中继卫星

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(英文名:TrackingandDataRelaySatellite,简称:TDRS),又称跟踪和数据中继卫星,是一种配备跟踪和通信转发设备的地球静止轨道卫星。又被称为“卫星中的卫星”、“太空交警”、“太空传送带”。 1983年4月4日,美国挑战者号航天飞机发射了第一颗跟踪与数据中继卫星(TDRS-1),开启了天基测控新时代;自1995年以来,NASA一直计划发射三颗更先进的第二代TDRS——先进...

中继卫星简介

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(英文名:Tracking and Data Relay Satellite,简称:TDRS),又称跟踪和数据中继卫星,是一种配备跟踪和通信转发设备的地球静止轨道卫星。又被称为“卫星中的卫星”、“太空交警”、“太空传送带”。

1983年4月4日,美国挑战者号航天飞机发射了第一颗跟踪与数据中继卫星(TDRS-1),开启了天基测控新时代;自1995年以来,NASA一直计划发射三颗更先进的第二代TDRS——先进跟踪和数据中继卫星系统(ATDRSS);2003年,中国启动并发射了“天联一号”中继卫星系统工程;2008年4月25日,天联01号卫星在西昌卫星发射中心成功发射,标志着中国中低轨航天器开始有了空中数据“中转站”;2011年9月,俄罗斯第二代“鱼叉”中继卫星首颗卫星成功发射,取代原“喷泉”卫星;2013年1月30日,NASA发射了第三代TDRS的第一颗卫星TDRS- k;2016年起,欧空局发射并部署第二代中继卫星;2020年,日本发射第二颗数据中继卫星,直接进入光通信阶段;2024年3月17日,中国探月工程第四阶段,鹊桥二号中继卫星和长征八号运载火箭在文昌航天发射场完成了技术工作,计划在不久的将来适当的时候发射。

中继卫星作为一种专用通信卫星,主要用于提供低轨航天器与地面控制中心之间的数据中继、连续跟踪和轨道测控服务,扩展航天器与地面控制中心之间的信息交换时间,实现资源卫星、环境卫星等数据的实时传输,提高各类卫星的工作效率和应急能力。中继卫星在所有轨道上具有连续覆盖和高速数据传输能力,可进行全天候数据收集。它们是大型空间系统的重要组成部分,可以为各种类型的航天器提供良好的测量、控制和通信手段。

中继卫星

中继卫星核心组成

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跟踪与数据中继卫星的结构一般包括跟踪、遥测、遥控、能量、推进、姿态控制等子系统。

典型中继卫星系统包括中继卫星、地面站终端和用户航天器。用户航天器通过中继天线向中继卫星发送遥测、语音和业务数据。中继卫星接收到信息后,将其转发给地面站终端。地面站对信息进行解调解码,然后通过地面链路或卫星通信链路发送给空间测控中心或其他地面终端用户。如果空间测控中心或其他地面终端用户需要向用户航天器发送远程控制指令等上行数据,则先将其发送到地面站终端进行采集,由地面站终端发送给中继卫星,由中继卫星转发给用户航天器。

中继卫星主要用途

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中继卫星是一种“肩对肩”卫星,有两个主要用途。首先,将地面站的跟踪控制信号传输到中低轨航天器;二是通信卫星,将航天器上的信息传回地面,在地面上充当微波中继站和卫星测控站,进行远距离无线电通信。

相关特点

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中继卫星在所有轨道上具有连续覆盖和高速数据传输能力,可进行全天候数据收集。它们是大型空间系统的重要组成部分,可以为各种类型的航天器提供良好的测量、控制和通信手段。实时性高,经济性好。

基于中继卫星的数据传输模式是对传统单卫星数据传输模式的改进。利用中继卫星的数据中继功能,遥感卫星可以在不经过地面站的情况下完成任务指令标注和数据传输操作,避免了可见弧线的不利影响,大大提高了卫星数据传输的时效性。

中继卫星解决了卫星与地面站直接连接的几个问题,如卫星、中继和地面站之间的连接,大大增加了卫星数据着陆的时间窗口。然而,中继卫星通常部署在地球静止轨道高度,并且经常受到信道数量、信道带宽和传输速度的限制。此外,中继卫星的使用通常由地面控制系统预先安排,这是一种有计划的信道资源预分配方式。在轨实时性不强,仍不能满足紧急搜救、快速态势更新等高时效性卫星应用的要求。

关键技术

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激光通信技术

激光通信技术被NASA视为一种可以改变游戏规划的技术,可以成倍地提高数据传输速率,减轻无线电频谱的限制。由于通信波束较细,干扰和拦截困难,具有良好的对抗能力。然而,缺点是容易受到大气和天气的影响。因此,激光通信技术在深空通信中具有广阔的应用前景。目前,由于技术发展和成熟程度的限制,激光通信技术与实际应用之间还存在一定的差距。但是,各个国家和地区都非常重视激光技术的研究和发展,欧洲的激光通信技术走在世界前列。

软件无线电和网络技术

2013年4月,NASA利用发射到空间站的通信导航和网络可重构试验台(connect)与TDRS-K卫星进行了软件无线电通信和DTN网络实验。激光DTN组网实验也在LLCD实验中进行。2013年,JAXA与NASA合作,利用DTRS及其地面终端在降雨衰减条件下进行DTN通信实验。

多址技术和阵列技术

近年来,美国不断改进中继系统的多址技术。中继系统地址要求系统(DAS)利用中继卫星多址天线、地面波束成形和扩频调制为天基和地面用户提供按需回程通信链路。它可以24小时传输遥测和科学数据,而不需要商业调度。目前的地址系统是2004年安装的,设备和技术已经过时。NASA研究了一种增强型DAS解决方案,该解决方案利用了数字技术、以太网/IP网络、软件定义无线电和低成本COTS组件等新技术,消除了硬件资源限制,并将其性能限制在多址用户产生的自干扰范围内。寻址技术还支持中继卫星阵列的形成,以提高信号增益。

网络安全技术

随着空间对抗威胁的日益加剧,测控网络的网络安全技术也被提上了议事日程。2015年,NASA提出建立安全恢复系统,以应对中继系统可能受到的网络攻击,该系统可以在受到攻击时重建安全的网络通信。具体办法是在全国建立几十个指定台站,每个台站使用一个接收天线和一个卫星接收机建立一个固定或移动应急地面站;在白沙综合站内安全地点设置应急控制中心,存放用户关键信息。

关联系统

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跟踪和数据中继卫星系统(TDRSS)是一种在中低轨道航天器之间以及航天器和地面站之间提供数据中继、连续跟踪和轨道测量和控制服务的系统。

在中继卫星系统中,从地面站通过中继卫星到用户航天器的链路称为前向链路,从用户航天器通过中继卫星到地面站的链路称为返回链路。在中继卫星系统的前向链路中,地面向用户航天器发送指令、数据、语音、电视等信息,这些信息在地面终端站采集后调制到Ku频段链路上发送给中继卫星。通过中继卫星转发到S、Ku或Ka频段的相应用户航天器。在返回链路中,中低轨道用户航天器需要向地面发送的遥测数据、探测数据、语音和电视信息通过S、Ku或Ka频段星间链路传输到中继卫星。中继卫星接收到后,进行频率转换转发到Ku频段的地面终端站。在地面终端站进行射频解调和解码处理,通过国内通信卫星链路或其他宽带链路将原始格式的视频数据发送给地面终端用户。

应用场景

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航天器发射和运行

在航天器发射过程中,中继卫星可用于运载火箭的天基跟踪和控制。在轨航天器通过前向链路将地面指令转发给用户卫星进行实时天基测控,增强地面系统对航天器的控制,并通过后向链路将用户卫星的遥测、载荷数据和轨道测量数据转发给地面应用中心。中继卫星的出现极大地改变了在轨航天器的使用和运行效率。例如,中继卫星的协同侦察卫星工作,可以将卫星的侦察情报快速传回地面控制中心,从而实现对敌方目标的实时监控和攻击;中继卫星的协同预警卫星通过返回环节传输目标信息,可以缩短预警时间,显著提高导弹拦截成功率。

载人航天

在载人航天中,中继卫星不仅在天基测量和实时传输中发挥重要作用,而且在应急救援中也发挥着重要作用。为了使地面任务指挥控制中心能够及时了解航天员信息,与返回舱航天员进行通信,只需要在载人飞船返回舱上安装中继卫星终端设备,与中继卫星系统和地面任务指挥控制中心形成双向链路即可。完成返回舱航天员与地面任务指挥控制中心之间的语音通信和关键生理数据传输任务。返回舱紧急着陆后,所安装的中继终端从返回舱向中继卫星和地面指挥中心发送返回链路信号,同时从地面指挥中心向中继卫星和返回舱建立前向链路。双向链路建立后,可将航天员的关键生理参数传回指挥中心,航天员可与指挥中心进行通信,尽快完成搜救、恢复工作。

巡航导弹

根据作战任务要求,与巡航导弹结合的中继卫星系统可以为巡航导弹实时传输最新的攻击目标信息,动态选择攻击目标,提高攻击精度。随着巡航导弹技术的不断进步,传统的测控保障手段已不能满足其要求:巡航导弹传输的图像信息量不断增加,对实时性和传输速度的要求也相应提高;测控飞机的速度远低于随后发展的超音速巡航导弹,已经无法对其进行测控;当多枚导弹需要同时测控时,普通卫星不具备对多目标进行动态跟踪的能力。相应的中继卫星系统具有覆盖范围广、传输速率高、定轨能力强、多目标跟踪动态能力等特点,满足巡航导弹持续发展的测控要求。

用于侦察和打击的综合无人机

美军开发的用于侦察和打击的综合无人机已经彻底改变了现代战争的运作方式。一方面可以达到“发现即摧毁”的作战效果,另一方面可以在不需要人员直接参与作战的情况下实现零伤亡。综合无人机的侦察作战控制和实时侦察态势需要通过中继卫星传输。中继卫星容量大、传输速度快,可为无人机提供实时信息转发,将无人机探测到的大量视频和图像数据传回地面应用中心,并将控制中心的命令发送给无人机,使人员能够在千里之外参与战争,评估打击效果。据报道,美国在阿富汗多次使用中继卫星控制“捕食者”等综合无人机,对恐怖分子进行侦察、跟踪和攻击。

发展趋势

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技术

下一代中继卫星技术的目标是一个更高速度的新时代。尽管NASA和ESA在发展第二代中继卫星方面有不同的想法,但两者都瞄准了未来十年光通信技术的“潜在库存”。然而,美国的MIT、JPL、NASA在这一领域已经做出了杰出的努力和尝试,但还缺乏产业化。

商业

NASA和ESA都提出了公私合作模式,并在中继卫星领域探索商业化;Addvalue、NSL、Audacy等民营企业正在大胆探索和开拓商业中继卫星业务市场。因此,未来中继卫星业务将形成商业化环境几乎是肯定的。

应用

通信中继卫星的本质最终还是通信卫星,因此许多中继卫星扩大了在通信方面的应用,同时也开发了许多用于中继应用的通信卫星。在通信卫星衍生的中继服务方面,AddValue和NSL公司都在尝试,似乎取得了不错的效果。在规则的基础上,这种应用将变得越来越普遍。

历史沿革

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国际

美国

1964年,美国空间测控专家麦肯提出了利用地球静止轨道卫星的转发功能进行测控的新概念。经过多年的研究、开发和试验,1983年4月4日,美国挑战者号航天飞机发射了第一颗跟踪和数据中继卫星(TDRS-1),该卫星同时使用了S、C、Ku频段,开启了天基测控的新时代。它与其他8颗TDRS卫星一起,帮助实现与航天飞机等低地球轨道航天器的通信。它消除了印度洋上空的通信盲点,实现了对航天飞机和其他低轨道卫星的完全覆盖。1991年、1993年和1995年,美国分别发射了TDRS-5、6和7。第一代TDRS卫星全部发射,系统具备在轨运行和在轨备份能力,真正完成组网进程。自1995年以来,NASA一直计划发射三颗更先进的第二代TDRS先进跟踪和数据中继卫星系统(ATDRSS)。

2000年6月30日20时56分,宇宙神舟2a运载火箭成功发射了第二代TDRS: TDRS- h,价值3.95亿美元。2002年3月8日和12月5日,美国成功发射了第二代和第三代TDRS,也被称为TDRS- i.j。

2013年1月30日,NASA发射了第三代TDRS的第一颗卫星TDRS- k(入轨后更名为TDRS-11), 2014年1月24日发射了TDRS- l (TDRS-12)。第三颗卫星TDRS-M于2017年底发射。

截至2023年,美国第一代中继卫星TDRS-1和TDRS-4已退役报废,其余4颗卫星仍在轨道上运行。第二代和第三代各有3颗正常运行的卫星,共有10颗中继卫星在轨。建成世界上最完整、应用规模最大的中继卫星系统,实现全球覆盖和近千个日用户航天器接入系统。

俄罗斯

从1982年到2000年,俄罗斯为“喷气”系统共发射了10颗军用中继卫星,该系统中的卫星被称为“盖泽”。2011年9月,俄罗斯第二代“鱼叉”中继卫星首颗卫星成功发射,取代原来的“喷泉”卫星。到2014年,“幸运- 5b”、“幸运- 5v”两颗卫星先后发射升空。第三代开发计划被中止。截至2023年,俄罗斯中继卫星系统有3颗第二代“射线”卫星在轨,分别位于东、中、西3个节点(东经167度、东经95度、西经16度),实现准全球覆盖,用户航天器每天接入系统近百次。

欧洲

1989年,欧洲航天局决定研制一颗数据中继卫星,从实验卫星阿尔忒弥斯开始,分两步达到实用化水平。然而,由于在1992年11月欧洲空间局部长会议批准的长期计划中对载人航天作出重大调整,小型航天飞机“神舟”和载人自由飞船被取消,这直接导致DRS计划的减少,只有一颗卫星计划用于发展。1993年之后。国际空间站的发展出现了转折点。同时,出于对欧洲空间技术发展的长远考虑,欧洲航天局决定恢复DRS计划,于1999年发射第一颗中继卫星,2003年发射第二颗中继卫星。2008年11月,欧洲航天局部长理事会批准了新一代中继卫星计划,即欧洲数据中继卫星系统(EDRS)计划。根据最新计划,EDRS将由两颗EDRS卫星(EDRS- a、EDRS)组成。B).从2016年开始,欧洲航天局发射并部署了第二代中继卫星。其中,EDRS-A卫星配备2对单址天线,分别提供激光和Ka波段星间通信链路。激光回程数据传输率可达1.8千兆位/秒,Ka波段回程数据传输率可达300兆/秒;EDRS-C卫星只有激光通信终端,与EDRS-A卫星具有相同的规格。

日本

1993年,日本决定将其三步走的发展战略改为四步走的发展战略,其中前三步是试验阶段。第一步是利用1994年8月发射的6号工程试验卫星(ETS-6)进行实验;第二步是利用1998年发射失败的通信工程测试卫星(COMETS)进行实验;第三步是利用2005年发射的光轨间通信工程测试卫星(OICETS)进行实验;第四步是发射两颗实用型跟踪和数据中继卫星。2002年9月10日,数据中继试验卫星(DRTS)成功发射。2015年1月9日,日本公布了“新的国家空间开发基本计划”,正式将“激光数据中继卫星”列入其中。2020年,日本发射了第二颗数据中继卫星,直接进入光通信阶段。它采用光通信和射频通信相结合的方式,利用激光和S、Ka频段共同与先进光学卫星等低轨道侦察卫星建立中继链路。激光通信速度达到每秒1.8千兆位。

中国

2003年,中国启动了“天联一号”中继卫星系统工程。2008年4月25日,天联01号卫星在西昌卫星发射中心成功发射,标志着中国的中低轨航天器开始有了空中数据“中转站”。天联一号卫星发射后,神舟七号航天器测控覆盖率由18%提高到50%。

2011年和2012年,随着“天联一号”02号和03号卫星的成功发射,中国成为继美国之后第二个拥有全球覆盖中继卫星系统的国家,实现了三颗卫星在轨组网。2016年12月,中国发射了天联104号卫星,以取代过期的01号卫星。

2018年5月21日5时28分,在西昌卫星发射中心,长征四号c运载火箭成功发射嫦娥四号月球探测任务“鹊桥”中继卫星。鹊桥中继卫星是世界上第一颗在地月拉格朗日L2点运行的通信卫星。2019年3月31日23时51分,天联二号01卫星在西昌卫星发射中心成功发射。这是中国第二代地球静止轨道数据中继卫星的首次发射。2021年12月,中国“天联二号”卫星发射升空,与“天联一号”星座和“天联二号01”卫星协同工作。中国已经发射了7颗中继卫星,建成了世界上第二个覆盖全球的中继卫星系统。

2022年7月13日凌晨,中国航天科技集团一院研制的长征三号乙运载火箭在西昌卫星发射中心成功将天联2-03号卫星发射升空,并将其点火送入太空,准确地将卫星送入指定轨道。发射任务取得了圆满成功。中国第二代地球静止轨道数据中继卫星系统正式建成,大大增强了天基测控和数据中继能力。2024年3月17日,中国探月工程第四阶段,鹊桥二号中继卫星和长征八号运载火箭在文昌航天发射场完成了技术工作。卫星火箭组合已垂直运输到发射区域,并计划在近期的适当时间发射。

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词条目录
  1. 中继卫星简介
  2. 中继卫星核心组成
  3. 中继卫星主要用途
  4. 相关特点
  5. 关键技术
  6. 激光通信技术
  7. 软件无线电和网络技术
  8. 多址技术和阵列技术
  9. 网络安全技术
  10. 关联系统
  11. 应用场景
  12. 航天器发射和运行
  13. 载人航天
  14. 巡航导弹
  15. 用于侦察和打击的综合无人机
  16. 发展趋势
  17. 技术
  18. 商业
  19. 应用
  20. 历史沿革
  21. 国际
  22. 美国
  23. 俄罗斯
  24. 欧洲
  25. 日本
  26. 中国

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