史西斌 費立剛 寇保華 程礫瑜

（中國人民解放軍63999部隊，北京 100094）

1 引言

隨著空間探索的不斷發(fā)展，航天器交會對接在完成空間探索任務中具有至關(guān)重要的作用。當一個國家具備了將人送入空間軌道的能力之后，其空間計劃的下一個主要目標自然就是開發(fā)和演示驗證航天器交會對接技術(shù)。自20世紀60年代美國和蘇聯(lián)分別實現(xiàn)了雙子星-6、7 飛船的人控交會對接以及聯(lián)盟號飛船之間的自動交會對接以來，世界各國已進行了100多次航天器空間交會對接活動。[1]

航天器交會對接作為當前世界航天領(lǐng)域中一項十分復雜的技術(shù)，它對導航和測控通信支持等都提出了相當高的要求。交會對接任務中，要求測控通信系統(tǒng)完成遠距離導引段的測控通信任務，并對近距離導引的部分段落進行全程監(jiān)視，當追蹤飛行器和目標飛行器之間的距離在一定范圍內(nèi)時，能同時對2個飛行器進行測控通信；另外，當載有航天員時，還需要能隨時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)的天基測控通信是近代航天技術(shù)的一項重大突破，它能夠有效地滿足空間交會對接的測控通信需求，大大增加了航天器交會對接活動規(guī)劃的靈活性，縮短航天器返回、交會對接的準備時間。同時，還能節(jié)省大量用于建設地面站和設備維護更新的經(jīng)費開支。

文章以支持ATV 與“國際空間站”交會對接任務為例，著重分析了中繼衛(wèi)星系統(tǒng)為其提供的測控通信支持，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，并從測控通信網(wǎng)的天地一體化、測控通信覆蓋率、多目標支持以及中繼衛(wèi)星系統(tǒng)自身建設與發(fā)展4個方面總結(jié)了國外中繼衛(wèi)星系統(tǒng)支持航天器交會對接任務的特點。

2 國外中繼衛(wèi)星系統(tǒng)對航天器交會對接任務的支持

在需求牽引和衛(wèi)星通信技術(shù)進步推動下，美國首先提出并實現(xiàn)了中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。到1988年，NASA建立起了TDRSS的兩結(jié)點空間體系，從而開啟了向用戶提供幾乎全時段覆蓋的先河，這也標志著地基測控網(wǎng)向天基測控通信網(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)中繼試驗衛(wèi)星”（DRTS）等。

當前，國內(nèi)已有大量文獻對中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（尤其是TDRSS）支持航天飛機與“國際空間站”（ISS）等航天器交會對接任務進行了系統(tǒng)、深入的研究。本文僅給出TDRSS和“阿特米斯”衛(wèi)星支持“自動轉(zhuǎn)移飛行器”（ATV）與“國際空間站”交會對接任務的測控通信情況。

2.1 ATV/ISS交會對接任務概況

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

2.2 中繼衛(wèi)星系統(tǒng)對ATV/ISS任務的支持

在ATV/ISS 任務中，為了實現(xiàn)與ATV-CC、MCC-H、MCC-M 以及ISS 本身的通信，需要多個通信和遙測系統(tǒng)。圖1為ATV-1/ISS任務的發(fā)射和早期軌道段測控通信示意圖。ATV-1起飛之后約75min，與運載火箭分離，ATV-CC 開始控制ATV-1。從圖1中可以看出，ATV/ISS 任務發(fā)射段主要由地基測控網(wǎng)提供測控通信支持，涉及的地面站有庫魯?shù)孛嬲?、中大西洋船載遙測站，亞述爾群島（北大西洋）活動站、位于布雷斯特的蒙哥（Monge）號法國海軍跟蹤船和德國應用科學研究所地面站、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”不能提供所需的測控通信覆蓋，因此依據(jù)任務階段和衛(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)的設備組成。ATV 主要利用3 副天線和2臺相互備份的S頻段轉(zhuǎn)發(fā)器，來建立與TDRSS和“阿特米斯”的雙向測控通信鏈路。圖3和圖4分別為ATV/ISS任務的總體通信鏈路和對接階段的標稱通信鏈路。整個任務期間，TDRSS與“阿特米斯”共同為ATV 提供S頻段測控通信支持。其中，在發(fā)射（船箭分離前4min之后）、交會、對接和解除對接與再入階段，TDRSS提供主用的ATV 測控通信鏈路，“阿特米斯”提供備用的ATV 測控通信鏈路；在對接之后直至解除對接之前的ATV/ISS組合體運行階段，“阿特米斯”提供主用的ATV 測控通信鏈路，TDRSS則提供備用的ATV 測控通信鏈路。但是，對于“國際空間站”而言，主要由TDRSS來提供測控通信支持，“阿特米斯”并不提供測控通信支持。[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ATV 操作的主要支持是：

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

圖4 ATV/ISS任務對接階段標稱通信鏈路Fig.4 Nominal communications paths in ATV/ISS docking phase

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

（2）在對接后ATV/ISS組合體運行階段，“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、對接、解除對接、再入階段，TDRSS為ATV 提供主要通信鏈路。在對接后ATV/ISS組合體運行階段，TDRSS將作為“阿特米斯”的備份通信鏈路來支持ATV。TDRS對ATV 的支持包括多址（MA）和S頻段單址（SSA）業(yè)務，參見表2。

（1）ATV 僅在關(guān)鍵時段才有自己的TDRS獨立SSA業(yè)務，而關(guān)鍵時段由ESA提供給NASA；

（2）在非關(guān)鍵時段，ATV 應與ISS的TDRS事件共用SSA業(yè)務時間，這意味著ATV 需要向ISS申請，使ISS釋放對TDRS的使用；

（3）規(guī)定時間內(nèi)，NASA獨立提供到ATV 的TDRS SMA前向業(yè)務。

表2 TDRS對ATV的支持Table2 TDRS support for ATV

3 特點分析

通過研究和分析可知：由于航天飛機（STS）、ATV、H-II轉(zhuǎn)移飛行器（HTV）、聯(lián)盟號飛船都是與“國際空間站”進行交會對接，因此具有一定的可比性。表3為TDRSS對這些交會對接任務提供支持的業(yè)務類型、數(shù)據(jù)速率等，同時也給出了這些交會對接任務所需的地基測控網(wǎng)支持的相關(guān)情況。[6]

表3 TDRSS對STS/ATV/HTV/聯(lián)盟號與ISS交會對接任務的支持Table3 TDRSS support for STS/ISS，ATV/ISS，HTV/ISS and Soyuz/ISS mission kbit/s

根據(jù)表3并結(jié)合各交會對接任務的實際運行以及各國中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展情況等，可以得出國外中繼衛(wèi)星系統(tǒng)對航天器交會對接任務的支持具有以下特點。

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

在中繼衛(wèi)星系統(tǒng)出現(xiàn)之前，國外航天器交會對接任務的測控通信支持，主要依靠由大量全球部署的地面站構(gòu)成的地基測控網(wǎng)。而且，由于地基測控網(wǎng)的軌道覆蓋率低，使得選擇交會對接時機的靈活性受到了很大的限制。例如，在1975年由美蘇兩國聯(lián)合進行的阿波羅-聯(lián)盟號任務中，其測控通信網(wǎng)包括14個航天跟蹤與數(shù)據(jù)網(wǎng)（STDN）地面站、7個俄羅斯地面站和2艘俄羅斯測量船以及1顆中繼衛(wèi)星試驗星（應用技術(shù)衛(wèi)星-6），與STDN 地面站通信的時間只占整個任務時間的17%，但STDN 地面站與應用技術(shù)衛(wèi)星-6通信的時間之和則增加到了整個任務時間的63%。[7]

從20世紀80年代TDRSS建成并投入使用以來，空間交會對接任務的測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。從文中所給出的實際任務情況來看，地面測控通信網(wǎng)的作用主要集中在發(fā)射測控段以及提供應急情況下的備份支持。特別是歐洲航天局的ATV飛行任務、日本的HTV 飛行任務，則完全依靠中繼衛(wèi)星實現(xiàn)對飛行器狀態(tài)的實時監(jiān)控，保證對交會對接關(guān)鍵操作的實時、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個目標的測控通信[8]

在美國航天飛機與“國際空間站”的交會對接任務中，中繼衛(wèi)星系統(tǒng)對2個目標同時進行測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目標；二是利用1副單址天線同時支持2個目標，例如2000年8月的第106次航天飛機任務（任務編號為STS-106 2A.2b），TDRSS成功支持了虛擬航天器事件，即“國際空間站”和亞特蘭蒂斯號航天飛機共用1副TDRS單址天線。

通常情況下，2個用戶平臺不能同時使用中繼衛(wèi)星的同一副單址天線。然而，若2個用戶平臺進行在軌對接或者在軌道上相距很近，且2個用戶平臺的狀態(tài)（如相關(guān)通信技術(shù)指標）之間差別很小，則可以利用同一副單址天線來支持這2個平臺，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。任務中可行時，鼓勵使用這種方式支持用戶平臺的測控通信。

3）中繼終端采用多副S頻段天線實現(xiàn)測控的連續(xù)覆蓋

由于單顆中繼衛(wèi)星不能實現(xiàn)100%的軌道覆蓋，所以在航天器交會對接任務中，為了實現(xiàn)從發(fā)射段直到再入大氣層的全時段覆蓋，通常需要使用多顆中繼衛(wèi)星。另外，在航天器交會對接操作期間，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)星來提供備份鏈路。這就帶來了如何通過多顆中繼衛(wèi)星之間的切換，確保測控通信的連續(xù)不間斷覆蓋問題。

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

另外，利用中繼衛(wèi)星系統(tǒng)可以解決航天飛機返回段的“黑障區(qū)”通信問題。航天飛機的迎角等氣動外形設計，使得等離子體鞘套的影響主要集中在航天飛機下腹部，而對上表面的影響相對較小，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。需要說明的是，這種方案并非通用的解決方案，不適應于彈道再入型等飛行器，但對于解決“黑障區(qū)”通信問題仍有一定的借鑒意義。[9]

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

4）在加強國際合作的同時各國都在大力發(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)/俄羅斯等國家和組織，在中繼衛(wèi)星系統(tǒng)使用方面加強了與美國的國際合作。1985年，美國、日本和歐洲航天局成立了天基網(wǎng)互操作委員會（SNIP）。通過廣泛的技術(shù)協(xié)調(diào)，已經(jīng)解決了S頻段互操作問題。在ATV-1、HTV-1 的交會對接任務中，就使用了TDRS的S頻段業(yè)務。當前，正在考慮將經(jīng)由日本“數(shù)據(jù)中繼試驗衛(wèi)星”（DRTS）的Ka頻段鏈路作為“國際空間站”Ku頻段天地鏈路的備份。另外，俄羅斯也通過協(xié)議部分租用了TDRSS業(yè)務。

然而，中繼衛(wèi)星系統(tǒng)作為一種戰(zhàn)略空間資產(chǎn)，在國家的航天事業(yè)發(fā)展中具有舉足輕重的地位和作用，不可能主要依靠國際合作來滿足自身的需求。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，并有望在未來擁有Louch-5A（16°W）、Louch-5B（95°E）2顆衛(wèi)星，屆時將停止使用美國的通信資源。另外，美國也將于2012和2013年發(fā)射2顆新的TDRS衛(wèi)星（TDRSK、TDRS-L）。

4 結(jié)束語

本文研究了國外中繼衛(wèi)星系統(tǒng)在航天器交會對接任務中的應用情況。研究結(jié)果表明，無論是手動操作方式，還是自動控制方式進行交會對接任務，都是依靠以中繼衛(wèi)星系統(tǒng)為主的天地一體化測控通信網(wǎng)來提供測控通信服務。利用中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，可以解決當前陸?；鶞y控網(wǎng)所面臨的覆蓋率低、運行成本高等難題，能有效地滿足航天器交會對接任務的測控通信需求。

結(jié)合實際并參考國外相關(guān)經(jīng)驗，后續(xù)將著重研究以下4個方面問題：①以中繼衛(wèi)星系統(tǒng)為主的各種測控資源的無縫集成以及有效和高效的分配與使用；②單顆中繼衛(wèi)星支持多個用戶目標的測控通信關(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題；④多顆中繼衛(wèi)星對用戶的接力支持。

（References）

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[4]Rousseau S，Walmsley G，Agnese J C，et al.Ariane 5 launch，first step of ATV’s long trip to the ISS[C]//Huntsville，Alabama：Proc.of SpaceOps 2010Conference.AIAA，2010

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[7]Johnson Space Center.Mission description[EB/OL].（2009-08-13）[2010-06-08].http：//hdl.handle.net/2060/19780009147

[8]Goddard Space Flight Center/Exploration and Space Communications Projects Division.Space network user’s guide[Z].Revision 9.Greenbelt，Maryland：Goddard Space Flight Center，2007

[9]David Sadler.Effects of hypersonic flow during reentry of the space shuttle[EB/OL].（2007-10-25）[2010-06-08].http：//www.columbiassacrifice.com/＄C＿hypersonic.htm.