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中继卫星:空天测控效能“倍增器”

专栏2016-12-19 09:55:21

摘要: 它们是连天通地的数据大管家。

  遨游在太空中的航天器,在接收地面指令和开展天地通信时,主要依靠分布在内陆、岛屿以及海上的移动地面测控站进行数据传输。然而,现有地面测控站通信时采用的高频电波受直线传播特性和地球曲率影响,对中、低轨道航天器的覆盖范围较小,在跟踪中、低轨道航天器时存在不少的信号盲区,通信时间也受到了较多限制。

  随着人类在深空探索的脚步越走越远,实现稳定通畅的数据传输和测控成为当务之急。中继卫星系统由中继卫星、地面系统和用户终端三部分组成,通过中继卫星将地面系统发射的指令数据转发给用户终端,中继卫星在接收到用户端返回信号后,再反馈给地面系统。在空间任务中崭露头角的中继卫星,不仅可在距离地面36000公里上将中、低轨道卫星一览无余,还可搭建沟通航天器与地面测控站数据通信的专用“高速路”。

  中继卫星好比是飞行在地球静止轨道高度的测控站,可实现地面与中、低轨道航天器实时的跟踪、测控和数据通信,是专门负责连天通地的数据大管家。研究表明,利用三颗中继卫星,就可实现对中、低轨道航天器绝大部分轨道的测控覆盖。相比一般的通信卫星,中继卫星有高动态、高码速率和高轨道覆盖率这一“三高”优势,从根本上解决了航天测控、空地通信高覆盖率问题,具有极高的经济效益和应用前景,因而被誉为“卫星的卫星”。

  航天器飞行的得力干将

  中继卫星集跟踪、测控、数据传输等多种功能于一体,不仅是空天“多能手”,而且是空间信息传输的重要枢纽和高效稳定的天基测量平台,是航天器顺利完成空间任务的“得力干将”。

  在中继卫星研究领域,以美国为首的西方国家起步早,研究时间久,因而具备了一定的发展优势。早在20世纪80年代,美国就建立了全球首个“跟踪与数据中继卫星系统”。作为美国国家航空航天局的三大测控网之一,美国的中继卫星系统也被称为天基网,主要为运载火箭、低轨道卫星、国际空间站和其他航天器提供测控信息和数据中继服务,已建立起庞大的中继卫星测控网络。目前,美国国家航空航天局正在加速“空间通信与导航”等航天计划,旨在对现有的中继卫星系统进行升级改造。

  为牢牢掌握航空航天领域发展的“独立自主权”,欧洲航天局于2001年发射了第一代数据中继卫星。到2008年,欧盟继续提出“欧洲数据中继卫星”计划,并于2014年发射首颗“哨兵”系列卫星。与此同时,新兴航天大国日本也积极投身中继卫星研制领域,并于2002年发射了第一颗中继卫星试验星。2008年,日本也启动了下一代中继卫星通信系统的研制工作,并计划于2019年发射“光数据中继卫星”,采用光通信与射频通信相融合的技术方案。

  作为原两极格局中的重要一极,苏联也于20世纪80年代开始发展“射线”数据中继卫星系统。为确保国家航空航天安全,实现航天任务独立的中继卫星通信链路,俄罗斯已经开始研制第二代“射线”中继卫星系统。该系统从2011年开始陆续发射升空,目前已组成星座提供全球中继卫星测控覆盖,并在国际空间站与地面控制中心之间提供视频传输和数据通信功能。

  我国从上世纪70年代就开始了中继卫星的概念研究。2008年4月,“天链一号01星”成功发射并在轨运行,实现了我国的空间测控从陆、海向太空的大幅度跃进。此后发射升空的“天链一号02星”和“天链一号03星”,使我国成为继美国之后第二个实现中继卫星三星组网、全球覆盖的国家,对中、低轨道的测控覆盖率接近100%。此次发射的“天链一号04星”,将为我国“天宫二号”空间站、“神舟”系列飞船、中低轨道卫星和其他航天器提供数据中继和测控服务,是实现我国未来空间探测任务的“一员猛将”。

  空间“数据高速路”初见成效

  相比于地面测控站系统,中继卫星具有测控通信覆盖率高、数据实时回传性能好、建设维持费用低等突出特点。在中继卫星的“慧眼”下,航天器飞行过程中出现的小故障都可以尽早发现、尽早解决。同时,实时数据通信还将进一步增强对在轨航天器的测控能力,不仅完成实时性任务的能力得到显著提升,也进一步确保了太空飞行尤其是载人飞行的安全。

  除使用常规波段的无线电射频通信外,中继卫星星间激光通信近几年得到广泛关注。使用激光通信可进一步提升数据传输速率,并有效确保系统的抗干扰和抗拦截能力。目前,欧洲航天局已经在Artemis中继卫星上与多颗卫星开展了激光通信试验,美国国家航空航天局开展的“小型天基卫星”计划、“激光通信光载荷”也都专门对空间激光通信进行了深入探索,将为未来中继卫星高效数据传输发展提供新的技术方案。

  中继卫星的使用,还将进一步提升各类卫星的使用效益和应急能力。中低轨道的遥感探测卫星可实时回传热点地区和突发事件的现场遥测信息,担当快速反应的“侦察尖兵”。通过搭建的专用通信网络,在应对重大自然灾害时,中继卫星可实现各类资源和环境监测卫星数据的实时下传,从而提供更好的解决方案和更多的灾害预警时间。

  目前,美国与俄罗斯的中继卫星系统均已进入应用阶段,并积极探索小卫星星座、激光通信、行星中继卫星体系等先进技术的研发工作。欧洲航天局和日本则启用新的思路和技术途径,正在加速发展后续中继卫星系统。未来,中继卫星将可取代大部分地面测控站的测控任务,成为保障太空飞行安全、实现天地通信的“主力军”,将对国民经济和国防建设发挥重大推动作用。

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  日前,我国第四颗中继卫星“天链一号04星”成功发射升空,将与我国此前发射的天“天链一号01星”、“天链一号02星”星和“天链一号03星”实现全球组网运行,为我国航天发射和空间飞行试验任务提供数据中继和测控服务。中继卫星系统可大幅度提升对航天器的测控覆盖能力,并有效减少航天测控系统的建设和维护成本,早已得到世界各主要航天大国的“青睐”,是空天测控和通信的效能“倍增器”。为助推国民经济和国防建设发展,一场围绕中继卫星的太空赛跑已悄然展开,未来依托中继卫星开展天基测控将成为航天技术发展的一大重要方向。(来源|学习时报)

[责任编辑:任珊珊]
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