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是通信衛(wèi)星的一種，主要用下數(shù)據(jù)傳輸，其特點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸量大。隨著航天器種類和數(shù)量的增多，航天器的跟蹤和控制任務(wù)越來(lái)越重，數(shù)據(jù)傳輸量也越來(lái)越大，單靠地面測(cè)控站難以勝任。即使是在布設(shè)了測(cè)控網(wǎng)的美國(guó)．對(duì)載人航天器這樣的中低軌道航天器的控制，其軌道覆蓋率也只能達(dá)到15%。為及時(shí)有效地完成對(duì)航天器的管理和數(shù)據(jù)收集工怍，中繼衛(wèi)星應(yīng)運(yùn)而生。 [1] 

中繼衛(wèi)星被稱為“衛(wèi)星的衛(wèi)星”，可為衛(wèi)星、飛船等航天器提供數(shù)據(jù)中繼和測(cè)控服務(wù)，*提高各類衛(wèi)星使用效益和應(yīng)急能力，能使資源衛(wèi)星、環(huán)境衛(wèi)星等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)下傳，為應(yīng)對(duì)重大自然災(zāi)害贏得更多預(yù)警時(shí)間。

用途

編輯

跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(Tracking and Data RelaySatellite System），簡(jiǎn)稱TDRSS，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)跟蹤與軌適測(cè)控服務(wù)的系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱中繼系統(tǒng)。跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(TDRSS)是20世紀(jì)航天測(cè)控通信技術(shù)的重大突破。其“天基”設(shè)計(jì)思想，從根本上解決了測(cè)控、通信的高覆蓋率問(wèn)題，同時(shí)一還解決了高速數(shù)傳和多目標(biāo)測(cè)控通信等技術(shù)難題，并具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。TDRSS系統(tǒng)使航天測(cè)控通信技術(shù)發(fā)生了革命性的變化，目前還在繼續(xù)向前發(fā)展，不斷地拓寬自己的應(yīng)用領(lǐng)域?，F(xiàn)在，美國(guó)與俄羅斯兩國(guó)的跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)均已進(jìn)入應(yīng)用階段,正在發(fā)展后續(xù)系統(tǒng)；歐空局和日本在這類衛(wèi)星的發(fā)展中采用了新的思路和技術(shù)途徑。我國(guó)正在積極推進(jìn)研究跟蹤與數(shù)據(jù)衛(wèi)星系統(tǒng)。

用于轉(zhuǎn)發(fā)地球站對(duì)中低軌道航天器的跟蹤測(cè)控信號(hào)和中繼航天器發(fā)回地面的信息的地球靜止通信衛(wèi)星。高頻段電波的直線傳播特性和地球曲率的影響，使地面測(cè)控站跟蹤中、低軌道航天器的軌道弧段和通信時(shí)間受到限制。跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的作用，相當(dāng)于把地面的測(cè)控站升高到了地球靜止衛(wèi)星軌道高度，可*地觀測(cè)到在近地空間內(nèi)運(yùn)行的大部分航天器。由適當(dāng)配置的兩顆衛(wèi)星和一座地球站組網(wǎng)，可取代分布在世界各地的許多測(cè)控站，實(shí)現(xiàn)對(duì)中、低軌道航天器85%～*的軌道覆蓋。

高頻段電波的直線傳播特性和地球曲率的影響，使測(cè)控站跟蹤中、低軌道航天器的軌道弧段和通信時(shí)間受到限制，跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星相當(dāng)于把地面上的測(cè)控站升高到了地球靜止衛(wèi)星軌道高度，一顆衛(wèi)星就能觀測(cè)到大部分在近地空域內(nèi)飛行的航天器，兩顆衛(wèi)星組網(wǎng)就能基本上覆蓋整個(gè)中、低軌道的空域。因此由兩顆衛(wèi)星和一個(gè)測(cè)控站所組成的跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，可以取代配置在世界各地由許多測(cè)控站構(gòu)成的航天測(cè)控網(wǎng)。跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的主要用途是：

中繼衛(wèi)星(15張)

① 跟蹤、測(cè)定中、低軌道衛(wèi)星：為了盡可能多地覆蓋地球表面和獲得較高的地面分辨能力，許多衛(wèi)星都采用傾角大、高度低的軌道。跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星幾乎能對(duì)中、低軌道衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)跟蹤，通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)它們與測(cè)控站之間的測(cè)距和多普勒頻移信息實(shí)現(xiàn)對(duì)這些衛(wèi)星軌道的精確測(cè)定。

② 為對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)遙感、遙測(cè)數(shù)據(jù)：氣象、海洋、測(cè)地和資源等對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星在飛經(jīng)未設(shè)地球站的上空時(shí)，把遙感、遙測(cè)信息暫時(shí)存貯在記錄器里,而在飛經(jīng)地球站時(shí)再轉(zhuǎn)發(fā)。這種跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星能實(shí)時(shí)地把大量的遙感和遙測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)回地面。

③ 承擔(dān)航天飛機(jī)和載人飛船的通信和數(shù)據(jù)傳輸中繼業(yè)務(wù)：地面上的航天測(cè)控網(wǎng)（見(jiàn)航天測(cè)控和數(shù)據(jù)采集網(wǎng)）平均僅能覆蓋15%的近地軌道，航天員與地面上的航天控制中心直接通話和實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間有限。兩顆適當(dāng)配置的跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星能使航天飛機(jī)和載人飛船在全部飛行的85%時(shí)間內(nèi)保持與地面聯(lián)。

④ 滿足軍事特殊需要：以往各類用的通信、導(dǎo)航、氣象、偵察、監(jiān)視和預(yù)警等衛(wèi)星的地面航天控制中心，常須通過(guò)一系列地球站和民用通信網(wǎng)進(jìn)行跟蹤、測(cè)控和數(shù)據(jù)傳輸。跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星可以擺脫對(duì)絕大多數(shù)地球站的依賴，而自成一獨(dú)立的系統(tǒng)，更有效地為軍事服務(wù)。

優(yōu)點(diǎn)

編輯

1)覆蓋率高

中繼衛(wèi)星系統(tǒng)*地提高對(duì)中、低軌航天器的測(cè)控和數(shù)傳的覆蓋率，例如：對(duì)于一顆軌道高度為500km的衛(wèi)星，如在國(guó)內(nèi)設(shè)多個(gè)站，每天可測(cè)控時(shí)段只有30min～40min，而設(shè)置一顆中繼衛(wèi)星可將這一時(shí)間提高到10h以上；利用多顆中繼星(如3顆)組網(wǎng)形成系統(tǒng)后，可實(shí)現(xiàn)對(duì)中、低軌航天器的全軌道覆蓋，大大提高了衛(wèi)星效能。

2)實(shí)時(shí)性好

可提供與載人航天器的實(shí)時(shí)系；可實(shí)時(shí)獲得中、低軌航天器觀測(cè)地球產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和圖像，增加其實(shí)效性；能實(shí)時(shí)監(jiān)控這些航天器，可明顯提高其生存能力；此外和用戶航天器一起，可具備提供實(shí)時(shí)觀測(cè)境外熱點(diǎn)地區(qū)突發(fā)事件的能力。在目前技術(shù)水平下，這是具備此功能的一系統(tǒng)。

3)效費(fèi)比高

如果用擴(kuò)大地球站網(wǎng)絡(luò)來(lái)增加覆蓋性和實(shí)時(shí)性，例如：對(duì)于軌道高度約300km的衛(wèi)星，為了滿足*覆蓋，必須在地球上設(shè)100多個(gè)站來(lái)實(shí)現(xiàn)，但實(shí)際上，考慮到經(jīng)費(fèi)、地理環(huán)境和政治因素，這根本不能實(shí)現(xiàn)。中繼衛(wèi)星可大幅度減少地面站、測(cè)量船的數(shù)量，具有很大的終濟(jì)優(yōu)勢(shì)。 [2] 

關(guān)鍵技術(shù)

編輯

中繼衛(wèi)星在研制中遇到的*的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)，至少有如下幾個(gè)方面：

星載閉環(huán)捕獲跟蹤

這是建立星間傳輸信道的首要條件，特別是由于高速率傳輸?shù)囊?，相關(guān)天線的波束很窄，如美國(guó)中繼衛(wèi)星單址天線波束寬僅為0．28m。天線必須對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的用戶航天器進(jìn)行捕獲和跟蹤，并且為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，用戶航天器沒(méi)有信標(biāo)，中繼衛(wèi)星必須跟蹤它發(fā)送的數(shù)傳信號(hào)，而這種信號(hào)隨用戶航天器的不同，具有不同的數(shù)據(jù)速率、調(diào)制方式、頻帶寬度和多普勒頻移。另外，由于用戶航天器資源的限制，其天線尺寸和發(fā)射功率都十分有限，這些都使中繼衛(wèi)星對(duì)用戶航天器的捕獲跟蹤顯得特別困難。負(fù)責(zé)完成這一任務(wù)的捕獲跟蹤分系統(tǒng)具有多個(gè)關(guān)鍵部件(如單通道調(diào)制器、捕獲跟蹤接收機(jī)等)。這些關(guān)鍵部件的硬件和軟件相當(dāng)復(fù)雜，在角度誤差信號(hào)的提取、處理等方面具有多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。目前美國(guó)中繼衛(wèi)星對(duì)中低軌航天器的自動(dòng)跟蹤精度約為0．06m。

由于用戶航天器軌道高度較低(通常只有幾百千米)，在地球邊緣處開(kāi)始捕獲時(shí)信號(hào)可能穿過(guò)大氣頂層，由此產(chǎn)生的信號(hào)衰落將對(duì)捕獲跟蹤功能帶來(lái)不利影響；在自跟蹤過(guò)程中，還可能出現(xiàn)來(lái)自地面和其他衛(wèi)星的干擾信號(hào)(這對(duì)工作于Ku頻段的中繼星較易發(fā)生)，這些都是捕獲跟蹤設(shè)計(jì)師必須面對(duì)和盡量解決的問(wèn)題。 [2] 

可展開(kāi)、多頻帶跟蹤天線

電聯(lián)規(guī)定星間鏈路的工作頻段為Ka和s頻段，美國(guó)中繼衛(wèi)星還使用Ku頻段(嚴(yán)格地說(shuō)，Ku頻段不是可用頻段，美國(guó)由于在電聯(lián)規(guī)定前已使用此頻段，故獲得許可保持使用權(quán)利至今)。因此，現(xiàn)有中繼衛(wèi)星天線都工作于S/Ka或s/Ka/Ku頻段。

*，高的數(shù)傳速率要求鏈路具有高的EIRP值和G/T值。這都要求中繼衛(wèi)星單址天線具有高的增益。例如，美國(guó)第二代中繼衛(wèi)星單址天線Ku頻段就達(dá)51．7dB-52．6dB，勛頻段達(dá)54．7dB-56．4dB。如此高的增益要求其天線具有*的電尺寸D/A，美國(guó)第二代中繼衛(wèi)星天線的D/A即達(dá)400，這相當(dāng)于一個(gè)工作于2GHz的60m直徑天線的電尺寸。所以，到目前為止，無(wú)論是哪國(guó)研制的中繼衛(wèi)星，其單址天線的電尺寸都是所有衛(wèi)星天線中大的。

工作波長(zhǎng)越短，要求天線反射面的形面精度就越高，例如，工作于Ka頻段的中繼天線，如果要求其形面誤差產(chǎn)生的天線增益損失小于0．5dB，天線主反射面的形面誤差就必須小于0．3mm，這不但包括加工產(chǎn)生的誤差，還應(yīng)包括天線在軌時(shí)由于的真空環(huán)境和溫差(可達(dá)250°C以上)環(huán)境對(duì)反射面形變的影響，這對(duì)于直徑達(dá)幾米的天線是一項(xiàng)異常艱難的任務(wù)。目前，用于中繼衛(wèi)星的大型天線有固面和網(wǎng)狀兩種，前者尺寸適中，一般達(dá)3m左右，后者尺寸可做得更大(如美國(guó)中繼衛(wèi)星達(dá)4．8m左右)，但由于工作于Ka頻段，研制難度更大，網(wǎng)狀反射面在軌電性能和形面精度很難保證，目前美國(guó)第二代中繼衛(wèi)星后2顆星已開(kāi)發(fā)了反射面在軌形面調(diào)整技術(shù)，但這使技術(shù)難度明顯增加。

此外，這種天線還應(yīng)提供雙頻或三頻的跟蹤功能，具有性能優(yōu)異的射頻敏感器等。所以，可以毫不夸張地說(shuō)，中繼衛(wèi)星的超大D/A比的多頻段精密跟蹤天線是目前研制難度大的星載天線