苏联／俄罗斯数据中继卫星系统评述

王家胜

（中国空间技术研究院，北京 100094）

1 引言

2012年天链一号03 卫星发射成功并投入运营，标志着我国第一代地球静止轨道（GEO）中继卫星三星组网系统顺利建成。它具有准全球覆盖能力（对低轨航天器用户可提供100%轨道覆盖），今后还将进一步发展。确切了解各航天大国的中继卫星发展状况，对我国在国际上这一领域中的定位和今后的研发都具有借鉴意义。

苏联／俄罗斯（以下简称俄罗斯）曾研制了世界上第一颗人造地球卫星，在航天领域有过辉煌的历史和业绩。到目前为止，它仍是发射航天器总数最多的国家。在数据中继卫星（以下简称中继卫星）方面，它在1982年就发射了第一颗军用卫星“急流”（Potok-1，即宇宙-1366），是最早开发这种卫星的国家之一（美国同类卫星的卫星数据系统-1（SDS-1）在1976年发射）。

俄罗斯中继卫星系统分军用和民用两大类，均是GEO 卫星系统，研制单位为列舍特涅夫信息卫星系统公司（ISS-Reshetnev，过去称NPO Prikladnoi Mekhaniki、或NPO PM）。此外，由于其本土纬度较高的原因，俄罗斯一直大力发展大椭圆轨道（HEO）通信卫星系统，这种卫星也易被猜测为具有中继卫星功能。下面分别进行评述。本文未包括俄罗斯在早期通信卫星上搭载简单中继转发器的内容。

和美国的中继卫星系统不同，俄罗斯中继卫星系统的相关资料较难收集。国内这方面编译的情报资料较少，且存在一些过时和误解之处。本文一方面试图在尽可能多且新的资料积累的基础上，给出俄罗斯中继卫星系统发展较为准确和明晰的描述；另一方面，重点从专业技术的层面上，给出分析和评论意见。此外，尽量给出了有关内容的出处，以便于读者进一步查询和分析。对于出现相互矛盾材料的情况，尽量选取较可靠、较新或较多来源发布的信息。

2 军用GEO 中继卫星系统

2．1 第一代“急流”（Potok）卫星系统

由于发展战略方面的原因，其军用中继卫星早于民用中继卫星。从1982-2000年总共发射了10颗“急流”GEO 军用中继卫星，“急流”卫星的外形如图1所示，其发射时间、轨道倾角、轨位和起飞质量等信息见表1。它的主要功能是对“琥珀”（Yantar-4KS1和Yantar-4KS1M 等）侦察卫星提供中继服务。此外，它还承担着地球站之间的通信任务［1］。

图1 “急流”军用中继卫星Fig．1 Potok military data relay satellite

表1 “急流”军用中继卫星Table 1 List of Potok military data relay satellite

Potok系统在国际电联（ITU）登记了三个轨位：13．5°W、80°E和168°W，但从未使用过第三个轨位［1-2］。也就是说，此系统在最佳状态（两个轨位都有卫星工作时）卫星间经度差只有93．5°左右，不可能对用户航天器形成全球覆盖（对各种轨道的用户航天器提供100%轨道覆盖）或准全球覆盖能力。

卫星系统的地面管控站位于莫斯科附近的科纳科沃（Konakovo）。卫星采用KAUR-4 平台，由圆柱形的密封舱构成，采用三轴稳定控制，姿控精度0．1°，天线指向精度0．5°，太阳翼面积约40 m2，设计寿命较短（约3～5年），其有效载荷工作在C 频段。从图1可见，卫星无大型反射面天线，主天线是在八边形平面上的相控阵天线。俄罗斯专家曾在国际卫星通信会议上报告了“急流”卫星用于民用甚小口径天线终端（VSAT）系统的情况，给出了其部分有效载荷性能，如表2所示［3］。

表2 “急流”卫星部分有效载荷性能Table 2 Some payload characteristics of Potok satellite

从表1和表2可看出：

（1）可能是由于技术方面的原因，不同卫星的轨道倾角差别较大，在0．3°～13．7°之间。考虑到卫星设计寿命较短，估计它们在轨不进行南北位置保持；

（2）只利用了13．5°W 和80°E（包括附近）的轨位，且主要使用轨位是80°E，较多的“急流”卫星在初始定点位置都在此轨位。在轨工作期间也有轨位变化的情况，但基本上是在这两个轨位附近换位；

（3）从卫星的起飞质量数据判断，在“急流”卫星研制和使用中可能经历过三次改进（或改动）：前五颗星重约2000kg，第6、7颗增加150kg，第8、9颗再增加150kg，第10颗最重，达2400kg；

（4）有效载荷指标不高，转发器（信道）数少，EIRP值和G／T值都不高，特别是带宽很窄（20 MHz和10 MHz），这说明中继能力（或数据传输速率）较低；

（5）由于天线波束宽度较宽，估计只有程序跟踪功能。

2．2 第二代“鱼叉”（Garpun）卫星系统［2，4］

可能是由于经济方面的原因，在本世纪初俄罗斯军用中继卫星出现了“断档”现象，即没有军用中继卫星在轨工作。这一现象维持了几年，直到2011年9月，第二代“鱼叉”卫星的首颗星发射成功。发射时运载火箭使用了微风-M（Briz-M）上面级，直接将卫星送入GEO 轨道。卫星定点于80°E，这是俄罗斯目前唯一在轨运营的军用中继卫星。

“鱼叉”卫星用于为“芍药”（Pion）和“荷花”（Lotos）等新一代军事侦察卫星提供服务。没有得到它的外形和技术参数等方面的信息。考虑到它比最后一颗“急流”卫星的发射要晚约11年，在技术上应有明显的进步。据报道俄罗斯还计划发射第二颗“鱼叉”卫星，定点于13．5°W。到那时候，俄罗斯将恢复到20世纪90年代中期的规模。

3 民用GEO 中继卫星系统

俄罗斯曾把它的民用GEO 中继卫星系统规划为卫星数据和中继网络（SDRN），分别为西部网、中部网和东部网。为此，在国际电联登记了三个轨位：16°W、95°E和160°W，分别配属前述三个网。到目前为止，只在前两个轨位（或附近）布置过卫星，从未使用过160°W 的轨位（即东部网没有实际存在过）［5-7］。在系统的最佳状态（两个轨位都有卫星工作）卫星间经度差只有111°左右，没有对用户航天器形成全球覆盖或准全球覆盖。

这一系统的卫星被称为“射线”（Luch或Loutch，本文用前者），“射线”原是其中继转发器的名称，后被用来称呼整个卫星。例如：Luch（即Altair）、Luch-1、Luch-2、Luch-5和Luch-4等。

关于俄罗斯民用中继卫星如何分代问题，文献中有不同的描述。本文按使用的卫星平台来划分，这样较为合理。

3．1 基于KAUR-4 平台的第一代“射线”卫星（Luch-1、Luch-2和Luch-11L等）

第一颗星（Luch-11L，即Altair-1或宇宙-1700）于1985年10月发射。从1985-1995年总共发射了5颗卫星。它们虽然被冠以了不同的名称，但都使用了KAUR-4卫星平台，即和“急流”军用中继卫星选用的平台相同。第一代“射线”卫星的外形如图2所示。5颗卫星的一些技术参数如表3所示［5］。

图2 第一代“射线”民用中继卫星Fig．2 First generation of Luch civil data relay satellite

表3 第一代“射线”民用中继卫星表Table 3 List of Luch civil data relay satellite

第一代“射线”卫星主要用于和平号空间站与地面运控中心之间的通信联系，它也提供一般的卫星通信业务，例如：电话、电视会议，实时电视转播和交换，在境外或边远地区出现灾害情况下的应急通信，为俄海军提供船舰移动通信等［2，6］。

卫星的总体和有效载荷的部分特性见表4和表5。表4中主要数据来源于作者2004年访问在俄罗斯铁山城（Zheleznogorsk）负责研制“射线”卫星的机构列舍特涅夫应用力学科学研究生产联合体（NPO PM）时获得的材料［8］，从获得的时间判断，它应是其最后一颗星Luch-2的性能，较早的Luch卫星部分指标低于表中数据（如姿控精度、轨道倾角和寿命等）。表5中数据主要来源于文献［9］，其作者是德国和俄罗斯的第二次和平号空间站载人航天合作项目的成员，他们参加了通过“射线”卫星将和平号上的信息实时中继到德国地球站上的试验。他们对“射线”卫星性能比较了解，提供的资料应比较可信。

卫星有3副可展开的前馈抛物面网状天线，其直径为1．6 m、3．0 m 和4．5 m，分别工作在15GHz／14GHz，15GHz／11GHz和0．9GHz／0．7GHz；其金属网是在基辅的佩顿材料科学研究所（Paton Material Science Institute）研发［10］。此外，卫星在对地面还有一个20元天线阵（尺寸约2．2m×2．2m），工作于0．4GHz／11GHz，其波束宽度为15°×17°［8］。

表4 第一代“射线”卫星主要总体性能表Table 4 Main system characteristics of first generation Luch satellite

表5 第一代“射线”卫星主要有效载荷性能表Table 5 Main payload characteristics of first generation Luch satellite

此卫星系统的地面管控站位于莫斯科和哈巴洛夫斯克。

从图2和表3～5可知：

（1）和“急流”卫星的情况一样，卫星的轨道倾角都不在0°附近（2．48°～7．7°），而且离散度较大；

（2）只利用了所登记的95°E 和16°W（包括附近）的轨位（最后一颗星占用了俄罗斯一般通信卫星的轨位77°E，其原因不详），主要使用轨位为95°E，也有和“急流”卫星类似的轨位变化情况；

3）5颗卫星有3种起飞质量，并和发射时间相近的“急流”卫星重量相同，估计这和所使用的同一平台（KAUR-4）的技术状态变化（或改进）有关；

4）有效载荷指标方面：最高工作频段为Ku频段，EIRP值和G／T 值都不算高，转发器带宽仍较窄（最宽为50 MHz），这说明中继数传速率较低。三副网状反射面天线均未如美国第一代中继卫星（TDRS）那样实现双（或三）频段共用，这样虽减少了研制难度，使用中也增加些灵活性，但在同样功能下，卫星质量明显增加，整星综合性能不高；

5）从表4中的轨道倾角指标判断，这种卫星也不进行南北位置保持。

3．2 基于“快讯”（Ekspress）-1000A 平台的第二代“射线”卫星（Luch-5）

由于经济方面的原因，1995年11 月起就再没有发射第一代“射线”卫星，其最后一颗星（Luch-2）在1998年就停止了工作［7，11］；从那时候起，俄罗斯已无在轨运营的民用中继卫星。在相当一段时间内，“国际空间站”（ISS）上的俄罗斯舱只能借助于美国“跟踪与数据中继卫星系统”（TDRSS）来扩大测控和通信的覆盖范围。后来俄罗斯经济形势好转，从2005年开始研制工作寿命达10年的第二代“射线”卫星，命名为Luch-5。

按计划，要研制两颗Luch-5卫星：Luch-5A 和Luch-5B。其外形如图3所示。Luch-5A 已于2011年12月发射，定点在95°E，轨道倾角4．2°［12］。主要用于ISS和地面控制中心之间的电视和数据中继，也对低轨卫星提供服务。Luch-5B 卫星也已于2012年11月3日发射，预计定点位置16°W。这两颗卫星都投入运营后，将形成经度间隔111°的双星系统，由于经度间隔仍太窄，不具有全球覆盖或准全球覆盖能力。

Luch-5卫星采用Ekspress-1000A 平台，它是一种小型通信卫星平台Ekspress-1000的改型。它装有2副展开式网状反射面天线，一副工作于Ku频段，另一副工作于S频段。从图3可见，其对地面还装有3副大小不同的4元螺旋天线阵和一个喇叭天线（估计为星地链路天线）。Luch-5A 的主要总体性能见表6［11］。

表6 Luch-5A卫星主要总体性能表Table 6 Main system characteristics of Luch-5Asatellite

由于选用了带有上面级的Proton-M／Briz-M运载火箭，卫星直接被送入GEO。这也是第二代“射线”卫星发射质量明显低于第一代的原因。

Luch-5的部分转发器由欧洲泰雷兹-阿莱尼亚航天（Thales-Alenia Space）公司提供，包括Luch-5A 的6路转发器和Luch-5B的4路转发器（均为S和Ku频段）［13］。卫星在Ku频段和S频段的最高数据传输速率分别为150 Mbit／s和5Mbit／s，和第一代“射线”卫星相比，它已有明显的提高。

从外形上看，它已和美国第一代TDRS 类似，但在技术上至少有两点差别：其一是大天线未实现S／Ku双频段共用，其二是没有多址天线。

3．3 基于“快讯”（Ekspress）-2000平台的第三代“射线”卫星（Luch-4）［11］

2008年俄罗斯决定启动技术更先进的Luch-4卫星的研制，该卫星打算选用更大、更先进的Ekspress-2000平台，发射质量约3t，装有Ka频段星间链路转发器和个人移动通信系统的试验转发器。原计划于2013年12月发射1颗，和Luch-5A 和Luch-5B一起形成三星组网系统，以具有和美国TDRSS相似的全球覆盖能力。但在2011年底，俄联邦航天局宣布至少暂停这一计划到2015年，同时将此项目转为“叶尼塞”（Yenisey）研发项目，研制一颗技术试验卫星Yenisey-A1，用来试验新的大型天线等新技术。作为补偿，将再生产一颗第二代“射线”卫星，命名为Luch-5V。其计划的发射时间多次推迟，最新的期限是2014年3月。俄罗斯中继卫星三星组网、全球覆盖（或准全球覆盖）的目标最早要到那时才能实现，而第三代“射线”卫星的研制将明显推迟。

4 大椭圆轨道（HEO）通信卫星系统［14］

由于俄罗斯本土纬度较高，俄罗斯一直大力发展HEO 通信卫星系统，发射了很多这样的卫星，如早期的“闪电”（Molniya）和后继的“子午线”（Meridian）等。俄罗斯人首先提出并使用了这种大椭圆轨道（又称为Molniya轨道），但设计的轨道近地点幅角都定在270°，只用于其本土、周边和北极地区的通信，未用作中继卫星。

从理论上讲，这种卫星也可组建中继卫星系统，但对卫星平台、卫星天线、星上部件的抗辐射特性和地面设施都有高的要求（特别是对要求准全球覆盖或高速率数据传输的情况）。如果不附加对高纬度地区地面（或水面）服务的要求，HEO 系统将不是一种好的选择。

5 结束语

俄罗斯中继卫星系统的发展经历了一个V 字形的过程，它发展较早，有曾在18 年中发射15 颗军、民用中继卫星的光辉历史。20 世纪末苏联解体，经济十分困难，俄罗斯在这一领域的活动跌到了最低谷，本世纪初出现了有几年无在轨工作中继卫星的状态。直到2011年下半年，才又重新开始发射活动，至今已有军用1颗、民用2颗卫星在轨运行，并计划在今后一年内再发射1颗军用卫星，其恢复势头十分强劲。

虽然俄罗斯在很早就规划建立全球覆盖（或准全球覆盖）的中继卫星系统，并申请了相关轨位。但只占用过13．5°W 和80°E、16°W 和95°E（或附近）两组轨位，最大经度差111°，未形成全球覆盖（或准全球覆盖）能力。但俄罗斯已公布了达到这一目标的计划：它最早有可能在2014年3月实现。

应该指出，俄罗斯在2000年以前发射的卫星并不是严格意义上的中继卫星（完成航天器和地球站之间的通信），而是用于中继和一般卫星通信（完成地球站之间的通信）的混合卫星。星间链路使用的频率也是国际电联规定的星地卫星通信频率。由于有这一局限，其转发器的性能更趋于一般通信卫星。去年发射的卫星在这方面估计已有明显进步。

从获得的数据判断，最高工作频段为Ku频段，有效载荷指标不高：特别是2000 年以前发射的卫星，其EIRP值和G／T 值都不算高，转发器带宽最宽也只有50 MHz，这直接限制了中继数传速率。此外，主要天线都是单频段天线，这在某种程度上限制了卫星综合性能的提高。去年发射的两颗卫星性能有较大的进步，如最高数传速率为150Mbit／s，但和美国第一代TDRSS相比，仍有一定差距；

俄罗斯有时利用运载火箭配备上面级的优势，将卫星直接送入GEO。它采用较小卫星平台（Ekspress 1000A）研制出了性能更好的第二代民用中继卫星Luch-5，其发射质量不到第一代卫星的一半。这拓展了小型卫星平台的应用思路，有一定优点。

和其他国家相比，俄罗斯在中继卫星研制和运营上还有一些独特的地方：如早期卫星的寿命较短，三轴稳定卫星平台（KAUR-4）设计成圆柱形，卫星轨道倾角离散度较大，卫星在工作寿命期间轨位变化较多（有的为执行某一任务变化轨位，任务完成后再返回原位）等。上述独特地方中有些是出于俄罗斯本国的国情，有些还有待进一步研究其技术原因，可能还有值得我们借鉴的地方。

（References）

［1］Encyclopedia Astronautica．Potok［EB／OL］．［2012-09-17］．http：／／www．astronautix．com／craft／potok．htm

［2］Russian Strategic Nuclear Forces．Cosmos-2473-garpuntype relay satellite［EB／OL］．［2012-09-21］．http：／／www．russianforces．org／blog／2011／09／cosmos-2473＿-＿garpun-type＿rela．shtml

［3］Bakursky V，Guskov，Chetverik V N，et al．Satellite communications system using VSAT’s and Potok satellite transponder［C］／／Proc．of Intern’1Conf．on Satellite Communication 1994 （ICSC’94）．New York：IEEE，1994：69-73

［4］Russian Space Web．Garpun［EB／OL］．［2012-09-17］．http：／／www．russianspaceweb．com／garpun．html

［5］Encyclopedia Astronautica．Luch［EB／OL］［2012-09-29］．http：／／www．astronautix．com／craft／luch．htm

［6］Ninas L．The current status of Russian／CIS communication satellites，AD-A285526［D］．Monterey：Naval Postgraduate School，1994

［7］Martin D．Communication satellites［M］．4thedition．Washington：Aerospace press AIAA，2000

［8］Reshetnev NPO Prikladnoi Mekhaniki．Relay data satellite Loutch［Z］．Cherrybrook：NPO PM，2004

［9］Griethe W，Roesgen T，Klein W．Real time direct communication from Russian space station Mir to western Europe，IAF-97-T-3．07［C］／／48th IAF Con．Paris：IAF，1997

［10］Russian space web．Luch project［EB／OL］．［2012-09-29］．http：／／www．russianspaceweb．com／luch．html

［11］Russian space web．Luch-5and 4 project［EB／OL］．［2012-10-23］．http：／／www．russianspaceweb．com／luch5a．html

［12］N2yo com．Luch-5Asatellite details 2011-074B NORAD 37951［EB／OL］．［2012-09-17］．http：／／www．n2yo．com／satellite／？s＝37951

［13］Thales．Thales to supply repeaters equipment for Russian satellites Loutch 5A and Loutch 5B［EB／OL］．［2012-09-17］．http：／／www．thales．co．uk／press＿Releases／space＿PR＿Loutch＿19062007／？pid＝1650．htm

［14］Federation of American Scientists．Molniya［EB／OL］．［2012-09-21］．http：／／www．fas．org／guide／rassia／elliptical／molniya．htm