天鏈一號(hào)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星在軌發(fā)展方向

天鏈一號(hào)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星在軌發(fā)展方向

1應(yīng)用效果和前景自人類進(jìn)入宇宙以來(lái)，他們一直使用宇宙站來(lái)工作和管理模擬。但在實(shí)踐中人們逐漸認(rèn)識(shí)到:由于地球曲率和無(wú)線電波直線傳播特性的影響,低軌(LEO)觀測(cè)衛(wèi)星的傳輸效率(可進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸?shù)臅r(shí)間和衛(wèi)星在軌時(shí)間之比)很低,單個(gè)地球站一天中只有大約30min時(shí)間和一顆高500km圓軌道的衛(wèi)星建立無(wú)線聯(lián)系,傳輸效率不到3%。此外,載人航天對(duì)實(shí)時(shí)聯(lián)絡(luò)的高要求也得不到滿足,采用擴(kuò)充地基站網(wǎng)的辦法不能從根本上解決問(wèn)題。人們開始思考體系結(jié)構(gòu)和工作模式上的根本變化,提出數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星(以下簡(jiǎn)稱中繼衛(wèi)星)的概念。中繼衛(wèi)星一般采用地球靜止軌道(GEO),用戶航天器和地球站之間的信息傳輸通過(guò)它中轉(zhuǎn)完成。它有利的幾何位置,有效地解決了上述問(wèn)題,使其具有實(shí)時(shí)性好和軌道覆蓋率高等方面的突出優(yōu)點(diǎn),極大地提高了低軌觀測(cè)衛(wèi)星的傳輸效率。中繼衛(wèi)星是一種性能特殊的衛(wèi)星,研制難度很大,必須攻克許多特有的關(guān)鍵技術(shù),主要有以下幾項(xiàng):高速運(yùn)動(dòng)航天器之間的精密捕獲跟蹤技術(shù);極大電尺寸的可展開、多頻段(如Ka、Ku和S頻段等)跟蹤天線技術(shù);衛(wèi)星姿態(tài)和天線指向的復(fù)合控制技術(shù);極寬頻帶、多頻段轉(zhuǎn)發(fā)器技術(shù)等。經(jīng)過(guò)數(shù)年努力,我國(guó)掌握了上述先進(jìn)技術(shù),并于2008年4月成功發(fā)射了首顆GEO中繼衛(wèi)星——天鏈一號(hào)01星。我國(guó)首個(gè)天基測(cè)控和數(shù)據(jù)“中轉(zhuǎn)站”正式建立,開辟了一個(gè)新的衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域。到目前為止,它已在軌正常運(yùn)行3年,發(fā)揮了極其重要的作用,取得了極大的經(jīng)濟(jì)效益:1)2008年9月26日至28日,圓滿完成為神舟七號(hào)載人飛船的數(shù)據(jù)中繼、測(cè)控和跟蹤任務(wù),成功實(shí)現(xiàn)了我國(guó)天基信息傳輸?shù)闹卮笸黄?2)為中低軌遙感衛(wèi)星進(jìn)行日常數(shù)據(jù)中繼服務(wù):近3年來(lái),它傳回了大量用戶航天器在我國(guó)地球站不可見弧段獲得的圖像和高速數(shù)據(jù),大大增加了用戶航天器傳輸效率和信息的實(shí)時(shí)性;3)完成了其他類型用戶的數(shù)據(jù)中繼、測(cè)控試驗(yàn)等任務(wù)。圖1給出了某設(shè)定的GEO數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星對(duì)典型太陽(yáng)同步軌道(SolarSynchronizationOrbit,SSO)衛(wèi)星的覆蓋范圍示意圖,它可實(shí)現(xiàn)50%左右的軌道覆蓋;圖中還示出了在同樣情況下北京地球站的覆蓋弧段(兩個(gè)弧圈代表地球站最低工作仰角分別為5°和10°的情況),從中可看出中繼衛(wèi)星在覆蓋性上顯現(xiàn)出的巨大優(yōu)勢(shì)。天鏈一號(hào)01星解決了我國(guó)在這一嶄新領(lǐng)域的“有無(wú)”問(wèn)題,為今后的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但它畢竟只是單星,覆蓋和容量有限。為了滿足迅速增長(zhǎng)的用戶需求,逐步構(gòu)建高性能(如高傳輸速率和100%軌道覆蓋率等)和具有中國(guó)特色的中繼衛(wèi)星組網(wǎng)系統(tǒng),將是擺在我們面前的重要課題。一般說(shuō)來(lái),建立一個(gè)大型航天系統(tǒng)是一項(xiàng)耗資巨大、歷時(shí)數(shù)年的工程項(xiàng)目,必須根據(jù)我國(guó)國(guó)情、用戶需求和發(fā)展趨勢(shì)在“大系統(tǒng)”層面(包括衛(wèi)星、應(yīng)用、運(yùn)載、測(cè)控、發(fā)射場(chǎng)和用戶航天器等)進(jìn)行仔細(xì)論證。本文僅從作者的工程實(shí)踐出發(fā),對(duì)這一系統(tǒng)的建設(shè)提出一些建議。2國(guó)外中等衛(wèi)星系統(tǒng)研制歐洲和日本各自都只發(fā)射了一顆GEO試驗(yàn)中繼衛(wèi)星:歐洲是于2001年7月發(fā)射的阿特米斯(Artemis)衛(wèi)星,它是一顆集中繼載荷、移動(dòng)通信載荷和其他試驗(yàn)項(xiàng)目為一體的技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星;日本是于2002年9月發(fā)射的數(shù)據(jù)中繼試驗(yàn)衛(wèi)星(DRTS)。這兩顆中繼試驗(yàn)衛(wèi)星均獲得了在軌成功運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn),但只是單星工作,未形成組網(wǎng)系統(tǒng)。歐洲在20世紀(jì)90年代曾有過(guò)一個(gè)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星(DRS)組網(wǎng)計(jì)劃,但后來(lái)因故廢止;近年來(lái),在歐洲航天局先進(jìn)通信衛(wèi)星系統(tǒng)研究(AdvancedResearchonTelecommunicationSatelliteSystem-7,ARTES-7)項(xiàng)目中,重新開展歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星(EDRS)的論證,但由于規(guī)定要采取政府和私營(yíng)企業(yè)合作的開發(fā)模式(Public-PrivatePartnership),程序較為復(fù)雜,還未見到選定未來(lái)的合作伙伴(可能的競(jìng)爭(zhēng)者有:Astrium,Eutelsat和Telespazio三個(gè)公司)和最終技術(shù)方案的官方報(bào)道。日本還沒有發(fā)射后繼星和組網(wǎng)建設(shè)計(jì)劃。俄羅斯雖建立了自己的射線(Loutch)GEO中繼衛(wèi)星系統(tǒng),但只在經(jīng)度間隔約111°的靜止軌道位置(16°W和95°E)上布置了衛(wèi)星,而未形成全球覆蓋能力。美國(guó)是最早研制中繼衛(wèi)星的國(guó)家,從1983年起已成功發(fā)射兩代共9顆GEO軌道跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星(TDRS),目前仍有8顆在軌組網(wǎng)運(yùn)行,NASA于2007年和波音公司簽訂合同,用BSS-601HP平臺(tái)研制第三代中繼衛(wèi)星TDRS-K和TDRS-L(預(yù)計(jì)于2012年4月和2013年2月發(fā)射)。美國(guó)是世界上唯一擁有具備全球覆蓋能力的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的國(guó)家。如圖2所示,美國(guó)的系統(tǒng)在太平洋、大西洋和印度洋上空都布有中繼衛(wèi)星,形成了環(huán)球的、近似均布的3組星群(或星),具有對(duì)大多數(shù)衛(wèi)星100%軌道覆蓋的能力(由于是GEO,在兩極地區(qū)存在高度低于75km的盲區(qū),如果考慮約20km厚的大氣層對(duì)電波傳播的影響,這一高度將升為95km)。為了運(yùn)營(yíng)這一系統(tǒng),美國(guó)除了在本土建立了龐大的白沙控管地球站外,還在關(guān)島和澳大利亞設(shè)置了相應(yīng)的地球站。該系統(tǒng)已成功運(yùn)營(yíng)20多年,積累了不少經(jīng)驗(yàn)。3中國(guó)長(zhǎng)距離衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)展的建議3.1國(guó)內(nèi)低軌航天器的應(yīng)用前景一般說(shuō)來(lái),可設(shè)想為如下幾方面:1)只在我國(guó)本土設(shè)置控管地球站,以便能擺脫國(guó)際政治形勢(shì)變化的影響,擁有完全獨(dú)立自主的天基信息傳輸系統(tǒng)。這一點(diǎn)對(duì)建設(shè)我國(guó)的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)尤為關(guān)鍵,具有極其重要的戰(zhàn)略意義;2)適應(yīng)我國(guó)逐步發(fā)展的用戶需求(如數(shù)據(jù)速率、服務(wù)時(shí)間、使用頻度、用戶航天器種類及特點(diǎn)等);3)對(duì)中低軌航天器有100%的軌道覆蓋率;4)具有良好的后續(xù)應(yīng)用拓展前景(如GEO和地月空間等);5)成本較低、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較小等。3.2比較不同的方法3.2.1用戶星網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)回掃和回掃時(shí)間此即是美國(guó)多年成功運(yùn)營(yíng)的TDRS系統(tǒng),在可行性方面沒有問(wèn)題。但應(yīng)指出:這一系統(tǒng)要在國(guó)外設(shè)站,明顯不適合我國(guó)國(guó)情;由印度洋上空的衛(wèi)星中繼下傳到關(guān)島地球站的信息,還必須通過(guò)別的手段(如其他衛(wèi)星鏈路等)傳回美國(guó)本土,這在數(shù)據(jù)速率高(如幾百兆比特每秒等)的情況相當(dāng)困難;另外,在最壞情況下,用戶航天器要經(jīng)過(guò)三顆中繼衛(wèi)星接力工作,才能完成一圈的數(shù)據(jù)回傳任務(wù),轉(zhuǎn)換中繼衛(wèi)星時(shí),用戶星天線的回掃和重新捕獲跟蹤要占用一定時(shí)間,這使得中繼效率λr(實(shí)際提供中繼服務(wù)的時(shí)間和理論可利用弧段之比)降低(考慮到目前高數(shù)據(jù)速率的用戶星中繼終端天線,還都采用機(jī)械掃描方式,根據(jù)現(xiàn)有的工程數(shù)據(jù)估算,一次轉(zhuǎn)換約需2～3min時(shí)間,每圈將可能中斷3次,共中斷約6～9min服務(wù)時(shí)間)。這就是說(shuō),對(duì)于在最壞情況下,即使這一系統(tǒng)具有100%的理論軌道覆蓋率,實(shí)際上也只能提供間斷的、非100%覆蓋的中繼服務(wù),這對(duì)完整性和實(shí)時(shí)性要求高的用戶將是個(gè)明顯的不足,盡量減少這一中斷的次數(shù)和時(shí)間,將是今后發(fā)展和努力的方向。3.2.2星間鏈路、無(wú)線系統(tǒng)為了滿足只在我國(guó)本土設(shè)站又達(dá)到100%理論軌道覆蓋的要求,可在中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星之間再多設(shè)立一條星間鏈路,在地球背面定點(diǎn)的中繼衛(wèi)星,通過(guò)此星間鏈路及其他中繼衛(wèi)星和地面控管站聯(lián)系,這就是具有附加星間鏈路的GEO三星均布系統(tǒng)設(shè)想。但是,近期實(shí)現(xiàn)這一想法的技術(shù)難度相當(dāng)大。這是由于中繼衛(wèi)星返向數(shù)據(jù)傳輸速率相當(dāng)高(目前已達(dá)幾百兆比特每秒),系統(tǒng)中星間鏈路的傳輸距離很長(zhǎng)(一般可達(dá)73000km),遠(yuǎn)高于一般衛(wèi)星星座的星間鏈路要求。如果采用射頻(如Ka頻段)的方式,將要求在中繼衛(wèi)星上加設(shè)較大口徑天線和相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)器等設(shè)備。另外,在故障情況下,在地球背面定點(diǎn)的中繼衛(wèi)星的應(yīng)急天基測(cè)控,也是一個(gè)十分棘手和高成本的問(wèn)題。只有將來(lái)高可靠、高精度、高傳輸速率、大功率的星載激光器技術(shù)取得明顯突破,這一設(shè)想才有工程實(shí)現(xiàn)的可能。3.2.3國(guó)內(nèi)軌道系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)20世紀(jì)80年代以來(lái),由于全球覆蓋移動(dòng)通信衛(wèi)星的興起,人們對(duì)LEO和MEO衛(wèi)星星座的研究取得突破,并成功建成“銥星”(Iridium)和“全球星”(Globalstar)等移動(dòng)通信衛(wèi)星星座系統(tǒng)。在此背景下,有人試圖探討這類星座用于中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的可能性。由于LEO衛(wèi)星星座的軌道太低,不大可能用作中繼衛(wèi)星,故只有關(guān)于MEO星座方面的報(bào)道。計(jì)算表明,采用簡(jiǎn)單的玫瑰(Rosette)星座(軌道高度13892km,軌道傾角53.1°,6個(gè)軌道面,軌道面升交點(diǎn)經(jīng)度差60°,相鄰軌道面相鄰衛(wèi)星相位差240°的6星系統(tǒng)),即可實(shí)現(xiàn)對(duì)50km以上空域的連續(xù)覆蓋;此外,這一設(shè)想還有只在我國(guó)本土設(shè)站,控管站工作仰角較高的優(yōu)點(diǎn)。但是,這種中繼衛(wèi)星系統(tǒng)存在明顯的缺點(diǎn)(特別是對(duì)用戶航天器數(shù)據(jù)中繼速率高的情況),主要有以下幾方面:1)對(duì)于同樣容量的系統(tǒng),它需要數(shù)量較多的衛(wèi)星,這種設(shè)想的系統(tǒng)至少需要6顆衛(wèi)星;2)每顆衛(wèi)星必須具有3條星間鏈路(1條用于用戶航天器,2條用于星座衛(wèi)星間),而前述的方案只要1條;3)星上跟蹤天線技術(shù)復(fù)雜、數(shù)量多;星上對(duì)地天線也必須有捕獲跟蹤功能,對(duì)衛(wèi)星姿控系統(tǒng)要求高;4)要求衛(wèi)星具有復(fù)雜的星上處理能力;5)要求單星通信能力是地球靜止軌道中繼衛(wèi)星的2倍以上;6)不易拓展到地球靜止軌道或地月空間的中繼服務(wù);7)由于要連續(xù)跟蹤仰角從30°到90°變化的中繼衛(wèi)星,地面控管站技術(shù)復(fù)雜;8)地面控管站必須定時(shí)切換對(duì)準(zhǔn)不同的中繼衛(wèi)星,切換需要時(shí)間,這將降低中繼效率λr;9)系統(tǒng)造價(jià)高。3.2.4地面控管終端站考慮到我國(guó)東西地域遼闊(經(jīng)度差超過(guò)60°),加上地面高速光纖干線設(shè)施已初具規(guī)模,我們可以在地球靜止軌道上經(jīng)度相隔約180°的位置布置兩顆(或兩組)中繼衛(wèi)星(例如11°E和169°W附近),在國(guó)土東西部的適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)設(shè)置相應(yīng)的地面控管終端站,利用高速光纖將它們和控制中心連成系統(tǒng)。這一方案可以滿足在3.1節(jié)中提出的所有要求。在我國(guó)的實(shí)際條件下,它比前三種方案有明顯的優(yōu)點(diǎn)。下面對(duì)實(shí)現(xiàn)此方案的相關(guān)問(wèn)題和系統(tǒng)的特征進(jìn)行分析和論證。1大經(jīng)度間距geo處理對(duì)我國(guó)本土的情況(包括地理位置、交通情況等)進(jìn)行分析后得知:喀什幾乎是西站唯一較好的候選站址,而對(duì)東站可以有較多的選擇,表1給出相關(guān)的計(jì)算結(jié)果,列出了東、西站的地理位置和在兩種工作仰角(10°和12°)情況下可控管的中繼衛(wèi)星的定點(diǎn)位置。從表1中可看出:西站選喀什,控管站工作仰角為10°,有榮成等多個(gè)東站候選地址基本滿足建立大經(jīng)度間距GEO雙星組網(wǎng)系統(tǒng)的要求;如果把控管站工作仰角升為12°,滿足這要求的站就只有虎林和撫遠(yuǎn)了。綜合交通因素考慮,東西站選虎林和喀什為最佳。圖3給出了建議的大經(jīng)度間距GEO雙星組網(wǎng)系統(tǒng)示意圖(圖中還加入了在軌備份星)。圖4為系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)示意圖,控管中心可設(shè)在數(shù)據(jù)便于集散的地方,例如北京。2經(jīng)度間距下可實(shí)現(xiàn)100%的軌道覆蓋在所建議的系統(tǒng)中,東西中繼星的經(jīng)度間距為180°無(wú)疑是最佳選擇,它可對(duì)高度大于95km(其中考慮了約20km厚大氣層對(duì)無(wú)線電波的衰減影響)的航天器實(shí)現(xiàn)100%的理論軌道覆蓋(見圖3)。應(yīng)該指出:衛(wèi)星軌道位置的獲取,必須經(jīng)過(guò)復(fù)雜的申請(qǐng)和國(guó)際協(xié)調(diào)的程序,我國(guó)不一定能得到理想的間隔180°的軌位,但實(shí)踐表明,獲得經(jīng)度間距相近的軌道位置完全可以實(shí)現(xiàn)。表2給出了不同經(jīng)度間距下可實(shí)現(xiàn)100%軌道覆蓋的用戶航天器高度值?？紤]到用戶航天器高度一般都在300km以上,并且用戶航天器在東西中繼星之間的轉(zhuǎn)換還要一定時(shí)間,所以,實(shí)際上經(jīng)度間距選在165°到180°之間都是可行的。3星間鏈路天線偏轉(zhuǎn)一般說(shuō)來(lái),這主要取決于中繼衛(wèi)星的星間鏈路天線的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍,也和東西星定點(diǎn)經(jīng)度差有關(guān)。表3給出了東西星定點(diǎn)經(jīng)度差為180°時(shí)的算例。從表中可看出,如果只針對(duì)高度1300km以下的普通對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星,±10.5°的天線轉(zhuǎn)角即可滿足要求。如果要為GEO衛(wèi)星提供中繼服務(wù),東西方向的轉(zhuǎn)角要擴(kuò)大到±90°,而南北方向的轉(zhuǎn)角較小,它由所服務(wù)的用戶航天器的軌道傾角包絡(luò)決定(按國(guó)際上的相關(guān)定義,GEO的傾角一般小于7°)。但如果要擴(kuò)充到地月空間和月球可視段(考慮為月球探測(cè)器奔月和繞月段提供中繼服務(wù)),南北方向天線轉(zhuǎn)動(dòng)范圍就要明顯增大。從中繼衛(wèi)星研制的角度看,由于必須考慮衛(wèi)星本體和星間鏈路天線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的干涉和射頻傳輸?shù)葐?wèn)題,大的天線轉(zhuǎn)角研制難度較大,這在研制有兩個(gè)星間鏈路天線的大型中繼衛(wèi)星時(shí)更為突出。此外,對(duì)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。4國(guó)內(nèi)軌道網(wǎng)絡(luò)設(shè)站以上論述了四種不同的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)組網(wǎng)方案,可以看出,大經(jīng)度間距GEO雙星組網(wǎng)系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)點(diǎn):它適合我國(guó)國(guó)情,只需在國(guó)內(nèi)設(shè)站;對(duì)中低軌航天器具有100%的軌道覆蓋率;組成同樣能力系統(tǒng)的資源占用最少(衛(wèi)星數(shù)和地球站數(shù)最少,唯一需要的是要占用部分已有的光纖干線資源或擴(kuò)建一定里程以延伸到較邊遠(yuǎn)的控管終端站);由于是雙星系統(tǒng),在最壞情況下,用戶航天器只需通過(guò)兩顆中繼衛(wèi)星接力工作即能完成一圈的數(shù)據(jù)回傳任務(wù);此外,它還具有良好的后續(xù)應(yīng)用拓展前景。表4列出了四種不同方案的性能對(duì)比匯總情況。5對(duì)疆土的經(jīng)度間隔的理解如前所述,實(shí)現(xiàn)這一方案的國(guó)家必須在東西方向有較遼闊的疆土(以地理經(jīng)度計(jì)),并和該國(guó)所處的地理緯度有關(guān)。一般說(shuō)來(lái),疆土越遠(yuǎn)離赤道,要求的經(jīng)度間隔就越大。表5給出了一些計(jì)算示例。這里并未考慮交通和陸基光纖設(shè)施等其他因素的影響。分析表明:俄羅斯、美國(guó)、加拿大、澳大利亞、巴西和中國(guó)等大國(guó)都有條件實(shí)