预警卫星地面中继站

十四、TDRS——为航天器保驾护航的“太空交警”和“太空二传手”

1983年4月4日，美国用挑战者号航天飞机发射了一颗功能特殊的通信卫星TDRS-1，这就是世界上第一颗跟踪和数据中继卫星TDRS（Tracking and Date Relay Satellite）（图4-16）。TDRS-1是一种大型、复杂的多功能地球同步通信信星。对高度在1200千米以下的低轨道卫星能进行连续跟踪、测控和数据中继。TDRS-1跟踪和覆盖能力大约相当于美国国内14个地面站组成的跟踪数据网的3.6倍。卫星在轨质量为2120千克，卫星上有太阳电池翼、太阳帆，装有7副不同类型的天线，可同时使用S、C和Ku频段，传输数据速率高达300兆比特／秒。

图4-16　数据中继卫星

TDRS是一种“双肩挑”卫星，主要用途有两个，一是转发地面站对低中轨道航天器的跟踪测控信号，二是中继从航天器发回地面信息的通信卫星，其作用相当于地面长途无线电通信的微波接力站和卫星测控站。

卫星和其他航天器在轨运行有时会出现姿态不稳的状态，为了保证航天器在轨道上正常工作，航天器必须不断将有关信息向地面报告，地面必须依靠所建立的测控系统对航天器进行遥测、遥控、跟踪和通信。为此，除了航天器上应载有测控设备之外，还必须在地面建立测控（包括通信）系统。地面测控系统由分布全球各地的测控台、站及测试船组成。这些台、站和船上通常配备有精密跟踪雷达、光学跟踪望远镜、多普勒测速仪、遥测解调器、遥控发射机、电子计算机、通信设备等。测控站采取周密措施密切监视，及时调整跟踪信号的参数变化，确保跟踪正常，并实时接收卫星、航天器的遥测数据，对卫星测距，按计划向卫星注入遥控指令等。

不过，地面测控系统的作用仍有所限制。高频无线电波是直线传播的，而地球表面是一个球面，当卫星运行到地面测控站的视线范围以外时，地面测控站就无法对航天器进行遥测遥控，地面站也收不到航天器传回的信息。要使测控网充分满足对各种中、低轨道航天器和运载器的测控覆盖率要求，就必须摆脱测控站的观测弧段受地球曲率的约束。20世纪70年代以前，美国虽有全球布站的测控网，但对载人航天飞行，轨道覆盖率仅15%。如果把测控站的部分功能移到一颗地球静止轨道卫星上，就可以实现对航天器不间断的跟踪，转发地面测控站的遥测遥控指令；地面站利用这颗卫星也可以收到视线外航天器传回的信息。适当配置两颗这样的卫星和一个地面站组成系统，低、中轨道上的航天器无论运行到什么位置，可以基本上不断地保持与地面测控站和地面站的联系。

因此，20世纪70年代后，航天器测控重点转向发射跟踪和数据中继卫星，建立天基测控网，以便减少地面台、站的数量，减少地面支持费用，并完善测控手段。可见发展天基测控网，建立以数据中继卫星(DRS)为平台的天基测控系统，这是航天测控系统发展的必由之路。

另外，航天器与地面的联系需由通信系统来保持，特别是在载人航天飞行时，地面必须与在轨道上飞行的航天员进行通信联系、传输电话或电视。这一任务亦由中继卫星与地面通信站来完成。因此，跟踪和数据中继卫星被人们称为“太空交警”和“太空二传手”。

在对航天器的遥测、遥控、跟踪和实现航天器与地面之间的通信过程中，有大量数据需要传输，因此数据传输系统便成为航天器测控的重要子系统。跟踪和数据中继卫星的主要任务是数据传输，它们可作为航天器典型的数据传输系统。

跟踪和数据中继卫星在太空中“站得高，看得远”，把地面上的测控站移到中继卫星，相当于把地面上的测控站移到了35786千米高度的地球静止轨道，一颗卫星可观测到大部分在近地空域内飞行的航天器，两颗卫星组网可基本覆盖整个中、低轨道空域。

工作在地球静止轨道上的通信卫星与跟踪和数据中继卫星组成星座，便可覆盖地球上除南、北极点附近盲区以外的所有区域；如果与极地轨道的卫星相配合，即可实现全球覆盖。

目前，新一代跟踪和数据中继卫星系统，数据传输码速率越来越高，通信频段正向着Ka频段和光学频段发展。

在数据中继卫星中，为了提高对地观测卫星大容量数据的实时传输能力，提高各种灾害监测的快速反应能力，要求数据中继卫星必须具有足够的带宽来实时地传输大量的遥感数据。Ka波段正好满足这一要求，而且在星间链路上具有明显的优势；空间传播特性良好，波束窄，能量集中，设备可以做到小型化、轻量化。另外，保密性和抗干扰（特别是对核电磁脉冲）能力也很好（图4-17）。

图4-17　激光数据中继卫星(TDRS-J)

跟踪和数据中继卫星系统，以其能较大幅度地覆盖和转发地球站对中、低轨道航天器的跟踪测控信号并对中低轨道航天器发回地面的数据、图像、话音等信息进行实时、连续的中继等优势，逐渐成为发展航天技术越来越重要的项目。

无论是地面测控网，还是天基、空基与地基相结合的测控网，其主要任务都是为了对航天器进行遥测、遥控、跟踪与通信，由于数据传输的重要性，现在又将数据传输系统作为测控网的一个重要组成部分。

跟踪和数据中继卫星系统是在地球同步轨道上布设专用的数据中继卫星，用户航天器经数据中继卫星转发，与地面站建立起通信链路。理论上，只要在地球同步轨道上布设三颗夹角为120°这样的卫星，即可实现对全球中、低轨道空间飞行器的100%轨道覆盖。

利用位于地球同步轨道上的跟踪和数据中继卫星，实现对多个用户航天器同时提供全轨道弧段的跟踪、测控。不仅如此，天基测控系统通过建立星间链路通信，完成前向、反向数据的转发和中继，可同时提供高速率中继通信等业务服务，这是未来的天基测控系统的基本构架，它将从根本上解决测控网的测控支持能力问题。天基测控系统将跟踪、测控、数据传输、中继通信等多种功能合为一体，成为各种中、低轨道航天器及运载器最为理想的测控、通信系统。

跟踪和数据中继卫星的出现，为太空中的各类军、民用航天器提供了良好的测控和通信服务。就美国的跟踪和数据中继卫星来说，它能同时服务于20多颗卫星，不仅能完成对其轨道的精确测定和控制，还能够为航天飞机提供与地面之间连续不断的通信联络。另外像哈勃太空望远镜、陆地卫星、伽玛射线望远镜等航天器都曾多次得到过这种“二传手”的帮助。21世纪国际空间站建成后，跟踪和数据中继卫星将发挥出更重要的作用。

数据跟踪与中继卫星，也是实现全球侦察监视并为战略预警提供实时信息传送的重要手段之一，是建立全球天基综合信息网的一个不可缺少的重要组成部分，我国正借鉴国外先进的经验，组织对其关键技术的攻研。数据跟踪与中继卫星作为信息远程传递的一种有效补充手段，进一步扩大了卫星通信的应用范围，数据跟踪与中继卫星使卫星通信由作为地面远距离通信的一种主要手段扩大为各种空间飞行器与地球站之间中继通信的一种新手段。