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发信人: dxmxqe (婴儿), 信区: Aero
标  题: 跟踪与数据中继卫星系统的发展
发信站: 哈工大紫丁香 (Sat May 22 09:14:32 2004), 站内

□ 魏晨曦 

    跟踪与数据中继卫星系统，以其能较大幅度地覆盖和转发地球站对中低轨道航
天器的跟踪测控信号并对中低轨道航天器发回地面的数据、图像、话音等信息进行
实时、连续的中继等优势，逐渐成为发展航天技术越来越重要的项目。美国与俄罗
斯两国的跟踪与数据中继卫星已组网运行，现正在发展后续系统；欧空局和日本在
这种卫星的发展中以其新思路和技术途径，大有后来居上之趋势。本文主要介绍这
些国家跟踪与数据中继卫星系统的发展情况及美、欧、日数据中继系统的互操作与
联网计划。

　　高频段电波的直线传播特性和地球曲率的影响，使测控站跟踪中低轨道航天器
的轨道弧段和通信时间受到限制，跟踪与数据中继卫星相当于把地面上的测控站升
高到了地球静止轨道的高度，一颗卫星就能观测到大部分在近地空域内飞行的航天
器，两颗卫星组网就能基本上覆盖整个中低轨道的空域。因此由两颗卫星和一个测
控站所组成的跟踪与数据中继卫星系统，可以取代配置在世界各地由许多测控站构
成的航天测控网。跟踪与数据中继卫星可以摆脱对绝大多数地球站的依赖，而自成
一独立的专用系统，更有效地为军事服务。

    一、美国“跟踪与数据中继卫星”系统

　　1．第一代系统

　　1983年4月4日，美国挑战者号航天飞机发射了第一颗“跟踪与数据中继”
(TDRS)卫星，直至1993年1月第6颗TDRS卫星发射后，该系统具备了在轨运行和轨道
备份能力，这才真正完成了其组网过程。

　　由于发射失败和卫星本身故障，直到1991年发射第5颗TDRS时，美国一直只能
保证一颗完好的卫星在轨，虽然其间也曾有过两颗工作卫星在轨的情况，但没有足
够的轨道备份。尽管如此，这种卫星系统已发挥了很大作用，曾为12种以上各种中
低轨道航天器提供跟踪与数据中继业务。

　　2．第二代系统

　　根据中低轨道航天器，特别是当时自由号空间站发展的需要，美国航宇局计划
发展新一代系统，称为“高级跟踪与数据中继卫星”。2000年6月30日，一枚宇宙
神2A火箭在卡纳维拉尔角成功地发射了数据中继卫星TDRS－H。该卫星是由休斯公
司制造的3颗卫星（TDRS－H,I和J）中的第一颗。这3颗卫星将用来补充和增强现有
TDRS系统的功能，并将提供带宽更宽、调频更灵活的空间数据和图像的中继。现有
的TDRS已经为航天飞机和其它在轨航天器提供了近20年的通信服务。TDRS系统将作
为美国空间通信的枢纽。第二代TDRS卫星将具有数据传输和为地面和空间提供近似
连续的通信联系的双重能力。这种新卫星将增加TDRS卫星系列Ka波段通信能力，其
数据传输速率可达800Mb/s，并使之不受日益增强的无线电信号的影响。同时S波段
的相控阵天线可以一次接收5个航天器的信号，并同时向1个航天器传输数据。
TDRS卫星具有国际兼容性，可通过Ka波段与日本和欧空局的中继卫星相兼容，以便
在紧急情况下相互支持。美国航宇局计划分别在2002年9月和2003年3月发射TDRS－
I和TDRS－J卫星。

　　为保证上述工作能力，美国还建立了完善的地面支持系统。第一个白沙站配置
了3副18.3m的天线，用于向TDRS馈送数据；一副6m S频段天线,用于紧急情况下的
遥测信号接收和遥控指令发射；1副4.5m Ku频段天线和1副3m S频段天线用于用户
航天器的模拟。第二个白沙站于1995年春投入使用，将为美国航宇局的天基网用户
提供高可用性指令和控制能力及更高级的服务。TDRS系统这一天基网将是国际空间
站和其它用户航天器及其地面支持部分的主要通信关口。

　　3．第一、二代TDRS卫星所能提供的跟踪与数据中继能力比较（见表）

　　从表中可以看出，第二代卫星的S、Ku、Ka频段单址能力没有变化，而多址能
力，返回与前向链路则分别提高了60倍和30倍。 

　　 二、前苏联/俄罗斯的数据中继卫星系统

    前苏联的跟踪与数据中继卫星系统包括军用和民用两大系统。民用系统亦即公
开系统，又分为东部、中部和西部3个独立的网络。

　　1．前苏联的民用数据中继卫星系统

　　（1）主要的公开网络及应用 

　　根据在国际电联频率登记委员会的登记，前苏联的“卫星数据中继网”
(SDRN)分为卫星位于西经160° 轨道位置的东部网、卫星位于西经16° 轨道位置
的西部网和卫星位于东经95°轨道位置的中部网。直至1993年3月，正常运行的只
有两颗卫星构成的两个网络：即“宇宙”1897卫星服务的中部网和“宇宙”2054卫
星服务的西部网。公开系统又笼统称为“射线”系统。

　　系统的主要用途是为低地球轨道卫星提供通信和控制，为和平号空间站、联盟
TM飞船以及早期的礼炮号空间站与地面控制站之间提供双向电视数据交换。

　　（2）以低投入建立广泛的通信能力 

　　前苏联采取利用通信卫星、研制专用卫星等途径，从而以较低投入建立了广泛
的通信能力。

　　1利用“地平线”卫星搭载“射线”数据中继转发器 

　　在“地平线”卫星上搭载一台转发器（加一台备份），转发器为20W行波管放
大器，上、下行频率分别为14.308～14.346GHz/11.508～11.546GHz，带宽38MHz，
等效全向辐射功率(EIRP)为40/36dBW，天线点波束4.6°。

　　2利用“虹”卫星搭载“射线”数据中继转发器 

　　除国内通信、军事通信和L频段海事、航空移动通信外，“虹”卫星的重要使
命还有搭载Ku频段的射线数据中继转发器。

　　（3）两代专用“射线”通信与数据中继卫星 

　　前苏联的“射线”系统最早于1982年搭载在当时发射的“地平线”－5（东经
53°）卫星上。从1985年开始，迄今发展了两代专用“射线”卫星。 

　　1第一代专用卫星

　　第一代专用卫星称为“阿尔泰”，由能源联合体制造。这种卫星构成了3个网
的基础部分。

　　东部网：最早公布的数据中继网，主要为礼炮号空间站和其它低轨道航天器
服务。 


　　中部网：1985年10月“宇宙”1700卫星发射后即建立此网，主要服务于和平
号空间站和联盟TM飞船。这颗卫星只工作了一年，1987年又发射了“宇宙”1897卫
星作为接替。为了支持暴风雪号航天飞机飞行，1988年这颗卫星移至东经12°位置
，1989年又回到东经95°。 

　　西部网：西部网由位于西经16°的“宇宙”2054卫星支持。西部网使用2个轨
道位置，以扩大对和平号空间站的轨道覆盖，减少对海上测量船的要求。 

　　2第二代专用卫星 

　　以“射线”命名的中继卫星可称之为第二代。“射线”1于1994年12月发射，
位于东经95°。卫星重2.2t，最大跨度16m，装载3台转发器，设计寿命5年，太阳
电池功率1.8kW，装有抛物面单址天线和多址相控阵天线。

　　2．前苏联的军事数据卫星系统 

　　前苏联的军事数据中继卫星系统称为“急流”，使用的卫星称为“喷泉”。登
记的轨道位置有3个，即东经80°、192°和西经13.5°，但其中的东经192°位置
没有使用。使用频段为C频段，即4.400～4.680/3.950～4.000GHz。卫星天线采用
相控阵天线技术。

　　1982年5月发射的“宇宙”1366是第一颗“急流”卫星，位于东经80°位置，
1987年11月退役。1986年4月发射的“宇宙”1738卫星占据西经13.5°位置，1989
年4月退役。 1988 年发射的“宇宙”1961卫星，最初占据西经13.5°位置，但从
1992年4月起移至东经80°，直至1993年12月退役。

　　前苏联的数据中继卫星同其它类型的卫星一样，寿命较短，因此每2～3年至少
要发射一颗。

　　三、欧空局的数据中继卫星

　　欧空局于1989年决定发展数据中继卫星，以试验型“高级中继和技术卫星”（
Artemis，简称“阿蒂米斯”）为起点，分两步走达到实用水平。“阿蒂米斯”是
欧空局数据中继和技术卫星计划的一部分。该计划由两个独立部分组成：“阿蒂米
斯”和“数据中继卫星”（DRS）。“阿蒂米斯”卫星是一颗地球同步卫星，加上
DRS部件就构成第一个欧洲数据中继系统。由于试验卫星“阿蒂米斯”用于数据中
继的星间链路只有Ka频段，故该卫星发射并试验后，将与定于2001年后发射的DRS
－1卫星组成双星系统，主要用于对地观测卫星、极轨平台和其它科学卫星的数据
中继。

　　1．DRS的有效载荷 

　　DRS卫星的S、Ka频段单址业务使用一副可同时工作在S和Ka频段的反射器天线
。DRS与“阿蒂米斯”相比，增加了S频段多址业务，使用相控阵天线，多址阵元前
向链路为24个，返回链路为48个。增加S频段多址天线后，DRS可提供多个数据信道
，至少在前向链路中可增加一个以上用户，返回链路可增加两个以上用户，而“阿
蒂米斯”在某一时刻只能处理一个用户航天器的信息。

　　2．DRS主要承担的任务

　　（1）为欧洲、北非和大西洋地区的汽车、卡车、火车和轮船提供声音和数据
通信服务；
　　（2）与美国的GPS导航系统和俄罗斯的GLONASS导航系统的导航信号具有兼容
性；
　　（3）为在轨卫星提供高速的数据传输链路。

　　欧空局决定2001年后发射第一颗卫星，2003年发射第二颗。

　　3.DRS的数据中继业务 

　　根据需要，DRS可以实现3种轨道间链路配置： 

　　（1）两条S频段轨道间链路和一条光学轨道间链路；
　　（2）一条S频段轨道间链路、一条Ka频段轨道间链路和一条光学轨道间链路；
　　（3）两条Ka频段轨道间链路和一条光学轨道间链路。

　　轨道间链路和馈电链路之间的连通也具有灵活性。利用可控天线，甚至轨道间
这3种链路之外的链路也可与馈电链路连通。

　　由于各国的数据中继卫星正朝互为备份和联网方向发展，故欧空局的系统与美
国航宇局的TDRS一样，在S频段采用相同的测距模式。 

    四、日本数据中继与跟踪卫星

　　作为为日本高级空间飞行器进行的“空间操作和数据系统”开发的内容之一，
日本宇宙开发事业团准备在近期内部署包括两颗在轨中继卫星的数据中继与跟踪卫
星系统。两颗中继卫星分别位于东经90°左右及西经170°左右。地球站将设置在
筑波航天中心、鸠山地球观测中心及增田跟踪与数据处理站。为了建设一个可靠而
对用户友好的天基网，日本宇宙开发事业团已经于1995年利用“工程试验卫星”6
进行了轨道间通信的基础试验，并在此基础上，于1997年发射了“通信和广播工程
试验卫星”（COMETS）。通过COMETS试验，日本宇宙开发事业团将验证一系列天基
网技术，并与美国、欧空局进行系统互操作试验，这是研制实用型数据中继与跟踪
卫星的关键项目。此外，日本宇宙开发事业团计划用两颗“数据中继试验卫星”（
DRTS）进行高速率数传网络操作实验。实验的目的是为地球观测和国际空间站等日
本航天活动建立一个空地通信基础设施。

    五、美、欧、日数据中继系统的互操作与联网计划

　　美国航宇局、欧空局和日本都在发展S、Ka频段的数据中继与跟踪系统，1985
年三方成立了空间网互操作委员会，随后达成建立互操作系统的协议，以实现三方
联网。天基网互操作计划的基本目的是实现国际合作并节省开支。所有成员都将在
通信和数据传递中相互得益，特别是在空间计划中，现已开始互操作设计。

　　研究工作大体上分两个阶段，第一阶段主要解决S频段的互操作问题；第二阶
段解决 Ka频段的互操作问题。

　　为了建立互操作系统，三方对轨道间信号的跟踪与捕获方法、通信链路分析和
使用频率进行了长时间的广泛协调，从技术上已基本达成协议。S频段互操作技术
问题和建议的链路参数解决较早；关于Ka频段空间网互操作问题，协调较为复杂，
最后三方都同意前向链路使用23GHz，返回链路使用25～27GHz。

　　1．S波段相互支援

　　三个航天局都同意在各自的数据中继卫星上装频率可调的S波段用户业务转发
器。这些转发器的频率调整范围是2025～2110MHz（前向）和2200～2290MHz（返回
方向）。

　　当系统设计方案确定之后，将采纳现有航天局间频率协调方法。下面两条明确
了三个航天局间选用S波段工作频率的有关问题。

　　（1）各航天局都需要保护其在S波段中的指定频率，以为其用户星服务。这些
用户频率的分配将根据不同的情况逐个进行。

　　（2）2106.4/2287.5MHz频率将留给TDRS的多址业务，但也可供采取极化(或码
分)的、需要至少一种多址兼容模式工作的用户星所共享。

　　为了使经直接馈入链路或经中频工作的特殊设备能互连各航天局的数据中继卫
星系统，必须解决接口兼容问题。

　　为了使互操作的基带信号兼容，必须规定一种信号构造原则。在空间站时代采
用高级数据系统的CCSDS标准后，各航天局很容易解决这种兼容性问题。

　　2．Ka波段现状

　　虽然S波段频率较低，使用方便，灵活性好，可是地面固定链路和无线移动业
务也用该频段，从而给空间业务使用造成威胁，带来了干扰的风险。Ka波段与其它
业务的争用问题较小，能传递高达数百兆比/秒的数据。

　　欧空局率先在轨道间链路上采用23/26GHz频段（Ka波段）。这些频段可为21世
纪的多实验平台、空间站和高级对地观测成像系统提供所需的宽带链路。美国航宇
局的第二代TDRS也选用了同一频段。1989年底，日本宇宙开发事业团宣布改变其早
先频率规划，日本DRTS及实验型中继星COMETS都使用23/32GHz频段。空间网互操作
委员会很快意识到这为Ka波段互操作创造了良好的开端，随即对其进行研究。

　　目前，实现Ka波段互操作已取得明显进展。因为某些Ka波段卫星的数传速率可
高达数百兆比/秒，因而该数据的地面传输就显得格外困难。其它国际组织正在研
究高速数传问题，空间网互操作委员会将密切与其配合，以便需要时可利用这种高
速数传技术。

    六、结束语

　　数据跟踪与中继卫星，是实现全球侦察监视并为战略预警提供实时信息传送的
重要手段之一，也是建立全球天基综合信息网的一个不可缺少的重要组成部分，我
国应借鉴国外先进的经验，及早组织对其关键技术的攻研。需要指出的是，数据跟
踪与中继卫星的技术实现难度较大，特别是在服务对象多、数据传输量大的情况下
，完全依赖数据跟踪与中继卫星来实现各类信息的实时传递，无论是在技术上、管
理上还是经费支持上都将是极为困难的。因此在发展建设上，也可考虑采用天、地
多重接力的方法，实现有关信息的全球大范围传送，作为信息远程传递的一种有效
补充手段。□

中国航天2001年第11期 
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