一种提高我国空间站中继测控覆盖率的方法

（中国空间技术研究院载人航天总体部，北京 100094）

1 引言

航天器测控与通信系统的主要任务是与地面测控系统一起，建立一个满足预定要求的、稳定可靠的无线电传输通道，保证天-地无线测控信息的可靠传输。影响无线电传输通道建立的主要因素有发射机的发射功率、信号频率、通信距离、天线增益、天线覆盖区域等。其中，天线覆盖率的大小对通信链路的建立至关重要［1-2］。

中继卫星系统可以用于对中、低轨道航天器进行测控和数据中继的测控通信，它既能直视中低轨道航天器，又能直视地面站，是航天器与地面站之间通信的桥梁，能够有效扩大中、低轨道航天器测控通信覆盖范围［3-4］。

与我国载人航天一期、二期工程中的载人航天器相比，空间站在轨时间更长并需要开展大量科学试验，同时为了保证航天员的安全以及在轨试验数据的实时下传，需要尽可能大的测控覆盖率。本文根据我国中继卫星以及空间站的空间几何关系，对中继天线不同安装位置对中继测控覆盖率的影响，结合空间站在轨组建过程，提出了一种采用不同舱段的2副中继天线融合使用并通过调整天线安装布局提高中继测控覆盖率的方法，该方法实现了空间站中继天线100%的测控覆盖率，最后通过仿真分析，验证了该方法的有效性和正确性。

2 中继天线覆盖率分析

中继测控通信涉及到3部分：①配置于地球静止轨道上的两颗或多颗中继卫星；②用户航天器：中继卫星系统的主要用户是中低轨道的各种航天器，尤其是要求高轨道覆盖率的载人航天器和高数据传输率的航天器等；③地面测控终端站，它与用户航天器之间的测控通信是通过中继卫星与用户航天器之间建立的通信链路转发［5-6］。

我国第一代中继卫星系统包括3颗卫星：天链-1卫星为首发星，于2008年发射；天链-2卫星于2011年发射，天链-3卫星于2012年发射。3颗中继卫星形成的最大夹角为160°，如图1所示。我国载人航天器中继天线一般采用机械转动天线，它能够通过伺服控制器驱动转动机构改变天线的俯仰角和方位角，使天线指向中继卫星。中继天线通过纵横的X／Y轴实现俯仰0～90°，方位0～360°的转动［7-8］。假设我国空间站采用倾角为42°、高度为400km 的圆轨道，空间站的中继天线安装位置为III象限线上（对天面），中继天线的测控覆盖率仿真结果如图2所示，图中白色曲线为空间站星下点轨迹，绿色、红色、蓝色分别为天链-1、2、3卫星的覆盖区域。可以看出，在我国目前3颗中继卫星定点位置情况下，中继覆盖率约为88.35%，在北美上空形成了不可见的区域。

图1 天链-1、2、3卫星定点示意图Fig.1 Sketch map of Tianlian-1、2、3

图2 中继天线覆盖率Fig.2 Coverage rate of relay antenna

3 提高空间站中继测控覆盖率的途径

根据测控通信基础理论，中继卫星与空间站之间可通信的条件为：①中继卫星与空间站可视，即在某时刻，空间站与中继卫星之间的连线与地球没有交点；②空间站处于中继卫星天线的波束照射范围内，同时中继卫星也处于空间站中继天线的照射范围内。上述两条件同时满足时才能保证中继卫星与空间站通信。设中继卫星经度差为θ，H为空间站与中继卫星可见所需的最小轨道高度，中继卫星经度夹角与空间站可见高度几何关系如式（1）所示。

式中：r＝6378km 为地球半径，R＝42 164km 为中继卫星与地心距离，cosδ＝r／R。

根据式（1），图3给出了中继卫星的经度差θ和空间站与中继卫星可见所需的最小轨道高度H的关系图。由图3可知，在我国中继卫星最大经度差为160°的情况下，要满足中继卫星与空间站可视条件，空间站需要的最低轨道高度为340km，而我国空间站的轨道高度为350～450km，因此，我国空间站中继天线覆盖率在理论上能够达到100%。如图4中的黄线所示，若空间站中继天线的俯仰角能够大于90°，即可以实现空间站中继天线与中继卫星建立通信链路。

通过上述分析，提高我国空间站中继覆盖率可通过以下3种方法实现：①空间站中继天线具备俯仰角大于90°的指向能力；②通过空间站调姿使中继天线指向中继卫星；③调整空间站中继天线的安装布局。我国空间站中继天线一般采用机械转动天线，天线通过伺服控制器驱动转动机构改变天线的俯仰角和方位角，使天线指向中继卫星。方法①、②对中继天线的转动机构要求较高，且代价较大，方法③相对简单，工程实施代价小。考虑到空间站将采用单舱发射、在轨组装逐步建成的方案，每个舱段单独发射时都配置了中继天线，本文采用不同舱段的中继天线融合使用并调整天线布局的方法提高覆盖率。

图3 两中继卫星夹角与航天器轨道高度的关系图Fig.3 Spacecraft orbit min.altitude vs.angle between two relay satellites

4 空间站中继天线安装位置分析

空间站中继天线位置确定的原则为：既要保证每个舱段单独发射时的覆盖率，又要保证空间站组合体时的中继覆盖率最大。根据天线的安装要求，中继天线可以安装在舱体的不同位置，但中继卫星为地球静止轨道卫星，轨道高度远远高于我国空间站，中继天线安装在舱体的对天面时，对于中继天线跟踪中继卫星最有利，因此，本文主要针对天线安装在对天面的情况进行分析。为了方便地说明中继天线的安装位置，首先建立一个坐标系，如图5所示，空间站的III象限（对天面）线定义为0°，I象限（对地面）线定义为180°。仿真参数如表1所示，仿真角度为0°～50°，310°～350°（对天面），角度间隔取10°，表2给出了中继天线的不同安装角度时的测控覆盖率，由仿真结果可知，当中继天线安装于III象限线（0°）时，覆盖率为88.347 13%，中继天线安装角度与III象限20°时测控覆盖率达到了最大值，为88.713 56%。

图5 中继天线安装角度坐标系定义Fig.5 Sketch map of coordinate system

表1 空间站轨道仿真参数Table 1 Simulation parameters of space station orbit

表2 中继天线的不同安装角度时的测控覆盖率Table 2 Relation between coverage rate and mounting angle of antenna

根据我国空间站的构型设计及飞行方向，空间站中的两个舱体轴线处于平行状态，为了便于说明，将两个舱体中继天线等效在图5的同一个坐标系下。根据上述单副中继天线的覆盖率仿真结果，对中继天线2安装角度分别取0°～350°时的测控覆盖率进行仿真分析，仿真参数同表1。

图6给出了两副中继天线不同安装角度时的测控覆盖率的仿真结果，其中横轴分别为中继天线1、2的安装角度，纵轴为覆盖率。可以看出，通过采用两副中继天线可保证中继测控覆盖率达到100%。根据上述仿真结果，结合表2中单副中继天线的覆盖率，在满足两中继天线测控覆盖率达到100%的前提下，中继天线1、中继天线2安装角度为30°和330°时，也能够保证单舱的中继覆盖率最大，分别为87.006 30%和87.006 24%。值得指出的是，仿真中并未考虑空间站舱体及太阳翼遮挡等因素，同时忽略了中继天线转动及重新捕获的时间。在具体工程实现中由于上述因素的影响，中继覆盖率会有所降低。

图6 两副中继天线不同安装角度时测控覆盖率的仿真结果Fig.6 Simulation results of the coverage rate for two antennas

根据分析结果，图7给出了中继天线1、中继天线2安装角度分别为30°和330°时的几何示意图，图8为两中继天线布局调整后天线覆盖范围仿真结果。如图中黄线所示，在天链-2、3卫星中间的区域（图2中北美上空的空白区域），空间站与中继卫星之间均能够建立通信链路，从而保证中继测控的覆盖率达到了100%。

图7 中继天线调整后覆盖范围Fig.7 Coverage area of antenna after adjustment

图8 中继天线调整后覆盖范围仿真结果Fig.8 Simulation results of coverage area

5 结论

对于长期载人的空间站来说，为了保证航天员的安全以及在轨试验数据的实时下传，需要尽可能大的测控覆盖率。本文根据中继卫星的定点位置，对提高我国空间站中继测控覆盖率的途径进行了研究，提出了一种采用不同舱段的两副中继天线融合使用并通过调整天线安装布局提高中继的测控覆盖率的方法。理论分析和仿真结果表明，该方法能够有效地提高空间站中继的测控覆盖率。如前所述，影响空间站中继测控覆盖率的因素很多，本文所提的覆盖率仿真结果并未考虑空间站舱体及太阳翼遮挡等因素，同时忽略了中继天线转动及重新捕获的时间，这些因素会导致覆盖率有所降低。因此，考虑舱体、太阳翼遮挡时的覆盖率计算及中继天线捕获跟踪策略是下一步需要深入研究的方向。

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