数据中继卫星：把测控站搬上太空

文/杨诗瑞

▲ 长征三号乙运载火箭发射天链二号02星

2021年12月14日，天链二号02星在西昌卫星发射中心成功发射，这是我国第二代中继卫星系统的首颗装备星，将为载人航天器、卫星、运载火箭以及非航天器用户提供数据中继、测控、传输等服务。我国发射中继卫星数量增加至7颗，两代中继卫星相互兼容、在轨协同组网工作，天基中继系统的稳定性、可靠性、灵活性及服务能力进一步提升，将为我国建设航天强国提供重要支撑。

建设天基测控站

跟踪与数据中继卫星系统是为中、低轨道的航天器与航天器之间、航天器与地面站之间提供数据中继、连续跟踪、测控服务的系统。中继卫星又被称为“卫星的卫星”，是卫星家族中数量较少却非常重要的一员，一般位于地球静止轨道，从上向下覆盖用户航天器。

航天时代早期，人们发现，受地球曲率和无线电波直线传播特性的影响，低轨卫星绕地球飞行一圈期间，单个地面站只有2%～3%的时间能够“看”到卫星，实施测控的轨道弧段和通信时间都非常短暂。

为了克服这个问题，人们通过建设地面站、建造测量船和飞机等方式，扩大测控网络，延长对航天器的实时测控时间，但耗资巨大且效果一般。对于轨道高度300千米的卫星，为了满足100%覆盖，必须在全球范围建设100多个合理分布的地面站，许多站点必须设在国外或公海。

随着人类进入太空，为载人飞船与地面指挥中心提供实时联络成为关乎航天员生命安全和载人飞行任务成败的关键，仅靠扩大地面测控网已难以满足需求。为了从根本上解决问题，人们提出中继卫星系统的概念，把测控站搬上太空，为航天器提供实时测控和数据中继服务。

运行在地球静止轨道的中继卫星，单颗就能观测到大部分运行在近地轨道的航天器，双星组网可以基本覆盖整个中、低轨道空域。中继卫星以较低的成本和较少的地面站解决了地面测控网覆盖率低的问题，可以实现对地基测控“不可见”用户的信息传输，为航天器提供跟踪、测量服务，承担通信和数据传输中继业务，从而极大提高航天器的使用效益和应急能力。

随着人类对太阳系的探索不断深入，飞向月球、火星的探测器都需要不间断的测控和数据回传支持，还需要部署专用的月球、火星与地球数据传输中继卫星，为深空探测任务提供测控和通信支持。

航天器效能倍增器

中继卫星集跟踪、测控、数据中继等多种功能于一体，是空间信息传输的枢纽。数据中继卫星系统一般包括2颗地球静止轨道卫星、1个地面终端站和用户航天器上的设备。用户航天器发出遥测数据、探测数据、话音和视频等信息，通过S、Ka频段星间链路，发向中继卫星，中继卫星以Ku频段将其转发到地面站，进行数据处理。

中继卫星具有诸多优点。一是大幅提高了对用户航天器的轨道覆盖率。利用2颗卫星和1个地面站，可覆盖200千米高度航天器的85%轨道段以及1200千米～12000千米高度航天器的100%轨道段，大幅提高航天器测控和数据传输的时效性，提升了卫星与地面的信号传输和交互能力，争取及时发现航天器异常并排除故障。

对载人航天任务来说，中继卫星可以保证与航天员的不间断通信，随时监控仪器设备和人员工作情况，在任何轨道位置都能操控航天器，使航天员活动规划的灵活性大大增强。比如，天链一号01星发射后，神舟七号飞船的测控覆盖率从18%提高到50%。天链一号02星、03星发射后，我国已实现对中、低轨航天器100%的轨道覆盖率。

二是实现对航天器的集中管理。中继卫星搭载多个高增益天线，系统容量大，可用性高，可以为多个用户航天器服务，管理多种类型的航天器。覆盖空间段的航天器均通过中继卫星系统地面站进行测控，有利于测控业务和航天器上测控设备的标准化。

三是数据传输速率高。中继卫星对用户目标的数据传输能力和对地传输总速率可以达到吉比特/秒级别，而且，数据传输路径主要为真空，不论用户航天器运行到何处，中继卫星均可转送数据到地面站，减少了中间传输环节，可靠性更高，质量更好。

四是经济性好。少数中继卫星系统可以取代大量用于测控中、低轨道用户航天器的地面站，尤其是海外站和测量船，也减少了地基站点之间的远程通信。

正是具有这些显著优势，数据中继卫星已经成为航天大国不可或缺的重要天基基础设施，美国、俄罗斯、日本、欧空局、中国等相继建立起中继卫星系统，在航天活动中发挥出重要作用。

▲ 中继卫星组网覆盖全轨道

▲ 美国航天飞机释放世界上第一颗中继卫星TDRS-1

国外发展概况

美国1983年发射首颗跟踪与数据中继卫星TDRS-1，1995年建成第一代数据中继卫星系统，地面设施主要由白沙站、关岛站和哥达德航天飞行中心组成，天基设施包括6颗在轨卫星，对低轨航天器的测控通信轨道覆盖率达到100%。

随后，美国继续部署第二代和第三代数据中继卫星系统。第二代系统的性能配置与第一代基本相同，星间链路由Ku频段向Ka频段过渡。第三代系统对卫星和地面设施进行了改进升级，卫星采用更先进的卫星平台和推进系统，性能更强大，数据传输速率更高，地面系统进行软硬件更换升级，具备灵活、可扩展、可升级的特征。

美国已建成世界上在轨应用最广泛、规模最大、系统功能最强的中继卫星系统，主要为中、低轨卫星和国际空间站、飞机、舰船、海洋浮标等用户提供S、Ku和Ka频段中继测控和数传服务。

俄罗斯的射线中继卫星系统始建于1982年，1989年完成第一代星座3颗卫星的部署，为低轨卫星、和平号空间站、联盟号飞船及早期的礼炮号空间站等提供测控和数据传输支持。

1990年后，俄罗斯开始研制第二代中继卫星，与第一代系统配置、功能基本相同，但只发射了1颗卫星。2009年，俄开始研制第三代中继卫星，到2014年完成3颗卫星部署。第三代系统增加了S频段星间链路和接收格洛纳斯卫星信号的载荷，可实现与格洛纳斯系统的综合扩展应用。

欧空局1989年开始研制试验型数据中继卫星，2001年7月成功发射，其主要用于验证星间微波和光通信技术，并为欧洲货运飞船和国际空间站交会对接任务、对地观测卫星、极轨平台及其他科学卫星提供数据中继业务。

2008年，欧空局开始研制欧洲数据中继卫星EDRS系统，由3颗卫星EDRS-A、EDRS-C、EDRS-D和相应地面站组成，是全球首个实用化的空间高速激光中继系统。

不过，EDRS-A和EDRS-C都不是独立卫星。EDRS-A作为独立载荷搭载在欧洲通信卫星Eutelsat9B上，2016年发射升空。EDRS-C搭载了其他通信载荷，2019年发射升空。EDRS-D预计于2025年发射升空。

日本2002年发射数据中继与跟踪卫星，为探测卫星、国际空间站及日本希望号实验舱等航天器提供测控和数据中继服务，卫星利用率达到99%，工作到2017年退役。为满足更高的中继速率需求，日本2020年底发射激光数据中继卫星，具有高可靠、小型化和高数据传输速率的特征，性能达到世界先进水平。

▲ 俄罗斯中继卫星

▲ 欧空局数据中继卫星

需要攻克的关键技术

中继卫星系统是空间信息共享枢纽和高效天基信息网络基础设施，是航天器的效能倍增器。从各国发展情况来看，中继卫星系统的作用突出、地位重要，但相比其他卫星领域，发展较为缓慢，数量也很少，只有极少数国家有能力开展系统研制建设，这是因为中继卫星有独特的关键技术和难点。

中继卫星与用户航天器建立星间传输链路，首先要解决星载闭环捕获跟踪技术难题。中继卫星天线增益大、波束窄（0.15～0.3度），要在用户航天器高速飞行过程中完成对目标信号的捕获跟踪。然而，用户航天器为简化系统设计，通常不设信标，只有数据传输信号；由于功能定位不同，每个用户航天器的数据传输速率、调制方式、频带宽度、信号电平和多普勒频移都千差万别；此外，用户航天器天线尺寸和发射功率都很有限，这些都给中继卫星捕获目标信号带来了极大困难。

中继卫星数据传输速率高、天线增益高，这就要求天线具有极高的电尺寸（实际尺寸/工作波长），同时，工作波长越短，要求天线反射面的形面精度就越高。如Ka频段的天线，如果要求其形面误差产生的天线增益损失小于0.5分贝，天线主反射面的形面误差就必须小于0.3毫米，这不仅包括加工工艺误差，还要把太空极端环境造成的天线反射面形变因素考虑在内。可以说，中继卫星多频段精密跟踪天线是目前研制难度最大的星载天线。

中继卫星在轨工作时，大型单址天线处于轨迹复杂、速度变化的运动状态。由于星体和运动的天线之间存在严重的动力学耦合，加上天线本身是非线性、柔性结构系统，要令波束极窄的天线完成对用户航天器的捕获跟踪任务，还需要攻克高精度复合控制技术。

此外，外热流变化极大的高频箱热控设计技术、极宽频带的Ku/Ka频段转发器技术、高性能天线驱动技术等都是中继卫星需要解决的关键技术。

对用户航天器来说，想与中继卫星建立通信连接，需要装载专用的中继终端，工作在相应的星间链路频段。用户航天器的天线要具备跟踪中继卫星的能力，并根据数据传输速率需求，提供一定的等效全向辐射功率和品质因素，以便和中继卫星建立通信链路。

▲ 地月通信中继卫星示意图

▲ 中继卫星验证激光传输数据

发展和应用前景广阔

中继卫星为载人航天、卫星、运载火箭等用户目标提供天基测控和数据中继服务，具有广阔的发展和应用前景。

载人航天方面，中继卫星为空间站和飞船在轨运行提供天基测控与数据中继传输服务，为飞船飞行全程提供前向和返向图像、话音等，支撑空间站日常运行。卫星应用方面，中继卫星为遥感、测绘等中、低轨卫星提供长期、稳定、可靠的天基数据传输和测控服务，把数据及时回传地面，提高应用效能。火箭发射任务中，中继卫星拓展火箭发射测控覆盖范围，可弥补陆、海基测控盲区，回传关键箭载遥测数据。

随着中继卫星系统应用范围不断扩大，用户类型由天基航天器逐渐扩展到海、陆、空等领域，常态化中继任务规模和服务目标数量逐年快速递增，任务类型向多样化、体系化发展，对数据中继业务的传输速率、覆盖区域、接入实时性等都提出了更高要求。

一方面，遥感卫星的分辨率不断提升，空间站等长期在轨载人航天器每天产生大量科学实验数据，要求中继卫星能够提供更高的数据回传速率。另一方面，飞向月球、火星等的星际探测器需要持续测控和通信支持，要求部署专用中继卫星，拓展深空远距离中继能力。此外，未来的航天器将更多采用自主管理和自主飞行模式，要在无地面测控参与的情况下，通过中继卫星接收高精度导航数据，实现航天器的自我实时高精度定轨和轨道控制。

面对新的需求，各航天大国积极推动中继卫星技术的换代升级，工作频段向高频发展，开始采用激光通信技术，大幅提高数据传输速率；卫星体系向分解式、专业型方向发展，美国采用小卫星星座方式，欧洲采用专用卫星与搭载载荷相结合的形式，构建更加灵活多样的中继卫星系统，提高系统弹性；用户终端向小型化、智能化、低功耗和高可靠性方向发展，满足更灵活的端到端的数据交互模式；以人工智能技术与软件无线电技术相结合，提高中继卫星系统数据吞吐量和运维管控的灵活性，进一步提升系统性能。

作为空间信息高速传输的骨干基础设施和航天器的效能倍增器，中继卫星将在航天和其他领域应用中发挥越来越显著的作用。其广阔前景表明了这一卫星领域的强大生命力，将为人类探索宇宙的征程做出更大贡献。