基本介紹
- 中文名：天地通衛星
- 外文名：Heaven and earth pass satellite
- 功能：同時與多太空飛行器進行通信
- 系統構成：測控通信網、天地通信中心繫統
- 優勢：高覆蓋、低干擾、不間斷通信
- TDRSS：跟蹤與數據中繼衛星系統
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簡介
在幾乎所有載人航天任務中，天地往返運輸、航天員出艙活動、太空飛行器在軌裝配、太空飛行器資源補加、太空救援、太空飛行器在軌服務、深空探測等，都離不開天地通信系統中話音和圖像通信的支持。而在包括導引、交會、連線（對接或停靠）、聯合飛行、分離等一系列任務的載人太空飛行器交會對接任務中，涉及的目標太空飛行器和追蹤太空飛行器這2類太空飛行器，更需要天地通信系統提供全程連續不間斷的天地話音圖像通信保障。
在載人交會對接、航天員中長期駐留天地往返乘組輪換、空間站消耗品補給、航天員通過應急飛船撤離等過程中，都存在2個或2個以上多太空飛行器目標需要同時與地面進行通信的狀態。
系統結構與原理
天地通信系統組成
天地通信系統包括太空飛行器天地通信系統和地面天地通信系統。
地面天地通信系統主要由陸、海、天基載人航天測控通信網和天地通信中心繫統組成。載人航天測控通信網 包括TDRSS（Tracking and Data Relay Satellite System，跟蹤與數據中繼衛星系統，簡稱中繼衛星系統）、USB（Unified S-Band，統一 S頻段）測控通信系統、各USB測控站（船）、中繼衛星終端站至天地通信中心繫統間各類信息傳輸網路。
空間站工程天地通信手段
空間站工程天地話音和圖像通信對象包括載人飛船、貨運飛船、核心艙和實驗艙等4種太空飛行器。天地通信鏈路主要為中繼鏈路和USB鏈路。空間站階段，多太空飛行器目標天地通信支持由陸、海、天基測控通信網共同完成。其中，TDRSS系統作為天基網，採用 三星組 網方式，具 有通信 覆蓋 率高、數據傳輸速率大和能對多個目標跟蹤等特點，成為多太空飛行器支持的主要手段；陸、海基 USB系統採用全球布站方式，包括多個固定站、船站和車載站，可較好應對太空飛行器大姿態變化和快速姿態變化，成為多太空飛行器支持的重要手段，並為關鍵弧段測控通信信息可靠傳輸提供有效的保障。
TDRSS系統工作原理
1）TDRSS系統組成和基本原理
中繼衛星系統主要包括用戶星（用戶太空飛行器）、中繼衛星、中繼終端站等。
用戶星—中繼星—中繼終端站的通信鏈路稱為返向鏈路，中繼終端站—中繼星—用戶星的通信鏈路稱為前向鏈路。用戶太空飛行器要傳給地面的遙測數據、話音和圖像等信息，經星間通信鏈路發向中繼衛星，中繼衛星再使用星地通信鏈路將其轉發到中繼終端站，並在終端站進行射頻解調，解調信號經線路傳輸至天地通信中心進行解碼、恢復。
2）TDRSS系統多目標支持技術原理
一般中繼衛星上布設多個高增益拋物面天線和相控陣天線，當2個及2個以上目標距離較遠，不在1顆中繼衛星覆蓋範圍內時，可採用2顆中繼衛星同時跟蹤多個目標；若1顆中繼衛星可同時覆蓋多目標，則採用多波束地面形成技術，產生多個波束分別對準不同太空飛行器，實現多太空飛行器目標的同時測控通信。
當2個及2個以上目標距離較近，處於1顆中繼衛星同一點波束內時，則前向鏈路採用廣播方式，返向鏈 路 利 用 多 用 戶 檢 測 技 術 恢 復 多 目 標 的 數據。採用點波束向多個目標發前向數據時，中繼終端站並行配置多個前向信道，對k個不同目標的前向數據分別進行信道編碼和擴頻調製：每個目標分1個擴頻碼〔即高速 PN（偽隨機）碼〕，PN1～PNk表示k個目標 使 用 的k個PN碼，每個 PN 碼將對應目標的前向數據調製到很寬的頻帶上。擴頻調製後的信號再通過各自的相移鍵控調製；然後，k個目標的基帶調製信號相加合成C（t）信號；合成信號經射頻調製、放大後通過星地鏈路傳送至中繼衛星；中繼衛星將星地頻段轉為星間頻段，然後將組合數據同時傳送至多個太空飛行器；組合數據經不同用戶太空飛行器中繼天線接收處理及基帶相關解調後恢復出相應的前向信號。
中繼衛星系統接收多個目標傳送的返向數據的過程如下：各個目標通過星間鏈路分別傳送返向信號至中繼衛星；中繼衛星將不同目標信號合成，進行星間到星地頻段的轉換，透明轉發數據至中繼終端站；中繼終端站設定多個返向接收信道，並產生各個目標對應的擴頻碼，完成相應信號的解擴、解調和解碼後，恢復相應的返向數據。
在2顆中繼衛星接力跟蹤時，接力中繼衛星同時接收多太空飛行器下行數據，但只在太空飛行器上中繼天線跟蹤切換到接力衛星後，才由接力衛星傳送上行數據。
USB系統工作原理
USB系統使用集測軌、遙測、遙控、數傳和話音多功能合一的統一載波天線，即採用QPSK(Quad-rature Phase Shift Keying，四相相移鍵控）調製與多副載波/載波調製相結合的綜合體制，先把遙控和話音等信號對各自不同的副載波進行調製，然後再對主載波進行調製，調製後的信號經射頻向空間太空飛行器發射，空間太空飛行器通過應答接收機接收解調。
天地通信中心結構和工作原理
1）天地通信中心繫統組成及信息流程
天地通信中心繫統主要包括話音、圖像和監控等多個子系統。話音和圖像子系統一般包括話音、圖像數據處理單元，話音、圖像終端，模擬話音、圖像處理單元，話音、圖像數據記錄回放單元；而監控子系統通常包括監控處理計算機等。一般來說，天地通信中心天地話音、圖像信息。話音、圖像數據處理單元作為數據交換中心，採用網路接口，完成 USB 和中繼鏈路話音、圖像數據的雙向收發處理。
模擬話音、圖像處理單元與各話音、圖像終端的音頻接口以及需要使用這些信息的用戶群組相連，完成各類太空飛行器下行、地面上行模擬話音的分配、匯集。將進入不同太空飛行器用戶組的選優話音接入數字擴聲系統，完成向多指揮廳的擴聲。將圖像信息進行處理後，送指揮廳的大螢幕進行顯示，同時也可以傳送圖像信息到指揮顯示網路，供相關用戶使用。
監控子系統主要完成對話音、圖像設備和天地通信系統的狀態監控，話音圖像數據記錄回放單元完成話音圖像數據的記錄與記錄數據檔案的回放。
2)天地通信中心繫統多目標支持原理
1）多鏈路多太空飛行器多格式上下行（前返向）話音、圖像數據的傳送和接收。天地通信中心可以依據不同太空飛行器的飛行計畫和空間位置，由監控處理計算機按照預先制定的上行數據傳送策略，控制話音、圖像數據處理單 元，使其經 由中繼衛星 鏈路和（或）USB鏈路同時向正在跟蹤的多個太空飛行器傳送多種格式的上行話音和圖像數據；並使其接收處理來自中繼鏈路、USB鏈路的多太空飛行器多格式天地話音和圖像數據。
2）話音和圖像終端基於網路的熱備份。話音和圖像終端備份採用基於網路的n+k（n=2k）工作模式，其中n為工作的話音和圖像終端數量，k為熱備份的話音和圖像終端數量，這樣保證了話音和圖像終端可冗餘備份並動態切換。按監控處理計算機指令，可同時轉發最多n+k路多太空飛行器多鏈路天地話音、圖像數據至終端並解碼。
3）話音和圖像終端設計為多格式自適應解碼方式。話音和圖像終端能依據數據中的標誌碼，判斷識別數據格式並自適應解碼。這樣針對不同太空飛行器數據，可分時使用同一終端進行解碼。
4）用戶分組和數字擴聲系統的動態可配置。解碼恢復的模擬話音在靈活的用戶分組和動態可調數字擴聲系統的共同作用下，可以保障地面中心多個指揮廳與多太空飛行器協同指揮通信，或各自獨立成組進行組內雙向通信。
多太空飛行器天工作模式簡介
雙太空飛行器天地通信工作模式
1)雙太空飛行器交會的幾種情況
空間站工程中，地面與2個太空飛行器通信的情況主要包括：載人飛船和核心艙、貨運飛船和核心艙、核心艙和實驗艙、載人飛船和貨運飛船、2個載人飛船等。
2)載人飛船和核心艙雙目標模式
載人飛船和核心艙交會時，天地通信中心建立飛船和核心艙2個用戶組，2個組同時獨立地與 2個目標建立天地通信鏈路。
若 TDRSS 和USB 系統能同時跟蹤雙目標 或各自可跟蹤目標之一時，採用2種手段同時進行雙目標天地通信，太空飛行器及地面均將中繼鏈路話音和圖像數據做主用，USB鏈路數據做備份。在載人飛船和核心艙距離較遠時，天地通信中心將2個用戶組的上行指揮話音、圖像分別按相應太空飛行器格式進行編碼，然後按測控計畫傳送到相應的中繼終端站和 USB 測控站，並通過中繼和 USB鏈路傳送到飛船和核心艙接收解調。飛船和核心艙傳送的話音和圖像數據也同時經由中繼和 USB 鏈路送到天地通信中心進行解碼恢復，話音信號經優選後各自進入飛船和核心艙用戶組，2個太空飛行器的圖像信號也分送對應指揮廳顯示。
當飛船與核心艙距離較近，地面需要協同指揮時，可將2個用戶組聯合為1組，地面對2個太空飛行器傳送同一上行話音和圖像信號。在天地通信中心恢復的2個太空飛行器的下行話音和圖像同時為指揮廳所用，完成雙目標雙向協同通信。當飛船與核心艙即將對接上時，飛船有可能出現較大姿態變化。這時，若飛船中繼話音和圖像質量不佳，天地通信中心可以選用飛船的 USB話音和圖像信息送相應指揮廳收聽和顯示。
3.核心艙和實驗艙雙目標模式
核心艙和實驗艙交會時，因2個太空飛行器具有相同的數據屬性，2個太空飛行器上中繼和 USB設備配置相當，所以2個太空飛行器上行只能接收相同的數據，下行時，不同 USB站可採用互異頻率區分目標。實驗艙和核心艙雙目標的中繼鏈路通信工作方式同飛船和核心艙類似。地面與實驗艙和核心艙上行通信內容一致，只能實現地面與實驗艙和核心艙雙目標雙向協同話音通信。
因實驗艙和核心艙中繼設備支持雙向高速圖像傳輸，所以在中繼衛星跟蹤情況下，也可以實現在多指揮廳間地面與實驗艙、地面與核心艙雙目標同時進行雙向視頻通話。
三太空飛行器天地通信工作模式
1)三太空飛行器交會的幾種情況
空間站工程中，地面與三太空飛行器通信的情況主要包括：與核心艙、載人飛船和貨運飛船，與核心艙和2個載人飛船，與核心艙、實驗艙和載人飛船，核心艙、實驗艙和貨運飛船等。下面重點討論一種情況：核心艙、載人飛船和貨運飛船。
2)核心艙、載人飛船和貨運飛船工作模式
核心艙、載人飛船和貨運飛船三目標交會時，若3個太空飛行器上均載人，天地通信中心配置飛船、核心艙和貨運飛船3個用戶組，3個用戶組分別利用中繼鏈路和（或）USB 鏈路同時獨立地與3個目標建立天地通信鏈路。地面通過3個用戶組分別傳送核心艙、載人飛船和貨運飛船的話音和圖像編碼數據，至中繼終端站和 USB 測控站。當三目標在2顆中繼衛星覆蓋區時，2顆中繼衛星可以完成對3個太空飛行器的同時雙向數據收發。當三目標在 同一中繼衛星 覆蓋 區時，則採用中繼衛星和 USB 站共同支持，儘量使用中繼衛星跟蹤主要目標，利用 USB 站跟蹤次 要目標，或作為中繼的備份跟蹤。在載人飛船和貨運飛船使用相同的鏈路跟蹤時，因其配置相當，載人飛船和貨運飛船都接收同一上行天地通信數據。
若貨運飛船無人，或地面需要聯合指揮，也可按需調配用戶組和擴聲系統，實現3個獨立或聯合為一體的地面指揮與3個太空飛行器之間的雙向話音通信系統。
優勢
伴隨著中國載人航天工程的發展，天地通信對象從最初只支持單個太空飛行器，到同時支持2個太空飛行器，進而被要求同時支持3個以上太空飛行器雙向通信。地面天地通信系統在中繼衛星系統、相控陣天線、雷射通信等技術發展套用下，必然能更好地滿足多太空飛行器高覆蓋、低干擾、不間斷通信的需求。天地通信中心在滿足多目標同時實現天 地 通信 需求的基 礎上，也要不斷完善強化功能，簡化系統的複雜度，提高系統仿真測試能力和依計畫快速配置天地通信中心資源的能力。使天地通信系統為空間站多目標和互動式套用提供更高質、可靠、靈活的服務。
