小衛星技術發展以及分布式天基系統建設思路逐漸成熟，美國提出，下一代數據中繼衛星將不會把全部新技術集成到1顆衛星上，而是在新構架下將不同的服務在多個航天器上實現。這種“分離”方式可以獨立補充現有的衛星服務能力，還可以根據需求和技術成熟度來提供新服務。因此，下一代中繼衛星可能向全功能型、中繼和移動型、測控與導航型、高速數據中繼與通信型等多個專業方向發展，以星座組網方式提供數據傳輸、中繼等服務。

▲ 歐空局數據中繼衛星

▲ 歐空局“火星快車”充當地火通信中繼衛星

拓展行星際通信中繼

在深空探測活動中，由于距離十分遙遠，探測器的重量和功率受到極大限制，研制專用中繼衛星是提高探測能力的必要途徑。

此外，在一些特定的探測區域和時段，探測器無法與地球直接聯系。如月球背面始終背朝地球，月球南極約有一半時間在地球上不可見；火星、木星等行星軌道面與地球相近，以不同公轉周期運轉，會存在連續幾個月的太陽阻隔干擾期，探測器將長期與地球失聯。發射專用中繼衛星是解決這些問題的關鍵。

“嫦娥四號”任務實現了探測器首次月球背面軟著陸，成功前提就是發射鵲橋中繼衛星。2018年5月，鵲橋中繼衛星發射升空，進入繞地月L2點的Halo軌道。該軌道位于距地球40多萬千米、距月球6.5萬千米的地月延長線上，地月兩大天體的引力和離心力在此達成巧妙平衡，“鵲橋”僅用少量燃料，即可保持平穩，同時“看見”月背與地球。

2019年1月3日，在“鵲橋”的支持下，嫦娥四號探測器順利著陸在月球背面預定區域，并把月背近景和玉兔二號月球車的工作影像傳回地面。在整個任務過程中，“鵲橋”為“嫦娥四號”搭建起地月通信“生命線”，確保通信和數據傳輸鏈路暢通，保障著陸器和巡視器載荷順利開機，開展科學實驗項目，并將大量科學探測數據傳回地球。

在中國火星探測任務中，天問一號探測器環繞器配置2.5米口徑的高增益天線，在與著陸巡視器分離后，調整進入中繼通信軌道，實施為期約3個月的中繼通信任務，構建起著陸巡視器與地球測控站的通信鏈路，向地面傳回火星表面圖像。

2021年11月，中歐火星探測器開展在軌中繼通信試驗，由祝融號火星車向歐空局火星快車軌道器發送測試數據，再由“火星快車”將數據轉發給歐空局深空測控站，轉發至北京航天飛行控制中心，試驗取得圓滿成功。天問一號探測器環繞器在此試驗期間功不可沒。

人類逐步進入“深空大航?！睍r代，抵近太陽探測、月球探測、火星探測、木星探測、太陽系邊緣探測等方興未艾，行星際測控通信導航是人類開拓星空所面臨的重要問題。

美國通過空間通信與導航網絡建設，已具備綜合空間通信與跟蹤能力，實現全天時深空通信能力，通過持續發射服務月球、火星等任務的中繼衛星，逐漸覆蓋太陽系范圍，保障任意時間、任意位置的地球與月球、地球與火星的通信連通性。

中國正在研制、發射通用的星際中繼通信衛星星座，打造全球深空探測通信基礎設施，鋪就人類“星際互聯網”，未來有望為金星到小行星帶乃至木星軌道范圍內的各類深空飛行器提供無縫覆蓋的商業化測控通信導航服務。

未來，星際間通行中繼網絡將成為人類遨游星空的基礎支撐。