数据中继卫星系统体系综述

自20世纪70年代美国开始发展“跟踪与数据中继卫星系统”(TDRSS)以来,数据中继卫星系统已历经50余年的发展。俄罗斯、中国、欧洲等航天国家/地区根据其政治、经济、地理等国情及航天探索发展规划,分别发展出技术体制与形态各异的数据中继卫星系统。同时,随着人类探索太空的脚步迈向深空,地月空间、地火空间的测控与数据中继设施建设也未曾止步。2024年3月20日,探月工程四期鹊桥二号中继星在中国文昌航天发射场成功发射升空,鹊桥二号中继星作为探月工程四期后续的“关键一环”,将架设地月新“鹊桥”,中国数据中继卫星家族进一步发展壮大。本文回顾了各国/地区数据中继卫星系统发展概况,并对深空数据中继卫星体系展开介绍。

应用于中继卫星通信系统的16QAM-TCM技术研究

网格编码调制技术可以在不改变信息传输频谱带宽的条件下,改善信噪比,减少发射功率,降低误码率,其实现的方法是分割星座图形成子集,逐步增大星座图中信号点之间的最小欧氏距离。本论文在项目组自研的中继卫星通信系统仿真平台上,仿真了8PSK与16QAM-TCM两种调制技术的解调性能,仿真曲线反映了误比特率需求与所需信噪比之间的关系。仿真结果表明:(1)在理想信道条件、I/Q(Inphase/Quadrature,同相/正交)幅相不平衡、幅频特性、群时延、相位噪声、功率放大器饱和点条件下,假设误比特率需求为1E-7,16QAM-TCM技术的信噪比需求与8PSK调制技术的信噪比需求相比,分别可节省8.85 dB、9.04 dB、8.45 dB、10.2 dB、8.5 dB、14.6 dB的信噪比;(2)在非线性信道条件下,当信噪比增大时,8PSK调制技术的误比特率在1E-3数量级附近波动,不再变化;(3)假设需求的误比特率为1E-7,16QAMTCM调制技术非线性信道信噪比仿真值与理想信道信噪比仿真值相比,损失了4.8 dB。

中继星典范——跟踪与数据中继卫星系统

美国宇航局的跟踪与数据中继卫星系统(TDRS)的发展,主要是为载人航天服务的。它的提出、部署和服役,其实比SDS还晚几年。战略收缩的产物。早期美国宇航局载人航天的测控活动,是靠全球布站来实现的。在其巅峰时期,美国宇航局维护着3个全球地面站网络。

暗影舞者——美军的卫星数据系统

美国军方一度拥有自己的数据中继卫星系统——“卫星数据系统”。这个系统前后发展了三代。第一代是1976年至1987年的SDS-1;第二代是1989年至1996年的SDS-2;第三代SDS-3从1998年投入使用。高度保密的SDS。SDS系统的主要功能是把侦察卫星图像中继传输给美国本土。

利用“双星”系统建立初级数据中继卫星系统（TDRSS）的探讨

本文介绍了在“双星”系统的中继星上增加一个２．５ｍ直径Ｓ波段跟踪天线和２个转发器，与地面站一起构成初级ＴＤＲＳＳ系统。可以提供对飞船跟踪与通信的７０％以上的轨道覆盖率和２Ｍｂｐｓ的反向数传速率，解决了只依靠大量地面布站所面临的许多困难。

跟踪及数据中继卫星系统的正反向通信链路

本文讨论跟踪及数据中继卫星系统（ＴＤＲＳＳ）的正反向通信链路。包括：１）Ｓ波段多址勤务链路的相控阵天线地面多波束形成及自适应对准；２）把ＴＤＲＳ上的３０个单元天线的接收信号传回地面并保证各路之间相对相位、振幅的稳定；３）Ｋｕ波段单址勤务链路中ＴＤＲＳ与用户飞行器天线相互捕获与跟踪；４）扩频—测距码的快捕。

中继卫星S频段多址系统应用服务模式

通过深入分析TDRSS(Tracking and Data Relay Satellite System,跟踪与数据中继卫星系统)多址业务的主要能力、业务类型以及服务对象,概括总结出了TDRSS多址业务的2种应用服务模式,即周计划模式和按需接入模式。在此基础之上,设计了我国中继卫星SMA(S-band Multiple Access,S频段多址系统)的预分配服务模式、周计划服务模式和按需接入服务模式等3种应用服务模式。针对这些,建议:低速测控及数传需求的用户平台在安装S频段中继终端时,考虑兼容S频段单址和多址业务;用户中心S频段低速测控及数传服务尽可能使用SMA;用户在单独使用返向SMA资源时,必须确保中继终端处于开机状态,并指向中继卫星。

基于嵌入式云平台的中继卫星系统地面终端站基带池设计技术

针对中继卫星系统地面终端站测控与数传业务设备套量种类繁多、专用性强、互替性弱的应用现状,通过对地面站基带开放式平台架构的研究,提出了一种嵌入式云平台部署方案和基于蓝图技术的全景动态重构技术路线,解决了地面终端站基带功能可扩展、终端可灵活重构、计算资源可按需配置、业务功能可在线定制和快速切换等问题。研制了原理样机并进行了演示实验,网络互联速率达到40 Gb/s,入网子颗粒5个,微颗粒达到32个,部署业务种类达到4种,单功能重构时间为30 s,与传统测控基带设备相比,在相同的建设成本下,处理能力提升5倍以上。实验结果表明,所提技术能够大大提高中继卫星系统地面终端适应战时快速响应与机动部署的能力,并有效降低设备研发、运营维护以及未来性能升级的成本。

跟踪与数据中继卫星系统在测量船上的应用前景

介绍了国际跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)的基本状况与发展趋势,分析了今后测量船利用中继卫星系统传输高速数据的应用前景,比较了测量船加装中继卫星系统的几种方案,并对其可行性进行了评估。

中国数据中继卫星系统及其应用拓展

论述了中国天链一号数据中继卫星系统的建设历程和特点、应用实践和对中国航天事业发展的贡献。对中国未来数据中继卫星系统在大系统层面(包括优化顶层设计、提高工作效率和扩大覆盖区等)和卫星层面(包括相关的先进有效载荷和平台技术)的技术发展提出了建议,对今后应用领域的拓展(如地球同步转移轨道(GTO)/地球静止轨道(GEO)用户航天器、再入通信、深空通信和特殊卫星星座管理等)进行了讨论。

中继卫星系统用户终端关键技术分析

用户终端在跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)中具有重要作用。介绍了中继卫星系统用户终端的分类、功能和组成,重点对用户终端采用的全数字化可编程综合基带、自动增益控制(AGC)、相参转发和小型化等关键技术进行了总结和分析,已工程实现的用户终端功能和性能满足系统要求。最后,提出了用户终端技术的发展趋势。

基于中继卫星的运载火箭天基测控系统研究

为解决运载火箭的远程高空测控问题,引入基于中继卫星的天基测控系统方案。分析中继卫星测控技术给运载火箭遥测遥控、通信、控制和任务执行方面带来的影响,论述中继卫星测控系统的组成架构,剖析运载火箭端测控系统的详细组成和运行机理。利用STK软件建立某运载火箭天基测控系统仿真模型,对多条飞行轨迹的中继星天基测控系统通信覆盖范围进行仿真,为天基测控方案的总体评估、无线测控通信链路分析、测控覆盖率分析等奠定了基础。文中还验证了利用中继星天基测控系统完成运载火箭测控任务的可行性。

我国数据中继卫星系统发展建议

天链一号数据中继卫星在轨成功运行,标志着我国在天基信息传输领域的重大突破,今后发展方向是建设中继卫星组网系统,以满足数据中继不断增长的需求。分析表明:经度间距约为180°的地球静止轨道(GEO)双星组网系统,只需在我国本土设立控管站,利用地面高速光纤干线,双星就能对离地高度大于95km的航天器实现100%轨道覆盖的中继卫星系统。这比较符合我国国情,并具有完好的技术继承性和后续拓展前景。

跟踪及数字中继卫星系统扩频调制方案研究

讨论了跟踪及数字中继卫星系统 (TDRSS)一种新的扩频调制方案 ,即并行MSK扩频 .根据不同的TDRSS业务在I路和Q路根据数据率的高低选择扩频或不扩频 .给出了QPSK扩频调制和并行MSK扩频调制的信号表达式和实现模型 ,并建立了MAT LAB仿真模型 .理论分析和仿真结果都证实并行MSK扩频调制的频谱特性优于QPSK扩频调制 .

中继卫星系统在我国航天测控中的应用

中继卫星系统高覆盖、数据传输能力强,是航天测控网的重要组成部分。随着我国中继卫星系统的建设和不断完善,其对优化我国航天测控网结构、提升中低轨道航天器测控能力的作用日益明显。本文结合中继卫星系统的特点,分析了我国航天测控任务对中继卫星系统的应用需求,提出了在运载火箭测控、航天器入轨段测控、载人航天测控、卫星在轨长期管理等方面开展中继卫星系统应用的思路,梳理了运载火箭测控、航天器入轨及早期轨道段测控、飞船返回段测控、多址链路测控等方面需要解决的关键技术。

国外数据中继卫星系统最新发展及未来趋势

作为天基测控系统,数据中继卫星大大提高了对用户星的覆盖率,减少了地面布站的数量,节约了成本,是各主要航天国家重点建设的航天系统之一。目前,美国、俄罗斯、欧洲和日本均发展了自己的数据中继卫星系统,在对空间和地面系统进行升级改造的同时,以小卫星星座、搭载载荷等灵活的形式,采用激光通信、软件无线电、组网等先进技术积极研发和部署下一带卫星系统,并谋划与行星中继卫星一起构建跨太阳系的中继卫星体系。总结了国外中继卫星系统的发展现状和未来,综合分析了关键技术和发展趋势,并对中国中继卫星的发展提出了建议。