2.5 跟踪与数据中继卫星系统

2.5.1 TDRSS的功用

跟踪与数据中继卫星（TDRS）即转发地球站对中低轨道航天器的跟踪、遥控信息和转发中低轨道航天器发回地面的数据的通信卫星。跟踪与数据中继卫星通常是静止轨道卫星。相应地，跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS）即一个利用静止轨道卫星和地面中心站为中低轨道的航天器与航天器之间、航天器与地球站之间提供高覆盖率数据中继、连续轨道跟踪及测控的测控与通信系统。

高频段电波的直线传播特性和地球曲率对电波直线传播的影响，使得地面测控站跟踪中、低轨道航天器的轨道弧段和通信时间受到限制。TORS相当于把地面上的测控站升高到了地球静止轨道的高度，这样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上覆盖整个中、低轨道的空域。

分析得出，两颗经度间距130°的TDRS，便可对所有轨道高度为1200～12000km的近地轨道航天器实现100%的连续跟踪覆盖，对轨道高度约200km的航天器实现85%的覆盖。所有用户航天器可利用任意一颗TDRS进行双工通信。TDRS收集所有用户航天器的数据，编排成帧后，再与单一地球站建立通信链路，这样TDRS中继卫星和地球站就成为太空用户航天器和地球之间建立通信的信息港。地球站通过中继卫星可间接与用户航天器建立通信链路。借助TDRS的中继，地球站可对各用户航天器测轨定位，这样有助于大量裁减陆地测控站、测量船，同时有助于减少建设、维修和操作费用。

TDRS的主要用途如下。

（1）跟踪、测定中低轨道卫星的轨道。为了尽可能多地覆盖地球表面和获得较高的地面分辨能力，许多卫星都采用倾角大、高度低的轨道。TDRS几乎能对中低轨道卫星进行连续跟踪，并通过转发它们与测控站之间的测距和多普勒频移信息实现对这些卫星轨道的精确测定。

（2）为对地观测卫星实时转发遥感、遥测数据。气象卫星、海洋卫星、测地卫星和资源卫星等对地观测卫星在飞经未设地球站的上空时，会把遥感、遥测信息暂时存储在记录器里，在飞经地球站时再转发。这类卫星如果能利用TDRS实时地把大量的遥感和遥测数据转发回地面，那么就无须存储和转发。

（3）承担航天飞机和载人飞船的通信与数据传输中继业务。地面上的航天测控网平均仅能覆盖15%的近地轨道，因此航天员与地面上的航天控制中心直接通话和实时传输数据的时间有限。两颗适当配置的TDRS能使航天飞机和载人飞船在全部飞行的85%的时间内保持与地面联系。

（4）用作深空探测活动的中继节点。TDRS可用作深空探测活动的中继节点，完成深空探测器与地面深空站之间的信息转发。

（5）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常需要通过一系列地球站和民用通信网络进行跟踪、测控和数据传输。TDRS可以摆脱对绝大多数地球站的依赖，自成独立的专用系统，从而更有效地为军事服务。

TDRS以其能较大幅度地覆盖中低轨道航天器，以及转发地球站对这些航天器的跟踪与测控信号，并对中低轨道航天器发回地面的数据、图像、语音等信息进行实时、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。美国、俄罗斯、日本和中国，以及欧洲航天局（简称欧空局）都相继建立了TDRSS，为各种用户应用做出了重大贡献。

2.5.2 TDRSS的工作流程

TDRSS一般由空间段（TDRS星座）、地面段（也称为地面终端）和用户航天器3个主要部分组成。图2-20给出了常见的由两颗静止轨道卫星构成的TDRS星座及其覆盖范围。

当用户航天器要向地面发送遥测数据、探测数据、语音和电视等信息时，这些信息先经过S频段或K（Ku或Ka）频段星间链路（也称为轨道间链路）发向TDRS，TDRS接收到并经过频率变换后以K（Ku或Ka）频段馈电链路将其转发到地面终端，在终端进行射频解调和解码处理，视频数据以原始格式通过国内通信卫星链路或其他宽带数据链路送至地面最终用户或用户卫星控制中心；当地面要向用户航天器发送指令、语音、数据和电视等信息时，这些信息先在地面终端汇集，调制到Ku或Ka频段的馈电链路上并发给TDRS，TDRS再以S频段或K（Ku或Ka）频段转发给相应的用户航天器。

2.5.3 TDRSS的特点

从TDRSS的功用和工作流程可以看出，它有如下优点。

（1）对用户航天器轨道的覆盖率高。由于TDRS的高度为36000km，能俯视中低轨道航天器，因此只要发射两颗经度间距为130°的TDRS，便可对所有轨道高度为1200～12000km的近地轨道飞行器实现100%的连续跟踪覆盖，对轨道高度约200km的飞行器实现85%的覆盖。这种连续的测控能力可及时传送探测数据，有利于提高时效性；使得在航天器上不需要使用笨重、可靠性差的大容量存储设备；能及时发现航天器故障，并及时采取措施排除。

（2）使地面测控站数量减少。TDRSS可以取代许多保障中低轨道的用户航天器在轨运行的地基测控站，尤其是海外测控站和测量船，只需要保留用于轨道高度在5000km以上的航天器的地球站即可。

（3）便于航天器的集中管理。由于TDRSS容量大、可用性高，对所有中低轨道航天器都集中控制，使设备和人员得以充分利用，同时使通道勤务的调动十分方便，有利于测控业务和测控设备的标准化，也有利于不同有效载荷探测信息的数据融合和综合利用。

（4）跟踪中继能力强，服务质量高。由于每颗TDRS配置了多个高增益的抛物面天线和相控阵天线，因此它可以同时为多个用户航天器提供服务。其多址勤务能同时跟踪20个低速用户航天器，单址勤务可同时跟踪2～4个高速用户航天器，最高数传能力达300Mbps。数据中继路径主要为空间真空路径，且只需要经一颗TDRS，数据即可传送到地面终端，无须再经中间转发，因而减少了中间环节，可靠性高，质量好。

由于受系统结构和TDRS技术水平的限制，TDRSS存在以下不足，有待改进。

（1）不能跟踪高轨道卫星。这是由目前TDRS设计的跟踪视场造成的，其多址勤务的视场为26°，单址勤务的视场稍大一些，其天线波束的可控范围为45°。根据需要，可以对这些性能进行相应的改进。

（2）提高了对用户航天器的要求。用户航天器与TDRS的距离为42000km，远大于用户航天器与地面的距离，且每秒要传送数百兆比特的数据，这要求用户航天器加大发射设备的功率和质量，采用高增益的窄波束天线。因此，TDRSS不适用于微小卫星的控制。

（3）TDRSS的位置固定，而且所有中低轨道用户都由该系统控制，加上TDRS容易受地面强信号的干扰，因此一旦中继卫星受到干扰或破坏，整个系统将陷于瘫痪。

2.5.4 TDRSS的覆盖特性

双静止轨道卫星覆盖低空空域的几何关系如图2-21所示。图中，h_G为静止轨道卫星的高度；h_S为低空空域面的高度；余隙h_P为静止轨道卫星与低空空域面上的卫星之间的星际链路与地面的最小距离，这是考虑到地球并非理想的球体及低空的复杂电磁环境，为星际视距通信链路必须留有的保护距离。

由图2-21可以得到覆盖全球低空空域的双静止轨道卫星间的经度差（地心角差）α与低空空域面高度h_S和余隙h_P之间的关系式：

在余隙高度h_P为20km的情况下，双静止轨道卫星间经度差α随低空空域面高度h_S的变化如图2-22所示。

由图2-22可知，随着低空空域面高度的增加，双静止轨道卫星间所需的经度差将减小。当双静止轨道卫星间的经度差达到最大值180°时，所能够覆盖的最小低空空域面高度约95km。

2.5.5 美国TDRSS概况

20世纪60年代末，NASA为了向用户提供更高的近地轨道覆盖率及规避国外建地球站的需要，开始研究和设计TDRSS。自1983年4月1日第一代首颗中继卫星发射成功至2002年12月5日第二代最后一颗中继卫星发射成功并投入运行以来，美国的TDRSS已发展成由6颗第一代卫星和3颗第二代卫星及3个地球站组成的完善系统。第三代的3颗中继也于2013—2017年成功发射并投入运行，以满足空间探索任务的高带宽通信需要及替换已经超期服役的第一代中继卫星。

图2-23所示为美国TDRSS星座架构。此星座由位于静止轨道的3个工作节点（分别覆盖太平洋地区、印度洋地区和大西洋地区）和1个备份节点组成。每个节点都配置了两颗卫星，还有一颗卫星配置在西经49°的轨道位置，其覆盖南极上空，为南极科学任务提供数据中继。整个星座已没有盲区，对高度为200km的航天器轨道的覆盖率为100%。

图2-24所示为美国TDRSS空间段与地面段、用户航天器间的射频接口信息流程示意。图2-25所示为美国TDRSS与用户航天器间射频接口信息流程示意。图2-26所示为2015年左右的美国TDRSS用户示例。由图2-26可知，中继卫星广泛应用于各种用户，如运载火箭、飞船、地球观测卫星等，以及海基、陆基、空基用户，如无人机、飞机、地面车辆和舰船等。

2.5.6 美国TDRSS空间段

1.第一代TDRS

第一代TDRS的外形如图2-27所示。注意，图中有一副铲形C频段天线（在S频段多址天线与S频段全向天线之间），这一部分用作美国的高级西联星的通信，不属于TDRSS的跟踪与数据中继部分。第一代TDRS的技术特性如表2-17所示。

第一代TDRS有效载荷功能框图如图2-28所示。其有效载荷星间链路S频段和Ku频段单址通信技术特性、星间链路S频段多址通信技术特性和星地链路Ku频段通信技术特性依次如表2-18～表2-20所示。

2.第二代TDRS

第二代TDRS外形如图2-29所示，卫星的技术特性如表2-21所示。

两代卫星相比，第二代卫星除保留第一代卫星的全部功能之外，还做了下述一些变化。

（1）增强了多址（MA）链路能力。第一代卫星的多址相控阵天线有30个阵元，其中12个阵元为双工工作，其余阵元只用于接收；第二代卫星的多址相控阵天线阵元增加到47个，将发射阵元与接收阵元完全分开，包含15个发射阵元、32个接收阵元。多址波束的形成也发生了变化，第一代卫星在地面进行，形成一个前向波束和5个反向波束；第二代卫星改在星上进行，可形成2个前向波束和6个反向波束，其EIRP和G/T指标也有显著提高。

（2）增加了Ka频段。第二代卫星增加了一个Ka频段，用于星间通信。其单址前向业务（中继卫星-用户飞行器）带宽为50MHz，反向业务（用户飞行器-中继卫星）带宽为225MHz和650MHz，数据传输速率为800Mbps。

（3）S频段和Ka频段频率变成可调。根据天基网互操作小组（SNIP）的协议，为了使美国、日本和欧洲的中继卫星能互操作，第二代卫星的S频段和Ka频段单址业务变为频率可调，S频段多址业务和Ku频段单址业务仍工作在固定频率上。

（4）第二代卫星的单址天线除具有第一代卫星的矩形视场之外，还增加了一个椭圆扩展视场（EEFOV）：±76.8°（外侧）×24°（内侧）（东西）和±30.5°（南北），可以覆盖地球同步轨道的用户卫星。而第一代卫星的单址天线视场为±22°（东西）×±28.0°（南北），用于覆盖73～9000km的用户卫星。

美国第一、二代TDRS前向链路和反向链路的业务传输能力如表2-22所示。

3.第三代TDRS

NASA通过对TDRSS需求及在轨卫星剩余寿命的分析，认为需要在2012年补充TDRS星座。其购置了3颗波音公司制造的第三代中继卫星，3颗卫星名称依次为TDRS-K、TDRS-L和TDRS-M，设计寿命均为15年，卫星平台均用BSS-601HP。这3颗卫星分别于2013年、2014年和2017年发射成功入轨后，更名为TDRS-11/12/13。

在技术上，第三代卫星以第二代卫星为基础进行设计，不同之处主要有两点：一是S频段多址通信天线反向波束的形成沿用了第一代卫星的方案，由地面形成，继续提供按需接入业务；二是升级了星上指令和遥测链路通信安全系统。第三代TDRS的外形结构如图2-30所示。

2.5.7 美国TDRSS地面段

TDRSS的地面系统称为白沙综合设施，如图2-31所示。白沙综合设施目前由3个地面终端站组成：白沙地面终端站（WSGT）、第二代TDRSS地面终端站（STGT）、关岛远方终端站（GRGT）。前两个终端站都位于白沙靶场，是独立工作的地面终端站，WSGT有2套自主工作的空地链路终端（SGLT），STGT有3套自主工作的空地链路终端。

2.5.8 美国TDRSS用户段

NASA的TDRSS服务的航天器用户按用户终端频段来分，可分为S频段、Ku频段和Ka频段3类。

1.S频段

NASA的TDRSS空间网络具有全球覆盖的能力，它可以跟踪、测量和控制载人飞船从发射起飞、与运载工具分离、在轨运行，到载人返回舱与工作舱分离、载人返回舱返回地面的全过程，也有能力支持载人飞船从发射起飞到与空间站对接、船载人员进入空间站的全过程。

2.Ku频段

表2-23所示为NASA TDRSS Ku频段链路支持的航天器用户终端技术特性示例。

3.Ka频段

表2-24所示为NASA TDRSS Ka频段链路支持的航天器用户终端技术特性示例。