下一代数据中继卫星系统发展思考

通过系统阐述中继卫星系统的发展过程,给出了主要国家和组织的中继卫星系统技术体制和现状.再结合卫星、载人航天器和深空探索的未来发展趋势,分析了下一代中继卫星系统的发展需求.在此基础上,从体系结构、卫星平台、链路调制体制、网络协议等方面,探讨并给出了下一代中继卫星系统的发展趋势和技术途径.为满足未来近地、深空航天任务,以及临近、低空快速移动用户的不同要求,节约系统成本,下一代中继卫星系统将向专业化和与其他系统融合的方向发展:星间链路将增加激光链路,数据速率可达到10 Gbit/s以上;多址业务成为主用,同时支持用户数能力将极大提高;对于链路调制体制,在采用CR(Cognitive Radio,认知无线电)和SDR(Software Defined Radio,软件定义无线电)技术的基础上,可实现实时自适应调整和根据需求加载配置;数据传输将采用网络化方式,天地间构成一体化DTN(Delay Tolerant Network,容延迟网络).     

跟踪和数据中继卫星系统地面站的软件和数据自动处理装置

一简介跟踪和数据中继卫星系统(TDRSS)可以跟踪其它(用户)卫星并中继其数据。该系统的地面站可同时对K波段和S波段的19条正向(到用户星)和32条反向(来自用户星)的数据信道进行调制解调。中继卫星系统本身对数据是直通的,它与国家航空航天局之间直接传输同步信息流。四颗通信卫星都有这种数据信道,通过6个单址和3个多址天线进行。中继卫星系统每周7天、全天24小时都进行数据中继服务。用一个中继卫星的个别(井力)务最长可持续24小时;用3颗中继卫星,便可连续不断地为用户星服务。中继卫星系统地面站是一个自动化程度极高的通信电子设备的集合体。这种自动化是依赖于软件实现的,使用了一个庞大的计算机组合——9台DEC PDP11/70计算机和一台双处理机Univac 1110。该软件要完成三项主要功能:     

我国第一代中继卫星地面应用系统发展建设的思考

＂天链一号＂03星成功入轨标志着我国第一代中继卫星系统基本形成。作为中继卫星运行管理和数据中继服务的主体,地面应用系统发展建设水平直接决定了中继卫星系统应用效益的发挥。在总结地面应用系统现状基础上,分析了现有系统在资源可用率、任务服务模式和任务保障可靠性等方面所面临的形势以及存在的差距,提出了地面应用系统后续发展建设的思路和内容。     

无人机系统的卫星中继数据链

针对大中型无人机系统实现远程测控与信息传输的技术需求,在参考国外＂捕食者＂、＂全球鹰＂等先进无人机系统技术体制和实现方案的基础上,提出了利用商业或军用通信卫星作为空中中继平台,建立无人机卫星中继数据链,实现我国远程无人机系统的超视距遥控、遥测和侦察信息实时传输的解决方案,这对延伸无人机系统的作用距离、提高作战效能具有重要意义。文中分析了无人机系统卫星中继数据链的技术体制,提出了工程应用中的关键技术,对具体的工程实现具有一定的指导意义。     

中继卫星系统链路操作影响因素分析

中继卫星系统链路建立和维持是中继卫星系统的关键技术，其直接影响中继卫星系统为用户提供数据中继服务的质量。影响链路建立和维持等操作的因素较多，有些还存在一定的关联性。本文分析给出了影响中继卫星系统捕获跟踪用户平台性能的几个主要因素，如链路建立时间、链路建立概率、中继卫星对用户平台的程序跟踪误差、中继卫星对用户平台的自动跟踪误差等，并就各种因素对中继卫星系统链路操作的影响进行初步评估。     

中继卫星系统在我国航天测控中的应用

中继卫星系统高覆盖、数据传输能力强,是航天测控网的重要组成部分。随着我国中继卫星系统的建设和不断完善,其对优化我国航天测控网结构、提升中低轨道航天器测控能力的作用日益明显。本文结合中继卫星系统的特点,分析了我国航天测控任务对中继卫星系统的应用需求,提出了在运载火箭测控、航天器入轨段测控、载人航天测控、卫星在轨长期管理等方面开展中继卫星系统应用的思路,梳理了运载火箭测控、航天器入轨及早期轨道段测控、飞船返回段测控、多址链路测控等方面需要解决的关键技术。     

TDRSS双差分数据测轨方法研究

本文针对TDRSS(跟踪和数据中继卫星系统)的两颗中继卫星(地球赤道同步卫星)的双差分数据,给出了确定用户星(放跟踪航天器)轨道的一种方法。由于减小了中继卫星星历误差对用户星位置误差的影响,消除了中继卫星仪器误差,特别是完全消除了中继卫星、用户星和地面站问的任何时钟误差的影响,因此,对提高用户星测轨精度是十分有利的。     

中继卫星系统地面云存储架构设计

针对中继卫星系统日益增长的海量数据存储需求,探索将云技术应用于中继卫星地面存储系统中,研究并设计了适用于中继卫星系统的分布式云存储的体系架构.该架构通过分布式存储和存储虚拟化技术,对存储资源进行了整合,将分布在不同地理位置上的存储网络,集合成一个大规模广域云存储系统,可提供整体存储和访问的功能,并实现对数据的高效“存”、“取”、“管”.与传统NAS(Network Attached Storage,网络附加存储)架构分析比较,该架构从系统扩展性、可靠性和服务性等多个方面均更加具有优势,能够适应日益增长的中继卫星系统海量数据存储需求,解决中继卫星系统中大容量数据存储的瓶颈.     

我国中继卫星系统在交会对接任务中的应用

我国中继卫星系统在交会对接任务中得到了成功应用,显著提升了测控通信覆盖率,充分体现了中继卫星系统在交会对接任务测控通信中发挥的重要作用.结合中继卫星系统特点,分析交会对接任务对中继卫星系统的任务需求;探讨了中继卫星捕获跟踪用户目标、对用户目标测定轨、着陆场直升机缝隙通信等关键技术;最后总结了中继卫星系统抗雨衰影响、多目标支持能力、应急支持能力等方面的经验做法,并提出了后续改进和完善的建议.     

TDRSS双差分数据测轨的单位矢量法

本文根据人造卫星测轨的单位矢量法基本原理,利用跟踪和数据中继卫星系统(TDRSS)的两颗中继卫星双差分数据,给出了一种独立测定用户星轨道的新方法。     

中继卫星系统组网备份策略研究

针对我国中继卫星系统组网备份策略问题,在分析国外中继卫星系统有关情况,尤其是美国中继卫星系统组网备份策略的基础上,讨论了我国中继卫星系统组网备份的途径,针对我国实际情况提出了目前宜采用发射备份星进行备份的策略,后续应考虑具备轨位漂移能力实现系统重构的备份策略。分析了我国组网备份的技术能力,研究了轨位漂移、多星共位控制和规划调整等技术手段,提出了为具备漂移能力而带来的技术问题及其解决途径,并指出了后续研究的方向。     

TDRSS双差分数据测轨的单位矢量法

本文根据人造卫星测轨的单位矢量法基本原理,利用跟踪和数据中继卫星系统（ＴＤＲＳＳ）的两颗中继卫星双差分数据,给出了一种独立测定用户星轨道的新方法。     

我国中继卫星地面站站址选择设想

本文对我国设想中的数据中继卫星系统地面站的站址提出了选择原则,并依据这些原则,讨论了地面站站址选择的依据。     

中继卫星系统组网运行问题研究

随着我国中继卫星系统的不断建设与发展,如何完善系统的组网运行管理,构建一个高可靠性和高可用度的系统是摆在我们面前的重要课题。在对美国TDRSS(跟踪与数据中继卫星系统)的卫星在轨备份、轨道漂移、卫星共位、地面终端站配置以及系统总体性能等方面进行分析的基础上,总结出其组网运行的4个特点:空间段具有备份节点、备份星;地面段配置备份中心、备份站;系统具备2颗卫星共位能力;系统具备轨道漂移能力。结合我国中继卫星系统建设与发展实际,得出了以下几点启示:加快备份星和备份站的部署与建设;适时形成单节点多星的星群配置;增加支持卫星轨道漂移和共位的能力;增加大椭圆轨道卫星的部署。     

航天测控新体制探讨

我国现行测控系统的基带信号和基带设备都是分立的,统一测控系统是采用频分多路体制,它们存在多副载频相互干扰、测距精度和无模糊距离难于提高、抗干扰性差、设备复杂等缺点。建议我国新一代航天测控系统采用时分多路、伪码扩频体制。新的体制不仅能克服上述缺点,而且还能与我国即将研制的数据中继卫星系统兼容,便于开展国际合作。研制新体制测控系统需要解决扩频技术、扩频伪码距离、高速数据处理、数据传输等关键技术,国外已     

NASA准备放宽中继卫星使用限制

跟踪和数据中继卫星系统以前只用于政府的航天器,但每周都有一定的空余能力。NASA目前准备向工业界想试验新技术的用户开放该通信卫星网络。NASA官员说关于如何利用该系统须由工业界决定。 中继卫星位于赤道上空35406公里的轨道上,它能将航天飞机或卫星的数据中继到新墨西哥州白沙的地面终端。     

欧洲未来的数据中继卫星系统技术方案

本文介绍并比较了能满足欧洲九十年代需要的未来数据中继卫星系统的各种技术方案,列出了目前己知的各种工作要求及各种系统方案,还分析了各种可能的中继技术,其中有一项技术涉及激光线路。本文还介绍了预先研究和研制情况,最后简要介绍初步确定的参考系统方案和数据中继卫星(DRS)计划进度示意表。     

跟踪和数据中继卫星系统在欧洲的应用可能性

美国航空航天局(NASA)打算在1981年左右用两颗中继卫星组成的跟踪和数据中继卫星系统(TDRSS),取代美国用于跟踪低轨卫星并进行数据和指令传输的现有地面站网。除本国用户使用外,NASA还可将该系统提供给其它国家的用户使用。本文就美国采取了该措施后对欧洲产生何种影响进行了分析。根据欧洲在八十年代到九十年代间需要执行的任务,这里提出了两种可供选择的方案。在相同工作能力下,从费用以及其它方面,将欧洲中继卫星的两种方案与租用TDRS系统进行了比较。通过比较可看出,采用本文提出的欧洲中继卫星系统方案更有利一些。     

大型挠性充液卫星的动力学模型

研究了带有多个挠性附件和液体燃料贮箱的中继卫星系统的动力学建模问题。给出了微重力下小幅线性晃动等效模型基本参数，用混合坐标法描述中继卫星系统的构形，利用虚功原理推导出的矩阵形式的中继卫星动力学模型简洁且具有一般性，适用于许多开链飞行器系统。     

自主机动条件下的实时定轨方法

中继卫星在跟踪自主机动用户目标时,由于机动轨道未知,需要利用中继卫星下传的星载GNSS(Global Navigations Satellite System,全球导航卫星系统)数据进行实时轨道确定与预报,为中继卫星跟踪提供实时的引导信息,以方便中继卫星快速捕获目标和连续稳定跟踪。针对该类用户目标的任务需求,讨论了基于星载GNSS数据自主机动条件下的实时定轨方法,建立了连续推力机动力学模型。以某一型号卫星的实测数据进行分析验证,并对轨道机动进行辨识,计算的机动加速度和机动时间与试验单位提供的结果一致。针对卫星不同机动情况,5min的观测数据定轨预报10min的弧段,最大位置误差小于8km,可以为中继卫星快速捕获提供高精度的引导信息。