采用卫星中继克服航天器再入通信黑障的途径

王家胜 经姚翔 杨显强 游晟

（中国空间技术研究院通信卫星事业部，北京 100094）

采用卫星中继克服航天器再入通信黑障的途径

王家胜 经姚翔 杨显强 游晟

（中国空间技术研究院通信卫星事业部，北京 100094）

在简述载人航天器再入过程、等离子鞘套特点和中继传输原理的基础上，分析了采用卫星中继克服再入通信黑障的具体途径。考虑到必须采用较高工作频率（Ka频段）的一次中继方法存在一定局限性，提出了一种采用二次中继的新方法，它可以将再入通信的工作频率向低扩展到多数载人航天器在轨常用的S频段。文章讨论了这两种方法的优缺点，论述了实施它们对中继站和再入航天器的主要要求，并就影响其效果和航天器设计的重要因素进行了分析。链路计算结果表明：两种方法都可满足传输需求，从总体上考虑二次中继方法更好一些。考虑到我国空间基础设施和相关技术背景条件，在近期内卫星中继将是解决再入通信黑障问题可实现的技术途径。

再入航天器；中继卫星；等离子鞘套；通信黑障；总体设计

1 引言

在载人航天活动的初期，人们就开始探索解决再入通信黑障的途径，50多年来进行了大量的工作，提出了诸如低频、高频、激光，提高等效全向辐射功率（EIRP）和品质因素（G/T值），选择合适的再入舱空气动力外形、再入弹道参数和通信天线位置及类型，注入亲电子物质、亲电子物质烧蚀材料、磁窗口、正交电磁场、等离子体调制、哨声波（Whistler mode wave）和拉曼散射等设想和方法［1-4］，力图克服这一障碍，并获得了一些可喜的成果。但是，由于这一交叉学科的理论模型验证和试验等方面工作的难度很大，国际上还未获得具有较普遍意义的工程实用解。

我国在载人航天领域取得了举世瞩目的成就，今后还将迅速发展，其对再入段通信和测控实时传输的要求也将越来越高。因此，克服再入通信黑障的研究具有重要工程实用价值。

本文在作者前期工作［4］的基础上，结合我国现有航天基础设施和技术的背景，提出采用卫星中继克服再入通信黑障的方法（以下简称中继法），并对其实现的具体技术可行性进行讨论。

文中只考虑应用最为广泛的具有一定升力的钝头型返回舱。对于无动力升力滑行型构型的航天飞机，由于其空气动力外形和鞘套分布特殊，将不在论述之列。

2 航天器再入和无线中继传输

2.1 航天器的再入过程

以载人航天器为例，它一般由轨道舱、推进舱和返回舱3个舱段组成。其中只有返回舱携带航天员返回地面，其简要过程如下：

（1）载人航天器与其对接的目标航天器分离；

（2）轨道舱和其他两舱分离；

（3）推进舱和返回舱的组合体进行调姿和制动，进入再入轨道（轨道舱将继续在轨运行）；

（4）组合体下降到约150 km高度，两舱分离（抛掉推进舱）；

（5）返回舱调姿，达到钝头朝前的配平攻角飞行状态，开始再入大气层；

（6）在约10 km高度，返回舱回收着陆系统自动开始工作，直至着陆。

2.2 再入等离子鞘套的特点

对于再入等离子鞘套已有不少研究和文献［5-8］。其特点主要有：

（1）等离子鞘套只在航天器再入中的某一段高度内存在。高度过高，空气稀薄，加热效应小，不能形成等离子体；高度过低时，电子碰撞角频率ν增加，航天器速度又减小，无法使等离子体维持。一般说来，航天器再入时等离子鞘套存在的高度在100～40 km范围内。

（2）等离子鞘套的分布和返回舱的外形、高度、速度、攻角和弹道等因素有关，它呈现不均匀的空间分布。在迎风面方向它被压缩在再入航天器周围较窄的范围内，其对应的等离子体频率fp超过40 GHz；背风面鞘套呈扩散分布，fp可比迎风面低一个数量级以上。

（3）电磁波在穿透等离子鞘套的衰减A（t）是fp、电子碰撞角频率ν、工作频率f和时间t等变量的函数。A（t）值大到使得再入航天器与地面的通信链路无法维持时，就形成所谓通信黑障。

（4）国外曾在很强无线链路的情况下，进行过可信度较高的再入飞行试验。再入过程中，S频段信号在迎风面方向（对地面）仍完全中断，而在背风面方向信号未中断但出现峰值约25 dB的衰减。

2.3 无线中继传输

在无线通信中人们常用到中继的方法，用来解决扩大覆盖范围（增加通信距离）和超视距传输等问题，得到了广泛的应用。

考虑如图1所示的n次中继普遍情况，在传输路径中共有n+1个中继路段。设第i个中继路段的传输距离为Di，工作波长为λi，发射端天线的增益为Gti、发射功率为Pti，接收端天线的增益为Gri、接收功率为Pri，接收端的总系统噪声功率为Ni，路径损耗为Lpi，其他损耗为Lsi，则该路段的信噪比为

理论分析表明，整个中继链路的总信噪比γT可表示为［9］

无线中继的设计就是通过对n、式（1）中各参数和其他因素的综合分析和选取，使总信噪比γT满足要求。

图1 n次中继普遍情况示意图Eig.1 Schematic of a general“n relays”configuration

3 采用中继法克服航天器再入通信黑障

3.1 中继法的基本思路

依据综合论证和分析航天器再入过程、等离子鞘套特点和中继传输原理，本文给出了采用中继法克服航天器再入通信黑障的具体方法。其基本思路与大多数设想和方法［4］不同：它不试图直接解决消除或减弱等离子鞘套的难题，不去开发相对易于穿透等离子鞘套但和规定的频谱规范相矛盾的通信频段，也不对可能穿透再入等离子体的新电波传播模式进行研究，而是通过一次或二次卫星中继的方法，采用“迂回策略”，利用其等离子体电子密度不均匀分布的特点，设法将电磁波从鞘套较弱的背风面方向传出，通过卫星转发，绕道到达地球站。这样就避开了直接对地传输方向的巨大信号衰减，可克服再入通信黑障影响，满足再入段最低限度的实时通信要求。中继法将克服航天器再入通信黑障转化为一个增加通信距离的问题，扩展了卫星中继的应用范围。此方法的代价是加大了链路的传输距离，并需要占用航天器上一定的资源（指质量和功率等，下同）以配置相应的设备。但和突破黑障可实现通信的巨大优点相比，这些代价十分值得。

3.2 采用中继法的航天器应满足的主要条件

3.2.1 中继航天器应满足的主要条件

（1）在返回舱再入过程中，中继航天器应一直处于其背风面的上方。它在整个黑障时段，乃至整个再入过程中都可以提供中继服务，这给其轨道特性提出了特殊要求。

（2）具有中继接收、发射设备或有能力提供一定的资源以安装这些设备，使得从返回舱到中继站，再到地球站的整个链路按式（2）计算出的总信噪比γT满足要求。

（3）再入通信频率应符合星间传输的频谱规范，目前有S和Ka频段可供选用。

近年来迅速发展的数据中继卫星位于地球静止轨道（GEO），居高临下，只要定点位置合适，可从背风面方向与返回舱建立通信联系。由于它专门为卫星中继传输设计，其单址链路具有很高的Ka频段和S频段中继能力，如表1所示（已含天线指向误差［10］），是本文首选的中继站。

表1 数据中继卫星单址链路典型性能Table 1 Typical property of single access link of data relay satellite

另外，某些特定轨道参数（一般应和返回舱再入前运行轨道的参数相近）的在轨航天器也可成为供选择的中继站。

3.2.2 返回舱应满足的主要条件

（1）可提供一定的质量和较短时间（通信黑障一般只持续几分钟）的功率资源，以安装再入通信设备，中继终端天线应为平装型天线，安装在再入过程中返回舱的朝天（即背风面）方向；

（2）在黑障出现的高度范围，返回舱姿态和再入攻角的扰动较小，也无调姿过程，中继终端天线波束能保持指向中继卫星。近年来设计的返回舱一般可满足这一要求［5］。

3.3 我国已具有实施中继法的工程和技术基础

我国已建成三星组网、具有全球覆盖能力的天链一号数据中继卫星系统，它已成为我国天基数据传输的关键基础设施［11］。S和Ka频段星间中继技术已成功在轨应用近7年，可直接选用。这一现有的空间资源也为本文提出的中继法提供了坚实的技术基础和实施的有利条件。

我国载人航天的再入着陆场为内蒙古四子王旗，计算表明：对于黑障可能出现的100 km～40 km高度，返回舱将处于65°E～120°E附近的中继卫星视场范围内。图2给出了某设定返回舱再入过程高度随时间变化曲线的算例。

图2 返回舱再入过程高度变化Eig.2 Capsule altitude versus reentry time

3.4 实现方法

3.4.1 一次中继法

一次中继法只利用一颗中继卫星作为中继站实现返回舱与地球站之间的再入通信，如图3所示。

图3 一次中继法示意图Eig.3 Illustration of“one relay”approach

这一方法较为简洁，但对从返回舱到中继卫星路段（即穿透等离子鞘套的路段，下同）工作频率的选取有较严的限制。一般说来，在再入通信中人们常常希望首选S频段，这是因为它是多数航天器返回舱在轨时使用的频段，如在再入段能使用，它将明显节约返回舱资源（只须增加较少硬件）。但它的频率较低，穿透等离子鞘套时将出现明显的衰减［5］，等离子鞘套和空间路径衰减的共同作用使得从返回舱到中继卫星的路段的信噪比过低（计算表明：在同样条件下，链路亏空可超过23 dB），总信噪比γT将远不能满足要求。即如选用S频段，一次中继将无法完成任务。

这时只能选用频率较高的Ka频段。由于它明显高于在背风面方向等离子体频率fp，从该方向穿透等离子鞘套的衰减A（t）可忽略不计，采用一次中继可以满足传输要求［4］。但由于返回舱一般未配备Ka频段设施，仅为持续数分钟的再入黑障通信增加一整套Ka设备，有硬件利用效率低、对返回舱资源需求较高的缺点，在应用上存在一定局限性。

3.4.2 二次中继法

为克服上述困难，本文提出了二次中继法：即在返回舱和中继卫星之间增加一个中继站（以下称中继站2），共同组成二次中继链路，如图4所示。在出现再入通信黑障时，中继站2和再入航天器的距离较近（例如几百千米），虽然穿透等离子鞘套的衰减A（t）保持不变，但空间路径衰减的明显减小将有助于这一路段信噪比的提高，使总信噪比γT满足要求。它的优点在于可使用航天器上常用的S频段完成再入段的通信，增加的设备较少；但必须找到合适的中继站2参与完成任务。

图4 二次中继法示意图Eig.4 Illustration of“two relays”approach

考虑到3.2.1节中的要求，可选作中继站2的航天器有：

（1）与载人航天器合作完成任务（如交会对接等）的大型航天设施（如目标飞行器、空间实验室和空间站等）。它们具有如下优点：①其轨道参数基本上与返回舱再入前轨道的参数一致；②已配备有与中继卫星完成通信的设备；③是大型航天设施，与返回舱进行中继传输所需要的附加资源较容易解决。为再入通信增加的硬件，可在整个寿命期对多次返回舱再入任务重复使用。

（2）载人航天器的轨道舱，如2.1节所述，它在返回舱再入前与其分离，继续在轨运行（有的还继续完成科研任务）。其轨道参数与返回舱再入前轨道的参数一致，满足3.2.1节中第（1）点的要求；但对第（2）和（3）点要求需要分情况论证。有的轨道舱在分离后无能源供应（即为弃用状态），将不能用作中继航天器。

权衡考虑，用本节（1）中所举航天器选作中继站2较好，我国也有在近期实施的现实条件。

4 分析和计算结果

4.1 设定条件

进行具体分析和计算时，有如下设定条件：

（1）选用在再入过程中高度变化曲线如图2所示的返回舱再入轨道。通信黑障出现范围不超出100 km～40 km高的空域，这大约相当于再入开始后1510～1870 s的时段。

（2）由于返回舱资源有限，目标只能是最重要信息的实时传输，故传输信号带宽设定为前向、返向各8 k Hz，可实现一路话音和最重要的测控信息的互传。

（3）中继卫星的重要指标选取如表1所示，其星间链路天线的圆极化轴比优于1.8 dB。

（4）返回舱可选用宽波束平装型天线，其典型方向图和增益如图5所示：在0±60°范围内，增益大于2.0 d Bi；在0±70°范围内，增益大于0 d Bi，圆极化轴比优于7.0 dB；也可选用较简单的平装型阵列天线；由于波束很宽，其指向误差可忽略。

（5）通信信号选择四相相移键控（QPSK）调制，（1/2，7）的卷积加（255，223）RS级联编码，误码率要求为10-5。按当前的水平，所需Eb/N0的门限值为5.3 d B（已含各种实施损耗）［11］。

（6）要求在链路设计中再预留2 dB，以考虑其他未列出的损失。此外，链路设计的最终目标要求至少有3 dB的余量。

图5 典型宽波束平装型天线方向图Eig.5 Pattern of a typical broad-beam flush-mounted antenna

4.2 几何变量的计算方法

采用地球固连坐标系，设返回舱的高度H、经度λ、纬度φ、速度倾角θ、速度为V、速度方位角AZ、攻角A等参数随时间变化的关系已知；中继卫星定点经度为λf，倾角为0°。

图6 一次中继法情况下的空间几何关系示意图Eig.6 Illustration of geometrical relations of“one relay”approach

如图6所示为一次中继法的空间几何关系，其中返回舱为锥角8°的钝头倒锥体，中继终端天线朝天方向安装（X′轴与Z轴夹角为98°），其电轴方向X′可 用λX′和φX′描 述 ：

返回舱位置矢量为

中继星位置矢量为

式中：42 165为中继卫星到地心的距离（km）。通过矢量运算可得出从返回舱到中继卫星的距离|Δr|= |rTL-r|和返回舱中继终端天线电轴方向X′与矢量Δr的夹角β。根据β值和图6的方向图，即可求出该时刻中继传输方向的天线增益。

对于二次中继的情况，中继站2的运行轨道为已知，同理可计算出从返回舱到中继站2的距离|Δr2|和X′与矢量Δr2的夹角β2，从而得出该时刻中继传输方向的天线增益。

4.3 再入中继通信中总信噪比公式的简化

对于再入中继通信的特殊情况，式（2）的总信噪比表达式可大大简化。其原因是：从中继星到地球站、中继站2到中继星路段的传输能力都很强（Ka频段链路均超过150 Mbit/s），而由于可用资源的严苛局限，返回舱的相关指标较差，这使得无论是对一次和二次中继，与返回舱相联系的路段都是整个中继链路中明显薄弱的一环。它的信噪比γ1和其他路段的信噪比相比可差40 dB以上。经过一些数学运算，式（2）可简化为γT≈γ1。一般情况下，通信载波功率与传输信号功率相比很小，上式也可近似用于考虑载噪比C/N或载波功率与每赫兹噪声功率比C/N0的情况。

4.4 一次中继法的结果

4.4.1 中继卫星定点位置的影响

在再入轨道确定的条件下，中继卫星的定点位置将影响Δr和β角的值，从而改变链路预算的输入条件和一次中继法的效果。为此根据设定的再入轨道和4.2节的公式，对一些典型的中继星定点位置进行了计算，得到图7和图8的结果，从图中可知：

（1）定点位置对返回舱到中继卫星的距离|Δr|影响不大，最大值和最小值的通信链路空间衰减只差0.45 dB，平均最佳定点位置在100°E附近；

（2）定点位置对β角的值影响较大，考虑到返回舱中继终端天线在β＞70°时增益下降较快，极偏西的位置（65°E）将不能完成任务，而中继卫星轨位偏东（例如110°E～120°E）会有明显好的效果。

图7 一次中继法|Δr|随返回舱高度的变化Eig.7 |Δr|versus capsule altitude for“one relay”approach

图8 一次中继法β角随返回舱高度的变化Eig.8 βangle versus capsule altitude for“one relay”approach

考虑到我国中继卫星轨位资源的实际情况，作为例子，在下节的链路计算中将定点位置选为80°E。

4.4.2 链路计算

如3.4.1节所述，工作频率必须选在Ka频段。分析表明：对于所考虑的情况，前向链路相对更容易满足要求，本文将只给出返向链路的例子（下同），其中心频率选为26.0 GHz。按图7和图8中的定点位置80°E的曲线数值，|Δr|不超过38 500 km，β不超过为70°。

将上述数值和4.1节的相应数据作为输入条件，得到返向链路的计算例见表2。

表2 一次中继法Ka返向链路预算Table 2 Return link budget of“one relay”approach

由于利用了4.3节的结果，表2显得十分简洁。链路余量达3.8 dB，可满足传输要求。在表2中还给出了返回舱中继终端两种配置的例子：第一种配置是采用如图2的宽波束平装型天线，但为了达到8.5 dBW的EIRP值，中继终端功放的输出要为10 W，这要求返回舱在再入过程中短时间内要担负较大的附加功率；第二种配置是将功放输出功率降到2 W，采用简单的阵列平装型天线，这样功耗需求减少，但天线的尺寸和质量将增大，也可根据返回舱资源等方面的实际情况，做出其他的选择。

4.5 二次中继法的结果

4.5.1 中继站2升轨操作时刻的选取对中继效果的影响

对二次中继的情况，中继卫星的定点位置影响将很小，但中继站2和载人航天器分离后进行升轨机动（以减小大气阻力的作用和推进剂消耗）时刻的选取会明显影响中继效果。设中继站2升轨操作时刻超前于返回舱再入开始时刻的值为Δt。图9和图10分别给出了升轨操作控制量为抬高半长轴15 km时，在不同的Δt值下，返回舱到中继站2的距离|Δr2|和β2角随返回舱高度变化的计算结果，从图中可知：随着Δt的变大，再入过程中中继传输的距离也将增大、传输方向的天线增益将减小，从而明显影响中继的效果。升轨操作时刻安排在返回舱再入完成之后（对应于图中“不机动”的曲线）对中继传输最为有利；考虑到从分离到返回舱再入完成的时间较短（一般不超过24 h），这一安排容易被系统顶层接受。

图9 二次中继法|Δr2|随返回舱高度的变化Eig.9 |Δr2|versus capsule altitude for“two relays”approach

图10 二次中继法β2角随返回舱高度的变化Eig.10 β2angle versus capsule altitude for“two relays”approach

4.5.2 链路计算

二次中继可工作于S频段，其返向链路中心频率选为2.25 GHz；背风面等离子鞘套对无线信号产生的综合衰减取为国外类似环境的再入飞行试验实测的峰值（25 dB）。如3.4.2节所述，中继站2已配备有能力很强的与中继卫星通信的设备，但还需添加与返回舱进行再入段通信的链路。作为例子，中继站2选用1 m口径的天线，按现今的水平可获得约-3.9 dB/K的G/T值；按图9和图10中的“不机动”曲线数值，|Δr2|不超过400 km，β2角不超过60°。

将上述数值和4.1节的相应数据作为输入条件，得如表3的返向链路的计算例。由于S频段天线较大，只考虑了宽波束平装型天线一种配置。从结果看出：链路余量达4.9 d B，可满足传输要求。

表3 二次中继法S返向链路预算Table 3 Return link budget of“two relays”approach

4.6 几点说明

（1）本文的目的是提出方法并通过算例初步论证其可行性，尚未涉及工程设计细节。算例中所采用的输入参数尽量做到有依据，但不代表是实际工程设计的选择。有的参数（如调制编码方式和中继终端天线的选取等）也存在优化的空间。

（2）算例只给出了实现返回舱再入段最低限度通信（信号带宽设为8 k Hz）的可能途径，更高的传输速率要求更先进的技术和更多的返回舱资源，在近期内较难在工程中实现。

（3）返回舱背风面等离子鞘套对S频段电磁波的综合衰减取25 dB，这是作者仅能找到的相似再入环境、较为可靠的飞行试验数据［5］。实际再入情况将出现偏差，但并不影响这一途径的可行性。

5 结束语

本文在立足于我国现有航天基础设施和技术背景情况下，考虑在较短时间内可在工程中实现的条件，对采用卫星中继克服再入通信黑障的具体途径进行了研究。由于较为简单但必须采用较高频率（Ka频段）的一次中继法存在硬件利用效率低、对返回舱资源需求较高的缺点，提出了一种采用二次中继的新方法，它可以将再入通信的工作频率向低扩展到多数载人航天器在轨常用的S频段，避免了一次中继法的缺点，但需要另一合适的航天器参与完成任务。本文论述了实施这两种方法对中继站和再入航天器的主要要求，并就影响其效果和飞行器设计的重要因素进行了分析，基于现实工程数据的链路算例表明两种方法都可满足传输需求，综合考虑二次中继方法更好一些。本文的结果对今后大系统层面上的相关方案论证具有参考意义。

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（编辑：李多）

On Approaches to Overcome Spacecraft Reentry Communication Blackout Using Satellite Relay

WANG Jiasheng JING Yaoxiang YANG Xianqiang YOU Sheng
（Institute of Telecommunication Satellite，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

On the basis of a brief describing manned spacecraft reentry course，characteristics of plasma sheath and relay transfer principles，specific approaches using satellite relay to overcome reentry communication blackout are analyzed.As the“one relay”approach which has to work at Ka band has some limitations in implementation，a new“two relays”approach is proposed.This approach can work at lower S band frequency used for current manned spacecrafts in orbit frequently.Their pros and cons are discussed.The main requirements to apply these approaches for relay and reentry spacecraft are described，and different factors influencing effects of these approaches and spacecraft design are analyzed.The link budget examples show that both approaches can meet mission requirements，but the“two relays”approach would be a better solution from system point of view.With considering Chinese space infrastructure and technologic background，the relay transfer would be the near-time technical solution to reentry blackout problem.

reentry spacecraft；relay satellite；plasma sheath；communication blackout；system design

V443

A DOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.03.001

2015-02-25；

2015-03-11

王家胜，男，研究员，中国空间技术研究院科技委常委，主要从事通信卫星研究、设计与技术管理工作。Email：jiasheng-wang@163.com。