編者按：1983年4月4日，世界上第一顆跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星升空，開創(chuàng)了中繼衛(wèi)星時(shí)代。25年后，中國也迎來了自己的中繼衛(wèi)星時(shí)代。4月25日發(fā)射成功的中國首顆數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星“天鏈一號(hào)01星”，將在神舟七號(hào)載人航天飛行中首次應(yīng)用。屆時(shí)，神舟飛船的測控覆蓋率將由原來的百分之十二大幅提高到百分之六十左右。為了讓讀者更進(jìn)一步了解跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的發(fā)展情況和發(fā)揮的作用，本刊特約專家，對(duì)世界各國的跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星進(jìn)行逐一介紹。

有許多人都曾經(jīng)問，除了哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)外，其它的美國航天飛機(jī)上為什么沒有類似航空飛機(jī)上的“黑匣子”？其實(shí)答案很簡單，航天飛機(jī)通過“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”系統(tǒng)，把所有數(shù)據(jù)都實(shí)時(shí)傳回了地面，所以沒有必要再裝“黑匣子”。由于哥倫比亞號(hào)是第1架上天的航天飛機(jī)，當(dāng)時(shí)為了保險(xiǎn)起見，裝了1個(gè)“黑匣子”，事后也沒有再拆掉。

跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星是通信衛(wèi)星的一個(gè)重大發(fā)展，它在地球同步靜止軌道上運(yùn)行，既能直視中低軌道用戶航天器，又能直視地面站，是溝通用戶航天器與地面站的橋梁。跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星主要用于跟蹤、測量和控制其它航天器，并通過它將各航天器的軌道、遙測等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給地面測控站。

對(duì)于載人航天器來說，跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星具有舉足輕重的作用。2008年3月，隨著國際空間站組裝工作提速，美國“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”（TDRS）系統(tǒng)開始超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。歐洲凡爾納號(hào)自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器、美國奮進(jìn)號(hào)航天飛機(jī)和國際空間站三者都要使用“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)通信中斷的情況，后果將不堪設(shè)想。

美國中繼衛(wèi)星：軍民齊頭并進(jìn)

1983年4月4日，美國用挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)發(fā)射了世界上第1顆軍民兩用跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星——跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星1號(hào)，開創(chuàng)了中繼衛(wèi)星時(shí)代。

從1983年至1995年，美國相繼把6顆第一代跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星送入軌道，這幾顆衛(wèi)星組成星座，并與白沙地面站組網(wǎng)開始正式運(yùn)行。該衛(wèi)星星座平均工作時(shí)間超過12年，先后為12種美國的中、低軌道航天器提供了服務(wù)，平均利用率超過99%。為保證系統(tǒng)的工作能力，美國還建立了完善的地面支持系統(tǒng)，已建立的2個(gè)白沙站可同時(shí)處理6顆用戶航天器的業(yè)務(wù)，而且處理業(yè)務(wù)的時(shí)間保證率從原來的99％提高到99.9999％。該系統(tǒng)年投入的運(yùn)行費(fèi)用約為6500萬美元，經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^，僅軍用中、低軌道航天器使用該系統(tǒng)每年就付費(fèi)達(dá)１億美元。而且，美國用該星座不但取代了在全球設(shè)置的14個(gè)測控站，而且對(duì)中低軌道內(nèi)的所有航天器的軌道覆蓋能力由過去地球測控站的15%提高到85%，處理信息的能力提高了6倍多。同時(shí)，每年還節(jié)省維修和操作這些地球測控站的費(fèi)用達(dá)3億美元。

為了避免來自商用通信衛(wèi)星的干擾，并提高中繼能力和較高的數(shù)據(jù)率，滿足用戶航天器日益增加的要求，20世紀(jì)90年代中期，美國決定研制第二代跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星，即在第一代衛(wèi)星S/Ku波段的基礎(chǔ)上，增加了Ka波段，并擴(kuò)大S波段容量。

2000年6月30日，美國成功地發(fā)射了首顆第二代跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星——跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星8號(hào)。2002年3月8日和12月5日，美國又先后成功發(fā)射了第2顆、第3顆第二代跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星，即跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星9號(hào)、10號(hào)。這3顆衛(wèi)星分別定點(diǎn)在西經(jīng)170°、西經(jīng)100°和西經(jīng)40°，對(duì)約200千米高的用戶航天器實(shí)現(xiàn)了100%軌道覆蓋率。這3顆新一代衛(wèi)星在進(jìn)入工作位置以后，數(shù)據(jù)中繼能力成倍地增加，為國際空間站、航天飛機(jī)和近地軌道空間研究試驗(yàn)提供連續(xù)的高帶寬的天地通信能力。它們的功能遠(yuǎn)高于第一代“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”，能提供帶寬更寬、調(diào)頻更靈活的空間數(shù)據(jù)和圖像的中繼，同時(shí)通過Ka波段與日本和歐洲的航天器相兼容。其Ka波段不僅數(shù)據(jù)傳輸速率高（8×108比特/秒），同時(shí)不易受日益增長的無線電信號(hào)的干擾。第二代跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星能同時(shí)中繼來自多達(dá)18顆用戶航天器的數(shù)據(jù)，而第一代中繼衛(wèi)星的這一能力為14顆。如果有第2個(gè)用戶在主目標(biāo)區(qū)的波束之內(nèi)，第二代中繼衛(wèi)星上的2部4.6米單址天線每部實(shí)際上可同時(shí)中繼2顆航天器的數(shù)據(jù)。

雖然，美國跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星是軍民兩用的，但是，美軍為了更加安全、通暢和可靠，還打造了軍用跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星——“衛(wèi)星數(shù)據(jù)系統(tǒng)”（SDS），主要為鎖眼12號(hào)光電成像偵察衛(wèi)星和其它電子偵察衛(wèi)星等提供雙向中繼信息，同時(shí)也為處在地球極區(qū)的美國戰(zhàn)略核力量提供中繼服務(wù)?！靶l(wèi)星數(shù)據(jù)系統(tǒng)”也發(fā)展了兩代，但它們采用類似于蘇聯(lián)/俄羅斯“閃電”衛(wèi)星的大橢圓軌道，傾角57°，衛(wèi)星遠(yuǎn)地點(diǎn)在西伯利亞上空，因此能對(duì)地球兩極以及高緯度地區(qū)提供良好的波束覆蓋，彌補(bǔ)了處在地球靜止軌道的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的不足。據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，僅在1976年6月2日～1996年7月2日，美軍就發(fā)射了8顆“衛(wèi)星數(shù)據(jù)系統(tǒng)”衛(wèi)星。

俄羅斯中繼衛(wèi)星：三網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行

蘇聯(lián)/俄羅斯采取先利用通信衛(wèi)星、再研制專用衛(wèi)星等途徑，從而以較低投入建立了廣泛的通信能力。

從1985年開始，蘇聯(lián)/俄羅斯發(fā)展了兩代專用通信與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星。其中民用系統(tǒng)稱為“射線”，射線1號(hào)于1994年12月發(fā)射，定點(diǎn)在東經(jīng)95°。衛(wèi)星重2.2噸，裝載3臺(tái)Ku波段轉(zhuǎn)發(fā)器和拋物面單址天線及多址相控陣天線，設(shè)計(jì)壽命5年，太陽電池功率1.8千瓦，衛(wèi)星最大跨度16米。在3顆“射線”衛(wèi)星定點(diǎn)在東經(jīng)95°、西經(jīng)16°和西經(jīng)160°地球靜止軌道位置后，和平號(hào)空間站實(shí)現(xiàn)了與地面的連續(xù)實(shí)時(shí)通信。

“射線”系統(tǒng)的主要用途是為低地球軌道衛(wèi)星提供通信和控制，為禮炮號(hào)空間站、和平號(hào)空間站、聯(lián)盟號(hào)系列載人飛船與地面測控站之間提供雙向電視、數(shù)據(jù)交換。同時(shí)還可以用于電視轉(zhuǎn)播、電視會(huì)議和應(yīng)急通信。該系統(tǒng)所能提供的業(yè)務(wù)還包括：世界范圍電視會(huì)議業(yè)務(wù)和遙醫(yī)學(xué)業(yè)務(wù)；實(shí)時(shí)電視轉(zhuǎn)播業(yè)務(wù)；電視信息的雙向交換業(yè)務(wù)并構(gòu)成電視轉(zhuǎn)換網(wǎng)；在俄羅斯境外和境內(nèi)邊遠(yuǎn)地區(qū)出現(xiàn)災(zāi)害和人為事件后，提供緊急通信服務(wù)。其低軌道航天器和地面控制站之間的電視交換業(yè)務(wù)大約每月10次，平均每次30分鐘。

蘇聯(lián)/俄羅斯通信與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星分為東部（衛(wèi)星位于西經(jīng)160°）、中部（衛(wèi)星位于東經(jīng)95°）和西部（衛(wèi)星位于西經(jīng)16°）3個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)。東部網(wǎng)曾主要為禮炮號(hào)空間站和其它低軌道航天器服務(wù)。中部網(wǎng)曾主要服務(wù)于和平號(hào)空間站和聯(lián)盟號(hào)系列飛船。西部網(wǎng)除了擴(kuò)大對(duì)和平號(hào)空間站的軌道覆蓋，減少對(duì)海上測量船的依靠外，重點(diǎn)進(jìn)行商業(yè)服務(wù)，提供電視、話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

俄羅斯的軍事數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)稱為“急流”， 使用的衛(wèi)星稱為“噴泉”。衛(wèi)星天線采用相控陣天線技術(shù)，采用Ｃ波段。

俄羅斯衛(wèi)星的軌道機(jī)動(dòng)能力一般較強(qiáng)，但壽命較短，因此每2～3年至少要發(fā)射一顆。

歐洲中繼衛(wèi)星：從試驗(yàn)走向?qū)嵱?/p>

1989年，歐洲空間局決定按照“兩步走”的策略發(fā)展數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星，即以試驗(yàn)型衛(wèi)星“阿蒂米斯”為起點(diǎn)，然后逐步發(fā)展“數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”實(shí)用衛(wèi)星。

2001年7月12日，歐洲第1顆試驗(yàn)型數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星“阿蒂米斯”發(fā)射升空，但是因?yàn)榛鸺收闲l(wèi)星沒有進(jìn)入預(yù)定軌道，只到達(dá)了一個(gè)較低的軌道。2003年1月31日，經(jīng)過18個(gè)月的努力，歐洲空間局成功“挽救”了“阿蒂米斯”衛(wèi)星，把這顆衛(wèi)星“拽”回到了正確的軌道上。在搶救復(fù)活之后，“阿蒂米斯”衛(wèi)星創(chuàng)造了4個(gè)世界第一：第一個(gè)建立了軌道間衛(wèi)星光通信鏈路；第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了在軌通信衛(wèi)星軟件的大量重新編程；第一個(gè)使用了離子推進(jìn)方式轉(zhuǎn)移到地球靜止軌道；第一個(gè)世界上歷時(shí)18個(gè)月、經(jīng)過最長轉(zhuǎn)移和漂移軌道的通信衛(wèi)星。

阿蒂米斯衛(wèi)星的重要試驗(yàn)任務(wù)主要有3項(xiàng)：①半導(dǎo)體激光星間鏈路通信試驗(yàn)；②作為未來“數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”的試驗(yàn)衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)中繼試驗(yàn)；③為歐洲大陸車輛進(jìn)行L波段的移動(dòng)通信試驗(yàn)。

2001年11月，阿蒂米斯衛(wèi)星與法國斯波特4號(hào)衛(wèi)星首次建立了星間激光鏈接，2003年2月又與歐洲環(huán)境衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)中繼。2003年3月27～29日，歐洲空間局與通過設(shè)在比利時(shí)的阿蒂米斯衛(wèi)星測控站，成功地實(shí)現(xiàn)阿蒂米斯衛(wèi)星與日本先進(jìn)地球觀測衛(wèi)星2號(hào)之間的數(shù)據(jù)中繼，即系統(tǒng)性能及鏈路操控性測試。結(jié)果表明這2顆衛(wèi)星完全兼容，協(xié)同工作能力很強(qiáng)，測驗(yàn)取得圓滿成功。

2006年12月13日，法國在全世界首次利用激光束在阿蒂米斯衛(wèi)星與神秘20號(hào)商用飛機(jī)之間成功建立了通信鏈路。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，該飛機(jī)進(jìn)行了兩次高度在6000米至1萬米之間的高空飛行，總航程達(dá)4萬千米。據(jù)稱，在不足一秒鐘內(nèi)，飛機(jī)與衛(wèi)星之間即可建立激光鏈接，數(shù)據(jù)傳輸率為50兆比特/秒。兩者之間傳輸?shù)墓馐茈[蔽，極難被干擾，非常適合軍隊(duì)實(shí)地作戰(zhàn)的需要。

歐洲“數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”由于技術(shù)難度較大，計(jì)劃進(jìn)展很慢，何時(shí)發(fā)射現(xiàn)在還不得而之。值得關(guān)注的是，它不采用美國那種集中數(shù)據(jù)分配方案，而采用分散數(shù)據(jù)分配方案，即把數(shù)據(jù)直接傳給用戶，以減少傳輸費(fèi)用和延時(shí)。

日本中繼衛(wèi)星：穩(wěn)步向前推進(jìn)

日本十分重視數(shù)據(jù)中繼與跟蹤衛(wèi)星的發(fā)展，其發(fā)展分四步走：第一步是利用工程試驗(yàn)衛(wèi)星6號(hào)進(jìn)行試驗(yàn)；第二步是利用通信工程試驗(yàn)衛(wèi)星進(jìn)行試驗(yàn)；第三步是利用光學(xué)軌道間通信工程試驗(yàn)衛(wèi)星進(jìn)行試驗(yàn)；第四步是發(fā)射兩顆實(shí)用型數(shù)據(jù)中繼技術(shù)衛(wèi)星。

日本工程試驗(yàn)衛(wèi)星6號(hào)于1994年8月發(fā)射，雖未進(jìn)入預(yù)定軌道，但仍進(jìn)行了S波段中繼鏈路、Ka波段中繼鏈路、激光通信鏈路數(shù)據(jù)中繼試驗(yàn)。

日本通信工程試驗(yàn)衛(wèi)星原計(jì)劃與日本先進(jìn)地球觀測衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)中繼試驗(yàn)，并與美國航宇局、歐洲空間局的衛(wèi)星進(jìn)行系統(tǒng)互操作試驗(yàn)，但因?yàn)榛鸺收鲜乖撔鞘軗p而無法使用。

2002年9月10日，日本成功發(fā)射了數(shù)據(jù)中繼試驗(yàn)衛(wèi)星-W，該衛(wèi)星主要用來試驗(yàn)數(shù)據(jù)中繼技術(shù)。

2005年8月23日，日本發(fā)射了光學(xué)軌道間通信工程試驗(yàn)衛(wèi)星。該衛(wèi)星為600千克（發(fā)射質(zhì)量）的三軸穩(wěn)定衛(wèi)星，運(yùn)行在550千米高度的圓軌道，設(shè)計(jì)壽命為１年。該衛(wèi)星的使命是通過與“阿蒂米斯”進(jìn)行光通信試驗(yàn)，驗(yàn)證衛(wèi)星之間的大容量光通信功能，為未來空間活動(dòng)做準(zhǔn)備，包括用地球觀測衛(wèi)星進(jìn)行全球性數(shù)據(jù)采集和為載人航天任務(wù)提供穩(wěn)定的通信，因?yàn)楣馔ㄐ趴商峁挶容^寬的射頻和比較輕的空間設(shè)備。

在試驗(yàn)中，歐洲阿蒂米斯衛(wèi)星首先向光學(xué)軌道間通信工程試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射一個(gè)可掃描的寬視場信標(biāo)信號(hào)。后者捕獲該信號(hào)時(shí)，主要是瞄準(zhǔn)前者的激光波束，捕獲后發(fā)出響應(yīng)信號(hào)，然后進(jìn)行跟蹤通信。2005年12月9日，兩顆衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了首次雙向光學(xué)鏈路通信。光學(xué)軌道間通信工程試驗(yàn)衛(wèi)星運(yùn)行在610千米高的低地球軌道上，而阿蒂米斯衛(wèi)星運(yùn)行在36000千米高的地球靜止軌道上。瞄準(zhǔn)并維持兩顆衛(wèi)星之間的激光通信是困難的，因?yàn)樗鼈兿嗑?5000千米，并且以每秒幾千米的相對(duì)速度運(yùn)動(dòng)。日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)在一份聲明中稱，這樣的試驗(yàn)難度有如“從東京命中富士山頂上的針眼”。

光學(xué)軌道間通信工程試驗(yàn)衛(wèi)星與阿蒂米斯衛(wèi)星之間的光學(xué)鏈路試驗(yàn)持續(xù)到2006年，并在不同的環(huán)境條件下建立幾種光學(xué)鏈路，以完全證明光學(xué)軌道間通信工程試驗(yàn)衛(wèi)星技術(shù)。光學(xué)技術(shù)用于數(shù)據(jù)中繼具有幾種優(yōu)點(diǎn)：提供高數(shù)據(jù)率的能力、低功率終端、實(shí)現(xiàn)安全且抗干擾的通信。地球觀測、電信業(yè)務(wù)、科學(xué)應(yīng)用及太空運(yùn)行能夠真正地受益于這種數(shù)據(jù)傳輸?shù)男路椒ā?/p>

2006年3月22日～31日，日本國家信息通信技術(shù)研究所光學(xué)地面站與光學(xué)軌道間通信工程試驗(yàn)衛(wèi)星之間成功地進(jìn)行了光學(xué)通信試驗(yàn)。這是世界首度成功進(jìn)行的低地球軌道衛(wèi)星與地面站間的光學(xué)通信試驗(yàn)。2006年6月7日，日本利用激光束成功進(jìn)行了光學(xué)軌道間通信工程試驗(yàn)衛(wèi)星與德國宇航中心移動(dòng)地面站之間的光學(xué)通信試驗(yàn)，這次試驗(yàn)成功意味著利用一顆衛(wèi)星與移動(dòng)光學(xué)地面站建立靈活的光學(xué)通信網(wǎng)絡(luò)的可能性。

在積累一定的經(jīng)驗(yàn)后，日本最終將發(fā)射兩顆實(shí)用型數(shù)據(jù)中繼技術(shù)衛(wèi)星。

另外美國航宇局、歐洲空間局和日本宇宙探索局都在發(fā)展S、Ka波段的數(shù)據(jù)中繼與跟蹤系統(tǒng)，三方擬建立互操作系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)三方聯(lián)網(wǎng)。

第一代跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星每顆重2120千克，首次同時(shí)使用S、C、Ku3個(gè)工作波段，裝有多副不同類型的天線，其中2副4.9米的S、Ku波段拋物面天線能高精度自動(dòng)跟蹤航天器，進(jìn)行單址通信，用于跟蹤和數(shù)據(jù)中繼；由30個(gè)螺旋體組成的S波段相控陣天線，可對(duì)20個(gè)低數(shù)據(jù)速率航天器提供多址通信；1副直徑2米可控拋物面天線也能自動(dòng)跟蹤航天器，用于對(duì)地球站的Ku波段進(jìn)行高數(shù)據(jù)速率雙向通信；1副直徑1.12米的Ku波段拋物面天線和1副C波段鏟形天線用于美國國內(nèi)通信