国外中继卫星对航天器交会对接的测控通信支持

史西斌 费立刚 寇保华 程砾瑜

（中国人民解放军63999部队，北京 100094）

1 引言

随着空间探索的不断发展，航天器交会对接在完成空间探索任务中具有至关重要的作用。当一个国家具备了将人送入空间轨道的能力之后，其空间计划的下一个主要目标自然就是开发和演示验证航天器交会对接技术。自20世纪60年代美国和苏联分别实现了双子星-6、7 飞船的人控交会对接以及联盟号飞船之间的自动交会对接以来，世界各国已进行了100多次航天器空间交会对接活动。[1]

航天器交会对接作为当前世界航天领域中一项十分复杂的技术，它对导航和测控通信支持等都提出了相当高的要求。交会对接任务中，要求测控通信系统完成远距离导引段的测控通信任务，并对近距离导引的部分段落进行全程监视，当追踪飞行器和目标飞行器之间的距离在一定范围内时，能同时对2个飞行器进行测控通信；另外，当载有航天员时，还需要能随时掌握飞船的工作状态和航天员的生理状态。基于中继卫星系统的天基测控通信是近代航天技术的一项重大突破，它能够有效地满足空间交会对接的测控通信需求，大大增加了航天器交会对接活动规划的灵活性，缩短航天器返回、交会对接的准备时间。同时，还能节省大量用于建设地面站和设备维护更新的经费开支。

文章以支持ATV 与“国际空间站”交会对接任务为例，着重分析了中继卫星系统为其提供的测控通信支持，如ATV 天线布局和通信系统组成、操作通信体系、通信链路类型和速率等，并从测控通信网的天地一体化、测控通信覆盖率、多目标支持以及中继卫星系统自身建设与发展4个方面总结了国外中继卫星系统支持航天器交会对接任务的特点。

2 国外中继卫星系统对航天器交会对接任务的支持

在需求牵引和卫星通信技术进步推动下，美国首先提出并实现了中继卫星系统。到1988年，NASA建立起了TDRSS的两结点空间体系，从而开启了向用户提供几乎全时段覆盖的先河，这也标志着地基测控网向天基测控通信网为主的转型。此外，俄罗斯、欧洲航天局（ESA）、日本等主要航天国家或组织也已相继部署了自己的中继卫星系统，如欧洲航天局的“阿特米斯”卫星、日本的“数据中继试验卫星”（DRTS）等。

当前，国内已有大量文献对中继卫星系统（尤其是TDRSS）支持航天飞机与“国际空间站”（ISS）等航天器交会对接任务进行了系统、深入的研究。本文仅给出TDRSS和“阿特米斯”卫星支持“自动转移飞行器”（ATV）与“国际空间站”交会对接任务的测控通信情况。

2.1 ATV/ISS交会对接任务概况

ATV是欧洲航天局研制的无人空间飞行器，主要任务是参与ISS的后勤服务，执行对ISS的正常助推或燃料加注，以及向ISS运送补给物资或装卸有效载荷等。ATV是同“国际空间站”的俄罗斯舱段部分进行自动交会对接。ATV 由位于法国图卢兹的ATV 控制中心（ATV-CC）进行监视和控制。ATV 操作尤其是交会对接操作是在与ISS任务控制中心-休斯顿（MCC-H）、ISS任务控制中心-莫斯科（MCC-M）的紧密合作下进行的。[2-3]

2.2 中继卫星系统对ATV/ISS任务的支持

在ATV/ISS 任务中，为了实现与ATV-CC、MCC-H、MCC-M 以及ISS 本身的通信，需要多个通信和遥测系统。图1为ATV-1/ISS任务的发射和早期轨道段测控通信示意图。ATV-1起飞之后约75min，与运载火箭分离，ATV-CC 开始控制ATV-1。从图1中可以看出，ATV/ISS 任务发射段主要由地基测控网提供测控通信支持，涉及的地面站有库鲁地面站、中大西洋船载遥测站，亚述尔群岛（北大西洋）活动站、位于布雷斯特的蒙哥（Monge）号法国海军跟踪船和德国应用科学研究所地面站、新西兰地面站。在ATV/阿里安-5船箭分离前4min，ATV 建立与中继卫星系统的连接。[3-4]

图1 ATV/ISS发射和早期轨道段测控通信Fig.1 ATV/ISS mission TT＆C in launch and early orbit phases

图2 ATV 天线布局和通信体系Fig.2 ATV antennae layout and overall communication architecture

由于仅利用欧洲航天局自己的中继卫星即“阿特米斯”不能提供所需的测控通信覆盖，因此依据任务阶段和卫星覆盖范围还使用了TDRSS。图2为ATV 天线布局和总体通信体系，表1为ATV 通信子系统的设备组成。ATV 主要利用3 副天线和2台相互备份的S频段转发器，来建立与TDRSS和“阿特米斯”的双向测控通信链路。图3和图4分别为ATV/ISS任务的总体通信链路和对接阶段的标称通信链路。整个任务期间，TDRSS与“阿特米斯”共同为ATV 提供S频段测控通信支持。其中，在发射（船箭分离前4min之后）、交会、对接和解除对接与再入阶段，TDRSS提供主用的ATV 测控通信链路，“阿特米斯”提供备用的ATV 测控通信链路；在对接之后直至解除对接之前的ATV/ISS组合体运行阶段，“阿特米斯”提供主用的ATV 测控通信链路，TDRSS则提供备用的ATV 测控通信链路。但是，对于“国际空间站”而言，主要由TDRSS来提供测控通信支持，“阿特米斯”并不提供测控通信支持。[5]

表1 ATV通信系统组成Table1 ATV communication subsystem

1）“阿特米斯”卫星

“阿特米斯”卫星对ATV 操作的主要支持是：

图3 ATV/ISS任务操作通信链路Fig.3 Operational communications paths for ATV/ISS

图4 ATV/ISS任务对接阶段标称通信链路Fig.4 Nominal communications paths in ATV/ISS docking phase

（1）从发射、对接、解除对接直到再入大气层的所有覆盖时段，“阿特米斯”卫星提供并行的ATV遥测链路；

（2）在对接后ATV/ISS组合体运行阶段，“阿特米斯”卫星是ATV 的主要通信链路。

2）TDRSS

在发射（船箭分离前4min之后）、自由飞行、交会、对接、解除对接、再入阶段，TDRSS为ATV 提供主要通信链路。在对接后ATV/ISS组合体运行阶段，TDRSS将作为“阿特米斯”的备份通信链路来支持ATV。TDRS对ATV 的支持包括多址（MA）和S频段单址（SSA）业务，参见表2。

（1）ATV 仅在关键时段才有自己的TDRS独立SSA业务，而关键时段由ESA提供给NASA；

（2）在非关键时段，ATV 应与ISS的TDRS事件共用SSA业务时间，这意味着ATV 需要向ISS申请，使ISS释放对TDRS的使用；

（3）规定时间内，NASA独立提供到ATV 的TDRS SMA前向业务。

表2 TDRS对ATV的支持Table2 TDRS support for ATV

3 特点分析

通过研究和分析可知：由于航天飞机（STS）、ATV、H-II转移飞行器（HTV）、联盟号飞船都是与“国际空间站”进行交会对接，因此具有一定的可比性。表3为TDRSS对这些交会对接任务提供支持的业务类型、数据速率等，同时也给出了这些交会对接任务所需的地基测控网支持的相关情况。[6]

表3 TDRSS对STS/ATV/HTV/联盟号与ISS交会对接任务的支持Table3 TDRSS support for STS/ISS，ATV/ISS，HTV/ISS and Soyuz/ISS mission kbit/s

根据表3并结合各交会对接任务的实际运行以及各国中继卫星系统的发展情况等，可以得出国外中继卫星系统对航天器交会对接任务的支持具有以下特点。

1）构建以中继卫星系统为主的天地一体化测控通信网

在中继卫星系统出现之前，国外航天器交会对接任务的测控通信支持，主要依靠由大量全球部署的地面站构成的地基测控网。而且，由于地基测控网的轨道覆盖率低，使得选择交会对接时机的灵活性受到了很大的限制。例如，在1975年由美苏两国联合进行的阿波罗-联盟号任务中，其测控通信网包括14个航天跟踪与数据网（STDN）地面站、7个俄罗斯地面站和2艘俄罗斯测量船以及1颗中继卫星试验星（应用技术卫星-6），与STDN 地面站通信的时间只占整个任务时间的17%，但STDN 地面站与应用技术卫星-6通信的时间之和则增加到了整个任务时间的63%。[7]

从20世纪80年代TDRSS建成并投入使用以来，空间交会对接任务的测控通信支持则开始主要依靠以中继卫星系统为主的天地一体化测控通信网，3颗合理布局的TDRSS就可以提供100%轨道覆盖。从文中所给出的实际任务情况来看，地面测控通信网的作用主要集中在发射测控段以及提供应急情况下的备份支持。特别是欧洲航天局的ATV飞行任务、日本的HTV 飞行任务，则完全依靠中继卫星实现对飞行器状态的实时监控，保证对交会对接关键操作的实时、连续监视。

2）推荐使用TDRS 卫星单址天线支持同一波束内2个目标的测控通信[8]

在美国航天飞机与“国际空间站”的交会对接任务中，中继卫星系统对2个目标同时进行测控通信的方式主要有2种：一是利用2副单址天线分别支持一个目标；二是利用1副单址天线同时支持2个目标，例如2000年8月的第106次航天飞机任务（任务编号为STS-106 2A.2b），TDRSS成功支持了虚拟航天器事件，即“国际空间站”和亚特兰蒂斯号航天飞机共用1副TDRS单址天线。

通常情况下，2个用户平台不能同时使用中继卫星的同一副单址天线。然而，若2个用户平台进行在轨对接或者在轨道上相距很近，且2个用户平台的状态（如相关通信技术指标）之间差别很小，则可以利用同一副单址天线来支持这2个平台，从而能节约中继卫星的单址天线资源，提高中继卫星的使用效率。任务中可行时，鼓励使用这种方式支持用户平台的测控通信。

3）中继终端采用多副S频段天线实现测控的连续覆盖

由于单颗中继卫星不能实现100%的轨道覆盖，所以在航天器交会对接任务中，为了实现从发射段直到再入大气层的全时段覆盖，通常需要使用多颗中继卫星。另外，在航天器交会对接操作期间，为了确保通信链路安全可靠，通常也需要利用不止一颗中继卫星来提供备份链路。这就带来了如何通过多颗中继卫星之间的切换，确保测控通信的连续不间断覆盖问题。

就目前掌握的相关资料可知，航天飞机/ISS、ATV/ISS等交会对接任务中各中继终端都采用了多副TDRS天线来解决这一问题：如航天飞机轨道器（SSO）安装有4副S频段天线，ATV 安装了3副TDRS天线等（见图2）。利用多副天线，中继终端可同时指向多颗中继卫星，从而实现与不同中继卫星之间的测控通信链路的无缝切换。例如，在航天飞机/ISS中，4副S频段天线以约90°的间隔分布在航天飞机的前机身外表面，从而提供了几乎全方向的覆盖。每副天线都是一个双波束单元，在无需物理移动的情况就可以进行向后和向前收发。2个S频段转发器（1主1备）和S频段天线之间的信号切换由轨道器上的S频段象限天线切换组件完成。基于TDRS对航天飞机的可视范围计算，根据地面的实时指令自动选择或由航天飞机飞行乘员人工选择适当的天线。

另外，利用中继卫星系统可以解决航天飞机返回段的“黑障区”通信问题。航天飞机的迎角等气动外形设计，使得等离子体鞘套的影响主要集中在航天飞机下腹部，而对上表面的影响相对较小，因此利用上表面的S频段天线可与TDRS建立通信，如图5所示。需要说明的是，这种方案并非通用的解决方案，不适应于弹道再入型等飞行器，但对于解决“黑障区”通信问题仍有一定的借鉴意义。[9]

图5 航天飞机返回段的“黑障区”通信Fig.5 Communication in blackout period during space shuttle reentry

4）在加强国际合作的同时各国都在大力发展自己的中继卫星系统

鉴于自身的中继卫星系统能力不足，为了满足各自航天事业发展的需要，日本、欧洲航天局、苏联/俄罗斯等国家和组织，在中继卫星系统使用方面加强了与美国的国际合作。1985年，美国、日本和欧洲航天局成立了天基网互操作委员会（SNIP）。通过广泛的技术协调，已经解决了S频段互操作问题。在ATV-1、HTV-1 的交会对接任务中，就使用了TDRS的S频段业务。当前，正在考虑将经由日本“数据中继试验卫星”（DRTS）的Ka频段链路作为“国际空间站”Ku频段天地链路的备份。另外，俄罗斯也通过协议部分租用了TDRSS业务。

然而，中继卫星系统作为一种战略空间资产，在国家的航天事业发展中具有举足轻重的地位和作用，不可能主要依靠国际合作来满足自身的需求。为此，欧洲航天局和俄罗斯都在近期制定了自己的中继卫星系统发展计划：欧洲航天局将在2012年底之前发射搭载中继载荷的2颗地球同步轨道卫星（EDRS-A、EDRS-B），2013年底之前发射专用数据中继卫星（EDRS-C）；俄罗斯则将在2012年发射新的射线-5A（Louch-5A）卫星，并有望在未来拥有Louch-5A（16°W）、Louch-5B（95°E）2颗卫星，届时将停止使用美国的通信资源。另外，美国也将于2012和2013年发射2颗新的TDRS卫星（TDRSK、TDRS-L）。

4 结束语

本文研究了国外中继卫星系统在航天器交会对接任务中的应用情况。研究结果表明，无论是手动操作方式，还是自动控制方式进行交会对接任务，都是依靠以中继卫星系统为主的天地一体化测控通信网来提供测控通信服务。利用中继卫星系统，可以解决当前陆海基测控网所面临的覆盖率低、运行成本高等难题，能有效地满足航天器交会对接任务的测控通信需求。

结合实际并参考国外相关经验，后续将着重研究以下4个方面问题：①以中继卫星系统为主的各种测控资源的无缝集成以及有效和高效的分配与使用；②单颗中继卫星支持多个用户目标的测控通信关键技术，如通信体制等；③中继卫星系统与地面和用户之间的链路安全问题；④多颗中继卫星对用户的接力支持。

（References）

[1]Zimpfer D，Kachmar P，Tuohy S.Autonomous rendezvous，capture and in-space assembly：past，present and future[C]//Orlando，FL：Proc.of 1st Space Exploration Conference.ESMD，2005

[2]Baize L，Novelli A.ATV“Jules Verne”control centre，from challenges to success[C]//Huntsville，Alabama：Proc.of SpaceOps 2010Conference.AIAA，2010

[3]Baize L，Vanhove M，FLAGEL P，et al.The ATV“Jules Verne”supplies the ISS[C]//Heidelberg，Germany：Proc.of SpaceOps 2008Conference.AIAA，2008

[4]Rousseau S，Walmsley G，Agnese J C，et al.Ariane 5 launch，first step of ATV’s long trip to the ISS[C]//Huntsville，Alabama：Proc.of SpaceOps 2010Conference.AIAA，2010

[5]Leblond P，Le Berre F.ATV mission operations-system testing and operability with space network system[C]//San Diego，California：Proc.of 24th International Communications Satellite Systems Conference（ICSSC）.AIAA，2006

[6]Johnson Space Center.Space station program support requirements system network program requirements document（NPRD）：International Space Station Program[R].Revision K.Houston，Texas：Johnson Space Center，2008

[7]Johnson Space Center.Mission description[EB/OL].（2009-08-13）[2010-06-08].http：//hdl.handle.net/2060/19780009147

[8]Goddard Space Flight Center/Exploration and Space Communications Projects Division.Space network user’s guide[Z].Revision 9.Greenbelt，Maryland：Goddard Space Flight Center，2007

[9]David Sadler.Effects of hypersonic flow during reentry of the space shuttle[EB/OL].（2007-10-25）[2010-06-08].http：//www.columbiassacrifice.com/＄C＿hypersonic.htm.