跟踪与数据中继卫星系统在测量船上的应用前景❋

李红艳，薛国虎，周江，傅敏辉

（中国卫星海上测控部，江苏江阴214431）

跟踪与数据中继卫星系统在测量船上的应用前景❋

李红艳，薛国虎，周江，傅敏辉

（中国卫星海上测控部，江苏江阴214431）

介绍了国际跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS）的基本状况与发展趋势，分析了今后测量船利用中继卫星系统传输高速数据的应用前景，比较了测量船加装中继卫星系统的几种方案，并对其可行性进行了评估。

跟踪与数据中继卫星系统；测量船；可行性分析

1 引言

随着世界航天测控技术的飞速发展，跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS）成为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，同时还解决了高速数传和多目标测控通信等技术难题，具有很高的经济、军事价值。中继卫星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，不断地拓宽自己的应用领域。美国已率先进入中继卫星时代，其天基测控系统对中低轨航天器的覆盖率达到了100%［1］，俄罗斯、欧空局、日本等航天大国和组织也在研制和建立各自的中继卫星系统。随着我国自主研制的中继卫星的发射并投入应用，利用中继卫星系统进行大容量数据的远程传输已成为现实，而研究并利用中继卫星系统将成为一个热点。

如何通过在测量船上加装用户终端成为其用户，并利用中继卫星系统展开高速数据传输等应用，是一个值得研究的、具有重大实际应用价值的重要课题。

2 国际、国内中继卫星系统的现状与发展趋势

2.1 国际中继卫星系统的发展现状

20世纪80年代以来，美国的中继卫星系统已经工作了20多年，先后建设了第一代、第二代中继卫星系统。目前，美国的第二代中继卫星系统进行每秒高达数百至数吉比特的数据交换；对200～1 200 km高度目标的覆盖率在85%以上，对1 200～12 000 km高度目标的覆盖率则达100%，其可用性与成功率都在98%［1］以上。前苏联的“波束号”数据中继卫星系统也已成功运行多年，对本国经济、军事发展起到了很大的推动作用。欧空局与日本也都争相发展出满足自身航天任务需要的中继卫星系统。总之，国际上各航天大国都在努力部署与发展自己的中继卫星系统。

2.2 我国中继卫星系统的现状与建设目标

我国已成功发射第一颗中继卫星，并已在航天任务中进行试验。该中继卫星系统能够对中低轨道用户航天器进行跟踪和数据转发，并具备测、定轨的功能。

在此基础上，为满足更高传输速率、更多跟踪目标，基本实现对全球的覆盖，将陆续发射几颗中继卫星并完善地面应用系统，建设一个比较完备的中继卫星系统。

3 测量船作为中继卫星用户的应用前景及可行性

3.1 测量船作为中继卫星用户的应用前景

随着航天任务新需求越来越多，测量船承担的远洋测控任务越来越重，高可靠性海上测控、高码速率数据传输要求、拓展功能提高使用效率等需求越来越明显，因此，研究中继卫星系统在测量船上的应用有着重要的意义。

相对于航天器用户来说，在测量船上加装用户终端更方便：航行速度慢，易于星地链路捕获和跟踪；测量船天线口径大、发射功率高，易于提高传输速率。测量船作为中继卫星用户主要有以下应用前景。

（1）作为高速数据传输路由

后续任务中，要求天地间传输数据的码速率越来越高，下行码速率也将达到每秒百兆比特以上。当需要使用测量船完成这些任务或进行数据传输，无法通过卫星通信链路传输高速数据时，可以使用中继卫星系统满足高码速率实时传输的要求。

（2）满足保密性和抗干扰的要求

在中继卫星上，星地链路的高频段天线波束较窄，且采用扩频体制，具有较好的抗干扰能力［2］，因此通过中继卫星系统的传输，可以有效提高关键数据传输的抗干扰能力，增强传输数据的保密性。

3.2 测量船作为中继卫星用户的方案设想

在测量船安装用户终端有3种方案设想：

（1）在测量船上利用现有设备天线，增装高频段中继用户终端，完成高速率数据传输任务。通过对现有设备信道、基带等设备的改造，使之既能完成海上测控任务，又能满足与中继卫星低速数据传输的要求。该方案优点是设备功能齐全，能满足与中继卫星高、中、低速数据传输；缺点是改造了现有设备，可能会对原有测控功能带来一定的影响；

（2）在测量船上直接安装高／低双频段中继用户终端，可以满足与中继卫星进行高、中、低速数据传输的要求。该方案优点是在不会对原有测控设备造成任何影响的基础上，增加了与中继卫星传输的功能；缺点是双频段共用天伺馈和接收系统，会降低部分技术指标如天线增益［3］；

（3）在测量船上直接安装高频段用户终端，可以完成与中继卫星之间高速率数据传输任务，使测量船能满足与中继卫星进行高、中速数据传输的要求。该方案优点是采用的中继卫星用户终端设备比较成熟可靠，减少了技术风险；缺点是与中继卫星低频段低速数据传输的手段。后两种方案因为需要安装新的天线及设备，天线布局、相互遮挡以及舱室设计等问题需要考虑。

4 需解决问题及今后研究方向

4.1 提高船摇隔离技术

高频段天线的半功率波束宽度较窄，在海上动态条件下如何实现对目标的引导捕获和稳定跟踪将是一个非常棘手的问题。必须有效隔离船摇才有可能解决船载高精度测控天线引导捕获与稳定跟踪的难题。目前在解决船摇隔离方面除自跟踪环路外主要通过陀螺环、船摇前馈等手段实现对船摇的有效隔离，总的隔离度能够达到50 dB左右。可进一步研究如何通过选用高精度陀螺提高船姿船位数据实时性和采样率以提高船摇隔离度，实现窄波束天线对目标的稳定跟踪。

4.2 紧密跟踪测量船航天测控任务需求

测量船建设应以任务需求为牵引，提高能力为目标。随着航天技术的发展，我国中继卫星系统的建设将不断完善，数据传输技术将更先进，传输能力将更强大。因此，需要紧密跟踪后续任务和职能拓展对测量船增装中继卫星用户终端的需求，不断关注我国中继卫星系统的建设和发展趋势，争取尽早使测量船作为中继卫星系统的用户，从而更好地为测量船执行海上测控任务服务。

4.3 加强对CCSDS标准的研究

CCSDS标准是CCSDS（国际空间数据系统咨询委员会）自1982年1月以来陆续推出的一系列技术建议书，它是针对航天测控通信提出的一个广泛的技术先进的标准。CCSDS标准制订了分包遥测、遥控、信道编码及CCSDS主网CPN的一系列基带数据结构、接口与网间协议的标准，建立了CCSDS版本包、空间信道编码与虚拟信道概念，采用统一数据流思想，实现了航天测控通信数据的综合传输与变换［4］。

测量船的中继卫星系统用户终端可在以下两个方面按照CCSDS标准进行研制：

（1）时间码分系统：可继续使用现行的IRIG－B码，也可根据需要在CUC、CDS、CCS和ASCⅡ码4种时间码中选择新的时间码格式研制时码器终端设备。

（2）中继卫星系统用户终端：在新研制的中继卫星系统用户终端，在数字集成基带设备中采用软件无线电技术和可重组技术，硬件不变，只需加载不同的软件包，就可分别适应CCSDS AOS或更高级的标准；

5 结束语

中继卫星系统在测量船上的应用将是测量船拓展职能使命和功能的研究热点，将对今后测量船的发展建设起到重要作用。本文通过对中继卫星系统的建设现状与发展趋势的研究，分析了测量船安装用户终端的几种方案，并提出了下一步需要解决的技术难题以及研究方向，在测量船作为中继星系统用户的可能需求和工程实现上具有指导意义。

［1］庞之浩.国外跟踪与数据中继卫星的发展（上）［J］.数字通信世界，2006（2）：70－73.

PAN Zhi-hao.Development of Foreign Tracking and Data Relay Satellite（PartⅠ）［J］.Digital Communication World，2006（2）：70－73.（in Chinese）

［2］刘嘉兴.近空间跟踪与数据中继系统的初步设想［J］.电讯技术，2008，48（5）：46－50.

LIU Jia-xing.A Tentative Idea for Nearspace Tracking and Data Relay System（TDRS）［J］.Telecommunication Engineering，2008，48（5）：46－50.（in Chinese）

［3］柯树人，施浒立.中继卫星S／Ka双频地面站天线共用跟踪接收机［J］.飞行器测控学报，2005，24（6）：63－68.

KE Shu-ren，SHI Hu-li.Common Use of Tracking Receiver For TDRSS S／Ka Dual-Band Earth Station Antenna［J］.Journal of Spacecraft TT＆C Technology，2005，24（6）：63－68.（in Chinese）

［4］叶小国.空间通信协议SCPS／CCSDS研究综述［J］.电信快报，2009（2）：13－15.

YE Xiao－guo.Summary on Space Communication Protocol SCPS／CCSDS［J］.Telecommunication Information，2009（2）：13－15.（in Chinese）

LI Hong-yan was born in Yunnan Province，in 1975.She is now a senior engineer with the B.S.degree.Her research direction is space TT＆C technology.

Email：greengoal＠sohu.com

薛国虎（1974－），男，江苏人，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向为航天测量船发展建设；

XUE Guo-hu was born in Jiangsu Province，in 1974.He is now a senior engineer and working toward the M.S.degree.His research direction is the development of space TT＆C ship.

周江（1975－），男，江苏人，硕士，高级工程师，主要研究方向为航天测控设备工程总体；

ZHOU Jiang was born in Jiangsu Province，in 1975.He is now a senior engineer with the M.S.degree.His research direction is space TT＆C technology.

傅敏辉（1972－），男，江西人，硕士，高级工程师，主要研究方向为航天测量船发展建设。

FU Min-hui was born in Jiangxi Province，in 1972.He is now a senior engineer with the M.S.degree.His research direction is the development of space TT＆C ship.

Application Prospect of Tracking and Data Relay
Satellite System（TDRSS）in TT＆C Ship

LI Hong-yan，XUE Guo-hu，ZHOU Jiang，FU Min-hui
（China satellite Maritime Tracking and controlling Department，Jiangyin 214431，China）

This paper introduces the current status and developing trend of international TDRSS（Tracking and Data Relay Satellite System），analyses the feasibility and prospect of utilizing TDRSS as high-speed data relay platform for TT＆C ship，investigates several schemes in which TDRSS terminal can be installed on TT＆C ship，and finally gives an evaluation of feasibility.

TDRSS；TT＆C ship；feasibility analysis

V19

A

10.3969／j.issn.1001－893x.2010.06.027

李红艳（1975－），女，云南人，高级工程师，主要研究方向为航天测控总体；

1001－893X（2010）06－0118－03

2010－02－18；

2010－05－06