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地面测控站/船覆盖率非常有限

此为神七航天员出舱时的视频截图,画面左上角“滨海”表示当时神七飞船上的摄像机视频信号先发送到东非肯尼亚的马林迪测控站,然后再传回北京航天测控中心。

海上的远望系列测量船和陆上的一系列测控站,长期以来一直支撑着中国航天测控任务,为中国数十年来一系列卫星、飞船和探测器的发射与测控立下汗马功劳。

在神舟七号出舱活动期间,直播屏幕左上角的滨海、南亚、喀什等文字,分别表示东非肯尼亚的马林迪测控站、南亚巴基斯坦的卡拉奇测控站和中国新疆的喀什测控站。

地面测控站/船覆盖率小、投资巨大

细心的观众肯定可以看到马林迪站到卡拉奇站之间的停顿,如果观众更关注中国航天的话,更能看到以往历次神舟飞船飞行期间,显示地面测控站覆盖范围的不规则圆区域都很小。由于地球曲率的影响,地面/海上测控站对中低轨道航天器的覆盖范围很小,这种现象在人类航天活动的早期可谓家常便饭,最初人们很自然的想到通过增加陆上、海上测控站和测量飞机来提高测控覆盖率。

美苏两强在冷战期间建立了覆盖全球的测控站并拥有大量测量船和测量飞机,但这一系统建设耗资巨大,而且受到地理、政治等各方面因素的影响很多地方无法设置测控站,更不要说要在全球范围内建立完整覆盖的地面测控网,所需测控站数量是惊人的。如对300千米高度的低轨道航天器进行100%的覆盖,理论上需要布设100多个站点均匀分布在地表,这在预算、政治上是不可行的。

中国国内共有10个地面测控站、加上3个海外站、还有3艘远望测量船,但这些测控站总共仅能覆盖飞船运行轨道的15%,难以满足载人航天进一步的任务需求。

跟踪/数据中继卫星的诞生

为了摆脱地球曲率的限制,科幻作家克拉克在1945年就提出了地球同步轨道通信卫星的设想,随着航天技术的进步逐渐得到实现。1963年到1964年美国先后发射3颗试验性静止轨道通信卫星,其中1964年8月19日发射的同步3号卫星获得了完全成功。

理论上说3颗静止轨道通信卫星可以实现对全球的通信覆盖,这个得天独厚的优势使得通信卫星产业获得了长足的发展。

而早在地球同步轨道通信卫星成功前,人们就在设想使用地球同步轨道卫星中转遥测信号,实现对中低轨道航天器的全面跟踪覆盖。美苏先后研制并发射了跟踪与数据中继卫星,用于提高航天器的测控覆盖率和提高测控网的实时性。

1983年美国使用航天飞机发射了世界上第一颗数据中继卫星,开启了航天测控的新纪元。

跟踪/数据中继卫星的优势

天链一号卫星的工作示意图,由于其运行在高度36000公里的地球同步轨道,可以覆盖低轨卫星50%运行轨道,将低轨卫星的数据中转回地面航天测控中心。

从理论上说,跟踪与数据中继卫星就是一种特殊的通信卫星。类似于通信卫星对地面短波通信的优势,数据中继卫星对基于地面测控站的传统测控体系同样具有压倒性的优势。数据中继卫星的优势表现在测控通信覆盖率高、高度的实时性和优异的经济性。

测控/通信覆盖率高

中国天链一号01星发射后,神舟七号飞船的测控覆盖率大幅度提高,直观的表现在神舟七号的转播时间更长,一个半小时有将近50分钟可以观察到航天员,测控覆盖率从15%提高到50%。利用3颗左右的中继卫星,可以实现对中低轨道航天器的大部分轨道覆盖,如美国数据中继卫星系统对200~1200千米高度卫星覆盖率85%以上,对12000~20000千米高度卫星覆盖率达到100%。

可实时回传数据

不仅如此,由于可以通过数据中继卫星实时联系,中低轨道的遥感卫星可以通过数据中继卫星实时回传热点地区和敏感突发事件的侦察信息,提高了反应速度,这种效果是地面测控站网络根本无法实现的。实时回传数据还大大加强了对航天器状态的监控能力,提高了航天器尤其是载人飞船的安全性,这也有利于更好的完成实时性强的任务。

建设/维持费用低廉

数据中继卫星不仅覆盖率高、实时性好,而且价格尤其是使用维持费用低廉。既没有陆上测控站和海上测量船等为数众多的操作人员,也没有海外陆上测控站易受政治因素影响的问题。中继卫星的使用可以取代大部分的地面测控站的任务,成为航天测控网络的主力,降低测控网的建设运行费用。

跟踪/数据中继卫星技术难度大

美国TDRS数据中继卫星,注意其带有2个大型ku波段通信天线,以及1个较小的ka波段通信天线。与普通通信卫星的天线相比,这3个天线的尺寸都是最大的。

数据中继卫星堪称航天测控的革命性成果,但中继卫星也具有极大的技术难度。细心的读者可以发现,前面提到第一颗同步轨道通信卫星1964年成功,而第一颗同步轨道中继卫星发射则要等到19年后的1983年。

数据中继卫星不同于传统的通信卫星,它必须要解决高速运动的卫星之间的捕获与跟踪,对精度要求极高。

实现狭窄波束跟踪

由于中继卫星需要高速率传输数据,而且本身位于35800千米高空的静止轨道,为保证通信质量,卫星天线的波束宽度极其狭窄。以美国的数据中继卫星为例,Ku/Ka波段波束宽仅为0.28度,为了有效跟踪中低轨道用户卫星,自动跟踪精度高达0.06度。高增益窄波束天线如何“捕获”用户卫星是数据中继卫星需要解决的首要难题。

中继卫星为了与众多中低轨道卫星通信,天线处于复杂的变速运动状态,在转动速度、加速度和角度上都没有规律,天线的机械驱动机构不仅要精度高,而且要求在恶劣工作环境下长时间稳定运行,还要做到体积小功率大,制造难度很大。

同样麻烦的还有天线与卫星的振动耦合问题,非线性结构的天线不规律的运动和振动,对卫星本体姿态控制也有很复杂的影响,对卫星控制提出了很大的挑战。

中国的天链一号卫星采用东方红3号通信卫星的平台,但其ka波段通信天线尺寸远远大于东方红3号卫星的通信天线。

研制高性能天线

中继卫星研制的另一个重要障碍在于其高性能的天线,为了实现高传输速率,为众多卫星提供中继服务,中继卫星需要使用增益极高的通信天线,一般是高等效全向辐射功率(EIRP)的抛物面天线。天线增益与天线尺寸成正比,与工作波长成反比,天线直径与工作波长之比又称电尺寸,美国第二代数据中继卫星TDRS-H、I和J三颗卫星的单址天线电尺寸达到了惊人的400,相当于数十米直径的S波段天线的电尺寸。天线的电尺寸越大、研制难度就越大,目前数据中继卫星的天线尺寸在各种卫星中是最大的。

中继卫星单址天线一般使用Ka波段工作波长,选择毫米波段虽然容易获得更大的天线增益,但对天线反射面精度要求也极高,要求数米直径的天线整体形面误差要低于0.1毫米。对于直径数米的天线,在外太空高温差条件下要达到、并长期保持这样的精度,其难度可想而知。

中国卫星电子器件性能仍较为落后

相比捕获跟踪和天线的巨大技术障碍,中继卫星Ka波段转发器的技术难度要低得多,但其绝对难度仍然不可小视,Ka波段转发器的研制难度从来就是各种常用波段中最大的。根据现有资料推断,中国第一颗数据中继卫星天链一号01星使用的是进口转发器。天链中继卫星系统的地面设备使用了中国电子科技集团的毫米波固态功率放大器,保证了天链卫星的正常工作和神舟七号数据的顺利回传,成为该公司念念不忘的业绩,但地面设备原始设计使用的仍然是进口器件,很难想象要求更为苛刻的星载转发器会使用国产器件。

中国数据中继卫星简介

天链2号卫星的构想图,其使用2个S/ka波段天线、1个s波段天线和1个ka波段天线。

欧空局已经在Artemis中继卫星和Spot4卫星之间进行了首次激光通信,星间激光通信是目前发展趋势。

天链一号卫星的诞生

921载人航天工程启动后,面对地面测控网对低轨道载人飞船覆盖率极低的形势,中国一方面通过外交努力增设海外测控站,另一方面以当时最新研制的东方红三号卫星平台为基础展开数据中继卫星的预研,其指标瞄准当时日本计划的回声数据中继卫星,力求单项性能接近日本、综合性能超过日本。卫星研制人员经过数年的努力攻克了一系列技术难点,最后诞生了天链一号中继卫星。

天链一号卫星以东方红三号卫星平台为基础,设计寿命6年。星间通信链路使用单个S/Ka波段双馈源抛物面天线,测控信号使用S波段单址链路中继(SSA)信号,星地高速通信使用Ka波段天线。卫星大型抛物面天线指向、捕获和跟踪使用星载闭环捕获跟踪技术。天链一号01星研制成功后在地面测试阶段完全满足了研制要求,2008年4月25日发射成功后定点和在轨测试顺利,圆满地完成了神州七号载人飞行的测控与数据转发任务,受到了用户的好评。2011年7月11号天链一号02星发射成功,将与2008年的01星组网,服务于中国的航天测控,尤其是下半年的首次空间交会对接任务。

天链系列卫星发展展望

天链一号是中国第一代数据中继卫星,天链一号02星的发射有望将中低轨道航天器覆盖率进一步提高到75%。天链一号至少会发射3颗卫星,由此判断很可能形成第一代中继卫星系统2颗工作星加1颗备用星的布局,也不排除进一步扩展到4颗中继星的可能。

中国第二代数据中继卫星将使用东方红四号平台,装有2具S/Ka双馈源抛物面单址天线,S波段相控阵多址天线,还可能增加激光通信单元用于超高速率的星间通信。欧空局已经在Artemis中继卫星和Spot4卫星之间进行了首次激光通信,未来中国中继卫星星座如果扩展到4颗甚至更多,为了更高效的进行数据中继,星间使用激光通信将是必然的趋势。

结语

在天宫一号发射前,中国低调发射了天链一号02星,它将于天链一号01星一同完成天宫一号、神舟八号交会对接的测控任务。天链一号的投入使用,极大提升了中国航天测控系统的覆盖率,地面测控站、海上测量船的开设、运行费用也会得到有效节约。

除了满足载人航天的需求外,天链一号数据中继卫星还可以为中低轨道的各类民用遥感卫星、军用侦察卫星提供测控、数据中继服务,对国民经济、国防建设均有巨大的促进作用。(文/张雪松 黄治茂)

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