王家勝

（中國空間技術(shù)研究院，北京 100094）

1 引言

數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星（以下簡稱中繼衛(wèi)星）系統(tǒng)是在航天器與地球站之間提供實(shí)時(shí)測控和數(shù)據(jù)中繼服務(wù)的系統(tǒng)。它一般位于地球靜止軌道，從上向下覆蓋用戶航天器。它的天基設(shè)計(jì)思想，最大限度地克服了由于地球曲率和無線電波直線傳播特性帶來的負(fù)面影響，從根本上解決了測控、數(shù)傳的軌道覆蓋率（用戶航天器可建立無線聯(lián)系的軌道弧段占總弧段的百分比）和實(shí)時(shí)傳輸信息的問題，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。例如：單個(gè)地球站一天中只有大約30min時(shí)間與一顆高500km 圓軌道的衛(wèi)星建立無線聯(lián)系，其軌道覆蓋率不到3%；而一顆中繼衛(wèi)星即可使這一覆蓋率超過50%。中繼衛(wèi)星系統(tǒng)使航天測控和信息傳輸領(lǐng)域發(fā)生了革命性的變化。

中繼衛(wèi)星系統(tǒng)一般由在不同軌位的多顆衛(wèi)星構(gòu)成，以擴(kuò)大軌道覆蓋率和提高同時(shí)為多個(gè)用戶航天器服務(wù)的能力。能對各種軌道的用戶航天器提供全時(shí)段實(shí)時(shí)服務(wù)的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)稱為全球覆蓋（即100%軌道覆蓋率）系統(tǒng)；考慮到絕大多數(shù)用戶航天器是低軌對地觀測衛(wèi)星，能對這類衛(wèi)星提供全時(shí)段實(shí)時(shí)服務(wù)的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)可稱為準(zhǔn)全球覆蓋系統(tǒng)。

2 天鏈一號(hào)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)歷程及其特點(diǎn)

2.1 建設(shè)歷程

中國較早就認(rèn)識(shí)到中繼衛(wèi)星和天基信息傳輸在航天事業(yè)發(fā)展中的重要作用。在20世紀(jì)80年代空間站的早期論證階段，中國就提出了發(fā)展自己的中繼衛(wèi)星的設(shè)想。到了90年代后期，配合某衛(wèi)星平臺(tái)的早期開發(fā)，較系統(tǒng)地開展了中繼衛(wèi)星的預(yù)先研究。在需求分析和可行性論證的基礎(chǔ)上，進(jìn)行不同技術(shù)途徑的比較，形成了中國第一代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星——天鏈一號(hào)的初步方案。它基于較成熟的衛(wèi)星平臺(tái)，具有自己的技術(shù)特點(diǎn)，能夠滿足今后一段時(shí)期的需求。此外，還完成了星間捕獲跟蹤、鏈路功能等關(guān)鍵特性的地面演示驗(yàn)證工作。此后，衛(wèi)星轉(zhuǎn)入正式研制階段。經(jīng)過幾年的努力，攻克了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)［1］，中國第一顆中繼衛(wèi)星——天鏈一號(hào)01星于2008年4月25日成功發(fā)射，順利定點(diǎn)并正常運(yùn)行，對中低軌用戶航天器的軌道覆蓋率超過50%。由于01星在軌的出色表現(xiàn)，中國迅速啟動(dòng)了后續(xù)星的研制工作。2011年7月11日天鏈一號(hào)02星成功發(fā)射，把對中低軌用戶航天器的軌道覆蓋率提高到75%以上。2012年7月25日天鏈一號(hào)03星發(fā)射成功，形成了包括東、中、西三星組網(wǎng)的準(zhǔn)全球覆蓋中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。這一系統(tǒng)也是中國第一個(gè)提供全球范圍實(shí)時(shí)信息傳輸服務(wù)的衛(wèi)星系統(tǒng)。

2.2 中國是世界上第二個(gè)擁有準(zhǔn)全球覆蓋能力GEO中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的國家

美國是最早進(jìn)行GEO“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)”（TDRSS）研制的國家，構(gòu)建了天基網(wǎng)（space network），最多時(shí)曾有9顆衛(wèi)星在軌，目前仍有7顆衛(wèi)星組網(wǎng)運(yùn)行，并將在2015年前發(fā)射3 顆第三代“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”（TDRS）［2］。它是世界上第一個(gè)擁有全球覆蓋能力的GEO 中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的國家，此外，它還有軍用中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。歐洲和日本各自都只發(fā)射了一顆GEO 試驗(yàn)中繼衛(wèi)星，分別為阿特米斯（Artmis）和“數(shù)據(jù)中繼試驗(yàn)衛(wèi)星”（DRTS），都未進(jìn)入實(shí)用階段［3-4］。

俄羅斯中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展較早，曾在2000年以前發(fā)射了15顆軍、民用中繼衛(wèi)星。但由于衛(wèi)星壽命較短和經(jīng)濟(jì)困難的原因，在本世紀(jì)初出現(xiàn)了有幾年無在軌工作衛(wèi)星的狀態(tài)。直到2011年下半年又重新開始發(fā)射，現(xiàn)已有軍用一顆、民用兩顆衛(wèi)星在軌運(yùn)行。雖然俄羅斯在很早就規(guī)劃建立全球覆蓋（或準(zhǔn)全球覆蓋）的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，并申請了相關(guān)軌位。但只使用過13.5°W 和80°E（軍用）、16°W 和95°E（民用）兩組軌位，未構(gòu)建成全球覆蓋（或準(zhǔn)全球覆蓋）系統(tǒng)。俄羅斯已公布了達(dá)到這一目標(biāo)的計(jì)劃：它最早有可能在2014年3月實(shí)現(xiàn)［5-7］。

天鏈一號(hào)三星組網(wǎng)系統(tǒng)的建成和成功運(yùn)行，使中國繼美國之后成為世界上第二個(gè)擁有準(zhǔn)全球覆蓋能力GEO 中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的國家，對中國航天事業(yè)發(fā)展作出了重大貢獻(xiàn)。

2.3 天鏈一號(hào)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的特點(diǎn)

和國外同類系統(tǒng)相比，中國天鏈一號(hào)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

（1）結(jié)合中國國情，利用地域遼闊和已初具規(guī)模的地面高速光纖干線設(shè)施，配置較少的衛(wèi)星，只在國內(nèi)設(shè)管控站，構(gòu)建了具有準(zhǔn)全球覆蓋能力的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。

（2）雖發(fā)射第一顆中繼衛(wèi)星較晚（2008年4月，當(dāng)時(shí)是世界上第五個(gè)發(fā)射中繼衛(wèi)星的國家），但發(fā)展十分迅速。2012年就建成了準(zhǔn)全球覆蓋的三星組網(wǎng)系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了多方面的實(shí)際應(yīng)用。

（3）在充分論證的基礎(chǔ)上，采用了和美國TDRSS星地大回路控制不同的捕獲跟蹤方案，在軌獲得很好的效果。

（4）一些關(guān)鍵部件實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，擁有多項(xiàng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

3 中國中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的應(yīng)用

到目前為止，天鏈一號(hào)系統(tǒng)三星組網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，廣泛應(yīng)用于多個(gè)用戶航天器和其他用戶的測控、通信、數(shù)據(jù)中繼，充分體現(xiàn)了天基信息傳輸在覆蓋性和實(shí)時(shí)性上的巨大優(yōu)點(diǎn)。在航天領(lǐng)域起著越來越重要的作用。

（1）為載人航天保駕護(hù)航。2008年9月，天鏈一號(hào)01星首次執(zhí)行任務(wù)，圓滿完成了對神舟七號(hào)載人飛船的數(shù)據(jù)中繼、測控和跟蹤，傳回的視頻圖像清晰，話音質(zhì)量好，數(shù)據(jù)可靠，成功實(shí)現(xiàn)了中國天基信息傳輸?shù)闹卮笸黄疲?011年10月，01星和02星形成的雙星系統(tǒng)，圓滿完成神舟八號(hào)飛船和天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器的交會(huì)對接任務(wù)，極大地?cái)U(kuò)充了可數(shù)傳和測控的軌道弧段，并首次實(shí)現(xiàn)同一波束內(nèi)雙目標(biāo)的捕獲跟蹤和中繼數(shù)傳；2012年6月，神舟九號(hào)載人飛船發(fā)射升空，3名宇航員成功完成與天宮一號(hào)的自動(dòng)和手動(dòng)對接任務(wù)，并進(jìn)駐天宮一號(hào)，實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)首創(chuàng)。在軌13天中，大量數(shù)據(jù)、圖像、音頻、電郵及神舟-天宮組合體的測控等信息，通過天鏈一號(hào)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)高質(zhì)量地傳到地面指控中心，為此次任務(wù)的圓滿完成提供了有力的保障。此外，天宮一號(hào)從2011年8月發(fā)射升空以來，天鏈一號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)完成了大量日常測控和數(shù)據(jù)中繼工作，為地面及時(shí)和全面掌控天宮一號(hào)的狀況，確保安全作出了重要的貢獻(xiàn)。

（2）為中國多種對地觀測衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)中繼服務(wù)。4年多來，它傳回了該類衛(wèi)星在中國地球站不可見弧段獲得的大量圖像和高速數(shù)據(jù)，明顯增加了其軌道覆蓋率和信息的實(shí)時(shí)性。

（3）為中低軌衛(wèi)星提供測控中繼服務(wù)。對裝有小型用戶終端的衛(wèi)星，能實(shí)現(xiàn)近100%軌道段的測控，明顯提高了衛(wèi)星運(yùn)管的可靠性，特別是在處理應(yīng)急事件（如航天器故障發(fā)現(xiàn)和排除等）上有明顯優(yōu)點(diǎn)。

（4）為航天發(fā)射提供測控支持。由于遠(yuǎn)洋測控船數(shù)量和布局的限制，發(fā)射GEO 衛(wèi)星的運(yùn)載火箭在飛行時(shí)總存在一定的無線傳輸盲區(qū)，人們無法得到該時(shí)段火箭運(yùn)行的信息。利用中繼衛(wèi)星系統(tǒng)克服了這一缺陷，可獲得火箭全飛行弧段的遙測數(shù)據(jù)，為運(yùn)載火箭的監(jiān)控和改進(jìn)提供了有用的資料。另外，中繼衛(wèi)星系統(tǒng)也為縮短航天發(fā)射任務(wù)的準(zhǔn)備周期、逐步減少遠(yuǎn)洋測控船和國外布站提供了有效的途徑。

（5）為特殊用途的飛機(jī)和其他飛行器等非航天用戶提供了測控和高速率數(shù)據(jù)中繼服務(wù)。

（6）地面的應(yīng)急和特殊通信中繼服務(wù)。由于中繼衛(wèi)星服務(wù)范圍廣，其鏈路具有極高的等效全向輻射功率（EIRP）和品質(zhì)因素（G／T），波束的空間隔離性好，在應(yīng)急通信和特殊通信中對地面終端的要求很低，和其他通信手段相比，它具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

4 對未來中繼衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)和衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展的建議

4.1 對大系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的建議

（1）進(jìn)一步優(yōu)化頂層設(shè)計(jì)，提高覆蓋能力。由于現(xiàn)有GEO 軌位和管控站位置的局限，目前中國中繼衛(wèi)星系統(tǒng)性能還未達(dá)到最佳。理想的情況是在GEO 上經(jīng)度相隔約180°的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)位置布置兩顆（或兩組）中繼衛(wèi)星，在國土的東西端適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)設(shè)置對應(yīng)的管控站，通過高速光纖將管控站、系統(tǒng)管理中心及用戶連接起來［8］。這一配置可達(dá)到美國現(xiàn)有TDRSS的覆蓋能力（但美國是通過在三個(gè)節(jié)點(diǎn)的三組衛(wèi)星和在國土外設(shè)站來實(shí)現(xiàn)的），即能將100%軌道覆蓋的下限延伸到73km［9］。實(shí)現(xiàn)這一方案的前提條件是申請并獲得相應(yīng)的軌道資源（例如在166°W～172°W 附近的軌位等），應(yīng)盡早開展這方面的工作。

（2）倡導(dǎo)研制能在軌道傾角變化較大（如±5°或更多）條件下工作的中繼衛(wèi)星。它一方面能在同樣衛(wèi)星平臺(tái)能力的條件下，明顯提高衛(wèi)星和系統(tǒng)的工作壽命，帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益；另一方面其實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難度不大，由于捕獲跟蹤功能的需要，中繼衛(wèi)星上多數(shù)天線都已具有指向可控功能，只要將剩下的固連在星本體上的天線裝上簡單的指向調(diào)整機(jī)構(gòu)即可（大約±2°的調(diào)整范圍就能滿足12年以上的工作壽命要求）。如果衛(wèi)星控制分系統(tǒng)能進(jìn)行姿態(tài)動(dòng)態(tài)偏置，消除軌道傾角對衛(wèi)星姿態(tài)指向的耦合影響，也能達(dá)到這一目的。此外，在一定軌道傾角條件下，這種衛(wèi)星還具有為兩極地區(qū)提供部分時(shí)段（例如每天4h）實(shí)時(shí)中繼服務(wù)的能力。美國從1997年起就利用了其部分中繼衛(wèi)星（先后利用了位于174°W 附近的TDRS-1和TDRS-5等）具有的這一特性，實(shí)現(xiàn)了在南極麥克默多（McMurdo）地球站和美國本土白沙TDRSS地面終端站之間的高速數(shù)傳［10］。

從原理上講，中繼衛(wèi)星也可工作在12h（或24h）周期的大橢圓軌道（HEO）上。這種衛(wèi)星雖能提供一些獨(dú)特的服務(wù)（如對高緯度地區(qū)地面提供衛(wèi)星通信），但對衛(wèi)星平臺(tái)、衛(wèi)星天線、星上部件的抗輻射特性和地面設(shè)施有高的要求（特別是對要求準(zhǔn)全球覆蓋或高速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r）。在未來的系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，應(yīng)仔細(xì)分析、對比和權(quán)衡，作出正確的決策。

（3）提高系統(tǒng)的使用效率。一般說來，100%的軌道覆蓋率并不等同于100%的系統(tǒng)使用效率，它受多方面的影響，例如用戶航天器在服務(wù)區(qū)轉(zhuǎn)換時(shí)，由于其高速數(shù)傳終端天線（一般為帶機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的反射器天線）指向要旋轉(zhuǎn)約180°，并重新對另一顆中繼衛(wèi)星捕獲跟蹤后才能重新工作，減少這一過渡時(shí)間（一般2～3 min）將有效地提高系統(tǒng)的使用效率和中繼信息的連續(xù)性?？赡艿呐Ψ较蛴校涸诓挥绊懖东@跟蹤精度的前提下盡量提高終端天線的回掃速率；或開發(fā)性能優(yōu)異（高EIRP 值、G／T 值和寬掃描角度等）的相控陣用戶終端（就目前的技術(shù)水平而言，后者的難度很大）等。此外，盡量減少每次跟蹤用戶航天器前向中繼星注入相關(guān)參數(shù)所用的時(shí)間，也能提高系統(tǒng)的使用效率，這在系統(tǒng)和衛(wèi)星層面都有改進(jìn)的空間。

（4）中繼衛(wèi)星特有的（雙星或多星）共軌運(yùn)行技術(shù)。由于軌道資源的限制，在將來可能出現(xiàn)兩顆中繼衛(wèi)星或兩顆部分失效的中繼衛(wèi)星共軌（等效成一顆全功能的中繼衛(wèi)星）的情況，這必須事先對頻率計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化或修改，以能夠共軌工作?？紤]到未來中繼衛(wèi)星上不少天線具有高增益及寬角度轉(zhuǎn)動(dòng)特性，在共軌時(shí)，應(yīng)特別注意可能出現(xiàn)的特殊電磁干擾問題（包括與之共軌的其他衛(wèi)星），并探索相關(guān)的應(yīng)對措施。

（5）協(xié)調(diào)規(guī)范系統(tǒng)使用的頻率、極化和信標(biāo)，有效地開發(fā)綜合能力。在不得不采用極化復(fù)用技術(shù)時(shí)，應(yīng)特別注意這種應(yīng)用在中繼衛(wèi)星系統(tǒng)中的特殊困難，并研究解決措施。

4.2 對衛(wèi)星研制技術(shù)發(fā)展的建議

毫無疑問，中國還將研制未來的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，其衛(wèi)星將裝載更復(fù)雜的有效載荷，提供更多種類且功能更強(qiáng)的服務(wù)。完成這一任務(wù)必須攻克很多新的關(guān)鍵技術(shù)，主要有以下建議。

（1）大型可展開網(wǎng)狀跟蹤天線。為了適應(yīng)越來越高的數(shù)據(jù)傳輸需求，中繼衛(wèi)星單址天線的電尺寸（口徑與工作波長的比值）將越來越大（此比值國際上已有超過400的例子）。由于發(fā)射重量和體積的限制，必須選用大型可展開網(wǎng)狀天線。由于它還應(yīng)具有跟蹤功能，在雙頻段（或多頻段）工作，這給天線的設(shè)計(jì)、制造和地面試驗(yàn)帶來大的困難。應(yīng)該指出：簡單地把工作在Ku或更低頻段的傘形網(wǎng)狀天線方案拓展到Ka或更高頻段將可能遇到可行性問題，設(shè)計(jì)師必須進(jìn)行仔細(xì)的論證和試驗(yàn)，才能保證這種對中繼衛(wèi)星而言影響成敗的關(guān)鍵部件的研制成功。

此外，隨著可展開天線的電尺寸越來越大，在軌環(huán)境下保持天線形面精度將越來越難，應(yīng)考慮開發(fā)這種天線的形面在軌調(diào)整技術(shù)，美國TDRS-I和TDRS-J衛(wèi)星已采用這一技術(shù)［11］。

（2）S頻段多址（SMA）技術(shù)。為了滿足數(shù)目較多且數(shù)傳速率較低的用戶（例如小衛(wèi)星、某些航空器及臨近空間飛行器等）的需求，中繼衛(wèi)星系統(tǒng)將逐漸提供SMA 業(yè)務(wù)。它一般采用碼分多址加空分多址方案，其返向鏈路多波束形成技術(shù)（有地面形成和星上形成兩種途徑）十分復(fù)雜。另外，為了使這種業(yè)務(wù)具有更高的效費(fèi)比、更高的靈活性和更大的容量，要開發(fā)中繼衛(wèi)星特有的按需分配的通道分配技術(shù)。

（3）更高無線電頻段技術(shù)和激光技術(shù)。利用越來越高的頻段一直是無線信息傳輸發(fā)展的方向。它一方面帶來新的頻譜資源，使更高速率的數(shù)傳成為可能；另一方面，它也引出新的技術(shù)難點(diǎn)：例如更低相位噪聲的本振和基準(zhǔn)頻率源技術(shù)、新型功率放大器和低噪聲放大器技術(shù)等。W 頻段（60GHz）將是下一個(gè)開發(fā)的目標(biāo)。此外，星載激光技術(shù)近年來已有明顯的進(jìn)展，它也會(huì)出現(xiàn)在未來的中繼衛(wèi)星上，但在其可靠性、功率、效率和對航天器平臺(tái)的適應(yīng)性等方面仍有不少工作要做。

未來更高頻段和激光的應(yīng)用，將首先出現(xiàn)在中繼衛(wèi)星的星間鏈路，在星地鏈路上應(yīng)用還存在大的困難：更高無線頻段的巨大雨衰和云、霧、雨、塵、對流層湍流對激光傳輸?shù)膰?yán)重影響（由于中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的地面管控站天線的工作仰角一般都很低，這一影響更為突出），將極大地劣化系統(tǒng)的可用度和實(shí)時(shí)性，而這正是中繼衛(wèi)星系統(tǒng)必須強(qiáng)調(diào)的，到目前為止相關(guān)技術(shù)還未取得明顯突破［12］。

（4）更先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)。中繼衛(wèi)星在現(xiàn)階段還不是一個(gè)頻帶受限系統(tǒng)，但由于前述的原因，隨著數(shù)傳速率的不斷提高（例如吉比特每秒量級(jí)），星地返向鏈路的可用頻帶寬度將成為瓶頸。采用更先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)，例如8相相移鍵控（8PSK）、16進(jìn)制脈沖幅度調(diào)制（16PAM）等將是發(fā)展的方向之一，這將對有效載荷的設(shè)計(jì)提出高得多的要求。攻克這方面的關(guān)鍵技術(shù)是今后必須完成的任務(wù)。

（5）相關(guān)的平臺(tái)技術(shù)。上述新型有效載荷技術(shù)的應(yīng)用將對中繼衛(wèi)星平臺(tái)提出新的要求，更大電尺寸的天線的波束寬度更窄，要求姿控精度更高；激光技術(shù)的應(yīng)用對姿態(tài)穩(wěn)定度提出高的要求；未來中繼衛(wèi)星將配置兩副（或多副）大型柔性跟蹤天線，控制它們之間的耦合及對衛(wèi)星姿控的影響也將是必須攻克的技術(shù)難題。

和一般通信衛(wèi)星相比，中繼衛(wèi)星也有比較寬松的要求：如功率要求較低（美國第二代中繼衛(wèi)星的功率約2.3kW，即將發(fā)射的第三代中繼衛(wèi)星功率約3.2kW，都明顯低于同時(shí)期研制的通信衛(wèi)星）、推進(jìn)劑裝填量較少（它可設(shè)計(jì)成在小傾角GEO 軌道上工作，從而節(jié)約可觀的用于南北位置保持的推進(jìn)劑）。總體設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)未來中繼衛(wèi)星的實(shí)際情況，對選用的衛(wèi)星平臺(tái)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，設(shè)計(jì)出性能更好的中繼衛(wèi)星來。

5 中繼衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域若干可能的拓展

（1）對GTO 和GEO 用戶提供中繼服務(wù)。這是對現(xiàn)有應(yīng)用領(lǐng)域的必然延伸，也是在近期內(nèi)可望實(shí)現(xiàn)的項(xiàng)目。這一應(yīng)用要求衛(wèi)星的星間鏈路天線可轉(zhuǎn)動(dòng)范圍明顯增大（例如：對軌道高度3100km 以下的用戶，±13°的天線轉(zhuǎn)動(dòng)范圍即可滿足要求；而對GTO 和GEO 用戶，天線轉(zhuǎn)動(dòng)范圍在東西方向要達(dá)到90°，在南北方向要大于用戶軌道傾角）。由于必須考慮星間鏈路天線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)和衛(wèi)星本體的干涉及射頻傳輸?shù)葐栴}，大的天線轉(zhuǎn)角研制難度較大，這在研制有兩副星間鏈路天線的大型中繼衛(wèi)星時(shí)更為突出。此外，對用戶航天器的程序跟蹤設(shè)計(jì)也將比小天線轉(zhuǎn)角的情況困難。

（2）支持航天器再入大氣層時(shí)的測控和通信。眾所周知，航天器在再入大氣層時(shí)產(chǎn)生的熱等離子層（即等離子鞘套）使無線電波產(chǎn)生吸收損耗、反射損耗和折射畸變失真，形成所謂再入通信“黑障”。經(jīng)過多年的努力，人們雖然尋找了一些可能的應(yīng)對措施（諸如提高工作頻率、改進(jìn)航天器外形、注入消電子液體、改善外表面防熱材料和外加靜態(tài)磁場等），但都沒有突破性進(jìn)展。目前的技術(shù)使得中繼衛(wèi)星有可能解決這個(gè)問題。這一方面是由于采用極高頻率（如Ka甚至更高頻段）進(jìn)行星間中繼技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，激光星間傳輸技術(shù)發(fā)展迅速；另一方面是再入航天器迎風(fēng)面和背風(fēng)面的等離子體角頻率可差近兩個(gè)數(shù)量級(jí)，而中繼衛(wèi)星處于十分有利的位置，可從再入航天器的背風(fēng)面方向與它建立通信鏈路。因此，利用中繼衛(wèi)星突破再入通信“黑障”可能有很好的應(yīng)用前景。

歐洲航天局曾在1998年10月進(jìn)行過一次大氣層再 入 演 示 器（Atmospheric Reentry Demonstrator）試驗(yàn)。由阿里安-5火箭發(fā)射一個(gè)質(zhì)量為2.8t、70%縮比尺寸的阿波羅（Apollo）再入艙，經(jīng)過約101min的亞軌道飛行（最高高度達(dá)830km）和再入，成功在134°W，3.9°N 的太平洋面上回收。再入過程中，進(jìn)行了多項(xiàng)對落區(qū)飛機(jī)（L和S頻段）和美國“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”（TDRS）（S頻段，2267MHz）的無線傳輸試驗(yàn)，結(jié)果對飛機(jī)傳輸都出現(xiàn)了較長時(shí)間（3～7min）的“黑障”，但TDRS的信號(hào)接收沒有中斷（但出現(xiàn)了最大約25dB的衰減）。雖然條件比較特殊（TDRS的接收方向幾乎正對再入艙的背風(fēng)面；又是亞軌道飛行，最高速度約7.6km／s，“黑障”現(xiàn)象相對較輕），但考慮到這是在S頻段，結(jié)果十分令人鼓舞［13］。

考慮到航天器再入時(shí)的信息傳輸速率一般都不高（多半為話音和測控?cái)?shù)據(jù)等），加上表面材料的燒蝕可能對激光鏡頭產(chǎn)生嚴(yán)重的污染，筆者認(rèn)為最有可能在Ka或W 頻段較早取得突破。

神舟載人航天工程的再入著陸場在內(nèi)蒙古四子王旗，而中國就有對再入通信處于較好軌位的中繼衛(wèi)星（其通信方向基本上在再入艙的背風(fēng)面）。建議盡早策劃相關(guān)試驗(yàn)（最好先在Ka頻段進(jìn)行），以在再入通信突破“黑障”方面取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

（3）特殊衛(wèi)星星座的控制和管理。研究表明，高橢圓軌道（HEO）衛(wèi)星星座可對高緯度地區(qū)提供較好仰角的服務(wù)，但須要運(yùn)營不同地域的幾個(gè)地球站。中繼衛(wèi)星系統(tǒng)可完成此任務(wù)，減少運(yùn)營成本。如：美國Sirius數(shù)字音頻廣播衛(wèi)星系統(tǒng)（已建）和論證中的移動(dòng)TV 廣播衛(wèi)星星座系統(tǒng)等［14］。

（4）月球探測和行星探測。由于距離十分遙遠(yuǎn)，月球和行星探測器重量和功率的約束十分突出，研制特殊用途的中繼器（衛(wèi)星）是實(shí)現(xiàn)高效率探測的必要途徑。此外，在一些特定的探測地區(qū)和時(shí)段（例如有部分月球表面和近空在地球上永遠(yuǎn)不可見，而人類探索的熱點(diǎn)——月球南極約有一半時(shí)間在地球上不可見等），探測器無法與地球建立直接的無線聯(lián)系；對于軌道面和黃道面夾角小的行星（如火星、木星等），存在連續(xù)數(shù)個(gè)月的太陽干擾期，這時(shí)如果地球、太陽和行星處于某特定幾何關(guān)系附近，探測器也將長期不能和地球進(jìn)行信息交流。為了克服這一致命缺點(diǎn)，確保安全，繞月（或行星）或相關(guān)拉格朗日點(diǎn)中繼器（衛(wèi)星）大有用處［15］。

在這一領(lǐng)域的一個(gè)例子是美國的“火星勘測軌道器”（Mars Reconnaissance Orbiter），它在軌工作21個(gè)月只傳回了20%的火星地面圖像；如果采用繞火星中繼衛(wèi)星——“火星通信軌道器”（Mars Telecom Orbiter）方案，就能在幾個(gè)月內(nèi)得到全部火星地圖，可見效益非常明顯。

應(yīng)該指出，為完成這一任務(wù)須要研制全新的中繼衛(wèi)星（或中繼器），在技術(shù)上將面臨很多新的困難，必須在深空特高無線電頻率（或激光）通信、超低噪聲和極低門限接收、高比率數(shù)據(jù)無損壓縮、極窄帶鎖相接收機(jī)、更先進(jìn)的調(diào)制／解調(diào)和編／譯碼等技術(shù)上獲得突破，這無疑是對未來設(shè)計(jì)人員的巨大挑戰(zhàn)。

6 結(jié)束語

天鏈一號(hào)三星組網(wǎng)準(zhǔn)全球覆蓋中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的建成和迅速得到廣泛的應(yīng)用，展現(xiàn)了它在覆蓋性、實(shí)時(shí)性和經(jīng)濟(jì)性等方面的明顯優(yōu)點(diǎn)。它具有廣闊的發(fā)展前景，將在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮越來越明顯的作用。中國應(yīng)重視系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略路線的研究，前瞻性地推動(dòng)系統(tǒng)和衛(wèi)星層面上的技術(shù)發(fā)展，拓展可能的應(yīng)用領(lǐng)域?？梢灶A(yù)料，在中國航天人的不懈努力下，作為天基信息傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵成員，中國中繼衛(wèi)星系統(tǒng)將有光輝的未來。

（References）

［1］王家勝.數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的研制與分析［J］.航天器工程，2008，17（5）：7-12 Wang Jiasheng.Development and analysis of data relay satellite system［J］.Spacecraft Engineering，2008，17（5）：7-12（in Chinese）

［2］NASA.TDRS-4mission completed；spacecraft retired from active service［EB／OL］.［2012-10-25］.http：／／www.nasa.gov／topics／technology／features／tdrs-4-retired.html

［3］Oppenhaeuser G，Holtz L，Bird A.The Artemis mission—ESA’s latest communication satellite，IAF-01-M-1.08［C］.Paris：IAF，2001

［4］Fujiwara Y，Sudo Y.Japan’s first data relay test satellite，IAF-03-M-1.03［C］.Paris：IAF，2003

［5］Encyclopedia Astronautica.Potok［EB／OL］.［2012-10-17］.http：／／www.astronautix.com／craft／potok.htm

［6］Encyclopedia Astronautica.Luch［EB／OL］.［2012-10-17］.http：／／www.astronautix.com／craft／luch.htm

［7］王家勝.蘇聯(lián)／俄羅斯數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)評(píng)述［J］.航天器工程，2012，21（6）：1-6 Wang Jiasheng.On Soviet Union／Russian data relay satellite system［J］.Spacecraft Engineering，2012，21（6）：1-6（in Chinese）

［8］王家勝.對我國數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展的建議［J］.航天器工程，2011，20（1）：1-8 Wang Jiasheng.Proposal for developing China’s data relay satellite system［J］.Spacecraft Engineering，2011，20（2）：1-8（in Chinese）

［9］Mission Service Program Office.Space network users'guide，Revision 9［Z］.Greenbelt Maryland：GSFC／NASA，2007

［10］Knoblock E，Konangi V.Comparison of SAFE and FTP for the south pole TDRSS relay system，AIAA 2000-1251［R］.Washington D.C.：AIAA，2000

［11］Toral M，Heffernan P.Payload on-orbit performance verification of TDRS HIJ，NASA 2004-3251［R］.Washington D.C.：NASA，2004

［12］Schier J，Rush J.Space communication architecture supporting exploration and science：plan and studies for 2919-2030，AIAA 2005-2517［R］.Washington D.C.：AIAA，2005

［13］Tran P，Paulat J，Boukhobza P.Re-entry flight experiments lesson learned-the atmospheric reentry demonstrator ARD ［R／OL］.［2012-10-25］.http：／／ftp.rta.nato.int／public／PubFullText／RTO／EN／ RTOEN-AVT-130／EN-AVT-130-10.pdf

［14］Briskman R，Sharma S.DARS satellite constellation performance，AIAA 2002-1967［R］.Washington D.C.：AIAA，2002

［15］Oleson S，McGuire M.COMPASS final report：lunar relay satellite，NASA／TM 012-217140［R］.Washington D.C.：NASA，2012