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跟踪与数据中继卫星系统发展与研究
张男
摘要：跟踪与数据中继卫星是航天技术发展的必然趋势。本文主要研究了各国跟踪与数据中继卫星系统现状，并对其未来发展进行了探讨。
关键词:跟踪与数据中继卫星系统；跟踪与数据中继卫星
DevelopmentAndResearchOfTrackingandDataRelaySatelliteSystem
Abstract:TrackinganddatarelaysatelliteistheinevitabletrendofthedevelopmentofAerospaceTechnology，Thispapermainlyresearchesthetrackinganddatarelaysatellitesystemstatusquo,andthefuturedevelopmentarediscussed.
Keywords:TrackingandDataRelaySatelliteSystem；TrackingandDataRelaySatellite

0引言
跟踪与数据中继卫星（TDRS）是装有跟踪与通信转发设备的地球同步静止轨道卫星，用于中、低轨道的航天器与航天器之间、航天器与地面站之间提供数据中继、连续跟踪与轨道测控等服务，其有利的空间位置可以有效地提高地面站的传输效率，满足各种航天器实时通信的要求。
美国是最早研制中继卫星的国家，20世纪80年代初开始陆续进行TDRS的发射部署，目前已有两代共8颗中继卫星在轨组网运行，具备全球轨道覆盖能力，计划在2012年补充三代TDRS来满足2025年前的用户需要[1]。俄罗斯继承了前苏联的航天遗产，其卫星数据中继网主要包括军用急流（POTOK）和民用射线（LUCH）系统[2]。欧洲航天局发展ARTEMIS计划和DRS计划，现仅有一颗阿蒂米斯试验型中继卫星在轨[3]。日本制定了包括ETS-VI，COMETS，OICETS和DRTS四部走的发展策略，现有一颗数据中继试验卫星在轨[4]。我国从2008年至今已发射在轨“天链一号”01、02号星，形成了覆盖国土大经度间距的中继卫星系统，有效提高了我国航天测控水平。
1美国数据中继卫星
20世纪60年代，NASA为了向用户提供更高的近地轨道覆盖率以及规避国外建设地面站的需要，开始研究和设计军民两用跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS）。1976年，NASA正式启动了第一代TDRS的研制工作；到1988年，美国建立TDRSS的两节点空间体系，从而能够为TDRSS用户提供全时段覆盖服务；目前，TDRSS系统已图1TDRSS配置（2010年12月）
发展成6颗一代卫星（F1-6）、3颗二代卫星（TDRSH、I、J）和三个地面站组成的完善系统。如图1所示。
1983~1995年，美国相继把6颗一代TDRS送入轨道，一代星上有两副能够同时提供S、Ku频段业务的单址天线（SA）以及1副S频段多址（MA）相控阵天线，对于多址业务，由于当时技术水平以及卫星平台对载荷的重量和空间等约束，采用了地面波束形成的方式，由白沙地面终端站（WSGT）进行星地链路控制及中继转发。
2000~2002年，为满足日益增强的通信业务需求，尤其是空间站的需求，美国又先后发射了3颗二代TDRS，与一代星相比，二代TDRS主要有以下变化：①增强了多址业务返向（MAR）性能，这主要是考虑到将部分S频段单址（SSA）用户迁移到MA业务上；②单址天线增加了Ka频段业务，这是因为NASA的频率分配主要是在该频段且打算将未来的用户迁移至Ka频段；③增加了在地球同步轨道上并置TDRS的能力（共位），在必要时由2颗部分工作的TDRS提供由1颗全功能卫星所提供的服务；④对200km高度用户航天器轨道覆盖率为100%。
2006年，NASA分析TDRSS需求及在轨TDRS剩余寿命，认为需要在2012年补充该星座，启动了三代TDRS（TDRS-K&L+M&N）的研发采购工作。在技术上，三代TDRS将基于二代TDRS设计，遵循一代TDRS的地面形成S频段多址返向波束体系结构，继续提供按需接入业务，保留支持TDRS共位的双频段测控（TT&C）但要求升级星上指令和遥测链路安全系统（COMSEC）。
美国一、二代TDRS性能特点如表1所示。
表1美国一、二代TDRS性能特点[5]
时间业务参数一代TDRS二代TDRS单址链路数2SSA；2KuSA2SSA；2KuSA；2KaSA多址前向链路数1条10kbps1条300kbps1）多址返向链路数5条100kbps（最多可有20条）5条3Mbps用户跟踪精度150m（3σ）150m（3σ）当前SSA前向最大速率7Mbps7Mbit/s调制方式数据率≤300kbps：QPSK/SS-BPSK；
300kbps＜数据率＜7Mbps：BPS