国内外中继星的现状及发展趋势

杨 飞，周亚萍，李晴飞

（南京熊猫电子股份有限公司，南京 210002）

国内外中继星的现状及发展趋势

杨 飞，周亚萍，李晴飞

（南京熊猫电子股份有限公司，南京 210002）

中继星在天基系统中具有举足轻重的作用，本文介绍了中继星的演化历史以及相关产品，并对当前中继星的关键技术进行了分析，最后从系统设计和关键技术两个角度上提出了中继星未来的发展趋势。

跟踪与数据中继卫星；用户终端；天基网；发展趋势

1 引言

随着人类对空间资源需求的不断增长，作为重要空间通信传输媒介的跟踪与数据中继卫星（TDRS）在经过二十多年的不懈努力，已于1983年诞生在美国。在随后的几十年里，欧空局、俄罗斯、日本、中国也相继地发射了多颗TDRS卫星，这一重大突破标志着空间信息科学时代的来临。

跟踪与数据中继卫星（简称中继星）在地球同步静止轨道上运行，由于可以最大限度地克服由于地球曲率和无线电波直线传播特性带来的负面影响，实现较大范围覆盖地球，因此它既能直视中低轨道航天器和非航天器用户，又能直视地面站，从而可为用户提供高效、实时的数据中继、连续跟踪与轨道测控等服务。中继星系统的出现令测控、通信传输技术发生了革命性的变化，目前还仍在飞速地向前发展，不断地拓宽着自己的应用领域[1]。

本文首先以国内外中继星的发展状况为主要背景，通过研究其演化历程和终端产品，揭示了当前中继星的关键技术，并推演出中继星的发展趋势。

2 国内外中继星的发展状况

美国与俄罗斯两国的跟踪与数据中继卫星系统均已进入应用阶段，且正在着手发展新一代中继系统；欧空局和日本在中继卫星的发展中，采用了较多新的思路和技术。近年来，我国也在积极地推进研究跟踪与数据卫星系统。其中，以美国为代表的中继卫星，由于技术先进已成为了世界各国关注的焦点，也是本文研究参考的重点对象[2]。

2.1 美国中继星的演化发展

20世纪60年代，NASA为了向用户提供更高的近地轨道覆盖率以及规避国外建设地面站的需要，开始研究和设计军民两用跟踪与数据中继卫星系统。1976年，NASA正式启动了第一代中继星的研制工作。直到1983年4月，美国从“挑战者”号航天飞机上发射了第一颗中继星，在后续几十年里美国又发射了若干中继星，其发展历程可简单划分三代。具体如下：

（1）第一代中继星：1983～1995年，美国相继把6颗第一代中继星送入了轨道，并成功地实现了星间组网，星上有两副能够同时提供S，Ku频段业务的单址天线，以及1副S频段多址相控阵天线，对于多址业务，由于当时技术水平以及卫星平台对载荷的重量和空间等约束，采用了地面波束形成的方式，由地面终端站进行星地链路控制及中继转发。曾提供跟踪与数据中继业务应用于12种中低轨道航天器。

（2）第二代中继星：随着通信业务需求的不断增加以及第一代中继星寿命期限的逼近，美国又与2000年、2002年、2003年先后发射了3颗第二代中继星，这3颗卫星用来补充和增强现有TDRS系统的功能，并提供带宽更宽、调频更灵活的空间数据和图像的中继，且具有数据传输和为地面和空间提供近似连续的通信联系的双重能力。除了业务能力的扩展外，第二代星较第一代星相比，还具有如下优势：

⊙ 增强了多址业务返向（MAR）性能，将部分S频段单址（SSA）用户迁移到MA业务上。

⊙ 单址天线增加了Ka频段业务，其数据传输速率可达800Mb/s。

⊙ 增加了在地球同步轨道上并置中继星的能力（共位），在必要时由2颗部分工作的中继星提供由1颗全功能卫星所提供的服务。

⊙ 实现对200km高度用户航天器轨道覆盖率为100%。

目前，美国的中继星系统已发展成6颗第一代卫星、3颗第二代卫星和三个地面站组成的全球覆盖系统，如图1所示。

（3）第三代中继星：2006年，NASA分析中继星系统的全面需求及在轨中继星的剩余寿命，认定需在2012年补充中继星的星座，从而启动了第三代TDRS的研发采购工作。在技术上，第三代星将继承第二代星设计，遵循第一代中继星的地面形成S频段多址返向波束体系结构，继续提供按需接入业务，保留支持中继星系统共位的双频段测控，但要求升级星上指令和遥测链路安全系统。

图1 美国中继星分布图

2.2 欧空局中继星的演化发展

1989日，欧空局（ESA）制订了数据中继和技术任务计划，该计划包括高级中继和技术任务、欧洲数据中继卫星系统两部分[3]。最终于2001年发射了第一代数据中继卫星Artemis，并于2003年投入使用。Artemis卫星具备激光通信终端，与法国Spot-4光电成像侦查卫星间具备星间激光链接能力。该卫星用于数据中继的星间链路仅有Ka频段，带宽为234MHz，数据传输速率为50Mb/s，虽然对于卫星本身仅是试验卫星，但对欧洲的意义巨大。为此，ESA在2009年正式启动欧洲数据中继卫星系统。与Artemis相比，设计的第二代EDRS卫星上有2条S频段单址线路和2条Ka频段单址线路，S，Ka频段单址业务共用一副天线，S频段单址线路与美、日中继卫星兼容；在实用型EDRS卫星的星间链路中，还将增设S频段多址业务，可同时提供多个数据信道，至少在前向链路可增加1个以上用户，返向链路增加2个以上用户。

2.3 日本中继星的演化发展

日本宇宙航空研究开发机构的中继卫星计划实施四步走的发展策略：第一步利用技术试验卫星-6 （ETS-6）进行空间网络系统的操作技术试验和数据中继试验；第二步利用通信工程试验卫星进行S/ Ka双波段轨道间链路通信跟踪试验；第三步利用光学轨道间通信工程试验卫星进行光学通信试验；第四步是在上述试验取得成功的基础上发射2颗实用型数据与中继卫星组成数据中继系统。

按照以上四步，ETS-6于1994年8月发射，虽未进入预定轨道，但仍进行了S频段中继链路、Ka频段中继链路、激光通信链路数据中继试验；光学轨道间通信工程试验卫星于2005年8月发射，该卫星是一种空间光通信技术轨道验证卫星，主要用于完成低轨道与高轨道间激光通信试验，其返向数据传输率可达50Mb/s，前向数据传输为2Mb/s，与欧洲Artemis卫星可实现双向光学链路通信；在积累一定的经验后，日本最终将发射两颗实用型数据中继技术卫星。

2.4 俄罗斯中继星的演化发展

俄罗斯中继卫星系统分军用（POTOK）和民用（LUCH）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。从1982年至2000年共发射了10颗“急流”GEO军用中继卫星，其主天线是在八边形平面上的相控阵天线，它的主要功能是对“琥珀”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。直到2011年9月，第二代“鱼叉”军用中继卫星的首颗星发射成功，俄罗斯中继卫星才有了新的发展。

民用（LUCH）系统又称为“射线”系统，也称为保密的数据中继系统，分为东部、中部和西部三个独立的网络。从1985年至今已发展了两代“射线”中继星，其空-地段采用Ku波段，空-空段采用UHF波段。卫星装载3台Ku频段转发器和抛物面单址天线及多址相控阵天线，与用户航天器间的链路可用带宽为34MHz，与莫斯科、哈巴洛夫斯克地球站的跟踪、遥测和控制业务使用。直至1993年3月，正常运行的只有2颗卫星构成的两个网络：即“宇宙”1897卫星服务的中部网和“宇宙”2054卫星服务的西部网。

2.5 中国中继星的演化发展

我国从20世纪80年代初期就开始中继星相关技术的研究，并在“九五”期间开展了一系列的预研工作。我国中继星的发展大致分两步走：第一步，先建立单星系统，对用户航天器的轨道覆盖率达50%以上；第二步，采用大型卫星平台建立多星系统，通过3颗星使对用户航天器的轨道覆盖率达到85%。

2008年4日，我国首颗数据中继卫星“天链一号”01星于发射成功，又于2011年7月和2012年7月相继发射了“天链一号”02星和03星，并成功地实现了“天链一号”卫星准全球组网运行，标志着中国第一代中继卫星系统正式建成，也令中国成为世界上第二个拥有准全球覆盖能力GEO中继卫星系统的国家。

迄今为止，中国第一代中继星已被广泛应用于：载人航天保驾护航、为多种对地观测卫星提供数据中继服务、中低轨卫星提供测控中继服务、地面的应急和特殊通信中继服务等多种领域。另外，除了正在运行的“天链一号”之外，中国下一代数据中继卫星系统正在紧锣密鼓的推进之中。

3 中继星的终端产品

近年来，随着中继星使用范围的扩大，国内外众多中继星相关的应用产品相继出现，且大部分产品均集中于S，Ku频段。下面仅对其中部分终端产品进行简单介绍[3]。

（1）ITT公司开发的中继星SMA&SSA链路收发的终端产品，如图2所示。

图2 ITT公司SMA终端

（2）2012年，美国普渡大学（PURDUE）研制了基于软件无线电设计思想的SMA终端，支持SSA返向链路和SMA返向链路业务。如图3所示。

图3 普渡大学SMA&SSA终端

（3）美国CE公司TTC308/703用户应答机，工作于S频段，跟踪灵敏度指标-119dBm/10kb/s，码捕获最小门限S/N=33dBz，频率捕获范围±160kHz，数据速率最高300kb/s，噪声系数2dB，捕获时间短码不大于20s、长码不大于8s，射频输出功率5W，功耗小于19W，重量5kg。

（4）加拿大CAL公司用户应答机，工作于S频段，码捕获最小门限S/N=36.5dBz，频率捕获范围优于±100kHz，数据速率最高150kb/s（TDRSS速率1，2，4kb/s），调制方式BPSK，噪声系数2.5dB，捕获时间短码不大于5s、长码不大于30s，射频输出功率5W，功耗33W，重量3.6kg。

（5）法国Alcatel Espace公司用户应答机，工作于S频段，码捕获最小门限S/N=33dBz，频率捕获范围优于±160kHz，数据速率最高8kb/s（TDRSS速率1kb/s），调制方式BPSK，噪声系数1dB，捕获时间短码不大于5s、长码不大于30s，射频输出功率5W，功耗32W，重量4kg。

通过以上中继星终端产品的介绍，不难发现其越来越向模块化、小型化、低功耗、多功能、易扩展等方向发展，功能也愈发复杂、高端、完善，这也将是未来中继星终端产品发展的主流方向。

4 中继星的关键技术

近年来，作为天基核心承载的中继星无论是军用还是民用上均呈现逐年递增的趋势。在卫星设计和应用过程中需要解决众多的关键技术，其中大部分均集中于星上关键技术和终端关键技术。具体如下：

4.1 星上关键技术

（1）星载闭环捕获跟踪技术。星载天线必须对高速运动的用户航天器进行捕获和跟踪，然而由于用户航天器没有信标，中继卫星必须跟踪它发送的数传信号，且此信号由于航天器不同而具有不同的数据速率、调制方式、频带宽度和多普勒频移。该技术解决是建立星间传输信道的首要条件，特别是针对高速率传输的要求。

（2）卫星姿态和天线指向的复合控制技术。中继卫星在轨工作时，大型的单址天线处于轨迹复杂、速度变化的运动状态。由于星体和运动的天线之间存在严重的动力学耦合，加上天线本身是一个非线性、柔性结构系统，要令波束极窄的天线完成对用户航天器的捕获跟踪任务，必须攻克高精度复合控制技术。

（3）极宽频带的Ku/Ka频段转发器技术。由于中继数的传速率很高，故对转发器的带宽需求极宽。Ka频段的通信卫星星载转发器需要解决频率计划的设置、转发器带内杂波、幅频特性和通带之间的隔离等技术难题。

（4）高性能天线驱动技术。中继卫星的单址天线均选用机械驱动方式，由于在轨要求精度高，载荷惯量大，工作环境恶劣，故高性能天线驱动技术是星载设计中重点考虑的关键技术。

4.2 终端关键技术

中继星实际应用中，用户终端仍需解决若干关键技术问题，具体如下：

（1）数字化综合基带处理技术。为了适应复杂的前、返向信号形式，用户终端常采用数字化综合基带实现工作频率、调制方式、数据速率、PN码型和发射功率的可编程，并完成低信噪比解调、中高速数据传输等功能。用FPGA芯片完成前向扩频信号PN码的捕获、跟踪，载波提取、信息解调和返向各种模式信号的产生、数字调制等功能；用DSP芯片完成工作参数的选择和工作模式的切换等，实现基带可编程。

（2）AGC技术。用户终端动态使用范围一般不小于50dB的需求，而为防止强信号引起接收信道过载，以保证综合基带在整个动态范围内正常工作，一般要求综合基带的输入满足一定的条件。例如：需要保证整个动态范围内信道工作在线性状态；保证弱信号时到A/D输入端的噪声不使A/D限幅；保证强信号时到A/D输入端的信号电平不超过A/D的峰-峰值，较好地使用AGC技术可以满足以上要求。

（3）终端小型化技术。用户终端的小型化、低功耗和轻重量是基本要求。为此，射频部分需采用微波集成电路实现，综合基带部分采用低功耗、超大规模FPGA、高速微处理器芯片和表面贴装小型化元件等数字化技术实现[4]。

每一代中继星的性能提升均离不开关键技术的突破，卫星通信的设计师在总体设计中需从全局上考虑星上关键技术和终端关键技术，从而全面地提升中继星的性能以及扩展未来的应用。

5 中继星的未来发展趋势

随着技术不断地突破和扩展，作为通信卫星网络的骨干载体，中继星未来必将具有更广阔的发展空间和应用前景，从系统设计和关键技术上必将呈现出如下趋势：

（1）通信频段向高频段方向发展。随着空间信息技术的发展，用户对中继星的数传速率要求越来越高，超宽带、大容量的高频段通信系统将成为中继星未来发展的必然趋势，如Ka频段逐步替代Ku频段，甚至W频段（60GHz）也将是不久待开发的目标频段之一。

（2）激光通信链路的组建。随着通信数据率的提高，以微波为载体的空间卫星通信技术已不能完全满足当前的发展。为满足未来空间高速数据传输和国际天基网互操作的高速需求，下一代数据中继卫星系统的星间链路必将向激光通信技术方向发展，以满足高数据传输率的实际需要。目前，美国、欧洲和日本均在积极推进该技术的实施[5]。

（3）天基网的互联互通。不同体系卫星网之间的互联互通一直是国际卫星通信研究的重点问题，如1985年美、日、欧三方成立了天基网互操作小组，致力于解决中继卫星系统国际大联网问题。目前，S频段互操作已基本协商一致，虽然目前还有许多问题仍有待进一步协商，但未来更多频段的卫星网系统将会统一标准。随着空间研究的逐步国际化，不同国家中继星的互联互通必将成为未来的发展趋势。

（4）强性能卫星天线。随着对中继星转发能力需求的日益增长，下一代中继星必将面临天线更大、数量和种类更多、波束宽度更窄、捕获跟踪精度要求更高、运动部件和卫星姿态之间的耦合更复杂、转发器带宽更宽等难题，因此，研制先进的强性能卫星天线将是下一代中继星提升性能的关键，如近年来出现的多波束相控阵天线等。

（5）先进的调制技术。中继星系统在未来必将发展成频带受限系统，且随着数传速率的不断提高，星地返向链路的可用频带宽度将成为瓶颈。更先进的调制技术将成为未来中继星应用的必然趋势，例如8相相移键控、16进制脉冲幅度调制等均将被采用。

（6）用户接入和卫星资源分配由人工调度分配方式向自动化调整分配方向发展。

（7）在发展中继卫星系统的同时，用户终端将朝着小型化、智能化、低功耗和高可靠性方向发展。

（8）在中继星应用方面，原单址通信方式将向多址通信方式发展，以增加中继星的用户容量。

6 结束语

中继星以高覆盖率、高数据率和多目标测控能力在空间技术发展中起到了极其重要的作用，日益受到世界各国的重视。我国作为拥有中继星技术的航天大国，借鉴国内外先进的中继星技术，加快研究与建设具有我国特色的下一代中继星系统，已成为我国卫星事业当下亟待解决的问题。

本文通过对现有的中继星系统的研究，分别从系统设计和关键技术两个角度上提出了中继星未来的发展趋势，其意义旨在为我国下一代中继星的设计和发展提出部分参考性的意见，为我国下一代中继星的全面建设贡献绵薄之力。

[1] 刘保国．中继卫星系统在我国航天测控中的应用[J]．飞行器测控学报，2012(12):1-5

[2] 史西斌，李本津，王锟等．美国三代跟踪与数据中继卫星系统的发展[J]．飞行器测控学报，2011(2):1-8

[3] Fujiwara Y, Sudo Y. Japan’s first data relay test satellite[C], 2003, Paris：IAF.

[4] 熊小莉．中继卫星系统用户终端关键技术分析[J]．电讯技术，2010(7):15-20

[5] 王家胜．中国数据中继卫星系统及其应用拓展[J]．航天器工程，2013(1):1-6

The General Situation and Development of TDRS at Home and Aboard

Yang Fei, Zhou Yaping, Li Qingfei

(Nanjing Panda Electronics Company Limited, Nanjing, 210002)

The TDRS play a vital role in space-based system. The paper firstly described the TDRS evolutionary history and the related products, and discussed the key technology of the TDRS. With the guidance of system design and key technology, the paper gives the development trends of TDRS。

Tracking and Data Relay Satellite(TDRS); customer terminal; space network; Development Trends.

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.07.011

TN927+.2

A

1672-7274（2015）07-0043-05

杨 飞，博士，南京熊猫电子股份有限公司工程师。

周亚萍，本科，南京熊猫电子股份有限公司高级工程师。

李晴飞，硕士，南京熊猫电子股份有限公司工程师。