中继卫星:通信卫星-中文百科频道

优点

1)覆盖率高n

中继卫星系统极大地提高对中、低轨航天器的测控和数传的覆盖率，例如：对于一颗轨道高度为500km的卫星，如在国内设多个站，每天可测控时段只有30min～40min，而设置一颗中继卫星可将这一时间提高到10h以上；利用多颗中继星(如3颗)组网形成系统后，可实现对中、低轨航天器的全轨道覆盖，大大提高了卫星效能。n

2)实时性好n

可提供与载人航天器的实时联系；可实时获得中、低轨航天器观测地球产生的数据和图像，增加其实效性；能实时监控这些航天器，可明显提高其生存能力；此外和用户航天器一起，可具备提供实时观测境外热点地区突发事件的能力。在技术水平下，这是具备此功能的唯一系统。n

3)效费比高n

如果用扩大地球站网络来增加覆盖性和实时性，例如：对于轨道高度约300km的卫星，为了满足100%覆盖，必须在地球上设100多个站来实现，但实际上，考虑到经费、地理环境和政治因素，这根本不能实现。中继卫星可大幅度减少地面站、测量船的数量，具有很大的终济优势。

关键技术点

星载闭环捕获跟踪n

这是建立星间传输信道的首要条件，特别是由于高速率传输的要求，相关天线的波束很窄，如美国中继卫星单址天线波束宽仅为0.28m。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，中继卫星必须跟踪它发送的数传信号，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、频带宽度和多普勒频移。

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。负责完成这一任务的捕获跟踪分系统具有多个关键部件(如单通道调制器、捕获跟踪接收机等)。这些关键部件的硬件和软件相当复杂，在角度误差信号的提取、处理等方面具有多项关键技术。美国中继卫星对中低轨航天器的自动跟踪精度约为0.06m。n

由于用户航天器轨道高度较低(通常只有几百千米)，在地球边缘处开始捕获时信号可能穿过大气顶层，由此产生的信号衰落将对捕获跟踪功能带来不利影响；在自跟踪过程中，还可能出现来自地面和其他卫星的干扰信号(这对工作于Ku频段的中继星较易发生)，这些都是捕获跟踪设计师必须面对和尽量解决的问题。n

可展开、多频带跟踪天线n

电联规定星间链路的工作频段为Ka和s频段，美国中继卫星还使用Ku频段(严格地说，Ku频段不是可用频段，美国由于在国际电联规定前已使用此频段，故获得许可保持使用权利至今)。因此，现有中继卫星天线都工作于S/Ka或s/Ka/Ku频段。

众所周知，高的数传速率要求链路具有高的EIRP值和G/T值。这都要求中继卫星单址天线具有高的增益。例如，美国第二代中继卫星单址天线Ku频段就达51．7dB-52．6dB，勋频段达54．7dB-56．4dB。如此高的增益要求其天线具有极高的电尺寸D/A，美国第二代中继卫星天线的D/A即达400，这相当于一个工作于2GHz的60m直径天线的电尺寸。所以，无论是哪国研制的中继卫星，其单址天线的电尺寸都是所有卫星天线中最大的。

工作波长越短，要求天线反射面的形面精度就越高，例如，工作于Ka频段的中继天线，如果要求其形面误差产生的天线增益损失小于0．5dB，天线主反射面的形面误差就必须小于0．3mm，这不但包括加工产生的误差，还应包括天线在轨时由于极端的真空环境和温差(可达250°C以上)环境对反射面形变的影响，这对于直径达几米的天线是一项异常艰难的任务。用于中继卫星的大型天线有固面和网状两种，前者尺寸适中，一般达3m左右，后者尺寸可做得更大(如美国中继卫星达4．8m左右)，但由于工作于Ka频段，研制难度更大，网状反射面在轨电性能和形面精度很难保证，美国第二代中继卫星后2颗星已开发了反射面在轨形面调整技术，但这使技术难度明显增加。

此外，这种天线还应提供双频或三频的跟踪功能，具有性能优异的射频敏感器等。所以，可以毫不夸张地说，中继卫星的超大D/A比的多频段精密跟踪天线是研制难度最大的星载天线。n

天线指向的复合控制n

中继卫星在轨工作时，大型单址天线处于轨迹复杂、速度变化的运动状态。这种天线一般配置一两副，每副天线转动部分(包括相应的高频箱)的质量可达100kg以上。星体和运动的天线之间存在严重的动力学耦合，加上天线本身是一个非线性、柔性结构系统，要想使波束极窄的天线完成对快速响应空间航天器的捕获跟踪任务，必须攻克高精度复合控制技术。应进行的工作至少包括考虑各系统和相关部件(如天线反射面、天线驱动机构、支撑杆和绞链等)的模态频率、阻尼等挠性影响，完成挠性结构动力学建模和分析，考虑天线运动速度、产生的干扰力矩和卫星姿态运动的综合影响。国际上采用的手段有前馈、反馈和补偿等。中继卫星的这一控制难题无论在理论上、设计上和地面验证试验上都是对设计人员的巨大挑战。

如果天线选用网状天线的形式，其挠性特性、结构振动特性和与卫星的耦合动力学特性将更为复杂，复合控制也会更加困难。n

外热流变化极大高频箱热控n

为了提高射频性能，多数中继卫星(如美国第一、第二代中继卫星，日本的DRTS等)的单址天线的大型主反射面背部都有一个装有多台Ku/Ka频段设备的高频箱，此天线反射面对高频箱的热控影响极大：一方面它产生遮挡，影响高频箱散热面的辐射散热；另一方面它还引起高频箱外热流在一个日周期内的巨大变化；再加上天线在轨完成捕获跟踪功能时要不断转动，使得主反射面、高频箱和太阳光的夹角不断变化，使外热流变化规律十分复杂，这给热控设计带来了很大的困难。此外，由于高频箱内捕获跟踪设备对相位关系要求很严，又工作在Ku/Ka频段，这对相应部位的温度变化提出了高的要求。因此，为了获得好的性能，必须攻克这一特殊的热设计问题。并且这一问题对采用固面反射面天线更为突出。

应用

清晰观看神八对接归功于中继卫星n

其实这个疑惑在2008年就已出现。当年9月，在“神州七号”上天时，通过中央电视台，全国亿万观众全程直击了航天员翟志刚身穿国产航天服走出舱门、太空行走、返回轨道舱的全过程。

这种全面清晰的信号传输是如何实现的？原来，配备在飞船船体和伴飞卫星上的摄像镜头，记录了航天员的每一个动作，并通过中继卫星将视频信号传输到电视台，观众便可以看到清晰的图像。

此前的2008年4月25日，我国首颗中继卫星“天链一号”01星，在西昌卫星发射中心由“长征三号丙”运载火箭成功发射升空，让我国成为了世界上继美国、俄罗斯、日本、欧空局之后，第五个拥有自己中继卫星的航天俱乐部成员，也正是“天链一号”01星这颗中继卫星，让我们清晰地看到了翟志刚出舱的整个过程。

今年7月11日，中国第二颗中继卫星“天链一号”02星成功送入太空，其和“天链一号”01星一起，在本次“神舟八号”与“天宫一号”的交会对接中立下大功。n

三颗中继卫星就可实现全球覆盖n

北京大学地球与空间科学学院教授肖佐说，中继卫星的一个突出优点是轨道覆盖率高，它的作用相当于把地面的测控站升高到了地球静止卫星轨道高度，可居高临下地观测到在近地空间内运行的大部分航天器。

长时间以来，地面与航天器之间的联系是通过地基测控系统实现的，也就是利用地面（陆地、海上和空中）的测控设备，对航天器发射和在轨运行进行测控与通信支持。

据了解，我国的神舟飞船围绕地球飞行时，一个地面站捕获飞船的时间大约在六七分钟左右。为了能让太空传输下来的画面、语音不间断，地面站、测量船需要一个接一个地把信号接收下来。但即使这样，包括借助国内外测控站、多艘测量船，我国对飞船的测控覆盖率也只有约12%。

虽然从理论上讲，只要建立足够多的地面站（据测算约需250个），就能够实现对航天器100%的覆盖率。但是在现实中，不可能在全球建立如此多的站点。除了成本方面的原因，地理条件例如海洋的阻碍和国家行政区划的限制也是十分重要的因素。

但是一颗中继卫星就能观测到大部分在近地空域内飞行的航天器，由适当配置的两颗卫星和一座地球站组网，就能基本上覆盖整个中、低轨道的空域，可取代分布在世界各地的许多测控站，实现对中、低轨道航天器85%～100%的轨道覆盖，而三颗中继卫星就可实现全球覆盖。

这样通过构建的中继卫星系统，就可以大容量、高速和实时进行数据传输。也正是由于这样的原因，目前世界各国都在努力拓宽中继卫星的应用领域。n

自然灾害信息可以更及时传播n

民政部国家减灾中心总工程师李京教授表示，中继卫星未来在资源调查、自然灾害监测卫星的数据传输方面也将发挥重要作用。他说，没有中继卫星，资源卫星、环境卫星等应用卫星获得的科学数据，只有在卫星经过地面站上空时才能下传使用，如果突发重大自然灾害，往往就会失掉最佳的应对处置时机。

“有了中继卫星，环境卫星所获得的信息就可以避免地面站的限制，从而可以及时传送，而在一些台风等自然灾害多发的地方，获取及时的灾害情报则显得尤为重要，往往只有依靠它，政府部门才能够在最短的时间内了解灾区的详细灾情，并根据灾情作出正确的决策。”李京说，对众多的老百姓而言，中继卫星的最大好处就是可以让他们更加及时地获得更为充分的气象、自然灾害等信息，从而为自己的生产和生活带来方便。

“将来，我国计划发射一批大分辨率的资源、环境等卫星，而这种要求更高的数据传输，中继卫星的作用就会更大。”李京说。

肖佐也表示，发展中继卫星，其在军事方面也具有重要意义。在没有中继卫星时，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，常常需要通过地球站点和民用通信网进行跟踪、测控和数据传输，但是在战争中，一旦地球站点和民用通信网遭到破坏，这些军用的卫星有时就要变成“聋子的耳朵”，难以发挥应有的效用。

可是在有了中继卫星及其构建的天基测控网以后，由于中继卫星可以摆脱对绝大多数地球站的依赖，而自成一个独立的专用系统，因此能够更有效地为军事服务。n

中继卫星可以帮助航天器抢修故障n

目前在各大航天大国中，中继卫星主要被用于航天工程。在载人航天中，中继卫星系统可以提供高覆盖率的实时图像和高速数据的中转传输，并能同时对多个目标进行测控通信，为航天员安全、空间交会对接和返回着陆提供支持。

肖佐告诉记者，在太空中，航天器出现故障，抢救时机往往以秒计，一旦错过就可能造成永远无法挽回的损失。随着中国卫星数量的增多，故障率不可避免要增加，而中继卫星投入应用后，将使航天器故障能够及早发现、尽早解决。

相关专家表示，我国的中继卫星系统目前还处在初期发展水平，无论是从建设上还是从应用来看，我国的中继卫星系统与美国、俄罗斯等国相比还有很大差距，不过我国中继卫星控制管理中心的一位专家在接受记者采访时表示，中国现在正在筹建自己的天基测控系统，未来还会有新的中继卫星发射。等中国的天基测控系统完善以后，中国将从地基测控时代转入天基测控时代，而那时，中国更多的航天任务依旧要靠中继卫星担当重要角色。

世界首颗中继卫星

概述

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。

技术指标

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（见航天器姿态控制）。

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。