國(guó)外中繼衛(wèi)星對(duì)航天器交會(huì)對(duì)接的測(cè)控通信支持

史西斌 費(fèi)立剛 寇保華 程礫瑜

（中國(guó)人民解放軍63999部隊(duì)，北京 100094）

1 引言

隨著空間探索的不斷發(fā)展，航天器交會(huì)對(duì)接在完成空間探索任務(wù)中具有至關(guān)重要的作用。當(dāng)一個(gè)國(guó)家具備了將人送入空間軌道的能力之后，其空間計(jì)劃的下一個(gè)主要目標(biāo)自然就是開發(fā)和演示驗(yàn)證航天器交會(huì)對(duì)接技術(shù)。自20世紀(jì)60年代美國(guó)和蘇聯(lián)分別實(shí)現(xiàn)了雙子星-6、7 飛船的人控交會(huì)對(duì)接以及聯(lián)盟號(hào)飛船之間的自動(dòng)交會(huì)對(duì)接以來(lái)，世界各國(guó)已進(jìn)行了100多次航天器空間交會(huì)對(duì)接活動(dòng)。[1]

航天器交會(huì)對(duì)接作為當(dāng)前世界航天領(lǐng)域中一項(xiàng)十分復(fù)雜的技術(shù)，它對(duì)導(dǎo)航和測(cè)控通信支持等都提出了相當(dāng)高的要求。交會(huì)對(duì)接任務(wù)中，要求測(cè)控通信系統(tǒng)完成遠(yuǎn)距離導(dǎo)引段的測(cè)控通信任務(wù)，并對(duì)近距離導(dǎo)引的部分段落進(jìn)行全程監(jiān)視，當(dāng)追蹤飛行器和目標(biāo)飛行器之間的距離在一定范圍內(nèi)時(shí)，能同時(shí)對(duì)2個(gè)飛行器進(jìn)行測(cè)控通信；另外，當(dāng)載有航天員時(shí)，還需要能隨時(shí)掌握飛船的工作狀態(tài)和航天員的生理狀態(tài)?；谥欣^衛(wèi)星系統(tǒng)的天基測(cè)控通信是近代航天技術(shù)的一項(xiàng)重大突破，它能夠有效地滿足空間交會(huì)對(duì)接的測(cè)控通信需求，大大增加了航天器交會(huì)對(duì)接活動(dòng)規(guī)劃的靈活性，縮短航天器返回、交會(huì)對(duì)接的準(zhǔn)備時(shí)間。同時(shí)，還能節(jié)省大量用于建設(shè)地面站和設(shè)備維護(hù)更新的經(jīng)費(fèi)開支。

文章以支持ATV 與“國(guó)際空間站”交會(huì)對(duì)接任務(wù)為例，著重分析了中繼衛(wèi)星系統(tǒng)為其提供的測(cè)控通信支持，如ATV 天線布局和通信系統(tǒng)組成、操作通信體系、通信鏈路類型和速率等，并從測(cè)控通信網(wǎng)的天地一體化、測(cè)控通信覆蓋率、多目標(biāo)支持以及中繼衛(wèi)星系統(tǒng)自身建設(shè)與發(fā)展4個(gè)方面總結(jié)了國(guó)外中繼衛(wèi)星系統(tǒng)支持航天器交會(huì)對(duì)接任務(wù)的特點(diǎn)。

2 國(guó)外中繼衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)航天器交會(huì)對(duì)接任務(wù)的支持

在需求牽引和衛(wèi)星通信技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)下，美國(guó)首先提出并實(shí)現(xiàn)了中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。到1988年，NASA建立起了TDRSS的兩結(jié)點(diǎn)空間體系，從而開啟了向用戶提供幾乎全時(shí)段覆蓋的先河，這也標(biāo)志著地基測(cè)控網(wǎng)向天基測(cè)控通信網(wǎng)為主的轉(zhuǎn)型。此外，俄羅斯、歐洲航天局（ESA）、日本等主要航天國(guó)家或組織也已相繼部署了自己的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，如歐洲航天局的“阿特米斯”衛(wèi)星、日本的“數(shù)據(jù)中繼試驗(yàn)衛(wèi)星”（DRTS）等。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)已有大量文獻(xiàn)對(duì)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（尤其是TDRSS）支持航天飛機(jī)與“國(guó)際空間站”（ISS）等航天器交會(huì)對(duì)接任務(wù)進(jìn)行了系統(tǒng)、深入的研究。本文僅給出TDRSS和“阿特米斯”衛(wèi)星支持“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”（ATV）與“國(guó)際空間站”交會(huì)對(duì)接任務(wù)的測(cè)控通信情況。

2.1 ATV/ISS交會(huì)對(duì)接任務(wù)概況

ATV是歐洲航天局研制的無(wú)人空間飛行器，主要任務(wù)是參與ISS的后勤服務(wù)，執(zhí)行對(duì)ISS的正常助推或燃料加注，以及向ISS運(yùn)送補(bǔ)給物資或裝卸有效載荷等。ATV是同“國(guó)際空間站”的俄羅斯艙段部分進(jìn)行自動(dòng)交會(huì)對(duì)接。ATV 由位于法國(guó)圖盧茲的ATV 控制中心（ATV-CC）進(jìn)行監(jiān)視和控制。ATV 操作尤其是交會(huì)對(duì)接操作是在與ISS任務(wù)控制中心-休斯頓（MCC-H）、ISS任務(wù)控制中心-莫斯科（MCC-M）的緊密合作下進(jìn)行的。[2-3]

2.2 中繼衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)ATV/ISS任務(wù)的支持

在ATV/ISS 任務(wù)中，為了實(shí)現(xiàn)與ATV-CC、MCC-H、MCC-M 以及ISS 本身的通信，需要多個(gè)通信和遙測(cè)系統(tǒng)。圖1為ATV-1/ISS任務(wù)的發(fā)射和早期軌道段測(cè)控通信示意圖。ATV-1起飛之后約75min，與運(yùn)載火箭分離，ATV-CC 開始控制ATV-1。從圖1中可以看出，ATV/ISS 任務(wù)發(fā)射段主要由地基測(cè)控網(wǎng)提供測(cè)控通信支持，涉及的地面站有庫(kù)魯?shù)孛嬲尽⒅写笪餮蟠d遙測(cè)站，亞述爾群島（北大西洋）活動(dòng)站、位于布雷斯特的蒙哥（Monge）號(hào)法國(guó)海軍跟蹤船和德國(guó)應(yīng)用科學(xué)研究所地面站、新西蘭地面站。在ATV/阿里安-5船箭分離前4min，ATV 建立與中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的連接。[3-4]

圖1 ATV/ISS發(fā)射和早期軌道段測(cè)控通信Fig.1 ATV/ISS mission TT＆C in launch and early orbit phases

圖2 ATV 天線布局和通信體系Fig.2 ATV antennae layout and overall communication architecture

由于僅利用歐洲航天局自己的中繼衛(wèi)星即“阿特米斯”不能提供所需的測(cè)控通信覆蓋，因此依據(jù)任務(wù)階段和衛(wèi)星覆蓋范圍還使用了TDRSS。圖2為ATV 天線布局和總體通信體系，表1為ATV 通信子系統(tǒng)的設(shè)備組成。ATV 主要利用3 副天線和2臺(tái)相互備份的S頻段轉(zhuǎn)發(fā)器，來(lái)建立與TDRSS和“阿特米斯”的雙向測(cè)控通信鏈路。圖3和圖4分別為ATV/ISS任務(wù)的總體通信鏈路和對(duì)接階段的標(biāo)稱通信鏈路。整個(gè)任務(wù)期間，TDRSS與“阿特米斯”共同為ATV 提供S頻段測(cè)控通信支持。其中，在發(fā)射（船箭分離前4min之后）、交會(huì)、對(duì)接和解除對(duì)接與再入階段，TDRSS提供主用的ATV 測(cè)控通信鏈路，“阿特米斯”提供備用的ATV 測(cè)控通信鏈路；在對(duì)接之后直至解除對(duì)接之前的ATV/ISS組合體運(yùn)行階段，“阿特米斯”提供主用的ATV 測(cè)控通信鏈路，TDRSS則提供備用的ATV 測(cè)控通信鏈路。但是，對(duì)于“國(guó)際空間站”而言，主要由TDRSS來(lái)提供測(cè)控通信支持，“阿特米斯”并不提供測(cè)控通信支持。[5]

表1 ATV通信系統(tǒng)組成Table1 ATV communication subsystem

1）“阿特米斯”衛(wèi)星

“阿特米斯”衛(wèi)星對(duì)ATV 操作的主要支持是：

圖3 ATV/ISS任務(wù)操作通信鏈路Fig.3 Operational communications paths for ATV/ISS

圖4 ATV/ISS任務(wù)對(duì)接階段標(biāo)稱通信鏈路Fig.4 Nominal communications paths in ATV/ISS docking phase

（1）從發(fā)射、對(duì)接、解除對(duì)接直到再入大氣層的所有覆蓋時(shí)段，“阿特米斯”衛(wèi)星提供并行的ATV遙測(cè)鏈路；

（2）在對(duì)接后ATV/ISS組合體運(yùn)行階段，“阿特米斯”衛(wèi)星是ATV 的主要通信鏈路。

2）TDRSS

在發(fā)射（船箭分離前4min之后）、自由飛行、交會(huì)、對(duì)接、解除對(duì)接、再入階段，TDRSS為ATV 提供主要通信鏈路。在對(duì)接后ATV/ISS組合體運(yùn)行階段，TDRSS將作為“阿特米斯”的備份通信鏈路來(lái)支持ATV。TDRS對(duì)ATV 的支持包括多址（MA）和S頻段單址（SSA）業(yè)務(wù)，參見(jiàn)表2。

（1）ATV 僅在關(guān)鍵時(shí)段才有自己的TDRS獨(dú)立SSA業(yè)務(wù)，而關(guān)鍵時(shí)段由ESA提供給NASA；

（2）在非關(guān)鍵時(shí)段，ATV 應(yīng)與ISS的TDRS事件共用SSA業(yè)務(wù)時(shí)間，這意味著ATV 需要向ISS申請(qǐng)，使ISS釋放對(duì)TDRS的使用；

（3）規(guī)定時(shí)間內(nèi)，NASA獨(dú)立提供到ATV 的TDRS SMA前向業(yè)務(wù)。

表2 TDRS對(duì)ATV的支持Table2 TDRS support for ATV

3 特點(diǎn)分析

通過(guò)研究和分析可知：由于航天飛機(jī)（STS）、ATV、H-II轉(zhuǎn)移飛行器（HTV）、聯(lián)盟號(hào)飛船都是與“國(guó)際空間站”進(jìn)行交會(huì)對(duì)接，因此具有一定的可比性。表3為TDRSS對(duì)這些交會(huì)對(duì)接任務(wù)提供支持的業(yè)務(wù)類型、數(shù)據(jù)速率等，同時(shí)也給出了這些交會(huì)對(duì)接任務(wù)所需的地基測(cè)控網(wǎng)支持的相關(guān)情況。[6]

表3 TDRSS對(duì)STS/ATV/HTV/聯(lián)盟號(hào)與ISS交會(huì)對(duì)接任務(wù)的支持Table3 TDRSS support for STS/ISS，ATV/ISS，HTV/ISS and Soyuz/ISS mission kbit/s

根據(jù)表3并結(jié)合各交會(huì)對(duì)接任務(wù)的實(shí)際運(yùn)行以及各國(guó)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展情況等，可以得出國(guó)外中繼衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)航天器交會(huì)對(duì)接任務(wù)的支持具有以下特點(diǎn)。

1）構(gòu)建以中繼衛(wèi)星系統(tǒng)為主的天地一體化測(cè)控通信網(wǎng)

在中繼衛(wèi)星系統(tǒng)出現(xiàn)之前，國(guó)外航天器交會(huì)對(duì)接任務(wù)的測(cè)控通信支持，主要依靠由大量全球部署的地面站構(gòu)成的地基測(cè)控網(wǎng)。而且，由于地基測(cè)控網(wǎng)的軌道覆蓋率低，使得選擇交會(huì)對(duì)接時(shí)機(jī)的靈活性受到了很大的限制。例如，在1975年由美蘇兩國(guó)聯(lián)合進(jìn)行的阿波羅-聯(lián)盟號(hào)任務(wù)中，其測(cè)控通信網(wǎng)包括14個(gè)航天跟蹤與數(shù)據(jù)網(wǎng)（STDN）地面站、7個(gè)俄羅斯地面站和2艘俄羅斯測(cè)量船以及1顆中繼衛(wèi)星試驗(yàn)星（應(yīng)用技術(shù)衛(wèi)星-6），與STDN 地面站通信的時(shí)間只占整個(gè)任務(wù)時(shí)間的17%，但STDN 地面站與應(yīng)用技術(shù)衛(wèi)星-6通信的時(shí)間之和則增加到了整個(gè)任務(wù)時(shí)間的63%。[7]

從20世紀(jì)80年代TDRSS建成并投入使用以來(lái)，空間交會(huì)對(duì)接任務(wù)的測(cè)控通信支持則開始主要依靠以中繼衛(wèi)星系統(tǒng)為主的天地一體化測(cè)控通信網(wǎng)，3顆合理布局的TDRSS就可以提供100%軌道覆蓋。從文中所給出的實(shí)際任務(wù)情況來(lái)看，地面測(cè)控通信網(wǎng)的作用主要集中在發(fā)射測(cè)控段以及提供應(yīng)急情況下的備份支持。特別是歐洲航天局的ATV飛行任務(wù)、日本的HTV 飛行任務(wù)，則完全依靠中繼衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證對(duì)交會(huì)對(duì)接關(guān)鍵操作的實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)視。

2）推薦使用TDRS 衛(wèi)星單址天線支持同一波束內(nèi)2個(gè)目標(biāo)的測(cè)控通信[8]

在美國(guó)航天飛機(jī)與“國(guó)際空間站”的交會(huì)對(duì)接任務(wù)中，中繼衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)2個(gè)目標(biāo)同時(shí)進(jìn)行測(cè)控通信的方式主要有2種：一是利用2副單址天線分別支持一個(gè)目標(biāo)；二是利用1副單址天線同時(shí)支持2個(gè)目標(biāo)，例如2000年8月的第106次航天飛機(jī)任務(wù)（任務(wù)編號(hào)為STS-106 2A.2b），TDRSS成功支持了虛擬航天器事件，即“國(guó)際空間站”和亞特蘭蒂斯號(hào)航天飛機(jī)共用1副TDRS單址天線。

通常情況下，2個(gè)用戶平臺(tái)不能同時(shí)使用中繼衛(wèi)星的同一副單址天線。然而，若2個(gè)用戶平臺(tái)進(jìn)行在軌對(duì)接或者在軌道上相距很近，且2個(gè)用戶平臺(tái)的狀態(tài)（如相關(guān)通信技術(shù)指標(biāo)）之間差別很小，則可以利用同一副單址天線來(lái)支持這2個(gè)平臺(tái)，從而能節(jié)約中繼衛(wèi)星的單址天線資源，提高中繼衛(wèi)星的使用效率。任務(wù)中可行時(shí)，鼓勵(lì)使用這種方式支持用戶平臺(tái)的測(cè)控通信。

3）中繼終端采用多副S頻段天線實(shí)現(xiàn)測(cè)控的連續(xù)覆蓋

由于單顆中繼衛(wèi)星不能實(shí)現(xiàn)100%的軌道覆蓋，所以在航天器交會(huì)對(duì)接任務(wù)中，為了實(shí)現(xiàn)從發(fā)射段直到再入大氣層的全時(shí)段覆蓋，通常需要使用多顆中繼衛(wèi)星。另外，在航天器交會(huì)對(duì)接操作期間，為了確保通信鏈路安全可靠，通常也需要利用不止一顆中繼衛(wèi)星來(lái)提供備份鏈路。這就帶來(lái)了如何通過(guò)多顆中繼衛(wèi)星之間的切換，確保測(cè)控通信的連續(xù)不間斷覆蓋問(wèn)題。

就目前掌握的相關(guān)資料可知，航天飛機(jī)/ISS、ATV/ISS等交會(huì)對(duì)接任務(wù)中各中繼終端都采用了多副TDRS天線來(lái)解決這一問(wèn)題：如航天飛機(jī)軌道器（SSO）安裝有4副S頻段天線，ATV 安裝了3副TDRS天線等（見(jiàn)圖2）。利用多副天線，中繼終端可同時(shí)指向多顆中繼衛(wèi)星，從而實(shí)現(xiàn)與不同中繼衛(wèi)星之間的測(cè)控通信鏈路的無(wú)縫切換。例如，在航天飛機(jī)/ISS中，4副S頻段天線以約90°的間隔分布在航天飛機(jī)的前機(jī)身外表面，從而提供了幾乎全方向的覆蓋。每副天線都是一個(gè)雙波束單元，在無(wú)需物理移動(dòng)的情況就可以進(jìn)行向后和向前收發(fā)。2個(gè)S頻段轉(zhuǎn)發(fā)器（1主1備）和S頻段天線之間的信號(hào)切換由軌道器上的S頻段象限天線切換組件完成?；赥DRS對(duì)航天飛機(jī)的可視范圍計(jì)算，根據(jù)地面的實(shí)時(shí)指令自動(dòng)選擇或由航天飛機(jī)飛行乘員人工選擇適當(dāng)?shù)奶炀€。

另外，利用中繼衛(wèi)星系統(tǒng)可以解決航天飛機(jī)返回段的“黑障區(qū)”通信問(wèn)題。航天飛機(jī)的迎角等氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)，使得等離子體鞘套的影響主要集中在航天飛機(jī)下腹部，而對(duì)上表面的影響相對(duì)較小，因此利用上表面的S頻段天線可與TDRS建立通信，如圖5所示。需要說(shuō)明的是，這種方案并非通用的解決方案，不適應(yīng)于彈道再入型等飛行器，但對(duì)于解決“黑障區(qū)”通信問(wèn)題仍有一定的借鑒意義。[9]

圖5 航天飛機(jī)返回段的“黑障區(qū)”通信Fig.5 Communication in blackout period during space shuttle reentry

4）在加強(qiáng)國(guó)際合作的同時(shí)各國(guó)都在大力發(fā)展自己的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)

鑒于自身的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)能力不足，為了滿足各自航天事業(yè)發(fā)展的需要，日本、歐洲航天局、蘇聯(lián)/俄羅斯等國(guó)家和組織，在中繼衛(wèi)星系統(tǒng)使用方面加強(qiáng)了與美國(guó)的國(guó)際合作。1985年，美國(guó)、日本和歐洲航天局成立了天基網(wǎng)互操作委員會(huì)（SNIP）。通過(guò)廣泛的技術(shù)協(xié)調(diào)，已經(jīng)解決了S頻段互操作問(wèn)題。在ATV-1、HTV-1 的交會(huì)對(duì)接任務(wù)中，就使用了TDRS的S頻段業(yè)務(wù)。當(dāng)前，正在考慮將經(jīng)由日本“數(shù)據(jù)中繼試驗(yàn)衛(wèi)星”（DRTS）的Ka頻段鏈路作為“國(guó)際空間站”Ku頻段天地鏈路的備份。另外，俄羅斯也通過(guò)協(xié)議部分租用了TDRSS業(yè)務(wù)。

然而，中繼衛(wèi)星系統(tǒng)作為一種戰(zhàn)略空間資產(chǎn)，在國(guó)家的航天事業(yè)發(fā)展中具有舉足輕重的地位和作用，不可能主要依靠國(guó)際合作來(lái)滿足自身的需求。為此，歐洲航天局和俄羅斯都在近期制定了自己的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展計(jì)劃：歐洲航天局將在2012年底之前發(fā)射搭載中繼載荷的2顆地球同步軌道衛(wèi)星（EDRS-A、EDRS-B），2013年底之前發(fā)射專用數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星（EDRS-C）；俄羅斯則將在2012年發(fā)射新的射線-5A（Louch-5A）衛(wèi)星，并有望在未來(lái)?yè)碛蠰ouch-5A（16°W）、Louch-5B（95°E）2顆衛(wèi)星，屆時(shí)將停止使用美國(guó)的通信資源。另外，美國(guó)也將于2012和2013年發(fā)射2顆新的TDRS衛(wèi)星（TDRSK、TDRS-L）。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了國(guó)外中繼衛(wèi)星系統(tǒng)在航天器交會(huì)對(duì)接任務(wù)中的應(yīng)用情況。研究結(jié)果表明，無(wú)論是手動(dòng)操作方式，還是自動(dòng)控制方式進(jìn)行交會(huì)對(duì)接任務(wù)，都是依靠以中繼衛(wèi)星系統(tǒng)為主的天地一體化測(cè)控通信網(wǎng)來(lái)提供測(cè)控通信服務(wù)。利用中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，可以解決當(dāng)前陸?；鶞y(cè)控網(wǎng)所面臨的覆蓋率低、運(yùn)行成本高等難題，能有效地滿足航天器交會(huì)對(duì)接任務(wù)的測(cè)控通信需求。

結(jié)合實(shí)際并參考國(guó)外相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，后續(xù)將著重研究以下4個(gè)方面問(wèn)題：①以中繼衛(wèi)星系統(tǒng)為主的各種測(cè)控資源的無(wú)縫集成以及有效和高效的分配與使用；②單顆中繼衛(wèi)星支持多個(gè)用戶目標(biāo)的測(cè)控通信關(guān)鍵技術(shù)，如通信體制等；③中繼衛(wèi)星系統(tǒng)與地面和用戶之間的鏈路安全問(wèn)題；④多顆中繼衛(wèi)星對(duì)用戶的接力支持。

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