衛星中繼通信

衛星中繼通信是利用中繼衛星作為轉發站，對中低軌衛星、飛船等飛行器的信號進行中繼轉發的衛星通信方式，其一般是利用與地球同步的中繼衛星在中低軌飛行器和地面站之間建立一條全天候、實時的高速通信鏈路[1]，可為衛星、飛船等飛行器提供數據中繼和測控服務，極大提高各類衛星使用效益和應急能力，能使資源衛星、環境衛星等數據實時下傳，為應對重大自然災害贏得更多預警時間。

基本介紹

• 中文名：衛星中繼通信
• 外文名：Satellite relay communication
• 類型：通信名詞

背景

衛星通信本身就是利用人造地球衛星作為中繼站在地面站與衛星站之間轉發無線信號，衛星中繼通信是在通常的衛星通信基礎上，對衛星信號進行再次中繼轉發，即指利用衛星的中繼衛星作為中繼站轉發中低軌衛星、飛船等飛行器信號的衛星通信方式。

隨著航空、航天技術的發展，在地球的中低軌道分布著各式各樣的飛行器，一些飛行器，例如氣象衛星、對地觀測小衛星等，需要在飛行器和地面站之間傳輸實時測量數據，並且這些數據傳輸量日益增長，這要求通信鏈路具有更高的軌道覆蓋率、更強的實時性、更高的數據傳輸速率。

同時，由於深空探測的發展，對月球和月球以遠的天體和空間的探測，將航天活動的範圍擴展到月球、火星等天體處，測控通信中存在遠距離損失劇增、低覆蓋率、延時較大等許多技術難點。

為了克服地基測控網路的不足，同時為了適應未來航天技術的發展，需要尋新的航天測控系統體制。對於傳統的衛星直接覆蓋全球所需要的衛星及地面站數目大或者運行中存儲下傳的實時性差等途徑，需要更優的傳輸方式實現衛星與地面站之間的數據通信。因此，就提出了套用中繼衛星進行通信的需求。

基本原理

TDRSS一般由2顆地球同步衛星、1個地面終端站和用戶飛行器上的設備組成。用戶飛行器要傳給地面站的遙測數據、話音和視頻等信息，先經過S頻段或Ku頻段星間通信鏈路發向中繼衛星，中繼衛星接收後經過變頻再以Ku頻段將其轉發到地面終端站，並在終端站進行射頻解調和解碼處理，視頻信號以原始格式通過通信衛星鏈路或其他寬頻鏈路送至地面最終用戶。地面要發向用戶飛行器的指令、話音、數據和視頻等信息，在地面終端匯集並調製到Ku頻段鏈路上發向中繼衛星，中繼衛星再以S頻段或Ku頻段轉發給相應的用戶飛行器。

系統組成如圖1所示。

圖1. 數據中繼衛星通信系統

1.地基測控網路的不足

傳統的空間至地面的衛星通信是直接利用衛星和分布在世界各地的地面站之間的無線鏈路進行。地球的觀測衛星觀測大陸或海洋的某一區域時，可以採用兩種途徑下傳觀測數據：（1）衛星直接將數據傳輸至覆蓋範圍內的地面站，為了實現全球覆蓋，需要超過20個地面站，並且一些地面站要分布在偏遠的地區甚至海面上；（2）或者另一方面，需要更多的觀測衛星；（3）衛星存儲數據，當運行至地面站上方時，下傳數據，衛星存儲的數據量有限、且實時性差。

深空探測通信中，信息傳輸距離過大增加了通信路徑損耗。當探測器探測到目標時，也是先存儲，離開目標後，再慢速回傳至地球。深空探測過程中的數據、圖像非常珍貴，而探測器上存儲器的容量受限，使得不完全採用存儲轉發的方式解決距離過大引起的時延問題。隨著深空探測任務的多樣化和複雜化，需要傳送的數據量變得非常巨大，傳統的數據傳輸方式難以滿足未來深空探測和通信的需求。

探測器對地外天體的探測，包括飛越、繞飛和硬、軟著陸考察方式。由於地球和被測星體的自轉和運動，探測衛星也是運動的，在地球表面建立一座深空測控和通信站，平均來說只能觀測到探測器的8~12小時，反之亦然。如何將探測器採集到的珍貴數據及時、連續地回傳至地球，也是深空探測和通信中需要解決的問題。

導航定位是深空通信的基礎，深空探測器在空間運行，由於深空探測器距離很遠，地面站同它建立通信鏈路，就需要更加精確的測角、測距和測速能力，為深空探測器導航定位。需要開發一種實時的高精度測軌方法。

因此，可以得出，地基測控網路的缺點如下：

（1）覆蓋率低；

（2）飛行器軌道測量定位精度差；

（3）跟蹤運行過程繁雜；

（4）通信網路複雜；

（5）測控站（船）運行維護費用高。

2.“天基”思想

為了克服地基測控網路的缺點，同時為了適應未來航天技術的發展，人們一直努力尋找新的航天測控系統體制。相比於地面測控站，抬高測控站的位置可以明顯增加對中低軌飛行器的測控通信時間，如果抬高到地球同步軌道衛星，則一個測控站就能覆蓋50%以上的軌道而且可以保持連續通信，三顆就可以實現100%的覆蓋率，這個觀點是美國航天測控專家Malcolm在1964年最早提出來的。通過對這個新概念的研究、試驗，研製了利用地球同步軌道衛星轉發功能以實現對中低軌飛行器連續測控通信的跟蹤與數據中繼衛星系統（TDRSS：Tracking & Data Relay Satellite System）。因為TDRSS利用高軌衛星作為中繼站，功能上相當於架設在天上的測控站，因此也稱為天基測控網路。1983年4月美國發射了第一顆跟蹤與數據中繼衛星，開創了天基測控時代。

其天基設計思想，從根本上解決了測控、通信覆蓋率問題，同時還解決了高速數傳和多目標測控通信等技術難題，並且具有很高的經濟效益。

3.中繼衛星

中繼衛星的全名是跟蹤和數據中繼衛星，中繼衛星是現在用於轉發地球站對中低軌道太空飛行器的跟蹤測控信號和中繼太空飛行器發回地面的信息的地球靜止通信衛星。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太空飛行器，又能直視地面站，服務對象是運行於中低軌道的用戶太空飛行器，是溝通用戶太空飛行器與地面站的橋樑，這是中繼衛星系統的一個重大獨特之處。

中繼衛星的核心優勢

核心優勢：實時全程測控、實時全程傳輸、降低測控成本

實時全程測控：中繼衛星可以大幅提升太空飛行器（如宇宙飛船、太空實驗室、火箭、衛星）的測控覆蓋率接近100%。增強了空間交會對接任務實施的安全性和可靠性，為實施手控交會對接、開展空間科學實驗等提供了穩妥高效的天基測控通信保障。

實時全程傳輸：中繼衛星作為在太空中運行的數據“中轉站”，能使資源衛星、環境衛星等數據實時下傳，極大提升各類衛星使用效益和應急能力。

降低測控成本：最少只要3顆衛星，就可以進行全球中繼衛星組網。如果中繼衛星的功能足夠先進，則可以替代大批地面衛星測控站和遠洋測量船，經濟效益是非常可觀的。

正因為中繼衛星具有上述不可替代的優點，世界上的航天大國，都在持續進行中繼衛星網路的研發和部署工作。

衛星中繼通信的關鍵技術

1.高速數據機

中繼衛星信道為典型的頻帶受限信道，高速數據機決定了衛星通信系統的數據傳輸或者數據中繼能力。研究高速寬頻調製解調技術，解決衛星通信系統中實時、大容量數據傳輸的瓶頸。QPSK（或其變形）調製方式兼顧了頻帶效率和功率效率，且實現複雜度低，在投入使用的衛星數據傳輸系統中廣泛套用。隨著衛星數據傳輸系統容量的不斷增長，QPSK調製方式漸漸無法滿足需求，多進制調製及高性能的編解碼技術稱為研究熱點，並且取得很大進展。

因此，高速數據傳輸涉及的關鍵技術包括，高級編解碼技術、全數字正交調製解調技術、寬頻濾波技術、符號同步技術、載波同步技術、信道均衡技術等。

衛星中繼通信的套用[2]

衛星中繼通信系統一般可以有跟蹤測控和高速數傳的套用方式，綜合提高各類衛星使用的效益和應急能力。

（1）跟蹤、測定

為了儘可能多地覆蓋地球表面和獲得較高的地面分辨能力，許多衛星都採用傾角大、高度低的軌道。跟蹤和數據中繼衛星幾乎能對中、低軌道衛星進行連續跟蹤，通過轉發它們與測控站之間的測距和都卜勒頻移信息實現對這些衛星軌道的精確測定。

（2）實時轉發

氣象、海洋、測地和資源等對地觀測衛星在飛經未設地球站的上空時，把遙感、遙測信息暫時存貯在記錄器里,而在飛經地球站時再轉發。這種跟蹤和數據中繼衛星能實時地把大量的遙感和遙測數據轉發回地面。

（3）通信和數據傳輸中繼

地面上的航天測控網（見航天測控和數據採集網）平均僅能覆蓋15%的近地軌道，航天員與地面上的航天控制中心直接通話和實時傳輸數據的時間有限。兩顆適當配置的跟蹤和數據中繼衛星能使太空梭和載人飛船在全部飛行的85%時間內保持與地面聯繫。

（4）軍事特殊需求

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，常須通過一系列地球站和民用通信網進行跟蹤、測控和數據傳輸。跟蹤和數據中繼衛星可以擺脫對絕大多數地球站的依賴，而自成一獨立的專用系統，更有效地為軍事服務。

中繼衛星通信發展

1.現有典型衛星中繼系統

系統		發射時間	星數	特點	套用
美國	TDRSS	1983年至1995年	TDRS-F1、F3、F4、F5、F6、F7	地球同步軌道、三軸穩定方式	跟蹤、前向、返向業務
	ATDRSS	2000年至2002年	TDRS-H、I、J	補充和增強TDRSS功能	更寬頻寬、靈活頻率選擇
俄羅斯	“波束”系統（民用）	1985年至今	2顆	東、中、西3個獨立網路（Ku和UHF）	低軌地球衛星提供通信和控制
	“急流”系統	1982年起	2顆以上	至少有2顆衛星同時在軌服務	軍事套用
歐盟	DRS計畫	1989年起	雙星	Ka、S頻段，可以實現三種軌道間鏈路	對地觀測、極軌平台等中繼
日本	DRTSS	1993年起計畫	2顆	4步走發展策略	為地球觀測和國際站計畫建立通信基礎設施
中國	CTDRSS	1980s起規劃; 2008年首發	3顆	2步走發展	載人航天、空間站以及高速實時傳輸

2.光通信衛星中繼

光數據中繼衛星屬於新一代靜止衛星，其自轉周期與地球相同，可以隨時對地表物體移動狀況實施監控。其數據傳輸速度是電波式中繼衛星的2倍以上。而且，它具有小型化、省電的優點。光數據中繼衛星主要是接收繞地情報蒐集衛星拍攝的地面圖像數據等信息，並將所獲得的信息“中轉”至地面接收裝置。由於中繼衛星通過光數據而不是電波的方式傳遞情報，因此還可能起到防止別國干擾或竊取的作用。

光通信中繼衛星目前是多個航天大國正在推進的一個全新技術。美國曾在最新演示試驗中進行雷射傳輸，傳輸速率可以提高10-100倍。這種技術最大的優點是傳輸速率快、容量大、抗干擾性強，但對於信息捕獲和遠距離傳輸防衰減要求更高。