跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)

陳秀珠
　　1　概述


　　TDRSS為跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的英文縮寫，這一概念是早是Malcolm Mcmulien 1964年開始研制的TDRSS，便能一舉解決全軌道跟蹤多個(gè)航天器和高數(shù)據(jù)率傳輸問題。


　　TDRSS是充分利用太空的高空資源，把地面的測控及通信站搬到空間地球靜止軌道的衛(wèi)星上去。只要發(fā)射兩顆星，空間角位置上間距130度，便對所有軌道高度約1200公里至12000公里近地軌道飛行器可實(shí)現(xiàn)100％的連續(xù)跟蹤覆蓋，對軌道高度約200公里的飛行器，也可實(shí)現(xiàn)85％覆蓋。所有用戶飛行器、空間站核心站，可利用TDRSS中的任一顆進(jìn)行雙工通信。TDRSS星收集所有用戶星的數(shù)據(jù)，編排成幀后，再與單一地球站建立通信鏈路，TDRSS和地球終端站就成為太空和地球之間建立通信聯(lián)系的唯一信息港。地球站通過TDRSS可間接與用戶星建立通信鏈路，借助TDRSS的中繼，地球站可對各用戶星測軌定位，這種設(shè)想一旦成為現(xiàn)實(shí)，可大量裁減陸地測控站、測量船，同時(shí)也減少建設(shè)、維修和操作費(fèi)用。


　　2　美國TDRSS組成


　　2.1空間部分


　　在地球靜止軌道上布設(shè)三顆星，TDRS-Ｗ星在41度W,TDRS-E星在171度W。這三顆星稱為跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星。每顆星上有7副天線，其中4.9米拋物面天線2副，為S及Ku波段共用，用于TDRSS和用戶星之間交換高速數(shù)據(jù)，并可對用戶星跟蹤測角、測距。測角精度為1密位；有30個(gè)螺旋天線組成的S波段天線陣，可實(shí)現(xiàn)20個(gè)用戶星對TDRS和地球站之間傳輸高速數(shù)據(jù)；S波段全向天線一副，用于TDRS和地球站間傳輸TT&S信息的備分手段。另外一副直徑為1.12米的Ku波段拋物面天線和副C波段鏟形天線，單獨(dú)作為美國內(nèi)的點(diǎn)對點(diǎn)通信，這一部分用作美國的高級西聯(lián)星的通信，不屬于TDRSS的跟蹤和數(shù)據(jù)中繼部分。


　　2.2地球部分


　　地球終端設(shè)在地球緯度低、處于沙漠地帶雨量少、對Ｋｕ波段傳播減少的白沙靶場。地球終端站裝備了3副18米天線，每副天線對空間站某一顆星建立饋電通信鏈路；一副6米天線用作星地之間測控，還有其他輔助天線4副。地球終端站可對TDRSS空間衛(wèi)星的高功放放大器的增益進(jìn)行控制，改變其工作頻率和相控陣Ｓ波段天線波束的形成，也可對Ku波段天線的指向進(jìn)行控制。


　　3通信業(yè)務(wù)


　　3.1通信鏈路定義


　　衛(wèi)星通信發(fā)展到TDRSS后，除了地球站對TDRS星之間的通信外，還出現(xiàn)TDRS星和各用戶星之間的通信，過去常用的上行、下行鏈路概念已不適用，易引起混淆，因而另定義了兩個(gè)術(shù)語：


　　前向鏈路：指地球站---TDRS---用戶星的通信


　　返向鏈路：指用戶量---TDRS---地球站的通信


　　3.2TDRS的通信容量


　　對4.9米天線而言，S和Ku波段切換工作，Ｓ波段用于中速率（ＭＤＲ）通信（100b/s-12Mb/s），構(gòu)成ＳＳＡ（ｓ波段單址）鏈路。如果有兩顆用戶星的位置同時(shí)處在Ｓ波段波束寬度之內(nèi)，則Ku和S波段也可同時(shí)工作，每個(gè)波段對付一顆星。如果三顆星同時(shí)啟用，則天線陣可由地球站發(fā)出前向信號控制，同時(shí)形成20個(gè)波束分別指向20顆用戶星，構(gòu)成SMA（Ｓ波段多址）低數(shù)據(jù)率通信（100b/s--50kb/s）鏈路。這20個(gè)波束可由一般TDRS上的相控陣天線提供，也可由三顆TDRS分開承擔(dān)，因而ＭＡ鏈路尚有很大潛力可開發(fā)，主要受限于地球站的硬件配置�？傆�(jì)起來TDRSS有能力同時(shí)對26顆至32顆用戶星通信。


　　TDRSS對用戶量的通信，不論前向鏈路或返向鏈路，都不在星上進(jìn)行信號處理，衛(wèi)星只用于變頻、放大、選擇特定天線輻射電波，TDRS的作用只是對信號進(jìn)行中繼，所有信號處理都在地球站上進(jìn)行。


　　TDRS和地球站之間的通信，由空---地鏈路來擔(dān)任，地球站上有三副18米直徑天線，每副天線對一顆TDRS。每顆TDRS上有一副2米直徑的固定拋物面天線用于星地聯(lián)絡(luò)，所有用戶星送來的信號，都用頻分多路復(fù)用編排后變頻為Ku波段。ＭＡ信號每路相隔7.5Mhz，傳送到地球站，信道設(shè)計(jì)考慮了6dB降雨損失。


　　3.3調(diào)制方式


　　中繼星通信系統(tǒng)應(yīng)采取怎樣的調(diào)制方式與解調(diào)方式，應(yīng)綜合考慮多方面的因素來定，包括衛(wèi)星功率與頻帶的有效利用，帶限與遲延失真，熱噪聲、干擾等的影響，行波管功率放大器等器件相位和幅度非線性的影響等。


　　由于中繼星信道是頻帶、功率都受限的非線性信道，要求已調(diào)信號具有恒包絡(luò)，以便提高射頻高功放的利用率，故各種幅度調(diào)制不適用于中繼星信道。


　　目前，國際上已建成的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)只有美國的TDRSS。正在計(jì)劃建的有歐洲的DRS系統(tǒng)、日本的TDRSS。


　　3.4通信能力總結(jié)


　　TDRSS三種通信工作模式的主要性能指標(biāo)如下：


　　前向鏈路

項(xiàng)目	SMA	SSA	KSA
TDRS天線跟蹤視場 （FOV）	錐形±13°	橢圓形 東-西±22.5° 南-北±31°	橢圓形 東-西±22.5° 南-北 ±31°
TDRS波束寬（-3dB）	26°/5°	1.84°	0.28°
射頻帶寬（MHz）	6 34	20 43.5 46	50 49.5 19.5
數(shù)據(jù)率載波（GHz）	0.1-10Kb/s 2.1064	0.1-300Kb/s 2.0-2.3	1Kb/s-25Mb/s 13.7-15.2

反向鏈路

項(xiàng)目	SMA	SSA	KSA
天線跟蹤視場	錐形±13°	橢圓形 東-西±22.5° 南-北±31°	橢圓形 東-西±22.5° 南-北±31°
中放帶寬	6	10	225
載波頻率 工作數(shù)據(jù)率	2.2875	12Mb/s（無編碼） 6Mb/s（有編碼）	300Mb/s（無編碼） 150Mb/s（有編碼）
1bit/s要求	3.5mW	0.83mW（無編碼） 0.25mW（有編碼）	1.38mW（無編碼） 0.42mW（有編碼）
用戶星 正常狀態(tài) 高功率狀態(tài)	25W	43.5mW 46.0dBW	49DBW

4發(fā)展趨勢
　　美國在80年代末建成了世界上第一個(gè)跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（TDRSS），該系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：對1983年后航天飛機(jī)的發(fā)射過程，僅利用一顆中繼衛(wèi)星就能實(shí)現(xiàn)50％的測控及通信覆蓋，同時(shí)也做過“陸地衛(wèi)星”86Mb/s的數(shù)據(jù)中繼實(shí)驗(yàn)，傳輸質(zhì)量優(yōu)良。這些都證明TDRSS系統(tǒng)的設(shè)想是正確的。另一方面，TDRSS建成后，美國逐漸把對低軌道用戶星的地面測控任務(wù)放在TDRSS上進(jìn)行，進(jìn)一步簡化了地面測控網(wǎng)。目前美國已正式開展了第二代TDRSS的研制工作，第二代TDRSS的特點(diǎn)是增強(qiáng)了多址相控陣天線的能力，增加了陣元數(shù)量及通信能力，另外在饋電鏈路和軌道間鏈增加了Ka頻段通信，通信能力由現(xiàn)在的300Mb/s增加了650Mb/s。


　　繼美國建成第一代TDRSS后，歐洲各國和日本決定研制自己的跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。歐、日吸取了美國的成功經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)在美國的基礎(chǔ)上又有所發(fā)展，其特點(diǎn)是將軌道間鏈路頻段設(shè)在Ka頻段，這樣可以提高系統(tǒng)的傳輸容量，也降低了軌道間鏈路天線的口徑。


　　歐洲建立中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（TDRS）的目標(biāo)是為低軌道用戶星提供連續(xù)的數(shù)據(jù)中繼，降低或取消低軌道用戶星上的磁記錄裝置，可同時(shí)服務(wù)于6個(gè)低軌道用戶星。歐洲中繼衛(wèi)星也采用兩顆星配置，星上采用兩個(gè)大的2.85米天線，工作在S/Ka頻段，前、返向鏈路通信數(shù)據(jù)率為25Mbps/620Mbps，地面站采用分散地面站方式。
　　日本采用兩個(gè)5米的軌道間鏈路天線，天線轉(zhuǎn)角±50度，可為地球靜止軌道衛(wèi)星在轉(zhuǎn)移軌道提供測控服務(wù)，這對國土面積不大的日本具有較重大的意義，可在本土內(nèi)就完成對同步軌道衛(wèi)星的測控任務(wù)。前、返向鏈路通信數(shù)據(jù)率為30Mbps/300Mbps，日本在正式發(fā)射DTRSS前把星上的有效載荷都在其他衛(wèi)星上做了實(shí)驗(yàn)，在ETS-V1安排了多址相控陣天線及Ka頻段電鏈路試驗(yàn)，在Comets衛(wèi)星上安排S/Ka雙頻段軌道間鏈路通信跟蹤試驗(yàn)，而在Comets的上半年和下半年分別發(fā)射2顆DTRS衛(wèi)星。


　　前蘇聯(lián)（俄羅斯）的跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)由東部網(wǎng)和西部網(wǎng)組成，稱為“射線”系統(tǒng)，主要服務(wù)對象為和平號、禮炮號空間站及聯(lián)盟飛船等，軌道間鏈路和饋電鏈路采用Ku頻段。


　　由于歐、美國、日第一代的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)對低軌道用戶星的覆蓋均存在盲區(qū)，為防止系統(tǒng)突發(fā)故障使系統(tǒng)中斷運(yùn)行，這三家準(zhǔn)備相互合作，系統(tǒng)運(yùn)行中能夠提供相互支持，因此，在體制和通訊頻帶上，三家選擇均為一致，美國的第二代ATDRSS軌道間鏈路也選在與歐、日一樣的Ka頻段。


　　世界各國的跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的發(fā)展趨勢和特點(diǎn)是：


　　a.通信數(shù)據(jù)率越來越高，通信頻段向更高頻段發(fā)展。


　　b.激光通信技術(shù)用于跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)通信。


　　c.各系統(tǒng)運(yùn)行方式上有相互組網(wǎng)的要求。


　　d.由于系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜，各國在正式組網(wǎng)前均在關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了衛(wèi)星塔載實(shí)驗(yàn)。



摘自《衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)》2001.6期