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天链一号中继卫星

天链一号,是中国研制的地球同步轨道数据中继卫星,由中国航天科技集团公司所属中国空间技术研究院为主研制,主要用于为中国神舟载人飞船及后续载人航天器提供数据中继和测控服务。同时,为中国中、低轨道资源卫星提供数据中继服务,为航天器发射提供测控支持。

天链一号,包括天链一号01星天链一号02星天链一号03星

卫星名称天链一号类型数据中继卫星
研制国家中国研制单位中国空间技术研究院
发射场西昌卫星发射中心运载工具长征三号丙运载火箭

天链一号卫星的诞生

921载人航天工程启动后,面对地面测控网对低轨道载人飞船覆盖率极低的形势,中国一方面通过外交努力增设海外测控站,另一方面以当时最新研制的东方红三号卫星平台为基础展开数据中继卫星的预研,其指标瞄准当时日本计划的回声数据中继卫星,力求单项性能接近日本、综合性能超过日本。卫星研制人员经过数年的努力攻克了一系列技术难点,最后诞生了天链一号中继卫星。

天链一号卫星以东方红三号卫星平台为基础,设计寿命6年。星间通信链路使用单个S/Ka波段双馈源抛物面天线,测控信号使用S波段单址链路中继(SSA)信号,星地高速通信使用Ka波段天线。卫星大型抛物面天线指向、捕获和跟踪使用星载闭环捕获跟踪技术。天链一号01星研制成功后在地面测试阶段完全满足了研制要求,2008年4月25日发射成功后定点和在轨测试顺利,圆满地完成了神舟七号载人飞行的测控与数据转发任务,受到了用户的好评。2011年7月11号天链一号02星发射成功,将与2008年的01星组网,服务于中国的航天测控,尤其是下半年的首次空间交会对接任务。

天链一号01星

2008年4月25日23时35分,我国在西昌卫星发射中心,使用长征三号丙运载火箭将天链一号01星发射升空,卫星准确进入预定的地球同步转移轨道

作为我国第一颗地球同步轨道数据中继卫星,天链一号01星将为中国神舟载人飞船及后续载人航天器提供数据中继和测控服务。同时,为中国中、低轨道资源卫星提供数据中继服务,为航天器发射提供测控支持。

天链一号02星

2011年7月11日23时41分,我国在西昌卫星发射中心长征三号丙运载火箭,成功将天链一号02星送入太空。定点177°E。

天链一号02星将与天链一号01星组网运行,为天宫一号神舟八号的交会对接任务提供数据中继和测控服务。

天链一号03星

2012年7月25日23时43分,中国在西昌卫星发射中心用长征三号丙运载火箭将天链一号03星顺利发射升空,并成功送入太空预定轨道。天链一号03星将天链一号01星、天链一号02星实现全球组网运行,建成比较完备的中继卫星系统。该系统将进一步提高中国载人航天飞行任务的测控覆盖率,为中国神舟飞船以及未来空间实验室、空间站建设提供数据中继和测控服务。

天链一号03星的成功发射,标志着中国第一代中继卫星系统正式建成。

天链系列卫星发展展望

天链一号是中国第一代数据中继卫星,天链一号02星的发射有望将中低轨道航天器覆盖率进一步提高到75%。天链一号至少会发射3颗卫星,由此判断很可能形成第一代中继卫星系统2颗工作星加1颗备用星的布局,也不排除进一步扩展到4颗中继星的可能。

中国第二代数据中继卫星将使用东方红四号平台,装有2具S/Ka双馈源抛物面单址天线,S波段相控阵多址天线,还可能增加激光通信单元用于超高速率的星间通信。欧空局已经在Artemis中继卫星和Spot4卫星之间进行了首次激光通信,未来中国中继卫星星座如果扩展到4颗甚至更多,为了更高效的进行数据中继,星间使用激光通信将是必然的趋势。

中继卫星简介

中继卫星相当于把地面上的测控站升高到了地球卫星轨道高度,一颗卫星就能观测到大部分在近地空域内飞行的航天器,两颗卫星组网就能基本覆盖整个中、低轨道的空域。因此由两颗卫星和一个测控站所组成的跟踪和数据中继卫星系统,可以取代配置在世界各地由许多测控站构成的航天测控网。

中继卫星全称是跟踪和数据中继卫星,主要用于跟踪、测定中低轨道卫星、为对地观测卫星实时转发遥感、遥测数据、承担通信和数据传输中继业务及满足其他需要。513所为首颗中继卫星提供了测控、供配电等共计13台设备。其中,遥测视频调制器等设备为该卫星实现后两个用途起到举足轻重的作用,火工品管理器等其他设备对卫星的正常工作也十分关键。

看中继卫星的主要用途:跟踪、测定中、低轨道卫星;为对地观测卫星实时转发遥感、遥测数据;承担航天飞机和载人飞船的通信和数据传输中继业务;满足军事特殊需要,以往各类军用的通信、导航、气象、侦察、监视和预警等卫星的地面航天控制中心,要通过一系列地面站和民用通信网进行跟踪、测控和数据传输。中继卫星可以摆脱对绝大多数地面站的依赖,自成独立的专用系统,更有效地为军事服务。

地面测控站/船覆盖率非常有限

神七航天员执行出舱任务时,神七飞船上的摄像机视频信号先发送到东非肯尼亚的马林迪测控站,然后再传回北京航天测控中心。

海上的远望系列测量船和陆上的一系列测控站,长期以来一直支撑着中国航天测控任务,为中国数十年来一系列卫星、飞船和探测器的发射与测控立下汗马功劳。

在神舟七号出舱活动期间,直播屏幕左上角的滨海、南亚、喀什等文字,分别表示东非肯尼亚的马林迪测控站、南亚巴基斯坦的卡拉奇测控站和中国新疆的喀什测控站。

地面测控站/船覆盖率小、投资巨大美苏两强在冷战期间建立了覆盖全球的测控站并拥有大量测量船和测量飞机,但这一系统建设耗资巨大,而且受到地理、政治等各方面因素的影响很多地方无法设置测控站,更不要说要在全球范围内建立完整覆盖的地面测控网,所需测控站数量是惊人的。如对300千米高度的低轨道航天器进行100%的覆盖,理论上需要布设100多个站点均匀分布在地表,这在预算、政治上是不可行的。

中国国内共有10个地面测控站、加上3个海外站、还有3艘远望测量船,但这些测控站总共仅能覆盖飞船运行轨道的15%,难以满足载人航天进一步的任务需求。

跟踪/数据中继卫星的诞生

为了摆脱地球曲率的限制,科幻作家克拉克在1945年就提出了地球同步轨道通信卫星的设想,随着航天技术的进步逐渐得到实现。1963年到1964年美国先后发射3颗试验性静止轨道通信卫星,其中1964年8月19日发射的同步3号卫星获得了完全成功。

理论上说3颗静止轨道通信卫星可以实现对全球的通信覆盖,这个得天独厚的优势使得通信卫星产业获得了长足的发展。

而早在地球同步轨道通信卫星成功前,人们就在设想使用地球同步轨道卫星中转遥测信号,实现对中低轨道航天器的全面跟踪覆盖。美苏先后研制并发射了跟踪与数据中继卫星,用于提高航天器的测控覆盖率和提高测控网的实时性。

1983年美国使用航天飞机发射了世界上第一颗数据中继卫星,开启了航天测控的新纪元。

跟踪/数据中继卫星的优势

由于天链一号卫星运行在高度36000公里的地球同步轨道,可以覆盖低轨卫星50%运行轨道,将低轨卫星的数据中转回地面航天测控中心。

从理论上说,跟踪与数据中继卫星就是一种特殊的通信卫星。类似于通信卫星对地面短波通信的优势,数据中继卫星对基于地面测控站的传统测控体系同样具有压倒性的优势。数据中继卫星的优势表现在测控通信覆盖率高、高度的实时性和优异的经济性。

测控/通信覆盖率高

中国天链一号01星发射后,神舟七号飞船的测控覆盖率大幅度提高,直观的表现在神舟七号的转播时间更长,一个半小时有将近50分钟可以观察到航天员,测控覆盖率从15%提高到50%。利用3颗左右的中继卫星,可以实现对中低轨道航天器的大部分轨道覆盖,如美国数据中继卫星系统对200~1200千米高度卫星覆盖率85%以上,对12000~20000千米高度卫星覆盖率达到100%。

可实时回传数据

不仅如此,由于可以通过数据中继卫星实时联系,中低轨道的遥感卫星可以通过数据中继卫星实时回传热点地区和敏感突发事件的侦察信息,提高了反应速度,这种效果是地面测控站网络根本无法实现的。实时回传数据还大大加强了对航天器状态的监控能力,提高了航天器尤其是载人飞船的安全性,这也有利于更好的完成实时性强的任务。

建设/维持费用低廉

数据中继卫星不仅覆盖率高、实时性好,而且价格尤其是使用维持费用低廉。既没有陆上测控站和海上测量船等为数众多的操作人员,也没有海外陆上测控站易受政治因素影响的问题。中继卫星的使用可以取代大部分的地面测控站的任务,成为航天测控网络的主力,降低测控网的建设运行费用。

跟踪/数据中继卫星技术难度大

美国TDRS数据中继卫星,注意其带有2个大型ku波段通信天线,以及1个较小的ka波段通信天线。与普通通信卫星的天线相比,这3个天线的尺寸都是最大的。

数据中继卫星堪称航天测控的革命性成果,但中继卫星也具有极大的技术难度。细心的读者可以发现,前面提到第一颗同步轨道通信卫星1964年成功,而第一颗同步轨道中继卫星发射则要等到19年后的1983年。

数据中继卫星不同于传统的通信卫星,它必须要解决高速运动的卫星之间的捕获与跟踪,对精度要求极高。

实现狭窄波束跟踪

由于中继卫星需要高速率传输数据,而且本身位于35800千米高空的静止轨道,为保证通信质量,卫星天线的波束宽度极其狭窄。以美国的数据中继卫星为例,Ku/Ka波段波束宽仅为0.28度,为了有效跟踪中低轨道用户卫星,自动跟踪精度高达0.06度。高增益窄波束天线如何“捕获”用户卫星是数据中继卫星需要解决的首要难题。

中继卫星为了与众多中低轨道卫星通信,天线处于复杂的变速运动状态,在转动速度、加速度和角度上都没有规律,天线的机械驱动机构不仅要精度高,而且要求在恶劣工作环境下长时间稳定运行,还要做到体积小功率大,制造难度很大。

同样麻烦的还有天线与卫星的振动耦合问题,非线性结构的天线不规律的运动和振动,对卫星本体姿态控制也有很复杂的影响,对卫星控制提出了很大的挑战。

中国的天链一号卫星采用东方红3号通信卫星的平台,但其ka波段通信天线尺寸远远大于东方红3号卫星的通信天线。

研制高性能天线

中继卫星研制的另一个重要障碍在于其高性能的天线,为了实现高传输速率,为众多卫星提供中继服务,中继卫星需要使用增益极高的通信天线,一般是高等效全向辐射功率(EIRP)的抛物面天线。天线增益与天线尺寸成正比,与工作波长成反比,天线直径与工作波长之比又称电尺寸,美国第二代数据中继卫星TDRS-H、I和J三颗卫星的单址天线电尺寸达到了惊人的400,相当于数十米直径的S波段天线的电尺寸。天线的电尺寸越大、研制难度就越大,目前数据中继卫星的天线尺寸在各种卫星中是最大的。

中继卫星单址天线一般使用Ka波段工作波长,选择毫米波段虽然容易获得更大的天线增益,但对天线反射面精度要求也极高,要求数米直径的天线整体形面误差要低于0.1毫米。对于直径数米的天线,在外太空高温差条件下要达到、并长期保持这样的精度,其难度可想而知。

中国卫星电子器件性能仍较为落后

相比捕获跟踪和天线的巨大技术障碍,中继卫星Ka波段转发器的技术难度要低得多,但其绝对难度仍然不可小视,Ka波段转发器的研制难度从来就是各种常用波段中最大的。根据现有资料推断,中国第一颗数据中继卫星天链一号01星使用的是进口转发器。天链中继卫星系统的地面设备使用了中国电子科技集团的毫米波固态功率放大器,保证了天链卫星的正常工作和神舟七号数据的顺利回传,成为该公司念念不忘的业绩,但地面设备原始设计使用的仍然是进口器件,很难想象要求更为苛刻的星载转发器会使用国产器件。

意义

航天方面

天链一号的顺利升空引起了国际社会的高度关注,美联社、路透社、NASA等媒体与相关机构均在第一时间内进行报道。相关报道除了表示中继卫星顺利发射,意味着中国航天事业进一步发展外,还有美国军事专家认为这会大幅提升中国的军事能力。

中国首颗数据中继卫星天链一号的成功发射,相对而言也是向世界宣布:中国航天器已进入了一个新的台阶,既中国有了天上数据“中转站”,标志中国航天应急和管理能力又有新进步。

应用方面

1、远望号测量船队加上10余个地面站,才能为神舟飞船提供12%的测控覆盖率。一颗中继卫星即可覆盖卫星或飞船50%的飞行弧段,无论是经济效益还是使用效率都有了质的提高。

2、航天器在太空中出现故障,抢救时机往往以秒计,一旦错过就可能造成永远无法挽回的损失。随着中国卫星数量的增多,故障率不可避免要增加。中继卫星投入应用后,将使航天器故障能够及早发现、尽早解决。

3、资源卫星、环境卫星等应用卫星获得的科学数据,要在卫星经过地面站上空时才能下传使用,如果突发重大自然灾害,就会失掉最佳的应对处置时机。中继卫星可使各类卫星实现数据实时下传,及时应用,是各类应用卫星的效能倍增器。

天链一号中继卫星
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最新更新:2015-08-07 10:46
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