中国数据中继卫星系统及其应用拓展

王家胜

（中国空间技术研究院，北京 100094）

1 引言

数据中继卫星（以下简称中继卫星）系统是在航天器与地球站之间提供实时测控和数据中继服务的系统。它一般位于地球静止轨道，从上向下覆盖用户航天器。它的天基设计思想，最大限度地克服了由于地球曲率和无线电波直线传播特性带来的负面影响，从根本上解决了测控、数传的轨道覆盖率（用户航天器可建立无线联系的轨道弧段占总弧段的百分比）和实时传输信息的问题，具有很高的经济效益。例如：单个地球站一天中只有大约30min时间与一颗高500km 圆轨道的卫星建立无线联系，其轨道覆盖率不到3%；而一颗中继卫星即可使这一覆盖率超过50%。中继卫星系统使航天测控和信息传输领域发生了革命性的变化。

中继卫星系统一般由在不同轨位的多颗卫星构成，以扩大轨道覆盖率和提高同时为多个用户航天器服务的能力。能对各种轨道的用户航天器提供全时段实时服务的中继卫星系统称为全球覆盖（即100%轨道覆盖率）系统；考虑到绝大多数用户航天器是低轨对地观测卫星，能对这类卫星提供全时段实时服务的中继卫星系统可称为准全球覆盖系统。

2 天链一号中继卫星系统的建设历程及其特点

2.1 建设历程

中国较早就认识到中继卫星和天基信息传输在航天事业发展中的重要作用。在20世纪80年代空间站的早期论证阶段，中国就提出了发展自己的中继卫星的设想。到了90年代后期，配合某卫星平台的早期开发，较系统地开展了中继卫星的预先研究。在需求分析和可行性论证的基础上，进行不同技术途径的比较，形成了中国第一代数据中继卫星——天链一号的初步方案。它基于较成熟的卫星平台，具有自己的技术特点，能够满足今后一段时期的需求。此外，还完成了星间捕获跟踪、链路功能等关键特性的地面演示验证工作。此后，卫星转入正式研制阶段。经过几年的努力，攻克了多项关键技术［1］，中国第一颗中继卫星——天链一号01星于2008年4月25日成功发射，顺利定点并正常运行，对中低轨用户航天器的轨道覆盖率超过50%。由于01星在轨的出色表现，中国迅速启动了后续星的研制工作。2011年7月11日天链一号02星成功发射，把对中低轨用户航天器的轨道覆盖率提高到75%以上。2012年7月25日天链一号03星发射成功，形成了包括东、中、西三星组网的准全球覆盖中继卫星系统。这一系统也是中国第一个提供全球范围实时信息传输服务的卫星系统。

2.2 中国是世界上第二个拥有准全球覆盖能力GEO中继卫星系统的国家

美国是最早进行GEO“跟踪与数据中继卫星系统”（TDRSS）研制的国家，构建了天基网（space network），最多时曾有9颗卫星在轨，目前仍有7颗卫星组网运行，并将在2015年前发射3 颗第三代“跟踪与数据中继卫星”（TDRS）［2］。它是世界上第一个拥有全球覆盖能力的GEO 中继卫星系统的国家，此外，它还有军用中继卫星系统。欧洲和日本各自都只发射了一颗GEO 试验中继卫星，分别为阿特米斯（Artmis）和“数据中继试验卫星”（DRTS），都未进入实用阶段［3-4］。

俄罗斯中继卫星系统的发展较早，曾在2000年以前发射了15颗军、民用中继卫星。但由于卫星寿命较短和经济困难的原因，在本世纪初出现了有几年无在轨工作卫星的状态。直到2011年下半年又重新开始发射，现已有军用一颗、民用两颗卫星在轨运行。虽然俄罗斯在很早就规划建立全球覆盖（或准全球覆盖）的中继卫星系统，并申请了相关轨位。但只使用过13.5°W 和80°E（军用）、16°W 和95°E（民用）两组轨位，未构建成全球覆盖（或准全球覆盖）系统。俄罗斯已公布了达到这一目标的计划：它最早有可能在2014年3月实现［5-7］。

天链一号三星组网系统的建成和成功运行，使中国继美国之后成为世界上第二个拥有准全球覆盖能力GEO 中继卫星系统的国家，对中国航天事业发展作出了重大贡献。

2.3 天链一号中继卫星系统的特点

和国外同类系统相比，中国天链一号中继卫星系统具有如下特点：

（1）结合中国国情，利用地域辽阔和已初具规模的地面高速光纤干线设施，配置较少的卫星，只在国内设管控站，构建了具有准全球覆盖能力的中继卫星系统。

（2）虽发射第一颗中继卫星较晚（2008年4月，当时是世界上第五个发射中继卫星的国家），但发展十分迅速。2012年就建成了准全球覆盖的三星组网系统，并实现了多方面的实际应用。

（3）在充分论证的基础上，采用了和美国TDRSS星地大回路控制不同的捕获跟踪方案，在轨获得很好的效果。

（4）一些关键部件实现了国产化，拥有多项自主知识产权。

3 中国中继卫星系统的应用

到目前为止，天链一号系统三星组网稳定运行，广泛应用于多个用户航天器和其他用户的测控、通信、数据中继，充分体现了天基信息传输在覆盖性和实时性上的巨大优点。在航天领域起着越来越重要的作用。

（1）为载人航天保驾护航。2008年9月，天链一号01星首次执行任务，圆满完成了对神舟七号载人飞船的数据中继、测控和跟踪，传回的视频图像清晰，话音质量好，数据可靠，成功实现了中国天基信息传输的重大突破；2011年10月，01星和02星形成的双星系统，圆满完成神舟八号飞船和天宫一号目标飞行器的交会对接任务，极大地扩充了可数传和测控的轨道弧段，并首次实现同一波束内双目标的捕获跟踪和中继数传；2012年6月，神舟九号载人飞船发射升空，3名宇航员成功完成与天宫一号的自动和手动对接任务，并进驻天宫一号，实现了多项首创。在轨13天中，大量数据、图像、音频、电邮及神舟-天宫组合体的测控等信息，通过天链一号中继卫星系统高质量地传到地面指控中心，为此次任务的圆满完成提供了有力的保障。此外，天宫一号从2011年8月发射升空以来，天链一号卫星系统完成了大量日常测控和数据中继工作，为地面及时和全面掌控天宫一号的状况，确保安全作出了重要的贡献。

（2）为中国多种对地观测卫星提供数据中继服务。4年多来，它传回了该类卫星在中国地球站不可见弧段获得的大量图像和高速数据，明显增加了其轨道覆盖率和信息的实时性。

（3）为中低轨卫星提供测控中继服务。对装有小型用户终端的卫星，能实现近100%轨道段的测控，明显提高了卫星运管的可靠性，特别是在处理应急事件（如航天器故障发现和排除等）上有明显优点。

（4）为航天发射提供测控支持。由于远洋测控船数量和布局的限制，发射GEO 卫星的运载火箭在飞行时总存在一定的无线传输盲区，人们无法得到该时段火箭运行的信息。利用中继卫星系统克服了这一缺陷，可获得火箭全飞行弧段的遥测数据，为运载火箭的监控和改进提供了有用的资料。另外，中继卫星系统也为缩短航天发射任务的准备周期、逐步减少远洋测控船和国外布站提供了有效的途径。

（5）为特殊用途的飞机和其他飞行器等非航天用户提供了测控和高速率数据中继服务。

（6）地面的应急和特殊通信中继服务。由于中继卫星服务范围广，其链路具有极高的等效全向辐射功率（EIRP）和品质因素（G／T），波束的空间隔离性好，在应急通信和特殊通信中对地面终端的要求很低，和其他通信手段相比，它具有独特的优点。

4 对未来中继卫星系统技术和卫星技术发展的建议

4.1 对大系统技术发展的建议

（1）进一步优化顶层设计，提高覆盖能力。由于现有GEO 轨位和管控站位置的局限，目前中国中继卫星系统性能还未达到最佳。理想的情况是在GEO 上经度相隔约180°的两个节点位置布置两颗（或两组）中继卫星，在国土的东西端适当地点设置对应的管控站，通过高速光纤将管控站、系统管理中心及用户连接起来［8］。这一配置可达到美国现有TDRSS的覆盖能力（但美国是通过在三个节点的三组卫星和在国土外设站来实现的），即能将100%轨道覆盖的下限延伸到73km［9］。实现这一方案的前提条件是申请并获得相应的轨道资源（例如在166°W～172°W 附近的轨位等），应尽早开展这方面的工作。

（2）倡导研制能在轨道倾角变化较大（如±5°或更多）条件下工作的中继卫星。它一方面能在同样卫星平台能力的条件下，明显提高卫星和系统的工作寿命，带来可观的经济效益；另一方面其实现的技术难度不大，由于捕获跟踪功能的需要，中继卫星上多数天线都已具有指向可控功能，只要将剩下的固连在星本体上的天线装上简单的指向调整机构即可（大约±2°的调整范围就能满足12年以上的工作寿命要求）。如果卫星控制分系统能进行姿态动态偏置，消除轨道倾角对卫星姿态指向的耦合影响，也能达到这一目的。此外，在一定轨道倾角条件下，这种卫星还具有为两极地区提供部分时段（例如每天4h）实时中继服务的能力。美国从1997年起就利用了其部分中继卫星（先后利用了位于174°W 附近的TDRS-1和TDRS-5等）具有的这一特性，实现了在南极麦克默多（McMurdo）地球站和美国本土白沙TDRSS地面终端站之间的高速数传［10］。

从原理上讲，中继卫星也可工作在12h（或24h）周期的大椭圆轨道（HEO）上。这种卫星虽能提供一些独特的服务（如对高纬度地区地面提供卫星通信），但对卫星平台、卫星天线、星上部件的抗辐射特性和地面设施有高的要求（特别是对要求准全球覆盖或高速率数据传输的情况）。在未来的系统设计上，应仔细分析、对比和权衡，作出正确的决策。

（3）提高系统的使用效率。一般说来，100%的轨道覆盖率并不等同于100%的系统使用效率，它受多方面的影响，例如用户航天器在服务区转换时，由于其高速数传终端天线（一般为带机械转动装置的反射器天线）指向要旋转约180°，并重新对另一颗中继卫星捕获跟踪后才能重新工作，减少这一过渡时间（一般2～3 min）将有效地提高系统的使用效率和中继信息的连续性。可能的努力方向有：在不影响捕获跟踪精度的前提下尽量提高终端天线的回扫速率；或开发性能优异（高EIRP 值、G／T 值和宽扫描角度等）的相控阵用户终端（就目前的技术水平而言，后者的难度很大）等。此外，尽量减少每次跟踪用户航天器前向中继星注入相关参数所用的时间，也能提高系统的使用效率，这在系统和卫星层面都有改进的空间。

（4）中继卫星特有的（双星或多星）共轨运行技术。由于轨道资源的限制，在将来可能出现两颗中继卫星或两颗部分失效的中继卫星共轨（等效成一颗全功能的中继卫星）的情况，这必须事先对频率计划进行优化或修改，以能够共轨工作。考虑到未来中继卫星上不少天线具有高增益及宽角度转动特性，在共轨时，应特别注意可能出现的特殊电磁干扰问题（包括与之共轨的其他卫星），并探索相关的应对措施。

（5）协调规范系统使用的频率、极化和信标，有效地开发综合能力。在不得不采用极化复用技术时，应特别注意这种应用在中继卫星系统中的特殊困难，并研究解决措施。

4.2 对卫星研制技术发展的建议

毫无疑问，中国还将研制未来的中继卫星系统，其卫星将装载更复杂的有效载荷，提供更多种类且功能更强的服务。完成这一任务必须攻克很多新的关键技术，主要有以下建议。

（1）大型可展开网状跟踪天线。为了适应越来越高的数据传输需求，中继卫星单址天线的电尺寸（口径与工作波长的比值）将越来越大（此比值国际上已有超过400的例子）。由于发射重量和体积的限制，必须选用大型可展开网状天线。由于它还应具有跟踪功能，在双频段（或多频段）工作，这给天线的设计、制造和地面试验带来大的困难。应该指出：简单地把工作在Ku或更低频段的伞形网状天线方案拓展到Ka或更高频段将可能遇到可行性问题，设计师必须进行仔细的论证和试验，才能保证这种对中继卫星而言影响成败的关键部件的研制成功。

此外，随着可展开天线的电尺寸越来越大，在轨环境下保持天线形面精度将越来越难，应考虑开发这种天线的形面在轨调整技术，美国TDRS-I和TDRS-J卫星已采用这一技术［11］。

（2）S频段多址（SMA）技术。为了满足数目较多且数传速率较低的用户（例如小卫星、某些航空器及临近空间飞行器等）的需求，中继卫星系统将逐渐提供SMA 业务。它一般采用码分多址加空分多址方案，其返向链路多波束形成技术（有地面形成和星上形成两种途径）十分复杂。另外，为了使这种业务具有更高的效费比、更高的灵活性和更大的容量，要开发中继卫星特有的按需分配的通道分配技术。

（3）更高无线电频段技术和激光技术。利用越来越高的频段一直是无线信息传输发展的方向。它一方面带来新的频谱资源，使更高速率的数传成为可能；另一方面，它也引出新的技术难点：例如更低相位噪声的本振和基准频率源技术、新型功率放大器和低噪声放大器技术等。W 频段（60GHz）将是下一个开发的目标。此外，星载激光技术近年来已有明显的进展，它也会出现在未来的中继卫星上，但在其可靠性、功率、效率和对航天器平台的适应性等方面仍有不少工作要做。

未来更高频段和激光的应用，将首先出现在中继卫星的星间链路，在星地链路上应用还存在大的困难：更高无线频段的巨大雨衰和云、雾、雨、尘、对流层湍流对激光传输的严重影响（由于中继卫星系统的地面管控站天线的工作仰角一般都很低，这一影响更为突出），将极大地劣化系统的可用度和实时性，而这正是中继卫星系统必须强调的，到目前为止相关技术还未取得明显突破［12］。

（4）更先进的调制技术。中继卫星在现阶段还不是一个频带受限系统，但由于前述的原因，随着数传速率的不断提高（例如吉比特每秒量级），星地返向链路的可用频带宽度将成为瓶颈。采用更先进的调制技术，例如8相相移键控（8PSK）、16进制脉冲幅度调制（16PAM）等将是发展的方向之一，这将对有效载荷的设计提出高得多的要求。攻克这方面的关键技术是今后必须完成的任务。

（5）相关的平台技术。上述新型有效载荷技术的应用将对中继卫星平台提出新的要求，更大电尺寸的天线的波束宽度更窄，要求姿控精度更高；激光技术的应用对姿态稳定度提出高的要求；未来中继卫星将配置两副（或多副）大型柔性跟踪天线，控制它们之间的耦合及对卫星姿控的影响也将是必须攻克的技术难题。

和一般通信卫星相比，中继卫星也有比较宽松的要求：如功率要求较低（美国第二代中继卫星的功率约2.3kW，即将发射的第三代中继卫星功率约3.2kW，都明显低于同时期研制的通信卫星）、推进剂装填量较少（它可设计成在小倾角GEO 轨道上工作，从而节约可观的用于南北位置保持的推进剂）。总体设计人员应根据未来中继卫星的实际情况，对选用的卫星平台进行适当的改进，设计出性能更好的中继卫星来。

5 中继卫星系统应用领域若干可能的拓展

（1）对GTO 和GEO 用户提供中继服务。这是对现有应用领域的必然延伸，也是在近期内可望实现的项目。这一应用要求卫星的星间链路天线可转动范围明显增大（例如：对轨道高度3100km 以下的用户，±13°的天线转动范围即可满足要求；而对GTO 和GEO 用户，天线转动范围在东西方向要达到90°，在南北方向要大于用户轨道倾角）。由于必须考虑星间链路天线转动时和卫星本体的干涉及射频传输等问题，大的天线转角研制难度较大，这在研制有两副星间链路天线的大型中继卫星时更为突出。此外，对用户航天器的程序跟踪设计也将比小天线转角的情况困难。

（2）支持航天器再入大气层时的测控和通信。众所周知，航天器在再入大气层时产生的热等离子层（即等离子鞘套）使无线电波产生吸收损耗、反射损耗和折射畸变失真，形成所谓再入通信“黑障”。经过多年的努力，人们虽然寻找了一些可能的应对措施（诸如提高工作频率、改进航天器外形、注入消电子液体、改善外表面防热材料和外加静态磁场等），但都没有突破性进展。目前的技术使得中继卫星有可能解决这个问题。这一方面是由于采用极高频率（如Ka甚至更高频段）进行星间中继技术已经日趋成熟，激光星间传输技术发展迅速；另一方面是再入航天器迎风面和背风面的等离子体角频率可差近两个数量级，而中继卫星处于十分有利的位置，可从再入航天器的背风面方向与它建立通信链路。因此，利用中继卫星突破再入通信“黑障”可能有很好的应用前景。

欧洲航天局曾在1998年10月进行过一次大气层再 入 演 示 器（Atmospheric Reentry Demonstrator）试验。由阿里安-5火箭发射一个质量为2.8t、70%缩比尺寸的阿波罗（Apollo）再入舱，经过约101min的亚轨道飞行（最高高度达830km）和再入，成功在134°W，3.9°N 的太平洋面上回收。再入过程中，进行了多项对落区飞机（L和S频段）和美国“跟踪与数据中继卫星”（TDRS）（S频段，2267MHz）的无线传输试验，结果对飞机传输都出现了较长时间（3～7min）的“黑障”，但TDRS的信号接收没有中断（但出现了最大约25dB的衰减）。虽然条件比较特殊（TDRS的接收方向几乎正对再入舱的背风面；又是亚轨道飞行，最高速度约7.6km／s，“黑障”现象相对较轻），但考虑到这是在S频段，结果十分令人鼓舞［13］。

考虑到航天器再入时的信息传输速率一般都不高（多半为话音和测控数据等），加上表面材料的烧蚀可能对激光镜头产生严重的污染，笔者认为最有可能在Ka或W 频段较早取得突破。

神舟载人航天工程的再入着陆场在内蒙古四子王旗，而中国就有对再入通信处于较好轨位的中继卫星（其通信方向基本上在再入舱的背风面）。建议尽早策划相关试验（最好先在Ka频段进行），以在再入通信突破“黑障”方面取得实质性进展。

（3）特殊卫星星座的控制和管理。研究表明，高椭圆轨道（HEO）卫星星座可对高纬度地区提供较好仰角的服务，但须要运营不同地域的几个地球站。中继卫星系统可完成此任务，减少运营成本。如：美国Sirius数字音频广播卫星系统（已建）和论证中的移动TV 广播卫星星座系统等［14］。

（4）月球探测和行星探测。由于距离十分遥远，月球和行星探测器重量和功率的约束十分突出，研制特殊用途的中继器（卫星）是实现高效率探测的必要途径。此外，在一些特定的探测地区和时段（例如有部分月球表面和近空在地球上永远不可见，而人类探索的热点——月球南极约有一半时间在地球上不可见等），探测器无法与地球建立直接的无线联系；对于轨道面和黄道面夹角小的行星（如火星、木星等），存在连续数个月的太阳干扰期，这时如果地球、太阳和行星处于某特定几何关系附近，探测器也将长期不能和地球进行信息交流。为了克服这一致命缺点，确保安全，绕月（或行星）或相关拉格朗日点中继器（卫星）大有用处［15］。

在这一领域的一个例子是美国的“火星勘测轨道器”（Mars Reconnaissance Orbiter），它在轨工作21个月只传回了20%的火星地面图像；如果采用绕火星中继卫星——“火星通信轨道器”（Mars Telecom Orbiter）方案，就能在几个月内得到全部火星地图，可见效益非常明显。

应该指出，为完成这一任务须要研制全新的中继卫星（或中继器），在技术上将面临很多新的困难，必须在深空特高无线电频率（或激光）通信、超低噪声和极低门限接收、高比率数据无损压缩、极窄带锁相接收机、更先进的调制／解调和编／译码等技术上获得突破，这无疑是对未来设计人员的巨大挑战。

6 结束语

天链一号三星组网准全球覆盖中继卫星系统的建成和迅速得到广泛的应用，展现了它在覆盖性、实时性和经济性等方面的明显优点。它具有广阔的发展前景，将在国民经济建设中发挥越来越明显的作用。中国应重视系统发展战略路线的研究，前瞻性地推动系统和卫星层面上的技术发展，拓展可能的应用领域。可以预料，在中国航天人的不懈努力下，作为天基信息传输系统的关键成员，中国中继卫星系统将有光辉的未来。

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