文/楊詩瑞

▲ 中繼衛(wèi)星服務(wù)空間站等航天器

研制數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星，需要攻克眾多特有的關(guān)鍵技術(shù)，難度極大，故其發(fā)展相對(duì)緩慢。美國從提出中繼衛(wèi)星概念到發(fā)射第一代中繼衛(wèi)星首星，間隔約20年，再到第二代星座首星發(fā)射，又間隔了17年。

總體而言，數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展路線是采用更先進(jìn)的衛(wèi)星平臺(tái)，升級(jí)天線，采用新型無線電頻段技術(shù)和鏈路調(diào)制體制等，提升衛(wèi)星綜合能力，向用戶提供類型更多、功能更強(qiáng)的服務(wù)。與此同時(shí)，近地航天任務(wù)、深空探測(cè)任務(wù)以及臨近空間、低空超高速飛行等不同應(yīng)用場景都對(duì)中繼衛(wèi)星提出了不同的服務(wù)要求，推動(dòng)中繼衛(wèi)星由傳統(tǒng)全功能型向?qū)I(yè)型方向發(fā)展。各航天大國通過創(chuàng)新體系架構(gòu)，采用新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和星座技術(shù)，持續(xù)推動(dòng)新一代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)，完備中繼衛(wèi)星體系，滿足未來航天任務(wù)需求。

以技術(shù)發(fā)展推動(dòng)衛(wèi)星性能提升

數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的主要載荷是天線陣列，傳統(tǒng)全功能型中繼衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展主要體現(xiàn)在單址信道性能、天線配置、數(shù)傳速率等方面的提升。

美國第一代中繼衛(wèi)星載荷包括1副由30個(gè)螺旋天線單元組成的S頻段多址鏈路相控陣天線以及2副4.9米口徑的可轉(zhuǎn)動(dòng)式S、Ku雙頻段單址鏈路拋物面天線。星間鏈路工作在S、Ku雙頻段，星地鏈路工作于Ku頻段，S頻段多址接入前向與返向速率300千比特/秒，單址接入最高傳輸速率10兆比特/秒，Ku頻段單址接入前向速率25兆比特/秒，返向速率150兆比特/秒。

經(jīng)過第二代系統(tǒng)過渡，美國第三代中繼衛(wèi)星性能有較大提高，采用了波音公司BSS-601HP平臺(tái)，同樣搭載2副單址天線和1副多址相控陣天線，單址天線提供Ku、Ka和S頻段通信，相控陣天線采用新的S頻段多址天線技術(shù)，并引入低密度奇偶校驗(yàn)碼、Turbo乘積碼、8PSK調(diào)制等新調(diào)制形式，Ka頻段對(duì)單址用戶的傳輸速度達(dá)到800兆比特/秒。

激光通信技術(shù)可以極大提高數(shù)據(jù)傳輸速率，實(shí)現(xiàn)通信載荷的小型化、輕型化和低功耗，提高接收靈敏度，同時(shí)具有保密性好、抗干擾和抗截獲能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，是中繼衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展的重要方向。由于受大氣湍流影響很大，激光通信主要應(yīng)用于星間鏈路，已進(jìn)入實(shí)用化階段。美國第四代中繼衛(wèi)星研制階段已明確增加激光鏈路，其激光終端傳輸速率可達(dá)72兆比特/秒～2.88吉比特/秒，未來應(yīng)用于中繼衛(wèi)星時(shí)，速率有望超過10吉比特/秒。

歐空局在中繼衛(wèi)星激光鏈路技術(shù)領(lǐng)域可謂全球領(lǐng)先，2001年發(fā)射的第一顆技術(shù)試驗(yàn)型中繼衛(wèi)星配備激光通信載荷，從2003年4月開始為法國SPOT-4光學(xué)衛(wèi)星和歐空局Envisat雷達(dá)衛(wèi)星提供高速數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，其中SPOT-4衛(wèi)星使用激光中繼鏈路。

自2016年開始，歐空局發(fā)射部署第二代中繼衛(wèi)星。其中，EDRS-A衛(wèi)星配置2副單址天線，分別提供激光和Ka頻段星間通信鏈路，激光返向數(shù)據(jù)傳輸速率最高達(dá)1.8吉比特/秒，Ka頻段返向最高達(dá)300兆比特/秒；EDRS-C衛(wèi)星只有激光通信終端，指標(biāo)與EDRS-A衛(wèi)星相同。

日本衛(wèi)星激光通信技術(shù)發(fā)展非常迅速。2002年日本發(fā)射第一代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星，配備S和Ka頻段星間鏈路，傳輸速率240兆比特/秒。2020年日本發(fā)射第二顆數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星，直接跨入光通信階段，采用光通信與射頻通信相結(jié)合方案，聯(lián)合使用激光和S、Ka頻段，與“先進(jìn)光學(xué)衛(wèi)星”等低軌偵察衛(wèi)星共同建立中繼鏈路，激光通信速率達(dá)到1.8吉比特/秒。

隨著認(rèn)知無線電和軟件定義無線電技術(shù)成熟，星載器件能力提升，中繼衛(wèi)星鏈路將根據(jù)干擾狀況、大氣環(huán)境狀態(tài)等進(jìn)行自適應(yīng)實(shí)時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)鏈路參數(shù)與環(huán)境狀態(tài)的最佳匹配，提高數(shù)據(jù)傳輸容量，還能根據(jù)系統(tǒng)使用情況，通過軟件加載手段，隨時(shí)升級(jí)和改進(jìn)鏈路調(diào)制體制。

▲ 中繼衛(wèi)星完全展開

▲ 中繼衛(wèi)星使用激光傳輸數(shù)據(jù)

構(gòu)建新型數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星體系架構(gòu)

我們先簡單盤點(diǎn)一番各國中繼衛(wèi)星體系的現(xiàn)狀。

目前美國正發(fā)展第三代中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，其第一代中繼衛(wèi)星TDRS-1和TDRS-4已離軌報(bào)廢，其余4顆衛(wèi)星仍在軌服役，第二代和第三代各3顆衛(wèi)星均正常運(yùn)行，共計(jì)10顆中繼衛(wèi)星在軌，建成了世界上系統(tǒng)最完備、應(yīng)用規(guī)模最大的中繼衛(wèi)星體系，實(shí)現(xiàn)了全球覆蓋，用戶航天器接入系統(tǒng)日均近千次。

俄羅斯中繼衛(wèi)星系統(tǒng)目前有3顆第二代“射線”衛(wèi)星在軌服役，定點(diǎn)于東、中、西3個(gè)節(jié)點(diǎn)（東經(jīng)167度，東經(jīng)95度，西經(jīng)16度），實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)全球覆蓋，用戶航天器接入系統(tǒng)日均近百次。

歐空局中繼衛(wèi)星系統(tǒng)由2顆地球同步衛(wèi)星和地面系統(tǒng)組成，衛(wèi)星定點(diǎn)于東經(jīng)9度和東經(jīng)31度附近，實(shí)現(xiàn)區(qū)域覆蓋，用戶航天器接入系統(tǒng)日均數(shù)十次。

日本有1顆中繼衛(wèi)星在軌，達(dá)到區(qū)域覆蓋，用戶航天器接入系統(tǒng)日均數(shù)十次。

2021年12月，中國天鏈二號(hào)02星發(fā)射升空，與天鏈一號(hào)星座、天鏈二號(hào)01星協(xié)同工作，由此，中國發(fā)射中繼衛(wèi)星達(dá)到7顆，建成世界上第二個(gè)全球覆蓋的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。

必須認(rèn)識(shí)到，各國由于應(yīng)用需求的差別，中繼衛(wèi)星系統(tǒng)規(guī)模和體系架構(gòu)有較大差異。

美國運(yùn)行著世界上最龐大的空間和地面航天基礎(chǔ)設(shè)施。為支持本國及國際合作伙伴運(yùn)行的空間任務(wù)，巨大需求催生了最龐大的天基中繼體系，向各類用戶提供測(cè)控和通信服務(wù)，尤其是滿足載人航天的全時(shí)測(cè)控和通信保障需求。為了實(shí)現(xiàn)天地測(cè)控一體化，與地面測(cè)控網(wǎng)的測(cè)控頻段保持一致，美國重點(diǎn)發(fā)展S頻段測(cè)控技術(shù)。

蘇聯(lián)時(shí)期建有龐大的空間基礎(chǔ)設(shè)施，大力發(fā)展載人航天事業(yè)，建成了規(guī)模龐大的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星體系。不過，2000年以后，受經(jīng)費(fèi)限制，俄羅斯航天活動(dòng)收縮，其中繼衛(wèi)星數(shù)量也縮減很多。

相比昔日美蘇兩強(qiáng)，歐空局的空間基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量較少，不能獨(dú)立開展載人航天任務(wù)，研制中繼衛(wèi)星，主要是為了向衛(wèi)星提供高速下行數(shù)據(jù)鏈路，為衛(wèi)星、載人航天器和運(yùn)載火箭跟蹤提供低速下行鏈路業(yè)務(wù)，發(fā)展重點(diǎn)是微波和光通信技術(shù)在星間鏈路中的應(yīng)用。

另一方面，隨著衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展，除了傳統(tǒng)全功能型，數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星也在向分布式、專業(yè)化方向發(fā)展。

歐空局EDRS-A和EDRS-C都不是獨(dú)立的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星：EDRS-A作為功能獨(dú)立的中繼載荷，搭載在通信衛(wèi)星上；EDRS-C既是中繼衛(wèi)星，又搭載了其他功能的通信載荷，共用平臺(tái)。歐空局這種專用衛(wèi)星與多功能載荷相結(jié)合的形式使中繼衛(wèi)星系統(tǒng)構(gòu)建更加靈活多樣，提高了系統(tǒng)彈性。

隨著小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展以及分布式天基系統(tǒng)建設(shè)思路逐漸成熟，美國提出，下一代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星將不會(huì)把全部新技術(shù)集成到1顆衛(wèi)星上，而是在新構(gòu)架下將不同的服務(wù)在多個(gè)航天器上實(shí)現(xiàn)。這種“分離”方式可以獨(dú)立補(bǔ)充現(xiàn)有的衛(wèi)星服務(wù)能力，還可以根據(jù)需求和技術(shù)成熟度來提供新服務(wù)。因此，下一代中繼衛(wèi)星可能向全功能型、中繼和移動(dòng)型、測(cè)控與導(dǎo)航型、高速數(shù)據(jù)中繼與通信型等多個(gè)專業(yè)方向發(fā)展，以星座組網(wǎng)方式提供數(shù)據(jù)傳輸、中繼等服務(wù)。

▲ 歐空局?jǐn)?shù)據(jù)中繼衛(wèi)星

▲ 歐空局“火星快車”充當(dāng)?shù)鼗鹜ㄐ胖欣^衛(wèi)星

拓展行星際通信中繼

在深空探測(cè)活動(dòng)中，由于距離十分遙遠(yuǎn)，探測(cè)器的重量和功率受到極大限制，研制專用中繼衛(wèi)星是提高探測(cè)能力的必要途徑。

此外，在一些特定的探測(cè)區(qū)域和時(shí)段，探測(cè)器無法與地球直接聯(lián)系。如月球背面始終背朝地球，月球南極約有一半時(shí)間在地球上不可見；火星、木星等行星軌道面與地球相近，以不同公轉(zhuǎn)周期運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)存在連續(xù)幾個(gè)月的太陽阻隔干擾期，探測(cè)器將長期與地球失聯(lián)。發(fā)射專用中繼衛(wèi)星是解決這些問題的關(guān)鍵。

“嫦娥四號(hào)”任務(wù)實(shí)現(xiàn)了探測(cè)器首次月球背面軟著陸，成功前提就是發(fā)射鵲橋中繼衛(wèi)星。2018年5月，鵲橋中繼衛(wèi)星發(fā)射升空，進(jìn)入繞地月L2點(diǎn)的Halo軌道。該軌道位于距地球40多萬千米、距月球6.5萬千米的地月延長線上，地月兩大天體的引力和離心力在此達(dá)成巧妙平衡，“鵲橋”僅用少量燃料，即可保持平穩(wěn)，同時(shí)“看見”月背與地球。

2019年1月3日，在“鵲橋”的支持下，嫦娥四號(hào)探測(cè)器順利著陸在月球背面預(yù)定區(qū)域，并把月背近景和玉兔二號(hào)月球車的工作影像傳回地面。在整個(gè)任務(wù)過程中，“鵲橋”為“嫦娥四號(hào)”搭建起地月通信“生命線”，確保通信和數(shù)據(jù)傳輸鏈路暢通，保障著陸器和巡視器載荷順利開機(jī)，開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并將大量科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)傳回地球。

在中國火星探測(cè)任務(wù)中，天問一號(hào)探測(cè)器環(huán)繞器配置2.5米口徑的高增益天線，在與著陸巡視器分離后，調(diào)整進(jìn)入中繼通信軌道，實(shí)施為期約3個(gè)月的中繼通信任務(wù)，構(gòu)建起著陸巡視器與地球測(cè)控站的通信鏈路，向地面?zhèn)骰鼗鹦潜砻鎴D像。

2021年11月，中歐火星探測(cè)器開展在軌中繼通信試驗(yàn)，由祝融號(hào)火星車向歐空局火星快車軌道器發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù)，再由“火星快車”將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給歐空局深空測(cè)控站，轉(zhuǎn)發(fā)至北京航天飛行控制中心，試驗(yàn)取得圓滿成功。天問一號(hào)探測(cè)器環(huán)繞器在此試驗(yàn)期間功不可沒。

人類逐步進(jìn)入“深空大航?！睍r(shí)代，抵近太陽探測(cè)、月球探測(cè)、火星探測(cè)、木星探測(cè)、太陽系邊緣探測(cè)等方興未艾，行星際測(cè)控通信導(dǎo)航是人類開拓星空所面臨的重要問題。

美國通過空間通信與導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，已具備綜合空間通信與跟蹤能力，實(shí)現(xiàn)全天時(shí)深空通信能力，通過持續(xù)發(fā)射服務(wù)月球、火星等任務(wù)的中繼衛(wèi)星，逐漸覆蓋太陽系范圍，保障任意時(shí)間、任意位置的地球與月球、地球與火星的通信連通性。

中國正在研制、發(fā)射通用的星際中繼通信衛(wèi)星星座，打造全球深空探測(cè)通信基礎(chǔ)設(shè)施，鋪就人類“星際互聯(lián)網(wǎng)”，未來有望為金星到小行星帶乃至木星軌道范圍內(nèi)的各類深空飛行器提供無縫覆蓋的商業(yè)化測(cè)控通信導(dǎo)航服務(wù)。

未來，星際間通行中繼網(wǎng)絡(luò)將成為人類遨游星空的基礎(chǔ)支撐。