跟踪与数据中继卫星系统

2019-11-03 18:33:01

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供稿：网友

陈秀珠　　1　概述

　　TDrss为跟踪与数据中继卫星系统的英文缩写，这一概念是早是Malcolm Mcmulien 1964年开始研制的TDRSS，便能一举解决全轨道跟踪多个航天器和高数据率传输问题。

　　TDRSS是充分利用太空的高空资源，把地面的测控及通信站搬到空间地球静止轨道的卫星上去。只要发射两颗星，空间角位置上间距130度，便对所有轨道高度约1200公里至12000公里近地轨道飞行器可实现100％的连续跟踪覆盖，对轨道高度约200公里的飞行器，也可实现85％覆盖。所有用户飞行器、空间站核心站，可利用TDRSS中的任一颗进行双工通信。TDRSS星收集所有用户星的数据，编排成帧后，再与单一地球站建立通信链路，TDRSS和地球终端站就成为太空和地球之间建立通信联系的唯一信息港。地球站通过TDRSS可间接与用户星建立通信链路，借助TDRSS的中继，地球站可对各用户星测轨定位，这种设想一旦成为现实，可大量裁减陆地测控站、测量船，同时也减少建设、维修和操作费用。

　　2　美国TDRSS组成

　　2.1空间部分

　　在地球静止轨道上布设三颗星，TDRS-Ｗ星在41度W,TDRS-E星在171度W。这三颗星称为跟踪与数据中继卫星。每颗星上有7副天线，其中4.9米抛物面天线2副，为S及Ku波段共用，用于TDRSS和用户星之间交换高速数据，并可对用户星跟踪测角、测距。测角精度为1密位；有30个螺旋天线组成的S波段天线阵，可实现20个用户星对TDRS和地球站之间传输高速数据；S波段全向天线一副，用于TDRS和地球站间传输TT&S信息的备分手段。另外一副直径为1.12米的Ku波段抛物面天线和副C波段铲形天线，单独作为美国内的点对点通信，这一部分用作美国的高级西联星的通信，不属于TDRSS的跟踪和数据中继部分。

　　2.2地球部分

　　地球终端设在地球纬度低、处于沙漠地带雨量少、对Ｋｕ波段传播减少的白沙靶场。地球终端站装备了3副18米天线，每副天线对空间站某一颗星建立馈电通信链路；一副6米天线用作星地之间测控，还有其他辅助天线4副。地球终端站可对TDRSS空间卫星的高功放放大器的增益进行控制，改变其工作频率和相控阵Ｓ波段天线波束的形成，也可对Ku波段天线的指向进行控制。

　　3通信业务

　　3.1通信链路定义

　　卫星通信发展到TDRSS后，除了地球站对TDRS星之间的通信外，还出现TDRS星和各用户星之间的通信，过去常用的上行、下行链路概念已不适用，易引起混淆，因而另定义了两个术语：

　　前向链路：指地球站---TDRS---用户星的通信

　　返向链路：指用户量---TDRS---地球站的通信

　　3.2TDRS的通信容量

　　对4.9米天线而言，S和Ku波段切换工作，Ｓ波段用于中速率（ＭＤＲ）通信（100b/s-12Mb/s），构成ＳＳＡ（ｓ波段单址）链路。如果有两颗用户星的位置同时处在Ｓ波段波束宽度之内，则Ku和S波段也可同时工作，每个波段对付一颗星。如果三颗星同时启用，则天线阵可由地球站发出前向信号控制，同时形成20个波束分别指向20颗用户星，构成SMA（Ｓ波段多址）低数据率通信（100b/s--50kb/s）链路。这20个波束可由一般TDRS上的相控阵天线提供，也可由三颗TDRS分开承担，因而ＭＡ链路尚有很大潜力可开发，主要受限于地球站的硬件配置。总计起来TDRSS有能力同时对26颗至32颗用户星通信。

　　TDRSS对用户量的通信，不论前向链路或返向链路，都不在星上进行信号处理，卫星只用于变频、放大、选择特定天线辐射电波，TDRS的作用只是对信号进行中继，所有信号处理都在地球站上进行。

　　TDRS和地球站之间的通信，由空---地链路来担任，地球站上有三副18米直径天线，每副天线对一颗TDRS。每颗TDRS上有一副2米直径的固定抛物面天线用于星地联络，所有用户星送来的信号，都用频分多路复用编排后变频为Ku波段。ＭＡ信号每路相隔7.5Mhz，传送到地球站，信道设计考虑了6dB降雨损失。

　　3.3调制方式

　　中继星通信系统应采取怎样的调制方式与解调方式，应综合考虑多方面的因素来定，包括卫星功率与频带的有效利用，带限与迟延失真，热噪声、干扰等的影响，行波管功率放大器等器件相位和幅度非线性的影响等。

　　由于中继星信道是频带、功率都受限的非线性信道，要求已调信号具有恒包络，以便提高射频高功放的利用率，故各种幅度调制不适用于中继星信道。

　　目前，国际上已建成的中继卫星系统只有美国的TDRSS。正在计划建的有欧洲的DRS系统、日本的TDRSS。

　　3.4通信能力总结

　　TDRSS三种通信工作模式的主要性能指标如下：

　　前向链路

项目	SMA	SSA	KSA
TDRS天线跟踪视场（FOV）	锥形±13°	椭圆形东-西±22.5° 南-北±31°	椭圆形东-西±22.5° 南-北 ±31°
TDRS波束宽（-3dB）	26°/5°	1.84°	0.28°
射频带宽（MHz）	6 34	20 43.5 46	50 49.5 19.5
数据率载波（GHz）	0.1-10Kb/s 2.1064	0.1-300Kb/s 2.0-2.3	1Kb/s-25Mb/s 13.7-15.2

反向链路

项目	SMA	SSA	KSA
天线跟踪视场	锥形±13°	椭圆形东-西±22.5° 南-北±31°	椭圆形东-西±22.5° 南-北±31°
中放带宽	6	10	225
载波频率工作数据率	2.2875	12Mb/s（无编码） 6Mb/s（有编码）	300Mb/s（无编码） 150Mb/s（有编码）
1bit/s要求	3.5mW	0.83mW（无编码） 0.25mW（有编码）	1.38mW（无编码） 0.42mW（有编码）
用户星正常状态高功率状态	25W	43.5mW 46.0dBW	49DBW

4发展趋势　　美国在80年代末建成了世界上第一个跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS），该系统经过实验结果证明：对1983年后航天飞机的发射过程，仅利用一颗中继卫星就能实现50％的测控及通信覆盖，同时也做过“陆地卫星”86Mb/s的数据中继实验，传输质量优良。这些都证明TDRSS系统的设想是正确的。另一方面，TDRSS建成后，美国逐渐把对低轨道用户星的地面测控任务放在TDRSS上进行，进一步简化了地面测控网。目前美国已正式开展了第二代TDRSS的研制工作，第二代TDRSS的特点是增强了多址相控阵天线的能力，增加了阵元数量及通信能力，另外在馈电链路和轨道间链增加了Ka频段通信，通信能力由现在的300Mb/s增加了650Mb/s。

　　继美国建成第一代TDRSS后，欧洲各国和日本决定研制自己的跟踪与数据中继卫星系统。欧、日吸取了美国的成功经验，同时在美国的基础上又有所发展，其特点是将轨道间链路频段设在Ka频段，这样可以提高系统的传输容量，也降低了轨道间链路天线的口径。

　　欧洲建立中继卫星系统（TDRS）的目标是为低轨道用户星提供连续的数据中继，降低或取消低轨道用户星上的磁记录装置，可同时服务于6个低轨道用户星。欧洲中继卫星也采用两颗星配置，星上采用两个大的2.85米天线，工作在S/Ka频段，前、返向链路通信数据率为25Mbps/620Mbps，地面站采用分散地面站方式。　　日本采用两个5米的轨道间链路天线，天线转角±50度，可为地球静止轨道卫星在转移轨道提供测控服务，这对国土面积不大的日本具有较重大的意义，可在本土内就完成对同步轨道卫星的测控任务。前、返向链路通信数据率为30Mbps/300Mbps，日本在正式发射DTRSS前把星上的有效载荷都在其他卫星上做了实验，在ETS-V1安排了多址相控阵天线及Ka频段电链路试验，在Comets卫星上安排S/Ka双频段轨道间链路通信跟踪试验，而在Comets的上半年和下半年分别发射2颗DTRS卫星。

　　前苏联（俄罗斯）的跟踪与数据中继卫星系统由东部网和西部网组成，称为“射线”系统，主要服务对象为和平号、礼炮号空间站及联盟飞船等，轨道间链路和馈电链路采用Ku频段。

　　由于欧、美国、日第一代的中继卫星系统对低轨道用户星的覆盖均存在盲区，为防止系统突发故障使系统中断运行，这三家准备相互合作，系统运行中能够提供相互支持，因此，在体制和通讯频带上，三家选择均为一致，美国的第二代ATDRSS轨道间链路也选在与欧、日一样的Ka频段。

　　世界各国的跟踪与数据中继卫星的发展趋势和特点是：

　　a.通信数据率越来越高，通信频段向更高频段发展。

　　b.激光通信技术用于跟踪与数据中继卫星系统通信。

　　c.各系统运行方式上有相互组网的要求。

　　d.由于系统技术复杂，各国在正式组网前均在关键技术进行了卫星塔载实验。

摘自《卫星与网络》2001.6期　　

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