中繼衛星

中繼衛星不同於其他種類的衛星，也不同於一般的通信衛星，一般的通信衛星作為空中轉發站，兩頭眼務的對象都是地面站，中繼衛星在地球同步靜止軌道上運行，既能直視中低軌道用戶航天器，又能直視地面站，服務對象是運行於中低軌道的用戶航天器，是溝通用戶航天器與地面站的橋樑，這是中繼衛星系統的一個重大獨特之處。中繼衛星調度問題不同於其他衛星調度問題，即使只有一顆中繼衛星，其調度複雜問題也很複雜。

跟蹤與數據中繼衛星系統(Tracking and Dada Relay Satellite System，簡稱TDRSS，是為中、低軌道的航天器與航天器之間、航天器與地面站之間提供數據中繼、連續跟蹤與軌適測控服務的系統，簡稱中繼系統。跟蹤與數據中繼衛星系統(TDRSS)是20世紀航天測控通信技術的重大突破。其“天基”設計思想，從根本上解決了測控、通信的高覆蓋率問題，同時一還解決了高速數傳和多目標測控通信等技術難題，並具有很高的經濟效益。TDRSS系統使航天測控通信技術發生了革命性的變化，目前還在繼續向前發展，不斷地拓寬自己的應用領域。

中繼衛星現在用於轉發地球站對中低軌道航天器的跟蹤測控信號和中繼航天器發回地面的信息的地球靜止通信衛星。高頻段電波的直線傳播特性和地球曲率的影響，使地面測控站跟蹤中、低軌道航天器的軌道弧段和通信時間受到限制。跟蹤與數據中繼衛星的作用，相當於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內運行的大部分航天器。由適當配置的兩顆衛星和一座地球站組網，可取代分佈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。

美國與俄羅斯兩國的跟蹤與數據中繼衛星系統均已進入應用階段，正在發展後續系統；歐空局和日本在這類衛星的發展中採用了新的思路和技術途徑。中國正在積極推進研究跟蹤與數據衛星系統建設。

中繼衛星相當於把地面上的測控站升高到了地球衛星軌道高度，一顆衛星就能觀測到大部分在近地空域內飛行的航天器，兩顆衛星組網就能基本覆蓋整個中、低軌道的空域。因此由兩顆衛星和一個測控站所組成的跟蹤和數據中繼衛星系統，可以取代配置在世界各地由許多測控站構成的航天測控網。中繼衛星的主要用途是：

①跟蹤、測定中、低軌道衛星。

②為對地觀測衛星實時轉發遙感、遙測數據。

③承擔太空梭和載人飛船的通信和數據傳輸中繼業務。

④滿足軍事特殊需要，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，要通過一系列地面站和民用通信網進行跟蹤、測控和數據傳輸。中繼衛星可以擺脫對絕大多數地面站的依賴，自成獨立的專用系統，更有效地為軍事服務。

1983年4月，美國從“挑戰者”號太空梭上發射了第一顆跟蹤和數據中繼衛星（TDRS），它也是現代最大的通信衛星。

跟蹤和數據中繼衛星的主要用途有：跟蹤、測定中、低軌道衛星；為對地觀測衛星實時轉發遙感、遙測數據；承擔太空梭和載人飛船的通信和數據傳輸中繼業務和滿足軍事特殊需要等。

中繼衛星“站得高看得遠”，它可以把中低軌道的衛星一覽無餘，並能將中低軌道產生的數據和中低軌道衛星需要的數據，通過中繼衛星和地面相連，從而有效解決了衛星數據傳輸的問題。

相比一般的通信衛星，中繼衛星有“三高”優勢，即高動態、高速率和高軌道覆蓋率。

6顆1983年4月4日發射了第一顆跟蹤與數據中繼衛星TDRS-1，開創了天基測控新時代。

1993年1月，第6顆跟蹤與數據中繼衛星(TDRS-6)發射后，該系統具有了在軌運行和軌道備份能力，這才真正完成其組網過程。

1995年7月13日發射了第7顆TDRS衛星作為應急備用星，結束了長達10餘年的第一代跟蹤與數據中繼衛星系統的建設工作。美國之所以如此堅持不懈地努力發展這一系統，重要原因就是它是一種作用很大的衛星。由於發射失敗和衛星本身故障，直到1991年發射第5顆衛星(TDRS-5)時，只能保持一顆完好的衛星在軌，雖然其間也曾有過2顆上作衛星在軌的情況，但沒有足夠的軌道備份。儘管如此，這種衛星系統已發揮了很大作用，它曾為12種以上的各種中、低軌道航天器提供跟蹤與數據中繼業務。其中包括著名的哈勃望遠鏡。

如今，關國正在研製下一代的高級跟蹤與數據中繼衛星系統(ATDRSS)新一代跟蹤與數據中繼衛星計劃再發射3顆衛星，稱為TDRS-H,I,J.其中TDRS-H和I已於2000年6月和2002年9月發射升空。TDRS-H處於部分工作狀態,TDRS-I處於校驗狀態。

目前，美國TDRSS系統的空間部分由地球同步軌道上的6顆在軌中繼星組成，即TDRS-F1、F3、F4、F5、F6、F7(TDRS-F2發射失敗)。另外，還有ATDRSS系統的TDRS-H、I。

4顆以上

即2顆以上軍用，2顆民用歐洲航天局於1989年決定發展數據中繼衛星，期間有過一些停頓，到1993年歐州空間局才決定恢復DRS計劃。1999年發射第一顆，2003年發射第二顆。

2顆

日木宇宙開發事業團對日本的數據中繼和跟蹤衛星DRTS進行了規劃，並於1993年確定了4步走的發展策略：

(1)1995年利用工程試驗衛星(ETS)6進行試驗。

(2)1997年利用通信工程試驗衛星COMETS進行試驗。

(3)1998年利用光學軌道間通信工程試驗衛星OICETS進行試驗。

(4)2000年發射2顆實用型數據中繼和跟蹤衛星。

DRTS系統的目的在於為日本空間活動，如地球觀測和國際空間站計劃，建立通信基礎設施。

3顆

2008年4月，“天鏈一號01星”發射成功，並在神舟七號任務中得到試驗驗證，它突破了高動態條件下的天基測控和數據中繼技術。

2011年7月，“天鏈一號02星”成功發射並與01星組網運行，在天宮一號與神舟八號、神舟九號交會對接任務中發揮重要作用。

2012年7月25日23時43分，中國在西昌衛星發射中心用“長征三號丙”運載火箭將“天鏈一號03星”順利發射升空，並成功送入太空預定軌道。“天鏈一號03星”是中國發射的第三顆地球同步軌道數據中繼衛星，其成功發射后，將實現“天鏈一號”衛星全球組網運行，標誌著中國第一代中繼衛星系統正式建成。

2020年10月26日夜通過“一箭三星”方式，成功發射遙感三十號07組衛星。北京空間信息傳輸中心通過天鏈一號02星同時對3顆衛星的早期運行段進行實時跟蹤與遙測，標誌著我國中繼衛星系統具備同時為更多目標提供測控和數傳支持的能力。

2021年7月6日23時53分，中國在西昌衛星發射中心使用長征三號丙運載火箭，成功將天鏈一號05星發射升空，衛星順利進入預定軌道。至此，中國第一代數據中繼系列衛星圓滿收官。

和通信衛星相比，中繼衛星的總體設計存在一些特點：

(1)分析表明，如果設計好，中繼衛星完全可在軌道傾角變化較大(如±40°，甚至更大)的條件下工作，也就是說，並不要求嚴格的南北位置保持，衛星壽命並不以星上裝載大量推進劑為必要條件。在通信衛星總體設計中經常困惑設計師的推進劑多少決定衛星壽命的問題，對中繼衛星來說則可用全新的思路來解決，從而明顯提高衛星平台的能力。例如：一顆乾重約1150kg的地球靜止軌道中繼衛星，定點后一般需要290kg左右推進劑以維持8年壽命；如果改進設計(如增加對地天線指向調節功能等)，衛星定點時可工作在傾角-4°的地球同步軌道，不進行南北位置保持，最多只需60kg推進劑，即可達到8年～9年壽命。衛星可節省約200kg(考慮改進設計還需要一些質量)的推進劑重量，這應是一個跨越式的進步，總體設計師應利用或部分利用這一特點，研製出效能比更好的中繼衛星。

(2)由於天線、高頻箱等星外部件即使在收攏狀態體積也很大，設計師在解決衛星和運載火箭整流罩的兼容問題時將會遇到困難，這在衛星本體尺寸大的情況下將更加突出。

(3)對功率需求不大，各個中繼衛星的衛星功率都只有2kW左右，明顯低於普通通信衛星。

(4)和同時代的大型通信衛星相比，起飛質量相對較低，最重的是美國第二代中繼衛星，約3100kg，其他的中繼衛星的起飛質量都在2200kg～2700kg左右。

加上其他技術上的原因，原來為一般通信衛星量體裁衣開發的大型公用平台用於中繼星並不完全適用，在研製中要進行較多的改動，這也是研製中的一個難點。例如，美國第二代中繼衛星就選用了BSS-601平台的改型。據報道，新訂貨的美國第三代中繼衛星(首顆星將於2012年底發射)仍使用BSS-601平台，並未選用波音衛星系統公司的能力最大的BSS-702平台。

中繼衛星在研製中遇到的獨特的關鍵技術和難點，至少有如下幾個方面：

星載閉環捕獲跟蹤

這是建立星間傳輸通道的首要條件，特別是由於高速率傳輸的要求，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，並且為了簡化系統設計，用戶航天器沒有信標，中繼衛星必須跟蹤它發送的數傳信號，而這種信號隨用戶航天器的不同，具有不同的數據速率、調製方式、頻帶寬度和多普勒頻移。另外，由於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別困難。負責完成這一任務的捕獲跟蹤分系統具有多個關鍵部件(如單通道調製器、捕獲跟蹤接收機等)。這些關鍵部件的硬體和軟體相當複雜，在角度誤差信號的提取、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。

由於用戶航天器軌道高度較低(通常只有幾百千米)，在地球邊緣處開始捕獲時信號可能穿過大氣頂層，由此產生的信號衰落將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干擾信號(這對工作於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。

可展開、多頻帶跟蹤天線

電聯規定星間鏈路的工作頻段為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，美國由於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於S/Ka或s/Ka/Ku頻段。

眾所周知，高的數傳速率要求鏈路具有高的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，勛頻段達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，這相當於一個工作於2GHz的60m直徑天線的電尺寸。所以，無論是哪國研製的中繼衛星，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，工作於Ka頻段的中繼天線，如果要求其形面誤差產生的天線增益損失小於0．5dB，天線主反射面的形面誤差就必須小於0．3mm，這不但包括加工產生的誤差，還應包括天線在軌時由於極端的真空環境和溫差(可達250°C以上)環境對反射面形變得影響，這對於直徑達幾米的天線是一項異常艱難的任務。用於中繼衛星的大型天線有固面和網狀兩種，前者尺寸適中，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)，但由於工作於Ka頻段，研製難度更大，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后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製難度最大的星載天線。

天線指向的複合控制

中繼衛星在軌工作時，大型單址天線處於軌跡複雜、速度變化的運動狀態。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、支撐桿和絞鏈等)的模態頻率、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、產生的干擾力矩和衛星姿態運動的綜合影響。國際上採用的手段有前饋、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將更為複雜，複合控制也會更加困難。

外熱流變化極大高頻箱熱控

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：一方面它產生遮擋，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內的巨大變化；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，由於高頻箱內捕獲跟蹤設備對相位關係要求很嚴，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。並且這一問題對採用固面反射面天線更為突出。

1983年4月，美國從“挑戰者”號太空梭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採用S、C和Ku3個頻段的通信衛星。衛星重2噸多，太陽電池翼伸開后，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。星體採用三軸姿態控制穩定方式（見航天器姿態控制）。衛星上裝有7副不同類型的天線。兩副直徑4.9米拋物面天線在衛星發射過程中收攏成筒狀，入軌后通過機械螺桿控制撐開呈傘形，每個天線有兩副饋源，分別用於S和Ku頻段的跟蹤和數據中繼。一副直徑為 2米的拋物面天線用於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頻段拋物面天線和一副C頻段鏟形天線，用於美國國內通信。Ku、S頻段轉發器能提供的通信容量有20個S頻段多址通道，2個S頻段單址通道和2個Ku頻段單址通道。此外，12個C頻段轉發器可傳輸電話、電視和數據等。