楊紅俊

國外數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)最新發(fā)展及未來趨勢*

楊紅俊**

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

作為天基測控系統(tǒng)，數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星大大提高了對(duì)用戶星的覆蓋率，減少了地面布站的數(shù)量，節(jié)約了成本，是各主要航天國家重點(diǎn)建設(shè)的航天系統(tǒng)之一。目前，美國、俄羅斯、歐洲和日本均發(fā)展了自己的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，在對(duì)空間和地面系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造的同時(shí)，以小衛(wèi)星星座、搭載載荷等靈活的形式，采用激光通信、軟件無線電、組網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)積極研發(fā)和部署下一帶衛(wèi)星系統(tǒng)，并謀劃與行星中繼衛(wèi)星一起構(gòu)建跨太陽系的中繼衛(wèi)星體系。總結(jié)了國外中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和未來，綜合分析了關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢，并對(duì)中國中繼衛(wèi)星的發(fā)展提出了建議。

數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)；關(guān)鍵技術(shù)；發(fā)展趨勢；激光通信；軟件無線電；DTN組網(wǎng)

1 引 言

自20世紀(jì)80年代美國建立全球首個(gè)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)——“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)”（Track_ ing and Data RelaY Satellite SYstem，TDRSS）以來，俄羅斯、歐洲、日本以及我國紛紛投資建設(shè)了自己的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，為各種低軌航天器（尤其是遙感衛(wèi)星和偵察衛(wèi)星）、航空器等軍/民用用戶中繼數(shù)據(jù)，提供跟蹤服務(wù)，以較低的成本和較少的地面站解決了原來全球布站的地面測控網(wǎng)也無法提供的高用戶覆蓋率，在軍/民應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用。

隨著航空航天技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的用戶數(shù)量不斷增多，用戶攝取的信息量急劇增加，例如未來對(duì)地觀測衛(wèi)星每日需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量對(duì)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸能力提出了越來越高的要求。各國原有的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)日益不能滿足需求，必須更新衛(wèi)星，升級(jí)設(shè)備，并采用先進(jìn)的技術(shù)和創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)，結(jié)合未來深空探測的需求，構(gòu)建新一代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。

本文根據(jù)國外文獻(xiàn)總結(jié)了世界上主要航天強(qiáng)國的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，討論了涉及的關(guān)鍵技術(shù)，分析了未來發(fā)展趨勢，以供同行參考。

2 國外數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 美國

美國的TDRSS系統(tǒng)也稱為天基網(wǎng)，是美國航空航天局（National Aeronautics and SPace Administra_ tion，NASA）三大測控網(wǎng)之一，主要為美國低軌軍民用衛(wèi)星、國際空間站、科研飛機(jī)與氣球、運(yùn)載火箭等用戶提供S、Ku、Ka頻段測控信息和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)中繼。到2014年底，美國已發(fā)射3代共11顆TDRS衛(wèi)星，在軌服役的有9顆，在兩個(gè)站址建設(shè)了3個(gè)地面終端站，組成了完備的衛(wèi)星體系。

根據(jù)NASA“空間通信與導(dǎo)航”（SPace Commu_ nications and Navigation，SCaN）計(jì)劃[1]，天基網(wǎng)近期面臨的主要任務(wù)需求是月球無人探測需要的高速數(shù)傳和載人探測任務(wù)需要的可靠通信、高速率骨干鏈路、近連續(xù)覆蓋以及對(duì)用戶任務(wù)的無縫支持。因此，TDRSS近幾年的建設(shè)重點(diǎn)是：發(fā)射第三代衛(wèi)星；對(duì)使用30多年的地面系統(tǒng)進(jìn)行更新和升級(jí)；新建布洛索姆（Blossom Point）地面站，以滿足未來航天保障的需要。

2.1.1 第三代中繼衛(wèi)星

發(fā)射第三代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星是TDRSS星座進(jìn)行更新?lián)Q代的主要內(nèi)容。第三代衛(wèi)星在第二代衛(wèi)星的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)升級(jí)，具備以下特點(diǎn)：

（1）沿用第一代衛(wèi)星的技術(shù)體系，S頻段多址返向波束在地面進(jìn)行波束形成；

（2）升級(jí)了星上遙控遙測鏈路的通信安全系統(tǒng)；

（3）采用新的S頻段多址天線技術(shù)；

（4）更換Ku/Ka頻段和S頻段用戶業(yè)務(wù)支持設(shè)備，Ka頻段數(shù)據(jù)率可達(dá)800 Mb/s，采用了低密度奇偶校驗(yàn)碼、Turbo乘積碼、8PSK調(diào)制等新的調(diào)制形式。

NASA分別于2013年1月31日和2014年1月23日發(fā)射了兩顆第三代跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星（TDRS-K，L），以補(bǔ)充由超期服役的第一代衛(wèi)星和第二代衛(wèi)星組成的TDRSS星座。最后一顆衛(wèi)星TDRS-M正在加緊研制，將于2017年發(fā)射。

2.1.2 升級(jí)和改造地面系統(tǒng)

為配合第三代TDRS衛(wèi)星的發(fā)射并解決地面系統(tǒng)陳舊的問題，NASA制定了“用戶業(yè)務(wù)分系統(tǒng)組件更換計(jì)劃”（User Services SubsYstem ComPonent Re_ Placement，USS CR）[2]和“天基網(wǎng)地面段增強(qiáng)計(jì)劃”（SPaceNetWorkGroundSegmentSustainment，SGSS）[3]，對(duì)地面系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)和改造。

“USS CR計(jì)劃”在2013年7月前更換了白沙地面站兩套星-地鏈路終端（SGLT 4和5）中的USS設(shè)備子網(wǎng)，替換下來的設(shè)備用作備份，使天基網(wǎng)至少在2017財(cái)年前能滿足可用性要求。主要內(nèi)容是根據(jù)需要，用高度成熟的數(shù)字信號(hào)處理能力和IP網(wǎng)絡(luò)能力以及商業(yè)上廣泛使用的商用貨架產(chǎn)品（Commer_ cial-off-the-shelf，COTS）設(shè)備更換和升級(jí)白沙站內(nèi)兩套星地鏈路終端（SPace Ground Link Terminal，SGLT）中已難以維護(hù)的S頻段和K頻段（Ku和Ka頻段）單址業(yè)務(wù)調(diào)制器和其他相關(guān)USS設(shè)備，包括安裝新的遙控與遙測系統(tǒng)、新的地面波束形成器（它是TDRS需分多址業(yè)務(wù)（Demand Access SYstem，DAS）的關(guān)鍵）和兩副新的Ka頻段端-端測試天線系統(tǒng)，以及對(duì)SGLT進(jìn)行升級(jí)。

“天基網(wǎng)地面段增強(qiáng)計(jì)劃”（SGSS）是NASA SCaN計(jì)劃的一部分，于2014～2016年底實(shí)施，主要目標(biāo)是更換升級(jí)天基網(wǎng)所有的硬件和軟件，提供一個(gè)靈活、可擴(kuò)展、可升級(jí)、可支持的地面系統(tǒng)，保持天基網(wǎng)至少再工作25年。采用SGSS系統(tǒng)后，設(shè)備性能得到提高，重量和體積成倍減小。

SGSS計(jì)劃還包括在馬里蘭州的布洛索姆角建立一個(gè)新的終端站，向東擴(kuò)展天基網(wǎng)的覆蓋，為一次性運(yùn)載火箭提供發(fā)射支持，稱為天基網(wǎng)擴(kuò)展終端站，站內(nèi)將建兩副主任務(wù)天線并配置全新的地面通信電子設(shè)備。

SGSS系統(tǒng)的創(chuàng)新之處是采用“池”式結(jié)構(gòu)來管理設(shè)備。目前的天基網(wǎng)地面終端站采用“煙囪”式結(jié)構(gòu)，信號(hào)通過串接的設(shè)備傳送到某一特定TDRS衛(wèi)星。雖然設(shè)備有冗余，但無法切換到其他TDRS衛(wèi)星支持用戶。這種結(jié)構(gòu)限制了靈活性，增加了每個(gè)地面終端的設(shè)備數(shù)量，因?yàn)槊款wTDRS衛(wèi)星自身都需要一套主/備用地面設(shè)備。而SGSS系統(tǒng)采用“池”式結(jié)構(gòu)，每顆TDRS衛(wèi)星專用的設(shè)備極少，用戶保障設(shè)備可從池中空閑的資源中挑選，執(zhí)行完任務(wù)后返回池中供下次使用，各個(gè)地面終端站可采用相同的池。“池”式結(jié)構(gòu)降低了設(shè)備量，提高了結(jié)構(gòu)靈活性和硬件利用效率。

SGSS計(jì)劃已于2014年7月開始實(shí)施，原計(jì)劃2017年6月進(jìn)行驗(yàn)收評(píng)審，但目前該計(jì)劃已滯后預(yù)定時(shí)間2年（預(yù)計(jì)驗(yàn)收評(píng)審時(shí)間推遲至2019年5月）。由于成本超過預(yù)算30%，NASA不得不取消一些研究內(nèi)容，包括某些備份能力和仿真能力，因此SGSS系統(tǒng)能力有所降低。

2.1.3 增加“TDRS衛(wèi)星增強(qiáng)業(yè)務(wù)”[4]

“TDRS衛(wèi)星增強(qiáng)業(yè)務(wù)（TDRSS Augmentation Service for Satellites，TASS）”是通過TDRSS衛(wèi)星用S頻段廣播全球差分GPS修正信息，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星自主精確定軌和定位。它提供一個(gè)與GPS同步的測距信號(hào)，定位精度優(yōu)于1 m。2013年NASA用SCaN試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了TASS測試，從第三代衛(wèi)星開始提供這項(xiàng)服務(wù)。

2.1.4 研究下一代（第四代）衛(wèi)星方案

隨著第一代衛(wèi)星逐步退役，TDRSS星座中的在軌衛(wèi)星數(shù)會(huì)不斷減少。2015年底退役衛(wèi)星會(huì)達(dá)到5顆，加上新發(fā)射的TDRS-M衛(wèi)星，在軌衛(wèi)星數(shù)為7顆；2016年TDRS-5將退役，地面波束形成出現(xiàn)缺口；到2020年，TDRSS星座中第一代衛(wèi)星全部退役，第二代衛(wèi)星超出使用壽命，TDRS-9退役，在軌服役的衛(wèi)星只有5顆（包括一顆備份星TDRS-10），屆時(shí)TDRSS的性能將不足以滿足任務(wù)需求。因此，NASA及早開展了下一代衛(wèi)星的方案研究。

2013年3月7日，NASA在官方網(wǎng)站向外界發(fā)布下一代（第四代）天基中繼體系結(jié)構(gòu)意見征詢書和白皮書[5]，希望企業(yè)和院校集思廣益，共同研究下一代天基中繼通信與導(dǎo)航體系結(jié)構(gòu)。作為SCaN計(jì)劃的一部分，2013～2014年NASA哥達(dá)德飛行中心探索與空間通信部進(jìn)行了長達(dá)一年的“天基中繼研究”（SPace Based RelaY StudY，SBRS），確定能支持NASA 2020年以后航天任務(wù)需求的天基中繼通信與導(dǎo)航體系結(jié)構(gòu)。為新一代中繼衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)定的初步部署時(shí)間為2025年。

SBRS從以下三個(gè)方面對(duì)未來體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。

（1）用戶需求和業(yè)務(wù)性能

根據(jù)2020～2040年計(jì)劃進(jìn)行的航天任務(wù)（尤其是載人航天）的需求，確定衛(wèi)星的軌道覆蓋范圍、調(diào)度水平與按需服務(wù)的關(guān)系、等待時(shí)間、數(shù)據(jù)率/數(shù)據(jù)量、業(yè)務(wù)周期、安全性要求等。

（2）技術(shù)/物理結(jié)構(gòu)

評(píng)估的技術(shù)包括光通信、微波通信、毫米波星間鏈路、相控陣天線、容斷組網(wǎng)、空間組網(wǎng)、認(rèn)知和自適應(yīng)協(xié)議、軟件無線電技術(shù)。衛(wèi)星系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)可采用多種形式，包括專用衛(wèi)星（類似現(xiàn)有的TDRS衛(wèi)星）、作為寄宿載荷搭載在商業(yè)衛(wèi)星或其他政府衛(wèi)星上、具有分布式能力的小衛(wèi)星群以及上述形式的組合。結(jié)構(gòu)方案將考慮天地網(wǎng)絡(luò)一體化。

（3）采購及管理方式

包括公私合營、業(yè)務(wù)純商業(yè)化、與其他政府機(jī)構(gòu)共享所有權(quán)、NASA專用/專屬系統(tǒng)等。

2014年，NASA格倫研究中心提出一個(gè)基于小衛(wèi)星的同步軌道數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星方案“小型天基衛(wèi)星”（Small SPace Based Satellite，SSBS）[6]。SSBS不僅要解決對(duì)地觀測任務(wù)的需求，還要解決2030年小行星及火星載人航天任務(wù)的需求，因此設(shè)計(jì)的SSBS衛(wèi)星具有支持同步軌道（GeosYnchronous Earth Or_ bit，GEO）以上任務(wù)的鏈路和能力。衛(wèi)星將于2022年投入使用，可由“獵鷹9”火箭以一箭三星方式發(fā)射，以降低發(fā)射成本。衛(wèi)星采用雙頻段天線，可與GEO以上和以下的用戶星通信，將保留和增強(qiáng)S和Ka單址業(yè)務(wù)，星地鏈路與現(xiàn)在的TDRS相同（Ku頻段），增加了光通信選項(xiàng)，與現(xiàn)有TDRS一樣提供通信中繼和跟蹤定位業(yè)務(wù)。SSBS是美國向載人探測中繼體系邁出的第一步，未來月球中繼衛(wèi)星、火星中繼衛(wèi)星均會(huì)參考SBSS的設(shè)計(jì)，它們功能基本相同，只是要根據(jù)任務(wù)需求和預(yù)計(jì)的燃料損耗，在冗余設(shè)計(jì)和所用頻率上有所不同。

SSBS衛(wèi)星的設(shè)計(jì)考慮了兩種方案，一種是只采用射頻通信設(shè)備的方案（如圖1所示），一種是增加了激光通信設(shè)備的方案（如圖2所示）。

圖1 僅采用射頻通信設(shè)備的SSBS衛(wèi)星Fig.1 SSBS onlY With RF communication Package

圖2 增加了激光通信設(shè)備的SSBS衛(wèi)星Fig.2 SSBS With oPtical PaYloads

地面段使用SCaN綜合地面網(wǎng)，可使用34 m或18 m天線支持SBSS衛(wèi)星，但需要多建幾個(gè)站，地面站間可以切換以支持“多用途乘員飛船”（Multi-PurPose CreW Vehicle，MPCV）。

2.2 歐洲發(fā)展第二代衛(wèi)星——EDRS系統(tǒng)

歐空局（EuroPean SPace AgencY，ESA）雖然于2001年發(fā)射了第一代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星Artemis，并于2003年投入使用，但該衛(wèi)星只是顆技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星，并于2010年達(dá)到壽命期。隨著歐盟/歐空局聯(lián)合進(jìn)行的“全球環(huán)境與安全監(jiān)視”（Global Monitoring for Environment and SecuritY，GMES）計(jì)劃的實(shí)施，預(yù)計(jì)每天從空間向地面?zhèn)鬏數(shù)臄?shù)據(jù)量將達(dá)到6 TB，歐洲目前的航天通信系統(tǒng)無法滿足需要。為了實(shí)現(xiàn)歐洲獨(dú)立戰(zhàn)略，歐空局從2008年開始提出興建“歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”（EuroPean Data RelaY Satellite，EDRS）系統(tǒng)。

EDRS方案經(jīng)過幾年的發(fā)展演變，最終確定為由兩個(gè)同步軌道節(jié)點(diǎn)及其地面系統(tǒng)組成的系統(tǒng)[7]。兩個(gè)空間節(jié)點(diǎn)其中一個(gè)為搭載在歐洲商業(yè)通信衛(wèi)星Eutelsat 9B上的激光通信有效載荷（EDRS-A），另一個(gè)是一顆專用數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星（EDRS-C），兩個(gè)節(jié)點(diǎn)只覆蓋歐洲地區(qū)。EDRS-A提供激光和Ka頻段兩種星間通信鏈路，激光返向數(shù)據(jù)率最高達(dá)1.8 Gb/s；Ka頻段返向最高為300 Mb/s；ERS-C只有激光鏈路，指標(biāo)與EDRS-A相同。根據(jù)歐空局的計(jì)劃安排，EDRS-A定于2016年1月發(fā)射，EDRS-C衛(wèi)星將于2017年初發(fā)射。兩顆衛(wèi)星壽命均為15年。

EDRS系統(tǒng)采用公私合營的方式建設(shè)，項(xiàng)目總成本約6.25億美元。ESA為該項(xiàng)目提供近75%的資金，德國空客公司（以前的Astrium公司）投資1.63億美元，倫敦阿萬蒂（Avanti）通信公司為EDRS -C衛(wèi)星投資1.19億美元。

EDRS第一個(gè)激光通信用戶是“哨兵”系列衛(wèi)星。2014年4月3日，第一顆衛(wèi)星“哨兵1A”發(fā)射，2015年夏正式開始使用，每圈軌道通信20 min。第一個(gè)Ka頻段用戶是國際空間站“哥倫布”艙段，用于實(shí)時(shí)向地面?zhèn)鬏斝巧显囼?yàn)數(shù)據(jù)，2016年啟用。EDRS未來的一個(gè)關(guān)鍵市場是美國國防部及其無人機(jī)機(jī)隊(duì)。無人機(jī)機(jī)隊(duì)會(huì)產(chǎn)生大量流視頻數(shù)據(jù)，與無線電頻率（當(dāng)前使用Ku頻段，未來使用Ka頻段）相比，激光鏈路可更快速地傳送這些數(shù)據(jù)。根據(jù)設(shè)計(jì)，一顆衛(wèi)星可以與4架無人機(jī)通信，速率達(dá)1.8 Gb/s，每架每小時(shí)數(shù)據(jù)量達(dá)1.6 Tb，4架共6.4 Tb[8]。

ESA及空客公司計(jì)劃為EDRS系統(tǒng)擴(kuò)展第三個(gè)地球同步軌道節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)將位于西太平洋上空，極有可能采用搭載載荷的形式，以實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。計(jì)劃名為“全球網(wǎng)”（GlobeNet），最終方案將于2015～2016年確定，根據(jù)目前的計(jì)劃，將采用兩個(gè)激光通信終端（Laser Communication Terminal，LCT）終端，包括驗(yàn)證GEO-GEO星間鏈路，衛(wèi)星定于2020年發(fā)射。通信業(yè)務(wù)考慮了不斷提高的保密通信要求，如對(duì)有效載荷的直接保密指揮控制以及更多的冗余要求和用于無人機(jī)敏感數(shù)據(jù)中繼的需求。LCT接口的互操作能力有利于國際合作，目前已納入國際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)（Consultative Committee for SPace Data SYstems，CCSDS）標(biāo)準(zhǔn)化程序作為輸入。

2.3 俄羅斯發(fā)展第二代“射線”衛(wèi)星

俄羅斯“射線”（Luch）數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)于20世紀(jì)80年代開始建設(shè)，到1999年第一代5顆衛(wèi)星（包括“Luch”和“Luch-2”）全部退役，俄羅斯有很長一段時(shí)間無中繼衛(wèi)星可用，與國際空間站的通信需要租用美國的TDRS衛(wèi)星，每天通信時(shí)間不足2.5 h。為了擁有獨(dú)立的通信鏈路，俄羅斯開始研制第二代Luch衛(wèi)星，并于2011～2014年間相繼發(fā)射了“Luch-5A”、“Luch-5B”和“Luch-5V”3顆衛(wèi)星（東經(jīng)167°、西經(jīng)16°、東經(jīng)95°），組成星座提供全球覆蓋，在國際空間站與地面飛行控制中心之間提供電視和數(shù)據(jù)通信。

Luch-5A星上兩副4.2 m天線，分別工作在S和Ku頻段；6條S/Ku信道：S頻率為2.3/2.1 GHz、0.4/1.7 GHz，容量為5 Mb/s；Ku頻率為15/11 GHz，容量為150 Mb/s；遙控遙測采用S頻段，采用“多站接入”方式；傳輸COSPAS/SARSAT國際救援系統(tǒng)自動(dòng)聲納浮標(biāo)信號(hào)，P頻段發(fā)射，L頻段接收；以P/L頻段收發(fā)Planeta-C系統(tǒng)的水文氣象數(shù)據(jù)；發(fā)送GLONASS系統(tǒng)“差分修正與監(jiān)測系統(tǒng)”信號(hào)。

Luch-5B有4條S和Ku頻段信道，無MSA中繼設(shè)備或COSPAS/SARSAT設(shè)備，增加了一條激光與無線電通信信道。

Luch-5V與Luch-5A相同。

2.4 日本

日本于2002年發(fā)射了ka頻段數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星試驗(yàn)星（Data RelaY Test Satellite，DRTS），目前仍在運(yùn)行，通信速率為240 Mb/s。隨著日本對(duì)地觀測衛(wèi)星高精度化的發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸需求激增。2008年，日本啟動(dòng)了下一代中繼衛(wèi)星激光通信終端的研制，設(shè)計(jì)目標(biāo)是使下一代中繼星與用戶星之間的通信速率達(dá)到2.5 Gb/s。2011年，日本宇航局（JaPan Aero_ sPace ExPloration AgencY，JAXA）提出兩個(gè)下一代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)方案，一個(gè)采用光通信技術(shù)，前/返向數(shù)據(jù)率達(dá)2.5/1.2 Gb/s[9]；另一個(gè)沒有采用光通信技術(shù)，只在DRTS基礎(chǔ)上進(jìn)行了提高，名為“DRTS-2”，整個(gè)方案與DRTS類似，只是提高了Ka頻段返向鏈路的數(shù)據(jù)率[10]。

2014年，日本宣布計(jì)劃于2019年發(fā)射“光數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”，采用光通信與射頻通信相結(jié)合的方案，使用激光和S/Ka頻段與“先進(jìn)光學(xué)衛(wèi)星”等低軌偵察衛(wèi)星進(jìn)行中繼通信，將數(shù)據(jù)傳送給筑波站和鳩山站，光通信的通信速率達(dá)1.8 Gb/s，使用壽命暫定10～15年。JAXA計(jì)劃同一年完成“先進(jìn)光學(xué)衛(wèi)星”和“光數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”的發(fā)射，以應(yīng)用于災(zāi)害的實(shí)時(shí)高分辨率觀測和高頻率的陸域和海域觀測。

3 關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展

在數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展過程中，各國對(duì)有關(guān)中繼衛(wèi)星的先進(jìn)技術(shù)和應(yīng)用開展了深入研究，以提高現(xiàn)有衛(wèi)星系統(tǒng)的性能，發(fā)展下一代系統(tǒng)。

3.1 激光通信技術(shù)

激光通信技術(shù)被NASA視為能改變游戲規(guī)劃的技術(shù)，可以成倍提高數(shù)據(jù)傳輸速率，緩解射頻頻譜的局限。由于通信光束很細(xì)，干擾和攔截困難，具有較好的對(duì)抗性，但缺點(diǎn)是易受大氣和天氣的影響，因此激光通信技術(shù)在深空通信中應(yīng)用前景良好。目前，由于技術(shù)發(fā)展水平和成熟度的限制，激光通信技術(shù)距離實(shí)際應(yīng)用還有差距，但是各個(gè)國家和地區(qū)都非常重視激光技術(shù)的研究和發(fā)展。

美國NASA于2013年和2014年分別進(jìn)行了兩次激光通信試驗(yàn)，即“月球光通信演示驗(yàn)證”（Lunar Laser Communications Demonstration，LLCD）和“激光通信光載荷”（OPtical PaYload for Lasercomm Sci_ ence，OPLAS），分別驗(yàn)證了622 Mb/s的月地激光通信和50 Mb/s近地軌道星地激光通信。以此為基礎(chǔ)，NASA計(jì)劃于2017年12月利用Loral商業(yè)通信衛(wèi)星進(jìn)行“激光通信中繼演示驗(yàn)證”（LCRD），為下一代中繼衛(wèi)星研發(fā)星地和星間激光通信技術(shù)（1.25 Gb/s），與此同時(shí)還會(huì)驗(yàn)證星上數(shù)據(jù)處理和延遲容忍網(wǎng)絡(luò)（DelaY Tolerant NetWork，DTN）技術(shù)[10-13]。

歐洲的激光通信技術(shù)目前處于世界領(lǐng)先地位，它們利用Artemis中繼試驗(yàn)星進(jìn)行了多年激光通信技術(shù)試驗(yàn)[14-18]。新一代衛(wèi)星EDRS中的關(guān)鍵設(shè)備——激光通信終端（Laser communication Termi_ nal，LCT）已研制兩代，2008年第一代LCT在德國TerraSAR-X衛(wèi)星和美國NFIRE衛(wèi)星之間進(jìn)行了激光星間鏈路通信試驗(yàn)，在5 000 km距離成功實(shí)現(xiàn)了5.6 Gb/s數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)在軌試驗(yàn)結(jié)果研制了第二代LCT，可在45 000 km距離上實(shí)現(xiàn)1.8 Gb/s數(shù)據(jù)傳輸。EDRS及其用戶星“哨兵”1A、2A、1B、2B衛(wèi)星上的LCT就是基于第二代LCT研制，數(shù)傳速率1.8 Gb/s，未來可擴(kuò)展至7.2 Gb/s。2014年11月27日在AlPhaSat衛(wèi)星與“哨兵”1A之間進(jìn)行了第二代LCT激光通信驗(yàn)證，測試速率達(dá)600 Mb/s，至2015年8月已成功進(jìn)行了100次高速激光通信試驗(yàn)，技術(shù)已臻成熟。

日本在2005年用DRTS、光通信實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星（OP_ tical Inter-orbit Communications Engineering Test Sat_ ellite，OICETS）和歐洲Artemis衛(wèi)星進(jìn)行了光通信技術(shù)驗(yàn)證，OICETS與Artemis之間進(jìn)行了100多次成功星間激光通信驗(yàn)證，重點(diǎn)是驗(yàn)證激光捕獲、跟蹤與指向技術(shù)。OICETS還與日本國家信息與通信技術(shù)研究所（NiPPon ExPort and Investment Insurance，NICT）以及德國航天局、ESA、NASA的光學(xué)地面站進(jìn)行了星地激光通信驗(yàn)證，證明未來大容量航天通信的可行性[9]。日本宇航局還將在國際空間站日本實(shí)驗(yàn)艙“希望號(hào)”的艙外實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上設(shè)置一臺(tái)衛(wèi)星光通信驗(yàn)證機(jī)。

俄羅斯曾利用GLONASS導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行過星間、星地激光測距與通信試驗(yàn)，其第二代中繼星Luch-5B衛(wèi)星中已增加了一條激光通信信道。

3.2 軟件無線電及組網(wǎng)技術(shù)

2013年4月，NASA利用發(fā)射到空間站上的“通信、導(dǎo)航、組網(wǎng)可重構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)”（Communication Navi_ gation and NetWorking Reconfigurable Testbed，CoN_ NeCT）與TDRS-K衛(wèi)星進(jìn)行了軟件無線電通信及DTN組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)。在LLCD試驗(yàn)中也進(jìn)行了激光DTN組網(wǎng)試驗(yàn)。

2013年JAXA與NASA合作利用DTRS及其地面終端進(jìn)行了雨衰情況下的DTN通信試驗(yàn)，一方面研究日本在未來采用DTN的可行性，一方面為CCSDS制定DTN標(biāo)準(zhǔn)提供幫助[19]。

3.3 多址技術(shù)與組陣技術(shù)

近幾年來，美國不斷改進(jìn)TDRSS的多址技術(shù)。TDRSS需址系統(tǒng)（DAS）利用TDRS多址天線、地面波束形成和擴(kuò)頻調(diào)制，按需為天基和地基用戶提供返向通信鏈路，無需通過業(yè)務(wù)調(diào)度就能每天24 h發(fā)送遙測和科學(xué)數(shù)據(jù)。現(xiàn)在的DAS系統(tǒng)是2004年安裝的，設(shè)備和技術(shù)都已過時(shí)。NASA目前研究了一個(gè)采用數(shù)字技術(shù)、以太網(wǎng)/IP組網(wǎng)技術(shù)、軟件無線電等新技術(shù)以及低成本COTS組件而形成的增強(qiáng)型DAS方案[20]，消除了對(duì)硬件資源的限制，其性能僅受多址用戶產(chǎn)生的自干擾的限制。它支持的用戶數(shù)是現(xiàn)在的3倍，新的波束形成器可同時(shí)支持32個(gè)波束，每個(gè)站至少有3個(gè)波束形成器。

需址技術(shù)還支持TDRS衛(wèi)星組陣。TDRS衛(wèi)星組陣就是將多顆TDRS衛(wèi)星接收的多址信號(hào)進(jìn)行組陣（見圖3），以提高信號(hào)增益，兩顆衛(wèi)星組陣可以產(chǎn)生3 dB增益，3顆衛(wèi)星組陣將產(chǎn)生4.8 dB增益。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于跟蹤低功率衛(wèi)星的微弱信號(hào)很有用，如立方體衛(wèi)星，因此可用于微小衛(wèi)星的跟蹤測控[4，20]。

圖3 TDRS衛(wèi)星組陣將提高鏈路性能[4]Fig.3 TDRS satellite arraYing for imProving link Performance

2011年NASA還提出一種基于DTN的多址快速前向（Multi-address Fast ForWard，MAFF）業(yè)務(wù)，能盡快為用戶提供前向鏈路[21]。雖然TDRS衛(wèi)星的前向鏈路采用了相控陣天線，但由于衛(wèi)星對(duì)設(shè)備的限制，每顆衛(wèi)星只有兩條前向鏈路，無法再增加更多的鏈路和相應(yīng)設(shè)備（如功放），因此用戶無法實(shí)現(xiàn)按需使用前向鏈路，最好的情況是盡快得到一條前向鏈路。MAFF利用DTN協(xié)議，在任務(wù)操作中心和地面站完成用戶數(shù)據(jù)處理，減少了多址前向鏈路的調(diào)度操作以及數(shù)據(jù)生成與傳輸之間的等待時(shí)間。

3.4 網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)

隨著空間對(duì)抗威脅日益加劇，測控網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)也提上日程。NASA 2015年針對(duì)TDRSS系統(tǒng)可能受到的網(wǎng)絡(luò)攻擊提出建立一個(gè)安全恢復(fù)系統(tǒng)，在受到攻擊時(shí)能重建安全的網(wǎng)絡(luò)通信[22]。具體做法是在全國設(shè)立幾十個(gè)指定站，每個(gè)站內(nèi)用一副接收天線和一部衛(wèi)星接收機(jī)建立一個(gè)固定或移動(dòng)的應(yīng)急地面站；在白沙綜合站內(nèi)的安全位置設(shè)立一個(gè)應(yīng)急控制中心，保存用戶的密鑰信息；在應(yīng)急地面站與應(yīng)急控制中心之間建立一個(gè)專用、安全、加密的單向虛擬專用網(wǎng)（Virtual Private NetWork，VPN），只能通過TDRS衛(wèi)星從應(yīng)急地面站向應(yīng)急控制中心單向傳輸應(yīng)急地面站的狀態(tài)信息和收到數(shù)據(jù)的確認(rèn)信息。在TDRSS受到攻擊出現(xiàn)通信中斷時(shí)，指定站立即建立應(yīng)急地面站，發(fā)送表明聯(lián)機(jī)狀態(tài)的加密信息。應(yīng)急控制中心收到正確確認(rèn)信息后，生成一個(gè)多址前向信息隊(duì)列，向所有指定站發(fā)送基本恢復(fù)數(shù)據(jù)。TDRSS利用前述新型“多址快速前向業(yè)務(wù)”（MAFF）調(diào)度一顆或多顆TDRS衛(wèi)星向每個(gè)應(yīng)急地面站發(fā)送恢復(fù)信息，直到多址前向信息隊(duì)列為空。應(yīng)急地面站利用VPN將收到恢復(fù)數(shù)據(jù)的確認(rèn)信息返回應(yīng)急控制中心。如果沒有收到確認(rèn)信息，TDRSS會(huì)再次調(diào)度多址前向業(yè)務(wù)，最后將應(yīng)急地面站下載的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到需要恢復(fù)數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

4 未來發(fā)展趨勢分析

4.1 采用激光通信技術(shù)提高數(shù)據(jù)傳輸速率

如前所述，激光通信技術(shù)可以極大地提高數(shù)據(jù)傳輸速率，目前由于技術(shù)還不夠成熟，距離實(shí)際應(yīng)用還有差距。從各國和地區(qū)下一代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的方案看，俄羅斯、歐洲、美國和日本均考慮了激光通信技術(shù)。俄羅斯在現(xiàn)役衛(wèi)星中已加入了激光通信信道。歐洲在激光通信領(lǐng)域具有絕對(duì)優(yōu)勢，其下一代系統(tǒng)方案無論怎樣變化，采用激光通信技術(shù)的決心從未變過。近幾年文獻(xiàn)資料表明，歐洲在激光通信技術(shù)和設(shè)備研制方面成果卓著，隨著發(fā)射日期的臨近，激光通信技術(shù)投入實(shí)用指日可待。美國和日本都給出了只采用射頻系統(tǒng)和增加激光通信系統(tǒng)兩種方案，日本最終選擇了采用激光通信的方案。美國雖然還未最終確定，但近幾年也在積極開展演示驗(yàn)證，并將激光通信技術(shù)列入NASA技術(shù)發(fā)展路線圖。采用激光通信技術(shù)是中繼衛(wèi)星未來必然發(fā)展趨勢。

4.2 衛(wèi)星平臺(tái)多樣化

美國于2013年先后發(fā)布《抗毀與分解式航天體系架構(gòu)》白皮書和《軍事衛(wèi)星通信的未來》報(bào)告，針對(duì)日益對(duì)抗的空間環(huán)境，提出采用“分解式”思想，將大型衛(wèi)星的功能分解給小衛(wèi)星和寄宿有效載荷來完成，以提高航天系統(tǒng)的抗毀能力和經(jīng)濟(jì)可承受性。這個(gè)思想已體現(xiàn)在美國下一代航天系統(tǒng)體系的構(gòu)建中。目前，美國提出的下一代偵察衛(wèi)星、預(yù)警衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星均采用小衛(wèi)星平臺(tái)或搭載載荷的形式。這個(gè)思想也同樣體現(xiàn)在中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。美國的中繼衛(wèi)星方案采用小衛(wèi)星星座形式，歐洲采用專用衛(wèi)星與搭載載荷相結(jié)合的形式，使中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的構(gòu)建更加靈活多樣，也提高了衛(wèi)星系統(tǒng)的彈性。

4.3 利用組網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)

如前所述，美國、日本均利用中繼衛(wèi)星進(jìn)行了DTN技術(shù)試驗(yàn)和軟件無線電技術(shù)驗(yàn)證，為未來構(gòu)建互聯(lián)互通的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)打下基礎(chǔ)。歐洲提出增加第3顆EDRS衛(wèi)星，利用激光通信鏈路構(gòu)建中繼衛(wèi)星之間的星間鏈路，屆時(shí)中繼衛(wèi)星星座將構(gòu)成一個(gè)互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)。美國提出的中繼衛(wèi)星方案具備與GEO以上航天器通信的能力，未來美國將在月球、火星建設(shè)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，這些中繼衛(wèi)星與地球的中繼衛(wèi)星一起，將利用組網(wǎng)技術(shù)構(gòu)成行星際網(wǎng)絡(luò)的骨干網(wǎng)。

5 結(jié)束語

數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)作為天基測控系統(tǒng)的重要組成部分，受到了各國的重視。我國也建立了自己的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，并正在發(fā)展第二代系統(tǒng)?？v觀其他國家和地區(qū)對(duì)下一代衛(wèi)星系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，無論是系統(tǒng)構(gòu)建形式還是新技術(shù)的應(yīng)用都發(fā)生了較大變化。我們應(yīng)結(jié)合本國國情和未來的載人與不載人航天任務(wù)需求，利用激光通信、DTN組網(wǎng)、軟件無線電等先進(jìn)技術(shù)，充分挖掘中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的應(yīng)用潛力，構(gòu)建適合自己的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。在空間博弈日漸激烈的新形式下，如何建立抗干擾、抗摧毀、抗網(wǎng)絡(luò)攻擊的彈性衛(wèi)星系統(tǒng)值得深思。

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楊紅?。?970—），女，湖北荊門人，高級(jí)工程師，主要從事軍事電子系統(tǒng)工程情報(bào)研究工作。

YANG Hongjun Was born in Jingmen，Hu_ bei Province，in 1970.She is noW a senior engi_ neer.She is engaged in defense scientific intelli_ gence research.

Email：Yanghj@sWiet.com.cn

Latest Development Progress and Trends of Foreign Data Relay Satellite Systems

YANG Hongjun
（SouthWest China Institute of Electronic TechnologY，Chengdu 610036，China）

As a sPace-based TT＆C sYstem，data relaY satellite sYstem can imProve user coverage With re_ duced ground station number and oPeration cost，so it has being develoPed greatlY in manY major sPace PoWers，including U.S.，Russia，EuroPe，and JaPan.In recent Years，these satellites’sPace and ground segments are uPgraded and rePlaced，and the next generation satellite solution has being ProPosed and im_ Plemented using advanced technologies such as laser communication，softWare defined radio，and netWor_ king，and flexible architecture such as small satellite constellation or hosted PaYload.A data relaY satellite sYstem across solar sYstem incorPorated relaY satellites on Planets is Planned.For these data relaY satellite sYstems，the current situation and develoPment are discussed，and the keY technologies and future trends are analYzed.Some advices on China's data relaY satellite sYstem develoPment are Provided.

data relaY satellite sYstem；keY technologies；future trends；laser communication；softWare de_ fined radio；DTN netWorking

V556.8

A

1001-893X（2016）01-0109-08

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.01.020

楊紅俊.國外數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)最新發(fā)展及未來趨勢[J].電訊技術(shù)，2016，56（1）：109-116.[YANG Hongjun.Latest develoPment Progress and trends of foreign data relaY satellite sYstems[J].Telecommunication Engineering，2016，56（1）：109-116.]

2015-10-14；

2016-01-11 Received date：2015-10-14；Revised date：2016-01-11

**通信作者：Yanghj@sWiet.com.cn Corresponding author：Yanghj@sWiet.com.cn