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。     

美国星载导弹预警系统的发展现状

面对21世纪的弹道导弹威胁，美空军一直在研制新一代导弹预警卫星系统，从20世纪50年代末至1995年，先后开展研制“导弹防御警报系统”，“国防支援计划”（DSP），“后继预警系统”（FEWS），导弹警报，定位和报告”（ALARM）系统计划等等。1995年美国最后决定研制“天基红外系统”（SBIRS）预警卫星，待SBIRS预警卫星系统建成后，美军的天基预警能力将跃上一个新台阶，SBIRS预警卫星将不仅能比DSP卫星更出色地完成战略导弹预警任务，而且还能对针对美国与其盟国以及海外驻军的战区弹道导弹攻击实施有效的预警和踊跃，从而能满足21世纪美军对战略和战区弹道导弹预警的需求。     

DARA就小卫星利用商业卫星通信系统传递数据的概念性研究结果

国家对航天计划的预算要求航天工程低成本和高效费比。德国航天局(DARA)规定了一项指标,通过综合利用新概念来减少小卫星的开发和操作费用。 DARA提出一项研究课题,研究利用现有或即将建成的商业卫星通信系统来减少小卫星操作费用的替力,本文就介绍该项研究的成果。设想了多种数据传输方案,分析了低轨小卫星(科学)和下列通信卫星星座之间的几种方案:a)低轨通信卫星,即铱和全球星系统;b)中轨卫星,即ICO系统;c)地球同步卫星,即海事卫星系统。本文介绍利用这些卫星的技术可行性,限制条件以及可能的成本节省。     

全球星系统48星星座的高效卫星控制

全球星股份有限公司正在开发的全球星系统将使用48颗低轨卫星(见图1,略)建立一个世界范围内的移动通讯系统,该系统符合副总统戈尔先生在全球信息基础设施方面的观点。作为一个由新公司开发的大型长期商业系统,全球星系统提供了一个绝好的机会去探索高效卫星指令控制的新方法。正在研究的设计方案和操作方案不受已有物理或组织结构的影响。该项目确实称得上是“白手起家”。 全球星系统的操作难度很大。显然,即使每颗星一天24小时仅安排一个人来监视和控制,对全球星系统来说也是开支不起的(需要200个工作人员)。即使对每颗星每圈只测控一次,数据获取也要每45秒启停一次。尽管各显基本相同,随着时间的推移,卫星将要显示出自己的“特点”,并要求不同的数据校正和不同级别的服务。 本文讨论了全球星系统的技术难点、目前的工程方案、系统设计决策,并阐述处理卫星、地面系统和操作小组的综合需求和相互关系的操作方案。系统吸取了过去任务中的经验教训,打破了组织机构上的壁障,系统各部分建立了合作关系,为星座的管理制定了新的操作方案。然后由操作方案导出控制中心的要求。 本文最后总结了这些工程方法和方案在将来不同等级卫星星座中的适用性。     

卫星式定位、通信综合系统的发展综述

卫星式定位、通信综合系统是空间卫星应用的一个重要分支。目前该系统发展很快,有些系统已投入运行,更多的系统处于方案设想和技术验证阶段。本文从服务对象(海、陆、空移动体)、通信媒介(静止轨道和非静止轨道卫星)、通信功能(通信、定位/导航、监视)以及业务性质(军用和民用)等方面综述了当前已出现的各种卫星式定位、通信综合系统,突出了该系统的近期发展和未来的趋向。同时还提出了今后该领域内的研究课题及我国发展该系统的建议。     

美国小卫星利用天基测控系统的研究

由于对地观测小卫星和遥感小卫星的数据量很大,迫切希望能利用中继卫星向地面传送数据。为此,美国宇航局积极开展了小卫星利用中继卫星系统的研究,不仅进行了可行性论证,而且专为小卫星研制了第四代用户应答机和需分多址技术。为了满足未来数量日益增多的小卫星的需要,还提出了扩展TDRSS系统方案。     

跟踪和数据中继卫星系统的多址接收相控阵系统

30单元相控阵是中继卫星系统中所采用的新型多址方案的基础,这种相控阵利用了远地波束形成和多址信号方案。系统综合设计提出了一种控制校正方案,该方案相当于动态系统的现代估算理论,它减小了自适应控制的复杂性,又保证了所需要的精度。系统动态模型基于跟踪数据计算出来的用户星星历,外推(propa-gation)最佳权矢(旦力)的“开环”估值。由一个采样数据闭环自适应控制系统定期更新波束控制矢量,消除参数漂移和模型误差,使权矢量大致保持最佳状态。虽然有可能有一定程度的抗干扰能力,但这种方案主要用于特定的无干扰环境。     

AOS标准在海洋动力环境探测卫星中的应用

以我国在轨成功运行的首发海洋动力环境探测卫星为例,描述了在我国遥感卫星中首次全面采用AOS(高级在轨系统)标准实现整星数据流统一动态管理的数据管理方案。该方案采用AOS标准的源包多路复用机制实现对卫星遥测数据的动态调度传输,提高了信道利用率;采用虚拟信道的动态调度机制在数传信道和激光通信信道实现将卫星的低速平台数据和高速有效载荷业务数据进行动态合路传输,从而实现整星信息的综合利用,增强了卫星自主管理能力。针对卫星在轨应用情况,对该方案的优点进行了总结。     

监视加拿大环境和资源的天基小平台

要监视加拿大独特的环境和大量自然资源非常需要遥感。数颗小卫星可以较低的成本满足全天候覆盖和及时性问题,并为用户提供特殊应用服务,因而小卫星特别适用于加拿大环境和自然资源的遥感。本文的目的在于介绍一种遥感小卫星总体设计方案。可以想象要成功地实施一个小卫星计划,必须从整个系统的角度来考虑所有组成部分以及整个数据获取和处理系统。     

共轨迹卫星星座的优化设计及应用探讨

引入了初始卫星和时差的概念,通过仿真实验和优化设计,给出了一种针对我国区域特性的共地面轨迹中轨卫星(MEO)星座。同时利用该星座所具有的较好二重覆盖特性,提出了综合运用静止卫星(GEO)和MEO星座组成卫星区域导航系统的方案,并通过仿真模拟确认了该方案的可行性。     

卫星MEMS热控系统的动态特性及自主控制策略

在卫星热控系统中将高效冷却技术与系统层次的智能控制策略相结合是完成航天热控任务的理想候选方案。针对一种基于微机电系统(MEMS)的微槽道换热器和微百叶窗在卫星主动热控系统中应用的方案,应用集总参数法建立了受控对象的系统动态响应模型;提出了一种引入外热流协调因子和专家智能整定比例-积分-微分(PID)控制相结合的自主温度控制策略;完成了其在纳卫星上应用效果的仿真研究。仿真结果表明:自主温度控制策略能够根据当前的控制局势及变化趋势对多个被控量进行自主协调,不但能够有效满足星载电子设备的苛刻温控要求,同时也是实现卫星高度自主飞行的关键技术之一;该温度控制策略同样适用于其他控制场合。     

漂浮基空间机器人捕获卫星过程动力学模拟及捕获后混合体运动的RBF神经网络控制

 讨论了漂浮基空间机器人在轨捕获目标卫星过程的碰撞动力学建模,以及捕获操作结束后空间机器人与卫星混合体的稳定控制问题。首先采用多刚体动力学建模方法并结合空间机器人捕获目标卫星过程中的碰撞动力学特性,建立了漂浮基空间机器人在轨捕获漂浮卫星过程的动力学模型,并在此基础上计算出完成捕获操作后空间机器人与目标卫星混合体关节的运动速度。然后针对卫星及空间机器人系统惯性参数均是未知的复杂情况,应用上述模型、神经网络控制理论和Lyapunov稳定性理论,设计了空间机器人与卫星混合体在捕获过程碰撞冲击影响下稳定运动的高斯径向基函数神经网络控制方案,以达到对捕获卫星的有效控制。此外,高斯径向基函数神经网络控制方案具有不需要测量和反馈载体位置、移动速度与加速度的显著优点。系统数值仿真证实了上述控制方案的有效性。     

日本数据中继卫星计划

本文介绍了空间站时代日本的一种可能的数据中继卫星系统方案。该数据中继和跟踪卫星系统(DRTSS)将为高达300Mb/s数传速率的轨道航天器提供S波段和Ka波段通信及跟踪勤务。本方讨论了DRTSS的任务要求并进行了分析,还介绍了有关ETS-Ⅵ实验计划的情况。     

小卫星的空间操作

CAT空间系统公司(原DSI)在80及90年代的“小卫星”计划中起了重要的作用。传统低轨卫星的设计、制造、发射及操作成本高,时间长。这些问题一直在激励人们去开发新的工艺、技术,以及低成本、毋需严格调整的卫星。这些卫星采用低功率“小卫星”通信设备(TDRSS用于NASA低轨星则要求大功率),通常搭载不需要大量冗余备价系统并且不需要大型地面设备和人员保障的有效载荷/实验设备。这种小型且适应性强的卫星还有研制周期非常短(通常1～2年)的特点。本文介绍了CTA空间系统(CTA/SS)在这些新计划中采用的几种方法和成功的有代表性的例子,并就如何减轻NASA越来越大的降低航天器及其操作成本方面的压力提出建议。重点是在任务操作的主控设施和各种用户终端(UT)中使用适应性强、功能足够、价格低廉的基于PC机的地面设备。这些系统以CTA/SS多种型号的用户终端成功地控制了20多颗USAF、USN、APPA卫星,从而使这些系统得到验证。这些用户终端经同步轨道卫星和低轨道卫星建立了链路,而且在边远地区自动担负起中继任务。由于用户可以很容易安装轻型天线(通常是用小功率马达、PC驱动的全向或螺旋型),低轨卫星的应用特别显示了这些方法的效能。几英尺长的同轴电缆与小型收发模块(小型PC机大小)相连,串行线与相应PC机相连,便     

高级中继卫星系统计划概述

本文简要介绍了天基网从目前的跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)结构发展成21世纪初的高级跟踪与数据中继卫星系统(ATDRSS)结构的情况。 TDRSS及其白沙地面终端(WSGT),是整个NASA局天基网的重要组成部分,在90年代将继续发展。这一发展的中心内容是建造第二个TDRSS地面终端站,改造老白沙地面终端以及90年代末必须投入运行的目前TDRSS的后续系统ATDRSS。 已提出了多种ATDRSS结构方案,并进行了一系列技术综合评审。评审结果,找出了未来ATDRSS基本结构的关键所在,并研究出几种向ATDRSS天基网过渡的初步方案。     

全球导航完好性通道（GNIC）方案讨论

国际民航组织(ICAO)将采纳 GPS GLONASS INMARSAT 联合组成的 GNSS 系统供全球导航使用。对系统的增强和完好性监控是至关重要的问题。本文介绍近年来提出的各种地面完好性监控通道(GIC)的方案,包括地面监测台网、地面数据传输的通信链路和卫星转发。重点阐述 INMARSAT 提出的静止卫星加发导航信号的重叠(IGO)概念和全球性完好性监测台网(IMN)。然后进行比较和讨论,并提出需进一步跟踪研究。     

GalileoSat计划中的地面部分结构和运作初步方案

GalileoSat是欧洲空间局 (ESA)Galileo计划的补充计划 ,一项为设计、开发、验证和操作现代化、独立的全球导航卫星系统而设立的欧洲新研究课题。其内容涉及Galileo空间和有关地面部分的设计、开发和在轨验证。系统运作方案负责系统的各个阶段 ,从发射与初轨阶段、卫星和载荷的移交、在轨验证阶段、星座部署、应用、星座维护 ,直到最终报废处置。1　任务概况Galileo将为全球用户提供卫星导航信号和精确时间 ,初期还向欧洲共同体地区提供完好性信息。该导航系统还将实施有商业价值的业务 (创收业务 )。该系统将由民间单位控制 ,采取开放式…     

地面光电设备利用反射阳光对卫星进行白天监视

麻省理工学院林肯实验室的望远镜由计算机控制,其口径为787mm,f/5。它与现有硅光导摄象管电视摄象机及其视频处理系统配套,在白天很容易靠反射太阳光捕获和跟踪低高度卫星,极限星等可达8~m3。1981年10月22日,在白天跟踪了18颗不同卫星,总轨迹数为20条,并把其中的13条轨迹的精确定位数据送到北美防空司令部(NORAD)的空间防御中心。这就验证了空军新的地面光电深空监视(GEODSS)系统在白天执行任务的方案。白天空间监视的试验表明,大气中充满了各种小物体,如果事先不知道卫星的轨道,则必须从中鉴别出卫星。为了成功地分辨出卫星,制造了一台视差装置。     

COMRING:一个适用于地球观测任务和空间站的小卫星数据中继系统

COMRING(通信环)是一种适用于低轨卫星的数据中继系统新设想,该系统可在低轨航天器与地面间连续传递数据(典型的可传输时间为80～100％)。该系统可提供连续的全球覆盖而无需大规模的地面站网和不可靠的星上数据记录仪。COMRING采用7～9颗小卫星(每颗重160kg)以等间隔配置在用户星同一轨道上,数据的中继经由星际链路完成。用户星可以是一颗遥感卫星或一颗军用侦察卫星。用于空间站的COMRING将置于更高的轨道上以减小大气阻力影响。COMRING的数据传输速率可高达150Mbps。Kayser-Threde拥有这一方案的专利,并已于1996年在为DARA所做的广泛研究中证明了它的可行性。初步的成本估计表明,中继每Mbyte数据的成本与TDRSS(跟踪数据与中继卫星系统)相当。然而,由于COMRING专用于单一用户,它比TDRSS的可利用率更高,因为TDRSS已达到了它的极限能力。