中继卫星

中继卫星
中继卫星被誉为“卫星的卫星”，是半个多世纪以来随着人类探索、开发和利用空间活动的不断深入逐步发展起来的新型空间信息传输系统，其主要功能是进行天基测控和空天数据中继，相当于把地面测控站搬到了距地面36000公里的地球同步轨道上，可为卫星、飞船等航天器提供数据中继和测控服务。

作为在太空中运行的数据“中转站”，中继卫星能使资源卫星、环境卫星等数据实时下传，极大提升各类卫星使用效益和应急能力。

中国第三颗地球同步轨道数据中继卫星“天链一号03星”2012年7月25日夜间在西昌卫星发射中心成功发射。

经过一段时间在轨验证和系统联调后，“天链一号03星”将与2008年发射的01星、2011年发射的02星实现全球组网运行，中国将由此正式建成第一代中继卫星系统。

现有的中继卫星
美国
6颗
1983年4月4日发射了第一颗跟踪与数据中继卫星TDRS-1，开创了天基测控新时代；
1993年1月，第6颗跟踪与数据中继卫星(TDRS-6 )发射后，该系统具有了在轨运行和轨道备份能力，这才真正完成其组网过程。

1995年7月13日发射了第7颗TDRS卫星作为应急备用星，结束了长达10余年的第一代跟踪与数据中继卫星系统的建设工作。

美国之所以如此坚持不解地努力发展这一系统，重要原因就是它是一种作用很大的卫星。

由于发射失败和卫星本身故障，直到1991年发射第5颗卫星(TDRS-5)时，只能保持一颗完好的卫星在轨，虽然其间也曾有过2颗上作卫星在轨的情况，但没有足够的轨道备份。

尽管如此，这种卫星系统已发挥了很大作用，它曾为12种以上的各种中、低轨道航天器提供跟踪与数据中继业务。

其中包括著名的哈勃望远镜。

如今，关国正在研制下一代的高级跟踪与数据中继卫星系统(A TDRSS)新一代跟踪数据中继卫星计划再发射3颗卫星，称为TDRS-H, I, J.其中TDRS-H和I已于2000年6月和2002年9月发射升空。

TDRS-H处于部分工作状态，TDRS-I处于校验状态。

目前,美国TDRSS系统的空间部分由地球同步轨道上的6颗在轨中继星组成，即TDRS-F1、F3、F4、F5、F6、F7(TDRS-F2发射失败)。

另外,还有ATDRSS系统的TDRS-H、I。

前苏联/俄罗斯
4颗以上
即2颗以上军用，2颗民用
前苏联/俄罗斯已拥有多个军用和民用数据中继卫星系统。

军用系统又称为保密的数据中继系统，1982年5月发射首颗，1986，1989年又相继发射两颗，都定点于西经14度。

可见这种系统至少有2颗卫星同时在轨服务。

民用系统又称为“射线”系统，也称为保密的数据中继系统分为东部、中部和西部3个独立的网络。

从1985年至今已发展了两代“射线”中继星，其空-地段采用Ku波段，空一空段采用UHF波段。

直至1993年3月，正常运行的只有2颗卫星构成的两个网络：即“宇宙”1897卫星服务的中部网和“宇宙”2054卫星服务的西部网。

前苏联的数据中继卫星同其它类型的卫星一样，寿命较短，因此何2-3年至少要发射一颗。

欧盟
2颗
欧洲航天局于1989年决定发展数据中继卫星，期间有过一些停顿，到1993年欧洲空间局才决定恢复DRS计划。

1999年发射第一颗，2003年发射第二颗。

日本
2颗
日木宇宙开发事业团对日本的数据中继和跟踪卫星DRTS进行了规划，并于1993年确定了4步走的发展策略：
(1)1995年利用工程试验卫星(ETS)6进行试验;
(2)1997年利用通信工程试验卫星COMETS进行试验；
(3)1998年利用光学轨道间通信工程试验卫星OICETS进行试验;
(4)2000年发射2颗实用型数据中继和跟踪卫星。

DRTS系统的目的在于为日本空间活动，如地球观测和国际空间站计划，建立通信基础设施。

中国
3颗
2008年4月25日23时35分4月26日，我国首颗数据中继卫星“天链一号01星”于2008年4月25日23时35分在西昌卫星发射中心成功用“长征三号丙”运载火箭将“天链一号01星”发射，填补了我国卫星领域的又一空白。

我国从上世纪80年代初期就开始跟踪TDRSS这一新技术，并在“九五”期间开展了一系列的预研工作，到目前为止已取得了一定的成果。

2011年7月12日，中国第二颗地球同步轨道数据中继卫星“天链一号02星”在西昌成功发射，它与2008年4月发射的首颗中继卫星“天链一号01星”组网运行，为中国即将于下半年实施的首次空间交会对接任务开展应用服务。

2012年7月25日23时43分，中国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭将“天链一号03星”顺利发射升空，并成功送入太空预定轨道。

“天链一号03星”是中国发射的第三颗地球同步轨道数据中继卫星，其成功发射后，将实现“天链一号”卫星全球组网运行，标志着中国第一代中继卫星系统正式建成。

我国跟踪与数据中继卫星系统的发展大致分两步走。

第一步：先建立单星系统，使其最大返向数传速率达几百兆，对用户航天器的轨道覆盖率达50%以上；第二步：采用大型卫星平台建立双星系统，通过2颗星使对用户航天器的轨道覆盖率达到85%。

世界第一颗中继卫星
1983年4月，美国从“挑战者”号航天飞机上发射了第一颗跟踪和数据中继卫星(TDRS)，它是现代最大的通信卫星，也是首次在一颗卫星上同时采用S、C和Ku3个频段的通信卫星。

卫星重2吨多，太阳电池翼伸开后,翼展达17.4米，横向跨度为13米。

卫星工作10年后，太阳电池阵仍可提供1850瓦功率。

星体采用三轴姿态控制稳定方式。

卫星上装有7副不同类型的天线。

两副直径4.9米抛物面天线在卫星发射过程中收拢成筒状，入轨后通过机械螺杆控制撑开呈伞形，每个天线有两副馈源，分别用于S和Ku频段的跟踪和数据中继。

一副直径为2米的抛物面天线用于对卫星通信地球站的Ku频段双向通信。

这3副天线均装在精密的万向架上,由地面指令控制，能自动跟踪其他航天器，指向精度达0.06°。

星体中部是30个螺旋组成的S频段相控阵天线，用作多址通信。

还有一副直径1.12米的Ku频段抛物面天线和一副C频段铲形天线，用于美国国内通信。

Ku、S频段转发器能提供的通信容量有20个S频段多址信道，2个S频段单址信道和2个Ku频段单址信道。

此外，12个C频段转发器可传输电话、电视和数据等。

工作原理概述
跟踪与数据中继卫星系统(Tracking and Dada RelaySatellite System），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。

跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)是20世纪航天测控通信技术的重大突破。

这一概念是早是Malcolm Mcmulien 1964年开始研制的TDRSS，便能一举解决全轨道跟踪多个航天器和高数据率传输问题。

TDRSS是充分利用太空的高空资源，把地面的测控及通信站搬到空间地球静止轨道的卫星上去。

只要发射两颗星，空间角位置上间距130度，便对所有轨道高度约1200公里至12000公里近地轨道飞行器可实现100％的连续跟踪覆盖，对轨道高度约200公里的飞行器，也可实现85％覆盖。

所有用户飞行器、空间站核心站，可利用TDRSS中的任一颗进行双工通信。

TDRSS星收集所有用户星的数据，编排成帧后，再与单一地球站建立通信链路，TDRSS和地球终端站就成为太空和地球之间建立通信联系的唯一信息港。

地球站通过TDRSS可间接与用户星建立通信链路，借助TDRSS的中继，地球站可对各用户星测轨定位，这种设想一旦成为现实，可大量裁减陆地测控站、测量船，同时也减少建设、维修和操作费用。

主要用途：
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。

2、为对地观测卫星实时转发遥感、遥测数据：气象、海洋、测地和资源等对地观测
卫星在飞经未设地球站的上空时，把遥感、遥测信息暂时存贮在记录器里,而在飞经地球站时再转发。

这种跟踪
3、承担航天飞机和载人飞船的通信和数据传输中继业务：地面上的航天测控网（见航天测控和数据采集网）平均仅能覆盖15%的近地轨道，航天员与地面上的航天控制中心直接通话和实时传输数据的时间有限。

两颗适当配置的跟踪和数据中继卫星能使航天飞机和载人飞船在全部飞行的85%时间内保持与地面联系。

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。

航天专家：中继卫星对中国载人航天发展至关重要
中国载人航天工程总设计师助理、“天链一号”卫星工程副总设计师刘晋接受记者采访时指出，中继卫星已成功应用于载人航天任务并发挥出不可或缺的作用，中继卫星实现全球组网运行，对中国载人航天未来发展至关重要。

他介绍说，对轨道200公里以上、2000公里以下空间飞行器的测控，中国以前全靠陆基的地面站加海基的测量船，测控覆盖率大约能达到15%，“天链一号”01星、02星组网运行有了天基测控后，覆盖率达70%左右。

在中国载人航天发展过程中，最初没有中继卫星的支持，很多时候神舟飞船只能在进站(进入地面测控站测控弧段)时才能进行天地沟通，包括测控指令的上行下行，而有了“天链一号”中继卫星后，特别是这次神舟九号载人飞船与天宫一号目标飞行器交会对接任务，“神九”与天宫绕地球飞行一周要90分钟，测控可以覆盖60多分钟，使得地面对天上情况的掌握非常全面和及时。

当然，“天链一号03星”发射成功并与01星、02星实现全球组网运行，中国航天测控的覆盖率可以达到近100%，就能随时随地掌握天上航天器的动态，“这对载人航天是至关重要的，因为有我们的航天员在上头，不论在何时、在何地，我们都应该能够清楚地知道他们的情况，为他们提供坚强的保障，来确保他们的安全，以及飞行器的安全”。

刘晋表示，中国将来的空间站是长期载人的飞行器，必然需要能随时随地与地面进行上、下行的数据传输和信息沟通，一方面，地面需要知道空间站上面的情况，另一方面，航天员很少的人在很小的空间内长期远离祖国、远离大地，他们会有一种心理诉求，希望能够和地面上的人们沟通，不光能听到大家的声音，还能看到大家的影像、家人和孩子的影像等。

这时候，中继卫星系统可以发挥很大作用，“天链一号”三星实现全球组网运行后，中国空间站内长期工作、生活的航天员，就可以随时随地与地面联系，和在地面上工作相差无几。