天链中继卫星系统

天宫看电视？从中国“天链”浅析中继卫星系统原理及应用
2016年10月21日晚上，中央电视台《新闻联播》首次在太空播出，景海鹏、陈冬两名航天员在天宫二号实验舱内，首次天地同步收看到了《新闻联播》节目。

除了同步收看《新闻联播》，据称航天员还可以与地面人员进行实时的视频通话。

这看似是很简单的一项任务，但实际上这需要强大的航天测控能力在背后进行支持，特别是全球数据中继卫星的支持。

一、航天测控催生中继卫星
从1957年人类发射第一颗人造卫星开始，航天测控成为一项非常重要的技术。

航天测控是人类拽紧卫星这只风筝的线，人们都想牢牢地把卫星拽在手上，监控它的状态，和它进行通信。

在冷战期间，美苏两个超级大国凭借强大的经济、政治、外交实力在全球多个地区建立了地面测控站，造了无数测控船和飞机。

然而，除非地球上密密麻麻遍布地球测控站，否则时时刻刻与卫星保持通信是不可能的。

人们想，既然同步卫星可以实现几乎全球覆盖的通信，那么让同步卫星作为中继器，担负中低轨卫星的传话筒，问题即可迎刃而解。

这样的卫星叫做跟踪与数据中继卫星，即用于转发地球站对中低轨道航天器的跟踪测控信号和中继航天器发回地面的消息的地球静止通信卫星。

它能够实现对中低轨航天器85%~100%的轨道覆盖。

这样的卫星系统就称为跟踪与数据中继卫星系统（Tracking and Data Relay Satellite System），简称TDRSS。

美国是最早实现TDRSS的国家。

其第一代系统由6颗卫星组成，可以实现20个用户的多址业务，S波段多址前向链路最大数据率可以达到10kb/s，单址数据率可以达到6Mb/s。

第二代系统的单址数据率提高了30倍。

前苏联也发射了它们的TDRSS，用于礼炮空间站和地面控制站的数据交换。

欧空局和日本也发射了TDRSS卫星。

二、中国智慧打造中国天链
2003年，中国人首次实现了载人航天。

然而，那时我国的中继卫星系统尚未建立，神舟飞船只能在进入地面测控站测控弧段时才能进行天地沟通。

而由于政治和外交因素，我们国家的地面测控站数量有限，几乎全部分布在国内和仅有的三艘海上测控船，而国外测控站只有两个，分别位于肯尼亚马林迪和巴基斯坦的卡拉奇，覆盖范围非常有限。

而这一局面在2012年7月25日得以终结。

随着长三丙火箭将“天链一号03星”顺利送入轨道，中国的“天链”中继卫星系统全面建成，实现全轨道覆
盖。

于是，在2013年的“神十”任务中，我们看到了女航天员王亚平给全国小朋友视频直播科普课的画面上打上了“天链”的标志。

这一直播画面正是用“天链”回传到地面的。

从2003年工程正式立项，到2008年发射01号首星，2011年发射02号星，再到2012年03星发射实现轨道100%覆盖，我国的中继卫星系统从无到有，我国的航天测控范围从17%提高到近100%，我国成为继美国之后，第二个实现中继卫星全球组网的国家，实现了巨大的跨越。

中国首颗数据通信与中继试验卫星（CTRDS）以东方红-3号（DFH-3A）通信卫星作为发展平台，星间通信链路采用S/Ka双馈源抛物面天线，SSA（S波段单址）链路中继测控信号，星地高速数传采使用Ka频段。

卫星天线指向、星间链路的捕获和跟踪，采用星上自闭环跟踪兼有星地大回路捕获跟踪的方案。

三、中继卫星系统原理及技术难点
中继卫星系统，形象地说就是把地面测控站搬到天上，利用站得更高看得更远的原理，让中继卫星在据地面36000公里的地球同步轨道上运行，从而对大部分中低轨航天器进行通信覆盖。

中继卫星系统由位于地球同步轨道的中继卫星、地面系统和用户终端3部分组成。

“中继”的概念，就是传递地面应用系统和用户终端之间的信号，类似于“用手机转发短信”。

具体而言，中继卫星将地面系统发射的遥控指令等数据转发给用户终端（中低轨卫星），用户终端接收、解调遥控指令，并按照指令规定内容做出响应，同时返向传输其自身数据，中继卫星接收到这些信号后，再反馈给地面系统。

（1）系统构成
中继卫星系统由空间段、用户航天器、地面段构成。

空间段即配置于静止轨道上的中继卫星，实现数据转发功能。

地面段为地面测控终端站，起到遥测、跟踪信号、建立卫星与中继卫星星间链路、接收中继卫星转发信号的作用。

（2）系统链路
前向通信链路（FL）——地面站—中继卫星—用户星。

反向通信链路（RL）——用户星—中继卫星—地面站。

轨道间链路（IOL）——用户星-中继卫星。

中继卫星与地面传输用Ka波段，而用户星与中继卫星一般使用Ka波段进行高速数传、S波段进行测控。

（3）调制方式
就调制方式来说，目前主流的中继卫星采用的是BPSK或QPSK，信道编码采用RS编码或卷积码，LDPC码还处于实验阶段。

与不同通信卫星不同，中继卫星主要捕获跟踪在轨运行的高速动态目标，能使卫星获取的数据实时下传，因此星间动态捕获跟踪技术、高速数传技术、自动控制技术等技术成为中继卫星的主要技术难点。

（1）星间动态捕获跟踪技术
这是建立星间传输信道的首要条件，特别是由于高传输速率的要求，相关天线的波束很窄，如美国中继卫星单址天线（Ku/Ka频段）波束宽仅为0.28°，天线必须对高速运动的用户航天器进行捕获和跟踪，并且为了简化系统设计，用户航天器没有信标，只发送有用的数传信号，而这种信号随用户航天器的不同，具有不同的数据速率、调制方式、频带宽度。

另外，由于用户航天器资源的限制，其天线尺寸和发射功率都十分有限，这些都使中继卫星对用户航天器的捕获、跟踪显得特别困难。

星载相关硬件和软件相当复杂，角度误差信号的提取、处理等方面都具有多项关键技术。

目前美国中继卫星已达到0.06°的自动跟踪精度。

（2）高速数传技术
由于中继数传速率很高（如美国一、第二代中继卫星在无编码的情况，速率达300Mbit/s），转发器的带宽极宽，如美国为225MHz，其第二代中继卫星还有将两个225MHz的转发器重组形为一个650HMz的Ka频段转发器的能力，以获得更高的数传速率。

Ka频段的普通星载转发器本已是目前研制难度最大的了，再要求如此宽的频宽，无疑会对频率计划的设置、转发器带内杂波、幅频特性和通带之间的隔离等性能带来新的困难。

此外，高的数据率还要求高的EIRP和品质因数G/T。

这要求中继卫星的单
D ，这样的电尺寸是所有卫址天线有高增益，而高的增益需要极高的电尺寸/
星天线中最大的。

四、中继卫星系统应用与展望
中继卫星的应用，绝不是满足航天员看《新闻联播》的需求。

事实上，除了载人航天之外，它的其它应用也非常重要。

中继卫星系统的应用实践可以概括为：（1）为载人航天保驾护航
载人航天需要全程测控和数据回传，用以保证任务的安全、满足天地沟通、监控航天员身心状况。

（2）为遥感卫星提供实时数据中继服务
遥感卫星获得的数据可以通过中继卫星实时回传，使得地面能够及时掌握遥感卫星数据，便于实时作出必要决策。

这一服务特别是在防灾减灾等急难险重任务中显得尤为关键。

（3）为中低轨卫星提供测控服务
中低轨的卫星在非测控覆盖范围无法进行测控。

而对于航天器出现故障，抢救时机往往以秒计算。

中继卫星能够使得航天器故障及早发现、尽早解决。

（4）为航天发射提供测控支持
由于测控范围有限，航天发射很难做到全程覆盖，在飞行时段甚至会出现几百秒的无线传输盲区，人们无法得到火箭运行信息。

利用中继系统可以克服这一缺陷，获得火箭全飞行弧段的遥测数据。

（5）地面应急通信中继
由于中继卫星在同步轨道，覆盖地面范围广，且有着极高的EIRP和G/T值，使得在应急通信中对地面中断的要求低，显示出独特的优势。

（6）军事应用
敌国的一举一动，至少在中国周边的所有军事动向都将真正在我军掌控之中。

众所周知，美国的航空母舰一直在中国周边游荡，“天链一号01星”的升空定位可以及时测控及时定位跟踪美国的航空母舰。

让航空母舰变成一艘靶船，享受远程反舰导弹饱和攻击的特殊照顾。

在其它应用领域，中继卫星还存在潜在的应用可能，例如把中继服务对象由中低轨道扩充到高轨，甚至是延伸到月球至星际空间，也可以将中继卫星用作地面用户的高速数传。

目前，我国的天链系统作为我国第一代中继卫星系统，已经全面达到了设计指标。

之后我国一方面将继续开发第二代系统，提供更好的中继性能，令一方面将进一步拓宽适用范围，加装更多有效载荷。

同时，还在发展光通信中继卫星，利用激光通信提高信道带宽。

可以想见在不久的将来，一个更加完善、更智能的中继卫星系统网络将建成，为我国的航天事业作出新的贡献。

参考文献
[1]龚志刚.基于中继卫星系统的天基测控与数据中继关键技术浅析[J].载人航天.2009,2.
[2]于淼.中国天基测控将进入“高速公路”时代[J].太空探索.2012,9
[3]王家胜.填补我国航天技术空白的中继卫星系统[J].国际太空.2013,6。