卫星中继通信背景

卫星通信本身就是利用人造地球卫星作为中继站在地面站与卫星站之间转发无线信号，卫星中继通信是在通常的卫星通信基础上，对卫星信号进行再次中继转发，即指利用卫星的中继卫星作为中继站转发中低轨卫星、飞船等飞行器信号的卫星通信方式。

随着航空、航天技术的发展，在地球的中低轨道分布着各式各样的飞行器，一些飞行器，例如气象卫星、对地观测小卫星等，需要在飞行器和地面站之间传输实时测量数据，并且这些数据传输量日益增长，这要求通信链路具有更高的轨道覆盖率、更强的实时性、更高的数据传输速率。

同时，由于深空探测的发展，对月球和月球以远的天体和空间的探测，将航天活动的范围扩展到月球、火星等天体处，测控通信中存在远距离损失剧增、低覆盖率、延时较大等许多技术难点。

为了克服地基测控网络的不足，同时为了适应未来航天技术的发展，需要寻新的航天测控系统体制。对于传统的卫星直接覆盖全球所需要的卫星及地面站数目大或者运行中存储下传的实时性差等途径，需要更优的传输方式实现卫星与地面站之间的数据通信。因此，就提出了应用中继卫星进行通信的需求。

TDRSS一般由2颗地球同步卫星、1个地面终端站和用户飞行器上的设备组成。用户飞行器要传给地面站的遥测数据、话音和视频等信息，先经过S频段或Ku频段星间通信链路发向中继卫星，中继卫星接收后经过变频再以Ku频段将其转发到地面终端站，并在终端站进行射频解调和译码处理，视频信号以原始格式通过通信卫星链路或其他宽带链路送至地面最终用户。地面要发向用户飞行器的指令、话音、数据和视频等信息，在地面终端汇集并调制到Ku频段链路上发向中继卫星，中继卫星再以S频段或Ku频段转发给相应的用户飞行器。

系统组成如图1所示。

1.地基测控网络的不足

传统的空间至地面的卫星通信是直接利用卫星和分布在世界各地的地面站之间的无线链路进行。地球的观测卫星观测大陆或海洋的某一区域时，可以采用两种途径下传观测数据:(1)卫星直接将数据传输至覆盖范围内的地面站，为了实现全球覆盖，需要超过20个地面站，并且一些地面站要分布在偏远的地区甚至海面上;(2)或者另一方面，需要更多的观测卫星;(3)卫星存储数据，当运行至地面站上方时，下传数据，卫星存储的数据量有限、且实时性差。

深空探测通信中，信息传输距离过大增加了通信路径损耗。当探测器探测到目标时，也是先存储，离开目标后，再慢速回传至地球。深空探测过程中的数据、图像非常珍贵，而探测器上存储器的容量受限，使得不完全采用存储转发的方式解决距离过大引起的时延问题。随着深空探测任务的多样化和复杂化，需要传送的数据量变得非常巨大，传统的数据传输方式难以满足未来深空探测和通信的需求。

探测器对地外天体的探测，包括飞越、绕飞和硬、软着陆考察方式。由于地球和被测星体的自转和运动，探测卫星也是运动的，在地球表面建立一座深空测控和通信站，平均来说只能观测到探测器的8~12小时，反之亦然。如何将探测器采集到的珍贵数据及时、连续地回传至地球，也是深空探测和通信中需要解决的问题。

导航定位是深空通信的基础，深空探测器在空间运行，由于深空探测器距离很远，地面站同它建立通信链路，就需要更加精确的测角、测距和测速能力，为深空探测器导航定位。需要开发一种实时的高精度测轨方法。

因此，可以得出，地基测控网络的缺点如下 :

(1)覆盖率低;

(2)飞行器轨道测量定位精度差;

(3)跟踪运行过程繁杂;

(4)通信网络复杂;

(5)测控站(船)运行维护费用高。

2."天基"思想

为了克服地基测控网络的缺点，同时为了适应未来航天技术的发展，人们一直努力寻找新的航天测控系统体制。相比于地面测控站，抬高测控站的位置可以明显增加对中低轨飞行器的测控通信时间，如果抬高到地球同步轨道卫星，则一个测控站就能覆盖50%以上的轨道而且可以保持连续通信，三颗就可以实现100%的覆盖率，这个观点是美国航天测控专家Malcolm在1964年最早提出来的。通过对这个新概念的研究、试验，研制了利用地球同步轨道卫星转发功能以实现对中低轨飞行器连续测控通信的跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS:Tracking & Data Relay Satellite System)。因为TDRSS利用高轨卫星作为中继站，功能上相当于架设在天上的测控站，因此也称为天基测控网络。1983年4月美国发射了第一颗跟踪与数据中继卫星，开创了天基测控时代。

其天基设计思想，从根本上解决了测控、通信覆盖率问题，同时还解决了高速数传和多目标测控通信等技术难题，并且具有很高的经济效益。

3.中继卫星

中继卫星的全名是跟踪和数据中继卫星，中继卫星是现在用于转发地球站对中低轨道航天器的跟踪测控信号和中继航天器发回地面的信息的地球静止通信卫星。中继卫星不同于其他种类的卫星，也不同于一般的通信卫星，一般的通信卫星作为空中转发站，两头眼务的对象都是地面站，中继卫星在地球同步静止轨道上运行，既能直视中低轨道用户航天器，又能直视地面站，服务对象是运行于中低轨道的用户航天器，是沟通用户航天器与地面站的桥梁，这是中继卫星系统的一个重大独特之处。

核心优势:实时全程测控、实时全程传输、降低测控成本

实时全程测控:中继卫星可以大幅提升航天器(如宇宙飞船、太空实验室、火箭、卫星)的测控覆盖率接近100%。增强了空间交会对接任务实施的安全性和可靠性，为实施手控交会对接、开展空间科学实验等提供了稳妥高效的天基测控通信保障。

实时全程传输:中继卫星作为在太空中运行的数据"中转站"，能使资源卫星、环境卫星等数据实时下传，极大提升各类卫星使用效益和应急能力。

降低测控成本:最少只要3颗卫星，就可以进行全球中继卫星组网。如果中继卫星的功能足够先进，则可以替代大批地面卫星测控站和远洋测量船，经济效益是非常可观的。

正因为中继卫星具有上述不可替代的优点，世界上的航天大国，都在持续进行中继卫星网络的研发和部署工作。

1.高速调制解调器

中继卫星信道为典型的频带受限信道，高速调制解调器决定了卫星通信系统的数据传输或者数据中继能力。研究高速宽带调制解调技术，解决卫星通信系统中实时、大容量数据传输的瓶颈。QPSK(或其变形)调制方式兼顾了频带效率和功率效率，且实现复杂度低，在投入使用的卫星数据传输系统中广泛应用。随着卫星数据传输系统容量的不断增长，QPSK调制方式渐渐无法满足需求，多进制调制及高性能的编译码技术称为研究热点，并且取得很大进展。

因此，高速数据传输涉及的关键技术包括，高级编译码技术、全数字正交调制解调技术、宽带滤波技术、符号同步技术、载波同步技术、信道均衡技术等。

卫星中继通信的应用[2]

卫星中继通信系统一般可以有跟踪测控和高速数传的应用方式，综合提高各类卫星使用的效益和应急能力。

(1)跟踪、测定

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。跟踪和数据中继卫星几乎能对中、低轨道卫星进行连续跟踪，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)实时转发

气象、海洋、测地和资源等对地观测卫星在飞经未设地球站的上空时，把遥感、遥测信息暂时存贮在记录器里,而在飞经地球站时再转发。这种跟踪和数据中继卫星能实时地把大量的遥感和遥测数据转发回地面。

(3)通信和数据传输中继

地面上的航天测控网(见航天测控和数据采集网)平均仅能覆盖15%的近地轨道，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。两颗适当配置的跟踪和数据中继卫星能使航天飞机和载人飞船在全部飞行的85%时间内保持与地面联系。

(4)军事特殊需求

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，常须通过一系列地球站和民用通信网进行跟踪、测控和数据传输。跟踪和数据中继卫星可以摆脱对绝大多数地球站的依赖，而自成一独立的专用系统，更有效地为军事服务。

1.现有典型卫星中继系统

2.光通信卫星中继

光数据中继卫星属于新一代静止卫星，其自转周期与地球相同，可以随时对地表物体移动状况实施监控。其数据传输速度是电波式中继卫星的2倍以上。而且，它具有小型化、省电的优点。光数据中继卫星主要是接收绕地情报搜集卫星拍摄的地面图像数据等信息，并将所获得的信息"中转"至地面接收装置。由于中继卫星通过光数据而不是电波的方式传递情报，因此还可能起到防止别国干扰或窃取的作用。

光通信中继卫星目前是多个航天大国正在推进的一个全新技术。美国曾在最新演示试验中进行激光传输，传输速率可以提高10-100倍。这种技术最大的优点是传输速率快、容量大、抗干扰性强，但对于信息捕获和远距离传输防衰减要求更高。