第四章 跟踪与数据中继卫星系统——概述

TDRSS改进了统一载波系统中用频分复用来统一完成各种 测控功能的方案，而采用时分复用和扩频复用来实现多 种测控功能和数传功能的统一。 这种“时分/扩频”统一的原理，包括6个主要的技术要 素： ① 时分复用。 ② 一码多用。 ③ I/Q正交复用。 ④ 纠错编、译码。 ⑤ 高速数传技术。 ⑥ 扩频测距。
覆盖率=2(α+β)/2π
③中继卫星到地心的连线既不垂直于用户星轨道平面， 也不平行于用户星轨道平面，覆盖率介于两者之间，用 户星一个轨道周期内既可能出现地球遮挡，也可能完全 覆盖。
TDRSS的特点表现在，它既与同步卫星通信不同，又与“TT&R” 不同。它与同步卫星的区别： ①TDRSS要对用户星定轨。 ② TDRSS测控目标为高速空间飞行器；而卫星通信的用户为 地球表面的卫星通信固定站或速度较低的移动通信站。 ③ TDRSS要进行高速数据中继传输。 ④ TDRSS能进行多目标测控通信。其多址通信的方法，包括 码分多址和时分多址，并采用了TDRS星载相控阵天线及其多 波束地面形成等新技术。
②中继卫星位于用户星轨道平面时，中继 卫星跟踪用户星，覆盖用户星是最差的。 图中，弧ABCD的长度是用户星的可见弧段， 也就是中继卫星对用户星的覆盖弧段。
Re Re 2 α +β =2 arccos +arccos Hs+Re Rs
地 面 终 端 站
中 KSA正向（S频） 继 卫 遥控、跟踪 星 KSA反向（K频）
遥测、跟踪
电气
TDRSS发射运载器
结束
在TDRSS中，对用户航天器的定轨，采

RR 2

用的方法是：“动力学”法。（ R R 法） 利用地面终端站→中继卫星→用户航天器→中继卫星 →地面终端站的双向测距测速数据来定轨，电波的传 播顺序为t 0 →t 1 → t 2 → t 3 →t 4


t 0 t RR1 4
t2
地面站测得 (R1 +R 2） (R1 + R 2 ），从中扣除 和 已测得的R1 和 R 1 ，可得到TDRS2 和航天飞机
遥控、跟踪（TT&C） T D R S S 遥控、跟踪（TT&C） TDRSS上行（K频） 正向、遥控、跟踪 TDRSS下行（K频） 反向、遥测、跟踪 用户星合练（S/K频） MA.SSA.KSA 正向 用户星合练（S/K频） MA、SSA、KSA反向 机械
T D R S
MA、SSA正向（S频） 遥控、跟踪 MA、SSA反向（K频） 遥测、跟踪 用 户 航 天 器
死区
不可覆盖区 图4.1 地面测控系统的覆盖限制 图4.2 一颗TDRS星覆盖图
使用两颗经度相隔130° 的中继星， 对轨道高度为 200KM的卫星，可覆盖 85%以上的轨道，但存在 TDRS1 一个不能覆盖的死区。 对高度1200—2000KM的卫 星，则能覆盖100%轨道。 为了实现100%的地面覆盖， 较好的方案是需再设一个 TDRS3。
“天链一号”是我国第一颗 地球同步轨道数据中继卫星 ，主要用于为中国神舟载人 飞船及后续载人航天器提供 数据中继和测控服务。同时 ，为中国中、低轨道资源卫 星提供数据中继服务，为航 天器发射提供测控支持。
天链一号
TDRSS的用途： ① 跟踪、测定中、低轨道卫星：为都 采用倾角大、高度低的轨道。跟踪和数据中继卫星几 乎能对中、低轨道卫星进行连续跟踪，通过转发它们 与测控站之间的测距和多普勒频移信息实现对这些卫 星轨道的精确测定。
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5
概述 TDRSS的组成及工作原理 数据中继和测距、测速 TDRSS的应用 TDRSS的发展
天基测控通信网： .解决了测控、通信的高覆盖率问题 .解决了高速数传和多目标测控通信等 .具有较高的经济效益 跟踪与数据中继卫星系统 简称TDRSS，是为中、低轨道的航天器与航天器之间、航 天器与地面站之间提供数据中继、连续跟踪与轨适测控服 务的系统，简称中继系统。

见的 R 2 和 R 2 ，再根据轨道方程计算出用户航 天器的轨道 图4.5 TDRSS对用户航天器的动力学测量
采用三站测距交汇法可以对中继卫 从 星进行精确定位，称为3 R R 法。 主站向中继卫星发测距测速信号， 一路从中继卫星返回地面，另两 路分别送到远距离的、与主站呈 三角形分布的两个无人应答站副 站1和副站2， 通过该两站转发至 中继卫星，再转发回主站，由此 测得中继卫星与三个地面站的距 离。
中继卫星
副站3 副站1 副站2
正向信号 反向信号 主站
R 0 R1R 2
数据处理系统 图4.6 对TDRSS的定位
TDRSS是天/地大回路的长通道传输，它的 传输通道划分为正向通道和反向通道。 TDRS星上的2m空—地K频段抛物面天线和K 1.正向通道：由地面→TDRS→用户航天器的 频段接收机接收这7路复合信号，并将它变 通道。 由图可见，地面终端站上行向TDRS 换成中频。 星发射K频段信号，它是7路频分复合信号。 2.反向通道：由用户航天器→TDRS→地面 ①TDRS↔用户航天器的两个S频段单通道 的通道。 （或S频段单址，简称SSA） ①两路SSA通道 ②TDRS↔用户航天器的两个K频段单通道 ②两路KSA通道 （或K频段单址，简称KSA） ③MA通道（其中含20个多址用户信号） ③TDRS↔用户航天器的一个S频段多通道 ④一路TDRS的遥测信号 （或称多址MA，又称SMA） 由前述可见，TDRSS的正向和反向通道 ④遥控指令通道（TC），用于TDRS的控制 都是从低空→高空→低空，所以把它形象 （不再转发） 地称为“弯管传输通道”。 ⑤导频通道 （GF）
②为对地观测卫星实时转发遥感、遥测数据 ③承担航天飞机和载人飞船的通信和数据传输 中继业务 ④ 满足军事特殊需要：以往各类军用的通信、 导航、气象、侦察、监视和预警等卫星的地面 航天控制中心，常须通过一系列地球站和民用 通信网进行跟踪、测控和数据传输。跟踪和数 据中继卫星可以摆脱对绝大多数地球站的依赖， 而自成一独立的专用系统，更有效地为军事服 务。
覆盖率的计算 4.1.2 内容
TDRS2
死区
图4.3 两颗TDRS星覆盖图
假定中继卫星轨道半长轴为标准地球同步半径、用户星轨道偏 心率不大（即可认为是圆轨道），下面可以分3种情况讨论中 继卫星跟踪用户星的时候地球的遮挡。 我们用Hs代表用户星高度，Re代表 地球半径，Rs代表中继卫星的高度。 ①中继卫星与地心的连线垂直于 用户星轨道平面时，中继卫星对 用户卫星始终可见，覆盖最大， 追踪效果最好。
TDRSS的特点如下： ① 高覆盖率。 ②多目标测控通信。可同时对20 个用户进行低速率测控通信，对4 个用户进行中、高速率测控通信。 ③高的数传速率。 ④可取代全球布站，大大减少地 面测控站数目及其维护费用。 ⑤可对很多用户航天器进行集中 管理。
TDRSS的多波束多目标测控通信
t1 t 3
TDRS1 TDRS2
飞行器运行轨迹 地面测控站
地面测控站缺 点： 雷达波束 地平线 当采用地面测 控站时，由于 电波直线传播 特性和地面曲 率的限制，它 对绕地飞行器 的覆盖范围时 死区 有限的。
图4.1 地面测控系统的覆盖限制
中继卫星 雷达波束
飞行器运行轨迹
地平线
地面测控站
如移到同步轨道高度，经过 计算，利用一颗中继卫星， 在最不利的情况下，可对 200KM高的卫星也能跟踪其 52%以上的轨道；对2000KM 高的卫星，覆盖范围可高达 68%以上。