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中继卫星【中继卫星】是通信卫星的一种，主要用下数据传输，其特点是数据传输量大 。随着太空飞行器种类和数量的增多，太空飞行器的跟蹤和控制任务越来越重，数据传输量也越来越大，单靠地面测控站难以胜任 。即使是在全球布设了测控网的美国．对载人太空飞行器这样的中低轨道太空飞行器的控制，其轨道覆盖率也只能达到15% 。为及时有效地完成对太空飞行器的管理和数据收集工怍，中继卫星应运而生 。
中继卫星被称为“卫星的卫星”，可为卫星、飞船等太空飞行器提供数据中继和测控服务，极大提高各类卫星使用效益和应急能力，能使资源卫星、环境卫星等数据实时下传，为应对重大自然灾害赢得更多预警时间 。
基本介绍中文名：中继卫星
外文名：Tracking and Data RelaySatellite System
其他称谓：中继系统、卫星的卫星
英文简称：TDRSS
主要用途：4项
首次发射时间：1983年4月
首次发射国家：美国
用途跟蹤与数据中继卫星系统(Tracking and Data RelaySatellite System），简称TDRSS，是为中、低轨道的太空飞行器与太空飞行器之间、太空飞行器与地面站之间提供数据中继、连续跟蹤与轨适测控服务的系统，简称中继系统 。跟蹤与数据中继卫星系统(TDRSS)是20世纪航天测控通信技术的重大突破 。其“天基”设计思想，从根本上解决了测控、通信的高覆盖率问题，同时一还解决了高速数传和多目标测控通信等技术难题，并具有很高的经济效益 。TDRSS系统使航天测控通信技术发生了革命性的变化，目前还在继续向前发展，不断地拓宽自己的套用领域 。现在，美国与俄罗斯两国的跟蹤与数据中继卫星系统均已进入套用阶段,正在发展后续系统；欧空局和日本在这类卫星的发展中採用了新的思路和技术途径 。我国正在积极推进研究跟蹤与数据卫星系统 。用于转发地球站对中低轨道太空飞行器的跟蹤测控信号和中继太空飞行器发回地面的信息的地球静止通信卫星 。高频段电波的直线传播特性和地球曲率的影响，使地面测控站跟蹤中、低轨道太空飞行器的轨道弧段和通信时间受到限制 。跟蹤与数据中继卫星的作用，相当于把地面的测控站升高到了地球静止卫星轨道高度，可居高临下地观测到在近地空间内运行的大部分太空飞行器 。由适当配置的两颗卫星和一座地球站组网，可取代分布在世界各地的许多测控站，实现对中、低轨道太空飞行器85%～100%的轨道覆盖 。高频段电波的直线传播特性和地球曲率的影响，使测控站跟蹤中、低轨道太空飞行器的轨道弧段和通信时间受到限制，跟蹤和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卫星轨道高度，一颗卫星就能观测到大部分在近地空域内飞行的太空飞行器，两颗卫星组网就能基本上覆盖整箇中、低轨道的空域 。因此由两颗卫星和一个测控站所组成的跟蹤和数据中继卫星系统，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 。跟蹤和数据中继卫星的主要用途是：① 跟蹤、测定中、低轨道卫星：为了儘可能多地覆盖地球表面和获得较高的地面分辨能力，许多卫星都採用倾角大、高度低的轨道 。跟蹤和数据中继卫星几乎能对中、低轨道卫星进行连续跟蹤，通过转发它们与测控站之间的测距和都卜勒频移信息实现对这些卫星轨道的精确测定 。② 为对地观测卫星实时转发遥感、遥测数据：气象、海洋、测地和资源等对地观测卫星在飞经未设地球站的上空时，把遥感、遥测信息暂时存贮在记录器里,而在飞经地球站时再转发 。这种跟蹤和数据中继卫星能实时地把大量的遥感和遥测数据转发回地面 。③ 承担太空梭和载人飞船的通信和数据传输中继业务：地面上的航天测控网（见航天测控和数据採集网）平均仅能覆盖15%的近地轨道，航天员与地面上的航天控制中心直接通话和实时传输数据的时间有限 。两颗适当配置的跟蹤和数据中继卫星能使太空梭和载人飞船在全部飞行的85%时间内保持与地面联繫 。④ 满足军事特殊需要：以往各类军用的通信、导航、气象、侦察、监视和预警等卫星的地面航天控制中心，常须通过一系列地球站和民用通信网进行跟蹤、测控和数据传输 。跟蹤和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 。优点1)覆盖率高中继卫星系统极大地提高对中、低轨太空飞行器的测控和数传的覆盖率，例如：对于一颗轨道高度为500km的卫星，如在国内设多个站，每天可测控时段只有30min～40min，而设定一颗中继卫星可将这一时间提高到10h以上；利用多颗中继星(如3颗)组网形成系统后，可实现对中、低轨太空飞行器的全轨道覆盖，大大提高了卫星效能 。2)实时性好可提供与载人太空飞行器的实时联繫；可实时获得中、低轨太空飞行器观测地球产生的数据和图像，增加其实效性；能实时监控这些太空飞行器，可明显提高其生存能力；此外和用户太空飞行器一起，可具备提供实时观测境外热点地区突发事件的能力 。在目前技术水平下，这是具备此功能的唯一系统 。3)效费比高如果用扩大地球站网路来增加覆盖性和实时性，例如：对于轨道高度约300km的卫星，为了满足100%覆盖，必须在地球上设100多个站来实现，但实际上，考虑到经费、地理环境和政治因素，这根本不能实现 。中继卫星可大幅度减少地面站、测量船的数量，具有很大的终济优势 。关键技术中继卫星在研製中遇到的独特的关键技术和难点，至少有如下几个方面：星载闭环捕获跟蹤这是建立星间传输信道的首要条件，特别是由于高速率传输的要求，相关天线的波束很窄，如美国中继卫星单址天线波束宽仅为0．28m 。天线必须对高速运动的用户太空飞行器进行捕获和跟蹤，并且为了简化系统设计，用户太空飞行器没有信标，中继卫星必须跟蹤它传送的数传信号，而这种信号随用户太空飞行器的不同，具有不同的数据速率、调製方式、频频宽度和都卜勒频移 。另外，由于用户太空飞行器资源的限制，其天线尺寸和发射功率都十分有限，这些都使中继卫星对用户太空飞行器的捕获跟蹤显得特别困难 。负责完成这一任务的捕获跟蹤分系统具有多个关键部件(如单通道调製器、捕获跟蹤接收机等) 。这些关键部件的硬体和软体相当複杂，在角度误差信号的提取、处理等方面具有多项关键技术 。目前美国中继卫星对中低轨太空飞行器的自动跟蹤精度约为0．06m 。由于用户太空飞行器轨道高度较低(通常只有几百千米)，在地球边缘处开始捕获时信号可能穿过大气顶层，由此产生的信号衰落将对捕获跟蹤功能带来不利影响；在自跟蹤过程中，还可能出现来自地面和其他卫星的干扰信号(这对工作于Ku频段的中继星较易发生)，这些都是捕获跟蹤设计师必须面对和儘量解决的问题 。可展开、多频带跟蹤天线电联规定星间链路的工作频段为Ka和s频段，美国中继卫星还使用Ku频段(严格地说，Ku频段不是可用频段，美国由于在国际电联规定前已使用此频段，故获得许可保持使用权利至今) 。因此，现有中继卫星天线都工作于S/Ka或s/Ka/Ku频段 。众所周知，高的数传速率要求链路具有高的EIRP值和G/T值 。这都要求中继卫星单址天线具有高的增益 。例如，美国第二代中继卫星单址天线Ku频段就达51．7dB-52．6dB，勛频段达54．7dB-56．4dB 。如此高的增益要求其天线具有极高的电尺寸D/A，美国第二代中继卫星天线的D/A即达400，这相当于一个工作于2GHz的60m直径天线的电尺寸 。所以，到目前为止，无论是哪国研製的中继卫星，其单址天线的电尺寸都是所有卫星天线中最大的 。工作波长越短，要求天线反射面的形面精度就越高，例如，工作于Ka频段的中继天线，如果要求其形面误差产生的天线增益损失小于0．5dB，天线主反射面的形面误差就必须小于0．3mm，这不但包括加工产生的误差，还应包括天线在轨时由于极端的真空环境和温差(可达250°C以上)环境对反射面形变的影响，这对于直径达几米的天线是一项异常艰难的任务 。目前，用于中继卫星的大型天线有固面和网状两种，前者尺寸适中，一般达3m左右，后者尺寸可做得更大(如美国中继卫星达4．8m左右)，但由于工作于Ka频段，研製难度更大，网状反射面在轨电性能和形面精度很难保证，目前美国第二代中继卫星后2颗星已开发了反射面在轨形面调整技术，但这使技术难度明显增加 。此外，这种天线还应提供双频或三频的跟蹤功能，具有性能优异的射频敏感器等 。所以，可以毫不夸张地说，中继卫星的超大D/A比的多频段精密跟蹤天线是目前研製难度最大的星载天线 。天线指向的複合控制中继卫星在轨工作时，大型单址天线处于轨迹複杂、速度变化的运动状态 。这种天线一般配置一两副，每副天线转动部分(包括相应的高频箱)的质量可达100kg以上 。星体和运动的天线之间存在严重的动力学耦合，加上天线本身是一个非线性、柔性结构系统，要想使波束极窄的天线完成对快速回响空间太空飞行器的捕获跟蹤任务，必须攻克高精度複合控制技术 。应进行的工作至少包括考虑各系统和相关部件(如天线反射面、天线驱动机构、支撑桿和绞链等)的模态频率、阻尼等挠性影响，完成挠性结构动力学建模和分析，考虑天线运动速度、产生的干扰力矩和卫星姿态运动的综合影响 。国际上採用的手段有前馈、反馈和补偿等 。中继卫星的这一控制难题无论在理论上、设计上和地面验证试验上都是对设计人员的巨大挑战 。如果天线选用网状天线的形式，其挠性特性、结构振动特性和与卫星的耦合动力学特性将更为複杂，複合控制也会更加困难 。外热流变化极大高频箱热控为了提高射频性能，多数中继卫星(如美国第一、第二代中继卫星，日本的DRTS等)的单址天线的大型主反射面背部都有一个装有多台Ku/Ka频段设备的高频箱，此天线反射面对高频箱的热控影响极大：一方面它产生遮挡，影响高频箱散热面的辐射散热；另一方面它还引起高频箱外热流在一个日周期内的巨大变化；再加上天线在轨完成捕获跟蹤功能时要不断转动，使得主反射面、高频箱和太阳光的夹角不断变化，使外热流变化规律十分複杂，这给热控设计带来了很大的困难 。此外，由于高频箱内捕获跟蹤设备对相位关係要求很严，又工作在Ku/Ka频段，这对相应部位的温度变化提出了高的要求 。因此，为了获得好的性能，必须攻克这一特殊的热设计问题 。并且这一问题对採用固面反射面天线更为突出 。设计特点和通信卫星相比，中继卫星的总体设计存在一些特点：(1)分析表明，如果设计好，中继卫星完全可在轨道倾角变化较大(如±40°，甚至更大)的条件下工作，也就是说，并不要求严格的南北位置保持，卫星寿命并不以星上装载大量推进剂为必要条件 。在通信卫星总体设计中经常困惑设计师的推进剂多少决定卫星寿命的问题，对中继卫星来说则可用全新的思路来解决，从而明显提高卫星平台的能力 。例如：一颗乾重约1150kg的地球静止轨道中继卫星，定点后一般需要290kg左右推进剂以维持8年寿命；如果改进设计(如增加对地天线指向调节功能等)，卫星定点时可工作在倾角-4°的地球同步轨道，不进行南北位置保持，最多只需60kg推进剂，即可达到8年～9年寿命 。卫星可节省约200kg(考虑改进设计还需要一些质量)的推进剂重量，这应是一个跨越式的进步，总体设计师应利用或部分利用这一特点，研製出效能比更好的中继卫星 。(2)由于天线、高频箱等星外部件即使在收拢状态体积也很大，设计师在解决卫星和运载火箭整流罩的兼容问题时将会遇到困难，这在卫星本体尺寸大的情况下将更加突出 。(3)对功率需求不大，目前各箇中继卫星的卫星功率都只有2kW左右，明显低于普通通信卫星 。(4)和同时代的大型通信卫星相比，起飞质量相对较低，目前最重的是美国第二代中继卫星，约3100kg，其他的中继卫星的起飞质量都在2200kg～2700kg左右 。加上其他技术上的原因，原来为一般通信卫星量体裁衣开发的大型公用平台用于中继星并不完全适用，在研製中要进行较多的改动，这也是研製中的一个难点 。例如，美国第二代中继卫星就选用了BSS-601平台的改型 。据报导，新订货的美国第三代中继卫星(首颗星将于2012年底发射)仍使用BSS-601平台，并未选用波音卫星系统公司的能力最大的BSS-702平台 。世界首颗中继卫星1983年4月，美国从“挑战者”号太空梭上发射了第一颗跟蹤和数据中继卫星(TDRS)，它是现代最大的通信卫星，也是首次在一颗卫星上同时採用S、C和Ku3个频段的通信卫星 。卫星重2吨多，太阳电池翼伸开后,翼展达17.4米，横向跨度为13米 。卫星工作10年后，太阳电池阵仍可提供1850瓦功率 。星体採用三轴姿态控制稳定方式（见太空飞行器姿态控制） 。卫星上装有 7副不同类型的天线 。两副直径4.9米抛物面天线在卫星发射过程中收拢成筒状，入轨后通过机械螺桿控制撑开呈伞形，每个天线有两副馈源，分别用于S和Ku频段的跟蹤和数据中继 。一副直径为 2米的抛物面天线用于对卫星通信地球站的Ku频段双向通信 。这3副天线均装在精密的万向架上,由地面指令控制，能自动跟蹤其他太空飞行器，指向精度达0.06° 。星体中部是30个螺旋组成的S频段相控阵天线，用作多址通信 。还有一副直径1.12米的Ku频段抛物面天线和一副C频段铲形天线，用于美国国内通信 。Ku、S频段转发器能提供的通信容量有20个S频段多址信道，2个S频段单址信道和2个Ku频段单址信道 。此外，12个C频段转发器可传输电话、电视和数据等 。