《衛(wèi)星通信與衛(wèi)星網絡》課件-第9章

第9章跟蹤與數據中繼衛(wèi)星系統(tǒng)9.1系統(tǒng)概述9.2國外跟蹤與數據中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展9.3美歐日TDRSS的聯網互操作9.4我國的跟蹤與數據中繼衛(wèi)星系統(tǒng)9.5本章小結

9.1系統(tǒng)概述

跟蹤與數據中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(TDRSS,TrackingandDataRelaySatelliteSystem)簡稱中繼衛(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高覆蓋率數據中繼、連續(xù)軌道跟蹤與測控的通信系統(tǒng)。

跟蹤和數據中繼衛(wèi)星主要應用在以下幾個方面:

(1)跟蹤和測定中、低軌道衛(wèi)星。

(2)為對地觀測衛(wèi)星實時轉發(fā)遙感、遙測數據。

(3)承擔通信和數據傳輸中繼業(yè)務。

(4)滿足軍事特殊需要。

9.1.1系統(tǒng)組成及工作原理

跟蹤與數據中繼衛(wèi)星系統(tǒng)一般由空間部分、地面終端和中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的服務對象用戶航天器三個主要部分組成。圖9-1是由兩顆地球同步衛(wèi)星構成的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的系統(tǒng)組成。

圖9-1跟蹤與數據中繼衛(wèi)星系統(tǒng)組成

9.1.2系統(tǒng)特點

從組成和工作原理角度來看,跟蹤與數據中繼衛(wèi)星系統(tǒng)具有以下優(yōu)點:

(1)對用戶航天器有很高的軌道覆蓋率。

(2)對用戶航天器進行集中管理。

(3)能減少地面站的數目,節(jié)省經費。

(4)具有強大的跟蹤和數據傳輸能力,服務質量高。

由于受系統(tǒng)結構和中繼衛(wèi)星技術水平的限制,跟蹤與數據中繼衛(wèi)星系統(tǒng)有如下不足點需改進:

(1)不能跟蹤高軌道衛(wèi)星。

(2)提高了對用戶航天器的要求。

(3)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的位置固定,而且所有中、低軌道用戶都由該系統(tǒng)控制,因此一旦中繼衛(wèi)星受到干擾或者破壞,整個系統(tǒng)將陷于癱瘓狀態(tài)。

9.1.3系統(tǒng)的通信業(yè)務和鏈路特性

跟蹤與數字中繼衛(wèi)星系統(tǒng)對用戶航天器提供3種服務:Ku頻段單址勤務(KSA)、S頻段單址勤務(SSA)、S頻段多址勤務(SMA)。KSA為Ku頻段單用戶提供高數據率服務,SSA為S頻段的單用戶提供中等數據率服務,SMA為多達20個的用戶提供低數據率服務。3種服務都能在數據通信的同時完成目標的測距與測速。

中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的鏈路主要有空地鏈路、軌道間鏈路、星間鏈路、前向鏈路和反向鏈路。

(1)空地鏈路也稱為饋電鏈路,主要用于建立中繼衛(wèi)星與地面站之間的通路。一個鏈路中可包含多路復用信道,也有上行與下行之分。

(2)軌道間鏈路是中繼衛(wèi)星與用戶航天器位于不同傾角和高度的軌道時所構建的通路。

(3)星間鏈路是指同一軌道上不同位置的中繼衛(wèi)星或衛(wèi)星之間的通路。

(4)前向鏈路包括地面站經中繼衛(wèi)星到用戶航天器、中繼衛(wèi)星到用戶航天器、星間鏈路中的主星到輔星的連通鏈路。

(5)反向鏈路包括用戶航天器經中繼衛(wèi)星到地面站、用戶航天器到中繼衛(wèi)星以及星間鏈路中的輔星到主星的連通鏈路。

圖9-2是由地面站中繼衛(wèi)星用戶航天器構成的前向鏈路傳輸信道。其中從地面站到中繼衛(wèi)星發(fā)送Ku頻段信號,是7路頻分復用信號,它們是:

(1)中繼衛(wèi)星到用戶航天器的2個S頻段單址鏈路(SSA):提供S頻段單路服務,即各用S頻段的一個頻道為一個用戶航天器提供服務。

(2)中繼衛(wèi)星到用戶航天器的2個Ku頻段單址鏈路(KSA):提供Ku頻段的單路服務,即各用Ku頻段的一個頻道為一個用戶航天器提供服務。

(3)中繼衛(wèi)星到用戶航天器的1個S頻段多址鏈路(SMA):為S頻段的20個用戶提供服務,用S頻段的一個頻率和20個不同的PN碼代表20個地址為20個用戶航天器提供服務。

(4)遙控指令信道:用于發(fā)送對中繼衛(wèi)星進行控制的遙控指令。

(5)導頻信道:向中繼衛(wèi)星提供頻率基準,實現頻率相干。

圖9-2中繼衛(wèi)星系統(tǒng)前向鏈路結構示意圖

由用戶航天器中繼衛(wèi)星地面站構成的反向鏈路傳輸信道如圖9-3所示。在用戶航天器到中繼衛(wèi)星的星間傳輸段中,各用戶航天器向中繼星反向發(fā)射S頻段或Ku頻段載波信號,載波信號包含用戶星要傳輸的數據信號、遙測信號和轉發(fā)的測距偽隨機碼信號。

圖9-3中繼衛(wèi)星系統(tǒng)返向鏈路傳輸信道

中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的前向鏈路中,3種服務都采用統(tǒng)一的信號形式,這有利于地面站、中繼衛(wèi)星以及用戶航天器相應部分系統(tǒng)的設計。但由于反向鏈路業(yè)務相對復雜,數據速率變化較大,需要將其分為兩個數據組,每個數據組又分為不同的模式,因此在用戶航天器經中繼衛(wèi)星到地面站的反向通信鏈路的系統(tǒng)設計中必須分別考慮。

9.2國外跟蹤與數據中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展

9.2.1美國TDRS系統(tǒng)圖9-4是美國的跟蹤與數據中繼衛(wèi)星系統(tǒng)分布圖,其主要組成有空間部分、地面終端以及用戶終端三部分,下面將詳細論述。

圖9-4美國的跟蹤與數據中繼衛(wèi)星系統(tǒng)分布

1.空間部分

美國的TDRS空間部分包括地球同步軌道上的9顆TDRS衛(wèi)星,其中一代中繼星4顆、二代3顆、三代2顆。第一代TDRS共發(fā)射了7顆星,TDRS2發(fā)射失敗,TDRS1和TDRS4已經退役并脫軌,二代和三代補充并增強了原有TDRS的功能。

第一代TDRS采用三軸穩(wěn)定系統(tǒng),質量約2300kg,太陽電池翼直徑達17m,額定功率為1700W。圖9-5給出了一代TDRS星的外形結構。

圖9-5美國一代TDRS的外形結構

第二代TDRS的外形結構如圖9-6所示。圖9-6美國二代TDRS的外形結構

美國第一代、第二代TDRS的性能特點如表9-1所示。

第三代TDRS的外形圖如圖9-7所示。圖9-7美國三代TDRS的外形圖

2.地面終端

1998年,第三個地面站即關島遠方終端站GRGT作為WSGT的擴展建成并投入使用。GRGT的建成使NASA真正向用戶提供了高效的、100%的全球通信。白沙綜合設施

目前有7套自主工作的空地鏈路終端SGLT,其中WSGT有2套、STGT有3套,SGLT有2套。圖9-8所示為TDRS系統(tǒng)白沙綜合設施。

圖9-8TDRS系統(tǒng)白沙綜合設施

3.用戶終端

TDRS系統(tǒng)通過NASA通信網接口,在用戶終端控制中心和在軌用戶終端之間,提供S、Ku和Ka3個頻段的前向和反向通信鏈路以及信息傳遞業(yè)務。除此之外還提供用戶航

天器仿真和TDRS系統(tǒng)校驗業(yè)務,利用地面終端站產生的數據模仿用戶航天器,校驗TDRS系統(tǒng)的性能。

9.2.2俄羅斯SDRN系統(tǒng)

俄羅斯的跟蹤與數據中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(SDRN,SatelliteDataandRelyNework)包括軍用和民用兩大系統(tǒng)。軍用系統(tǒng)稱為急流系統(tǒng),民用系統(tǒng)稱為射線系統(tǒng)。

射線系統(tǒng)的主要用途是為低地球軌道衛(wèi)星提供通信和控制,為禮炮號空間站、和平號空間站、聯盟號系列載人飛船與地面測控站之間提供雙向電視、數據交換。同時還可以用

于電視轉播、電視會議和應急通信。除此之外,該系統(tǒng)所能提供的業(yè)務還包括:世界范圍電視會議業(yè)務和遙醫(yī)學業(yè)務;實時電視轉播業(yè)務;電視信息的雙向交換業(yè)務并構成電視轉換網;在俄羅斯境外和境內邊遠地區(qū)出現災害和人為事件后,提供緊急通信服務。

第一代射線衛(wèi)星的主要技術特性如表9-2所示,其中早期發(fā)射的宇宙系列衛(wèi)星的部分指標略低于表中參數。

圖9-9和圖9-10分別是射線5A與射線5B的外形圖,從外形上看,它們和美國第一代TDRS類似。第二代射線衛(wèi)星的主要技術特性見表9-3。

圖9-9-射線5A外形圖

圖9-10射線5B外形圖

9.2.3歐洲EDRS系統(tǒng)

1989年,歐空局制訂了分兩步走的策略發(fā)展數據中繼衛(wèi)星,有14個歐洲國家參與此計劃。計劃第一步是先發(fā)射試驗型光學通信衛(wèi)星阿蒂米斯,第二步是發(fā)射工作型數據中繼衛(wèi)星DRS。

阿蒂米斯衛(wèi)星的重要試驗任務主要有三項:

一是半導體激光星間鏈路通信試驗;

二是作為未來數據中繼衛(wèi)星的試驗衛(wèi)星進行數據中繼試驗;

三是為歐洲大陸車輛進行L頻段的移動通信試驗。

表9-4給出了歐洲數據中繼衛(wèi)星的主要技術特性。

9.2.4日本DRTS系統(tǒng)

隨著空間站時代的到來,會有許多航天器工作在低地球軌道,而這些航天器只由地面站直接進行控制是不夠的。另一方面,日本認為國際合作也是必不可少的。因此,日本決

定研制自己的數據中繼衛(wèi)星系統(tǒng),以促進日本的空間活動。

1993年,日本宇宙開發(fā)事業(yè)團確定了日本數據中繼衛(wèi)星系

實用型數據中繼試驗衛(wèi)星DRTS于2002年9月發(fā)射成功,原計劃發(fā)送兩顆,但其中一顆的研制因故中止。DRTS衛(wèi)星為日本先進地球觀測衛(wèi)星、國際空間站及日本希望號實驗艙等提供了數據中繼服務,取得了重要成果。DRTS衛(wèi)星的主要技術特性如表9-5所示。

9.3美歐日TDRSS的聯網互操作

隨著空間活動的國際化,中繼衛(wèi)星系統(tǒng)對低軌道用戶星的覆蓋均存在盲區(qū),且由于歐、日條件不足,美、歐、日產生了大聯合的思想,即國際大聯網,以期在系統(tǒng)運行中能夠提供相互支持。1985年美國宇航局、歐空局和日本宇宙開發(fā)事業(yè)團成立了空間網互操作委員會,此后相繼召開了四次會議,一致贊成三網互操作,并制訂方案,逐步實施。

研究工作大體上分為兩個階段:第一階段主要解決S頻段的互操作問題;第二階段解決Ka頻段的互操作問題。為了建立互操作系統(tǒng),三方對軌道間信號的跟蹤與捕獲方法、通

信鏈路分析和使用頻率進行了長時間的廣泛協調,從技術上已基本達成協議。

表9-6給出了三方的S頻段互操作射頻參數。

表9-7是美歐日三方協調后Ka頻段單址鏈路互操作射頻信號參數。

9.4我國的跟蹤與數據中繼衛(wèi)星系統(tǒng)

20世紀80年代初期空間站還處于早期的論證階段,我國就已開始跟蹤TDRS系統(tǒng),并展開一系列預研工作,取得了一定成果。我國中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展大致分為兩步:第一步建立單星系統(tǒng),使其最大反向數據率達到數百兆比特每秒,對用戶航天器的軌道覆蓋率達50%以上;第二步采用大型衛(wèi)星平臺建立雙星系統(tǒng),通過2顆衛(wèi)星對用戶航天器實現85%的軌道覆蓋率。

天鏈一號中繼衛(wèi)星系統(tǒng)和國外同類系統(tǒng)相比,有其自己的特點。首先,結合中國國情,利用地域遼闊和已初具規(guī)模的地面高速光纖干線設施,配置較少的衛(wèi)星,只在國內設管控

站,構建了具有準全球覆蓋能力的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。其次,雖然第一顆中繼衛(wèi)星發(fā)射較晚,但發(fā)展十分迅速,僅用4年時間就建成了準全球覆蓋的三星組網系統(tǒng),并實現了多方面的實際應用。再次,基于充分的論證,采用了和美國TDRS系統(tǒng)星地大回路控制不同的捕獲跟蹤方案,在軌獲得了很好的效果。最后,一些關鍵部件實現了國產化,擁有多項自主知識產權。

當前,數據中繼衛(wèi)星系統(tǒng)還處在不斷發(fā)展的過程中,包括中國在內的許多國家都對有關中繼衛(wèi)星的先進技術和應用開展了深入研究,用以提高現有中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的性能,發(fā)展下一代系統(tǒng)。

9.5本章小結

隨著航天技術的不斷發(fā)展,各種航天器的數量和種類不斷增加,如果依然采用地基測控系統(tǒng),難以滿足航天器測控全軌道覆蓋和未來航天測控高數據傳輸率的要求,中繼衛(wèi)星概念的提出開創(chuàng)了天基測控的新時代。

跟蹤與數據中繼衛(wèi)星系統(tǒng)以其高覆蓋率、高數據率和多目標測控能力在空間技術發(fā)展中起到了極其重要的作用,日益受到世界各國的重視。20世紀80年代開始,美、俄、歐、

日相繼研發(fā)出自己的跟