中繼衛星:通信衛星-中文百科頻道

優點

1)覆蓋率高n

中繼衛星系統極大地提高對中、低軌航天器的測控和數傳的覆蓋率，例如：對于一顆軌道高度為500km的衛星，如在國内設多個站，每天可測控時段隻有30min～40min，而設置一顆中繼衛星可将這一時間提高到10h以上；利用多顆中繼星(如3顆)組網形成系統後，可實現對中、低軌航天器的全軌道覆蓋，大大提高了衛星效能。n

2)實時性好n

可提供與載人航天器的實時聯系；可實時獲得中、低軌航天器觀測地球産生的數據和圖像，增加其實效性；能實時監控這些航天器，可明顯提高其生存能力；此外和用戶航天器一起，可具備提供實時觀測境外熱點地區突發事件的能力。在技術水平下，這是具備此功能的唯一系統。n

3)效費比高n

如果用擴大地球站網絡來增加覆蓋性和實時性，例如：對于軌道高度約300km的衛星，為了滿足100%覆蓋，必須在地球上設100多個站來實現，但實際上，考慮到經費、地理環境和政治因素，這根本不能實現。中繼衛星可大幅度減少地面站、測量船的數量，具有很大的終濟優勢。

關鍵技術點

星載閉環捕獲跟蹤n

這是建立星間傳輸信道的首要條件，特别是由于高速率傳輸的要求，相關天線的波束很窄，如美國中繼衛星單址天線波束寬僅為0.28m。天線必須對高速運動的用戶航天器進行捕獲和跟蹤，并且為了簡化系統設計，用戶航天器沒有信标，中繼衛星必須跟蹤它發送的數傳信号，而這種信号随用戶航天器的不同，具有不同的數據速率、調制方式、頻帶寬度和多普勒頻移。

另外，由于用戶航天器資源的限制，其天線尺寸和發射功率都十分有限，這些都使中繼衛星對用戶航天器的捕獲跟蹤顯得特别困難。負責完成這一任務的捕獲跟蹤分系統具有多個關鍵部件(如單通道調制器、捕獲跟蹤接收機等)。這些關鍵部件的硬件和軟件相當複雜，在角度誤差信号的提取、處理等方面具有多項關鍵技術。美國中繼衛星對中低軌航天器的自動跟蹤精度約為0.06m。n

由于用戶航天器軌道高度較低(通常隻有幾百千米)，在地球邊緣處開始捕獲時信号可能穿過大氣頂層，由此産生的信号衰落将對捕獲跟蹤功能帶來不利影響；在自跟蹤過程中，還可能出現來自地面和其他衛星的幹擾信号(這對工作于Ku頻段的中繼星較易發生)，這些都是捕獲跟蹤設計師必須面對和盡量解決的問題。n

可展開、多頻帶跟蹤天線n

電聯規定星間鍊路的工作頻段為Ka和s頻段，美國中繼衛星還使用Ku頻段(嚴格地說，Ku頻段不是可用頻段，美國由于在國際電聯規定前已使用此頻段，故獲得許可保持使用權利至今)。因此，現有中繼衛星天線都工作于S/Ka或s/Ka/Ku頻段。

衆所周知，高的數傳速率要求鍊路具有高的EIRP值和G/T值。這都要求中繼衛星單址天線具有高的增益。例如，美國第二代中繼衛星單址天線Ku頻段就達51．7dB-52．6dB，勳頻段達54．7dB-56．4dB。如此高的增益要求其天線具有極高的電尺寸D/A，美國第二代中繼衛星天線的D/A即達400，這相當于一個工作于2GHz的60m直徑天線的電尺寸。所以，無論是哪國研制的中繼衛星，其單址天線的電尺寸都是所有衛星天線中最大的。

工作波長越短，要求天線反射面的形面精度就越高，例如，工作于Ka頻段的中繼天線，如果要求其形面誤差産生的天線增益損失小于0．5dB，天線主反射面的形面誤差就必須小于0．3mm，這不但包括加工産生的誤差，還應包括天線在軌時由于極端的真空環境和溫差(可達250°C以上)環境對反射面形變的影響，這對于直徑達幾米的天線是一項異常艱難的任務。用于中繼衛星的大型天線有固面和網狀兩種，前者尺寸适中，一般達3m左右，後者尺寸可做得更大(如美國中繼衛星達4．8m左右)，但由于工作于Ka頻段，研制難度更大，網狀反射面在軌電性能和形面精度很難保證，美國第二代中繼衛星後2顆星已開發了反射面在軌形面調整技術，但這使技術難度明顯增加。

此外，這種天線還應提供雙頻或三頻的跟蹤功能，具有性能優異的射頻敏感器等。所以，可以毫不誇張地說，中繼衛星的超大D/A比的多頻段精密跟蹤天線是研制難度最大的星載天線。n

天線指向的複合控制n

中繼衛星在軌工作時，大型單址天線處于軌迹複雜、速度變化的運動狀态。這種天線一般配置一兩副，每副天線轉動部分(包括相應的高頻箱)的質量可達100kg以上。星體和運動的天線之間存在嚴重的動力學耦合，加上天線本身是一個非線性、柔性結構系統，要想使波束極窄的天線完成對快速響應空間航天器的捕獲跟蹤任務，必須攻克高精度複合控制技術。應進行的工作至少包括考慮各系統和相關部件(如天線反射面、天線驅動機構、支撐杆和絞鍊等)的模态頻率、阻尼等撓性影響，完成撓性結構動力學建模和分析，考慮天線運動速度、産生的幹擾力矩和衛星姿态運動的綜合影響。國際上采用的手段有前饋、反饋和補償等。中繼衛星的這一控制難題無論在理論上、設計上和地面驗證試驗上都是對設計人員的巨大挑戰。

如果天線選用網狀天線的形式，其撓性特性、結構振動特性和與衛星的耦合動力學特性将更為複雜，複合控制也會更加困難。n

外熱流變化極大高頻箱熱控n

為了提高射頻性能，多數中繼衛星(如美國第一、第二代中繼衛星，日本的DRTS等)的單址天線的大型主反射面背部都有一個裝有多台Ku/Ka頻段設備的高頻箱，此天線反射面對高頻箱的熱控影響極大：一方面它産生遮擋，影響高頻箱散熱面的輻射散熱；另一方面它還引起高頻箱外熱流在一個日周期内的巨大變化；再加上天線在軌完成捕獲跟蹤功能時要不斷轉動，使得主反射面、高頻箱和太陽光的夾角不斷變化，使外熱流變化規律十分複雜，這給熱控設計帶來了很大的困難。此外，由于高頻箱内捕獲跟蹤設備對相位關系要求很嚴，又工作在Ku/Ka頻段，這對相應部位的溫度變化提出了高的要求。因此，為了獲得好的性能，必須攻克這一特殊的熱設計問題。并且這一問題對采用固面反射面天線更為突出。

應用

清晰觀看神八對接歸功于中繼衛星n

其實這個疑惑在2008年就已出現。當年9月，在“神州七号”上天時，通過中央電視台，全國億萬觀衆全程直擊了航天員翟志剛身穿國産航天服走出艙門、太空行走、返回軌道艙的全過程。

這種全面清晰的信号傳輸是如何實現的？原來，配備在飛船船體和伴飛衛星上的攝像鏡頭，記錄了航天員的每一個動作，并通過中繼衛星将視頻信号傳輸到電視台，觀衆便可以看到清晰的圖像。

此前的2008年4月25日，我國首顆中繼衛星“天鍊一号”01星，在西昌衛星發射中心由“長征三号丙”運載火箭成功發射升空，讓我國成為了世界上繼美國、俄羅斯、日本、歐空局之後，第五個擁有自己中繼衛星的航天俱樂部成員，也正是“天鍊一号”01星這顆中繼衛星，讓我們清晰地看到了翟志剛出艙的整個過程。

今年7月11日，中國第二顆中繼衛星“天鍊一号”02星成功送入太空，其和“天鍊一号”01星一起，在本次“神舟八号”與“天宮一号”的交會對接中立下大功。n

三顆中繼衛星就可實現全球覆蓋n

北京大學地球與空間科學學院教授肖佐說，中繼衛星的一個突出優點是軌道覆蓋率高，它的作用相當于把地面的測控站升高到了地球靜止衛星軌道高度，可居高臨下地觀測到在近地空間内運行的大部分航天器。

長時間以來，地面與航天器之間的聯系是通過地基測控系統實現的，也就是利用地面（陸地、海上和空中）的測控設備，對航天器發射和在軌運行進行測控與通信支持。

據了解，我國的神舟飛船圍繞地球飛行時，一個地面站捕獲飛船的時間大約在六七分鐘左右。為了能讓太空傳輸下來的畫面、語音不間斷，地面站、測量船需要一個接一個地把信号接收下來。但即使這樣，包括借助國内外測控站、多艘測量船，我國對飛船的測控覆蓋率也隻有約12%。

雖然從理論上講，隻要建立足夠多的地面站（據測算約需250個），就能夠實現對航天器100%的覆蓋率。但是在現實中，不可能在全球建立如此多的站點。除了成本方面的原因，地理條件例如海洋的阻礙和國家行政區劃的限制也是十分重要的因素。

但是一顆中繼衛星就能觀測到大部分在近地空域内飛行的航天器，由适當配置的兩顆衛星和一座地球站組網，就能基本上覆蓋整個中、低軌道的空域，可取代分布在世界各地的許多測控站，實現對中、低軌道航天器85%～100%的軌道覆蓋，而三顆中繼衛星就可實現全球覆蓋。

這樣通過構建的中繼衛星系統，就可以大容量、高速和實時進行數據傳輸。也正是由于這樣的原因，目前世界各國都在努力拓寬中繼衛星的應用領域。n

自然災害信息可以更及時傳播n

民政部國家減災中心總工程師李京教授表示，中繼衛星未來在資源調查、自然災害監測衛星的數據傳輸方面也将發揮重要作用。他說，沒有中繼衛星，資源衛星、環境衛星等應用衛星獲得的科學數據，隻有在衛星經過地面站上空時才能下傳使用，如果突發重大自然災害，往往就會失掉最佳的應對處置時機。

“有了中繼衛星，環境衛星所獲得的信息就可以避免地面站的限制，從而可以及時傳送，而在一些台風等自然災害多發的地方，獲取及時的災害情報則顯得尤為重要，往往隻有依靠它，政府部門才能夠在最短的時間内了解災區的詳細災情，并根據災情作出正确的決策。”李京說，對衆多的老百姓而言，中繼衛星的最大好處就是可以讓他們更加及時地獲得更為充分的氣象、自然災害等信息，從而為自己的生産和生活帶來方便。

“将來，我國計劃發射一批大分辨率的資源、環境等衛星，而這種要求更高的數據傳輸，中繼衛星的作用就會更大。”李京說。

肖佐也表示，發展中繼衛星，其在軍事方面也具有重要意義。在沒有中繼衛星時，以往各類軍用的通信、導航、氣象、偵察、監視和預警等衛星的地面航天控制中心，常常需要通過地球站點和民用通信網進行跟蹤、測控和數據傳輸，但是在戰争中，一旦地球站點和民用通信網遭到破壞，這些軍用的衛星有時就要變成“聾子的耳朵”，難以發揮應有的效用。

可是在有了中繼衛星及其構建的天基測控網以後，由于中繼衛星可以擺脫對絕大多數地球站的依賴，而自成一個獨立的專用系統，因此能夠更有效地為軍事服務。n

中繼衛星可以幫助航天器搶修故障n

目前在各大航天大國中，中繼衛星主要被用于航天工程。在載人航天中，中繼衛星系統可以提供高覆蓋率的實時圖像和高速數據的中轉傳輸，并能同時對多個目标進行測控通信，為航天員安全、空間交會對接和返回着陸提供支持。

肖佐告訴記者，在太空中，航天器出現故障，搶救時機往往以秒計，一旦錯過就可能造成永遠無法挽回的損失。随着中國衛星數量的增多，故障率不可避免要增加，而中繼衛星投入應用後，将使航天器故障能夠及早發現、盡早解決。

相關專家表示，我國的中繼衛星系統目前還處在初期發展水平，無論是從建設上還是從應用來看，我國的中繼衛星系統與美國、俄羅斯等國相比還有很大差距，不過我國中繼衛星控制管理中心的一位專家在接受記者采訪時表示，中國現在正在籌建自己的天基測控系統，未來還會有新的中繼衛星發射。等中國的天基測控系統完善以後，中國将從地基測控時代轉入天基測控時代，而那時，中國更多的航天任務依舊要靠中繼衛星擔當重要角色。

世界首顆中繼衛星

概述

1983年4月，美國從“挑戰者”号航天飛機上發射了第一顆跟蹤和數據中繼衛星(TDRS)，它是現代最大的通信衛星，也是首次在一顆衛星上同時采用S、C和Ku3個頻段的通信衛星。

技術指标

衛星重2噸多，太陽電池翼伸開後,翼展達17.4米，橫向跨度為13米。衛星工作10年後，太陽電池陣仍可提供1850瓦功率。星體采用三軸姿态控制穩定方式（見航天器姿态控制）。

衛星上裝有 7副不同類型的天線。兩副直徑4.9米抛物面天線在衛星發射過程中收攏成筒狀，入軌後通過機械螺杆控制撐開呈傘形，每個天線有兩副饋源，分别用于S和Ku頻段的跟蹤和數據中繼。一副直徑為 2米的抛物面天線用于對衛星通信地球站的Ku頻段雙向通信。這3副天線均裝在精密的萬向架上,由地面指令控制，能自動跟蹤其他航天器，指向精度達0.06°。星體中部是30個螺旋組成的S頻段相控陣天線，用作多址通信。

還有一副直徑1.12米的Ku頻段抛物面天線和一副C頻段鏟形天線，用于美國國内通信。Ku、S頻段轉發器能提供的通信容量有20個S頻段多址信道，2個S頻段單址信道和2個Ku頻段單址信道。此外，12個C頻段轉發器可傳輸電話、電視和數據等。