第四章 跟踪与数据中继卫星系统——概述

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。
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

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。
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。
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。
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
Hale Waihona Puke Baidu 结束
“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：为了尽可能多地覆 盖地球表面和获得较高的地面分辨能力，许多卫星都 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。
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。
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
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
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。
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。
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）
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