2022年7月13日,天鏈二號03星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。天鏈二號03星將與天鏈二號01星、02星實(shí)現(xiàn)全球組網(wǎng)運(yùn)行,可具備滿足中低軌道航天器全球覆蓋的能力,并提供24小時無間斷通信。
長征三號乙運(yùn)載火箭發(fā)射天鏈二號03星
建設(shè)天基測控站
跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)是為中、低軌道的航天器與航天器之間、航天器與地面站之間提供數(shù)據(jù)中繼、連續(xù)跟蹤、測控服務(wù)的系統(tǒng)。中繼衛(wèi)星又被稱為“衛(wèi)星的衛(wèi)星”,是衛(wèi)星家族中數(shù)量較少卻非常重要的一員,一般位于地球靜止軌道,從上向下覆蓋用戶航天器。
航天時代早期,人們發(fā)現(xiàn),受地球曲率和無線電波直線傳播特性的影響,低軌衛(wèi)星繞地球飛行一圈期間,單個地面站只有2%~3%的時間能夠“看”到衛(wèi)星,實(shí)施測控的軌道弧段和通信時間都非常短暫。
為了克服這個問題,人們通過建設(shè)地面站、建造測量船和飛機(jī)等方式,擴(kuò)大測控網(wǎng)絡(luò),延長對航天器的實(shí)時測控時間,但耗資巨大且效果一般。對于軌道高度300千米的衛(wèi)星,為了滿足100%覆蓋,必須在全球范圍建設(shè)100多個合理分布的地面站,許多站點(diǎn)必須設(shè)在國外或公海。
隨著人類進(jìn)入太空,為載人飛船與地面指揮中心提供實(shí)時聯(lián)絡(luò)成為關(guān)乎航天員生命安全和載人飛行任務(wù)成敗的關(guān)鍵,僅靠擴(kuò)大地面測控網(wǎng)已難以滿足需求。為了從根本上解決問題,人們提出中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的概念,把測控站搬上太空,為航天器提供實(shí)時測控和數(shù)據(jù)中繼服務(wù)。
運(yùn)行在地球靜止軌道的中繼衛(wèi)星,單顆就能觀測到大部分運(yùn)行在近地軌道的航天器,雙星組網(wǎng)可以基本覆蓋整個中、低軌道空域。中繼衛(wèi)星以較低的成本和較少的地面站解決了地面測控網(wǎng)覆蓋率低的問題,可以實(shí)現(xiàn)對地基測控“不可見”用戶的信息傳輸,為航天器提供跟蹤、測量服務(wù),承擔(dān)通信和數(shù)據(jù)傳輸中繼業(yè)務(wù),從而極大提高航天器的使用效益和應(yīng)急能力。
隨著人類對太陽系的探索不斷深入,飛向月球、火星的探測器都需要不間斷的測控和數(shù)據(jù)回傳支持,還需要部署專用的月球、火星與地球數(shù)據(jù)傳輸中繼衛(wèi)星,為深空探測任務(wù)提供測控和通信支持。
航天器效能倍增器
中繼衛(wèi)星集跟蹤、測控、數(shù)據(jù)中繼等多種功能于一體,是空間信息傳輸?shù)臉屑~。數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)一般包括2顆地球靜止軌道衛(wèi)星、1個地面終端站和用戶航天器上的設(shè)備。用戶航天器發(fā)出遙測數(shù)據(jù)、探測數(shù)據(jù)、話音和視頻等信息,通過S、Ka頻段星間鏈路,發(fā)向中繼衛(wèi)星,中繼衛(wèi)星以Ku頻段將其轉(zhuǎn)發(fā)到地面站,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
中繼衛(wèi)星具有諸多優(yōu)點(diǎn)。一是大幅提高了對用戶航天器的軌道覆蓋率。利用2顆衛(wèi)星和1個地面站,可覆蓋200千米高度航天器的85%軌道段以及1200千米~12000千米高度航天器的100%軌道段,大幅提高航天器測控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性,提升了衛(wèi)星與地面的信號傳輸和交互能力,爭取及時發(fā)現(xiàn)航天器異常并排除故障。
中繼衛(wèi)星組網(wǎng)覆蓋全軌道
對載人航天任務(wù)來說,中繼衛(wèi)星可以保證與航天員的不間斷通信,隨時監(jiān)控儀器設(shè)備和人員工作情況,在任何軌道位置都能操控航天器,使航天員活動規(guī)劃的靈活性大大增強(qiáng)。比如,天鏈一號01星發(fā)射后,神舟七號飛船的測控覆蓋率從18%提高到50%。天鏈一號02星、03星發(fā)射后,我國已實(shí)現(xiàn)對中、低軌航天器100%的軌道覆蓋率。
二是實(shí)現(xiàn)對航天器的集中管理。中繼衛(wèi)星搭載多個高增益天線,系統(tǒng)容量大,可用性高,可以為多個用戶航天器服務(wù),管理多種類型的航天器。覆蓋空間段的航天器均通過中繼衛(wèi)星系統(tǒng)地面站進(jìn)行測控,有利于測控業(yè)務(wù)和航天器上測控設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化。
三是數(shù)據(jù)傳輸速率高。中繼衛(wèi)星對用戶目標(biāo)的數(shù)據(jù)傳輸能力和對地傳輸總速率可以達(dá)到吉比特/秒級別,而且,數(shù)據(jù)傳輸路徑主要為真空,不論用戶航天器運(yùn)行到何處,中繼衛(wèi)星均可轉(zhuǎn)送數(shù)據(jù)到地面站,減少了中間傳輸環(huán)節(jié),可靠性更高,質(zhì)量更好。
四是經(jīng)濟(jì)性好。少數(shù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)可以取代大量用于測控中、低軌道用戶航天器的地面站,尤其是海外站和測量船,也減少了地基站點(diǎn)之間的遠(yuǎn)程通信。
正是具有這些顯著優(yōu)勢,數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星已經(jīng)成為航天大國不可或缺的重要天基基礎(chǔ)設(shè)施,美國、俄羅斯、日本、歐空局、中國等相繼建立起中繼衛(wèi)星系統(tǒng),在航天活動中發(fā)揮出重要作用。
國外發(fā)展概況
美國1983年發(fā)射首顆跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星TDRS-1,1995年建成第一代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng),地面設(shè)施主要由白沙站、關(guān)島站和哥達(dá)德航天飛行中心組成,天基設(shè)施包括6顆在軌衛(wèi)星,對低軌航天器的測控通信軌道覆蓋率達(dá)到100%。
美國航天飛機(jī)釋放世界上第一顆中繼衛(wèi)星TDRS-1
隨后,美國繼續(xù)部署第二代和第三代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。第二代系統(tǒng)的性能配置與第一代基本相同,星間鏈路由Ku頻段向Ka頻段過渡。第三代系統(tǒng)對衛(wèi)星和地面設(shè)施進(jìn)行了改進(jìn)升級,衛(wèi)星采用更先進(jìn)的衛(wèi)星平臺和推進(jìn)系統(tǒng),性能更強(qiáng)大,數(shù)據(jù)傳輸速率更高,地面系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件更換升級,具備靈活、可擴(kuò)展、可升級的特征。
美國已建成世界上在軌應(yīng)用最廣泛、規(guī)模最大、系統(tǒng)功能最強(qiáng)的中繼衛(wèi)星系統(tǒng),主要為中、低軌衛(wèi)星和國際空間站、飛機(jī)、艦船、海洋浮標(biāo)等用戶提供S、Ku和Ka頻段中繼測控和數(shù)傳服務(wù)。
俄羅斯的射線中繼衛(wèi)星系統(tǒng)始建于1982年,1989年完成第一代星座3顆衛(wèi)星的部署,為低軌衛(wèi)星、和平號空間站、聯(lián)盟號飛船及早期的禮炮號空間站等提供測控和數(shù)據(jù)傳輸支持。
俄羅斯中繼衛(wèi)星
1990年后,俄羅斯開始研制第二代中繼衛(wèi)星,與第一代系統(tǒng)配置、功能基本相同,但只發(fā)射了1顆衛(wèi)星。2009年,俄開始研制第三代中繼衛(wèi)星,到2014年完成3顆衛(wèi)星部署。第三代系統(tǒng)增加了S頻段星間鏈路和接收格洛納斯衛(wèi)星信號的載荷,可實(shí)現(xiàn)與格洛納斯系統(tǒng)的綜合擴(kuò)展應(yīng)用。
歐空局1989年開始研制試驗(yàn)型數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星,2001年7月成功發(fā)射,其主要用于驗(yàn)證星間微波和光通信技術(shù),并為歐洲貨運(yùn)飛船和國際空間站交會對接任務(wù)、對地觀測衛(wèi)星、極軌平臺及其他科學(xué)衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)中繼業(yè)務(wù)。
歐空局?jǐn)?shù)據(jù)中繼衛(wèi)星
2008年,歐空局開始研制歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星EDRS系統(tǒng),由3顆衛(wèi)星EDRS-A、EDRS-C、EDRS-D和相應(yīng)地面站組成,是全球首個實(shí)用化的空間高速激光中繼系統(tǒng)。
不過,EDRS-A和EDRS-C都不是獨(dú)立衛(wèi)星。EDRS-A作為獨(dú)立載荷搭載在歐洲通信衛(wèi)星Eutelsat9B上,2016年發(fā)射升空。EDRS-C搭載了其他通信載荷,2019年發(fā)射升空。EDRS-D預(yù)計于2025年發(fā)射升空。
日本2002年發(fā)射數(shù)據(jù)中繼與跟蹤衛(wèi)星,為探測衛(wèi)星、國際空間站及日本希望號實(shí)驗(yàn)艙等航天器提供測控和數(shù)據(jù)中繼服務(wù),衛(wèi)星利用率達(dá)到99%,工作到2017年退役。為滿足更高的中繼速率需求,日本2020年底發(fā)射激光數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星,具有高可靠、小型化和高數(shù)據(jù)傳輸速率的特征,性能達(dá)到世界先進(jìn)水平。
需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)
中繼衛(wèi)星系統(tǒng)是空間信息共享樞紐和高效天基信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施,是航天器的效能倍增器。從各國發(fā)展情況來看,中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的作用突出、地位重要,但相比其他衛(wèi)星領(lǐng)域,發(fā)展較為緩慢,數(shù)量也很少,只有極少數(shù)國家有能力開展系統(tǒng)研制建設(shè),這是因?yàn)橹欣^衛(wèi)星有獨(dú)特的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)。
中繼衛(wèi)星與用戶航天器建立星間傳輸鏈路,首先要解決星載閉環(huán)捕獲跟蹤技術(shù)難題。中繼衛(wèi)星天線增益大、波束窄(0.15~0.3度),要在用戶航天器高速飛行過程中完成對目標(biāo)信號的捕獲跟蹤。然而,用戶航天器為簡化系統(tǒng)設(shè)計,通常不設(shè)信標(biāo),只有數(shù)據(jù)傳輸信號;由于功能定位不同,每個用戶航天器的數(shù)據(jù)傳輸速率、調(diào)制方式、頻帶寬度、信號電平和多普勒頻移都千差萬別;此外,用戶航天器天線尺寸和發(fā)射功率都很有限,這些都給中繼衛(wèi)星捕獲目標(biāo)信號帶來了極大困難。
中繼衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸速率高、天線增益高,這就要求天線具有極高的電尺寸(實(shí)際尺寸/工作波長),同時,工作波長越短,要求天線反射面的形面精度就越高。如Ka頻段的天線,如果要求其形面誤差產(chǎn)生的天線增益損失小于0.5分貝,天線主反射面的形面誤差就必須小于0.3毫米,這不僅包括加工工藝誤差,還要把太空極端環(huán)境造成的天線反射面形變因素考慮在內(nèi)??梢哉f,中繼衛(wèi)星多頻段精密跟蹤天線是目前研制難度最大的星載天線。
中繼衛(wèi)星在軌工作時,大型單址天線處于軌跡復(fù)雜、速度變化的運(yùn)動狀態(tài)。由于星體和運(yùn)動的天線之間存在嚴(yán)重的動力學(xué)耦合,加上天線本身是非線性、柔性結(jié)構(gòu)系統(tǒng),要令波束極窄的天線完成對用戶航天器的捕獲跟蹤任務(wù),還需要攻克高精度復(fù)合控制技術(shù)。
此外,外熱流變化極大的高頻箱熱控設(shè)計技術(shù)、極寬頻帶的Ku/Ka頻段轉(zhuǎn)發(fā)器技術(shù)、高性能天線驅(qū)動技術(shù)等都是中繼衛(wèi)星需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。
對用戶航天器來說,想與中繼衛(wèi)星建立通信連接,需要裝載專用的中繼終端,工作在相應(yīng)的星間鏈路頻段。用戶航天器的天線要具備跟蹤中繼衛(wèi)星的能力,并根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速率需求,提供一定的等效全向輻射功率和品質(zhì)因素,以便和中繼衛(wèi)星建立通信鏈路。
發(fā)展和應(yīng)用前景廣闊
中繼衛(wèi)星為載人航天、衛(wèi)星、運(yùn)載火箭等用戶目標(biāo)提供天基測控和數(shù)據(jù)中繼服務(wù),具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。
載人航天方面,中繼衛(wèi)星為空間站和飛船在軌運(yùn)行提供天基測控與數(shù)據(jù)中繼傳輸服務(wù),為飛船飛行全程提供前向和返向圖像、話音等,支撐空間站日常運(yùn)行。衛(wèi)星應(yīng)用方面,中繼衛(wèi)星為遙感、測繪等中、低軌衛(wèi)星提供長期、穩(wěn)定、可靠的天基數(shù)據(jù)傳輸和測控服務(wù),把數(shù)據(jù)及時回傳地面,提高應(yīng)用效能?;鸺l(fā)射任務(wù)中,中繼衛(wèi)星拓展火箭發(fā)射測控覆蓋范圍,可彌補(bǔ)陸、?;鶞y控盲區(qū),回傳關(guān)鍵箭載遙測數(shù)據(jù)。
隨著中繼衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,用戶類型由天基航天器逐漸擴(kuò)展到海、陸、空等領(lǐng)域,常態(tài)化中繼任務(wù)規(guī)模和服務(wù)目標(biāo)數(shù)量逐年快速遞增,任務(wù)類型向多樣化、體系化發(fā)展,對數(shù)據(jù)中繼業(yè)務(wù)的傳輸速率、覆蓋區(qū)域、接入實(shí)時性等都提出了更高要求。
一方面,遙感衛(wèi)星的分辨率不斷提升,空間站等長期在軌載人航天器每天產(chǎn)生大量科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),要求中繼衛(wèi)星能夠提供更高的數(shù)據(jù)回傳速率。另一方面,飛向月球、火星等的星際探測器需要持續(xù)測控和通信支持,要求部署專用中繼衛(wèi)星,拓展深空遠(yuǎn)距離中繼能力。此外,未來的航天器將更多采用自主管理和自主飛行模式,要在無地面測控參與的情況下,通過中繼衛(wèi)星接收高精度導(dǎo)航數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)航天器的自我實(shí)時高精度定軌和軌道控制。
地月通信中繼衛(wèi)星示意圖
面對新的需求,各航天大國積極推動中繼衛(wèi)星技術(shù)的換代升級,工作頻段向高頻發(fā)展,開始采用激光通信技術(shù),大幅提高數(shù)據(jù)傳輸速率;衛(wèi)星體系向分解式、專業(yè)型方向發(fā)展,美國采用小衛(wèi)星星座方式,歐洲采用專用衛(wèi)星與搭載載荷相結(jié)合的形式,構(gòu)建更加靈活多樣的中繼衛(wèi)星系統(tǒng),提高系統(tǒng)彈性;用戶終端向小型化、智能化、低功耗和高可靠性方向發(fā)展,滿足更靈活的端到端的數(shù)據(jù)交互模式;以人工智能技術(shù)與軟件無線電技術(shù)相結(jié)合,提高中繼衛(wèi)星系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量和運(yùn)維管控的靈活性,進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能。
中繼衛(wèi)星驗(yàn)證激光傳輸
作為空間信息高速傳輸?shù)墓歉苫A(chǔ)設(shè)施和航天器的效能倍增器,中繼衛(wèi)星將在航天和其他領(lǐng)域應(yīng)用中發(fā)揮越來越顯著的作用。其廣闊前景表明了這一衛(wèi)星領(lǐng)域的強(qiáng)大生命力,將為人類探索宇宙的征程做出更大貢獻(xiàn)。