跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)-概述

第四章跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)

〔TDRSS〕4.1概述4.2TDRSS的組成及工作原理4.3數(shù)據(jù)中繼和測(cè)距、測(cè)速4.4TDRSS的應(yīng)用4.5TDRSS的開展天基測(cè)控通信網(wǎng)：跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)4.1概述.解決了測(cè)控、通信的高覆蓋率問(wèn)題.解決了高速數(shù)傳和多目標(biāo)測(cè)控通信等.具有較高的經(jīng)濟(jì)效益簡(jiǎn)稱TDRSS，是為中、低軌道的航天器與航天器之間、航天器與地面站之間提供數(shù)據(jù)中繼、連續(xù)跟蹤與軌適測(cè)控效勞的系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱中繼系統(tǒng)?！疤戽溡惶?hào)〞是我國(guó)第一顆地球同步軌道數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星，主要用于為中國(guó)神舟載人飛船及后續(xù)載人航天器提供數(shù)據(jù)中繼和測(cè)控效勞。同時(shí)，為中國(guó)中、低軌道資源衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)中繼效勞，為航天器發(fā)射提供測(cè)控支持。天鏈一號(hào)TDRSS的用途：①跟蹤、測(cè)定中、低軌道衛(wèi)星：為了盡可能多地覆蓋地球外表和獲得較高的地面分辨能力，許多衛(wèi)星都采用傾角大、高度低的軌道。跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星幾乎能對(duì)中、低軌道衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)跟蹤，通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)它們與測(cè)控站之間的測(cè)距和多普勒頻移信息實(shí)現(xiàn)對(duì)這些衛(wèi)星軌道的精確測(cè)定。

②為對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)遙感、遙測(cè)數(shù)據(jù)③承擔(dān)航天飛機(jī)和載人飛船的通信和數(shù)據(jù)傳輸中繼業(yè)務(wù)④滿足軍事特殊需要：以往各類軍用的通信、導(dǎo)航、氣象、偵察、監(jiān)視和預(yù)警等衛(wèi)星的地面航天控制中心，常須通過(guò)一系列地球站和民用通信網(wǎng)進(jìn)行跟蹤、測(cè)控和數(shù)據(jù)傳輸。跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星可以擺脫對(duì)絕大多數(shù)地球站的依賴，而自成一獨(dú)立的專用系統(tǒng)，更有效地為軍事效勞。4.1.1天基測(cè)控系統(tǒng)的根本概念飛行器運(yùn)行軌跡地面測(cè)控站地平線圖4.1地面測(cè)控系統(tǒng)的覆蓋限制地面測(cè)控站缺點(diǎn)：當(dāng)采用地面測(cè)控站時(shí)，由于電波直線傳播特性和地面曲率的限制，它對(duì)繞地飛行器的覆蓋范圍時(shí)有限的。雷達(dá)波束死區(qū)飛行器運(yùn)行軌跡地面測(cè)控站地平線圖4.1地面測(cè)控系統(tǒng)的覆蓋限制雷達(dá)波束死區(qū)中繼衛(wèi)星圖4.2一顆TDRS星覆蓋圖不可覆蓋區(qū)如移到同步軌道高度，經(jīng)過(guò)計(jì)算，利用一顆中繼衛(wèi)星，在最不利的情況下，可對(duì)200KM高的衛(wèi)星也能跟蹤其52%以上的軌道；對(duì)2000KM高的衛(wèi)星，覆蓋范圍可高達(dá)68%以上。覆蓋率的計(jì)算4.1.2內(nèi)容使用兩顆經(jīng)度相隔130°的中繼星，

對(duì)軌道高度為200KM的衛(wèi)星，可覆蓋85%以上的軌道，但存在一個(gè)不能覆蓋的死區(qū)。圖4.3兩顆TDRS星覆蓋圖TDRS1TDRS2死區(qū)

對(duì)高度1200—2000KM的衛(wèi)星，那么能覆蓋100%軌道。

為了實(shí)現(xiàn)100%的地面覆蓋，較好的方案是需再設(shè)一個(gè)TDRS3。中繼衛(wèi)星對(duì)用戶衛(wèi)星覆蓋的計(jì)算假定中繼衛(wèi)星軌道半長(zhǎng)軸為標(biāo)準(zhǔn)地球同步半徑、用戶星軌道偏心率不大〔即可認(rèn)為是圓軌道〕，下面可以分3種情況討論中繼衛(wèi)星跟蹤用戶星的時(shí)候地球的遮擋。我們用Hs代表用戶星高度，Re代表地球半徑，Rs代表中繼衛(wèi)星的高度。①中繼衛(wèi)星與地心的連線垂直于用戶星軌道平面時(shí)，中繼衛(wèi)星對(duì)用戶衛(wèi)星始終可見，覆蓋最大，追蹤效果最好。中繼衛(wèi)星對(duì)用戶衛(wèi)星覆蓋的計(jì)算②中繼衛(wèi)星位于用戶星軌道平面時(shí)，中繼衛(wèi)星跟蹤用戶星，覆蓋用戶星是最差的。圖中，弧ABCD的長(zhǎng)度是用戶星的可見弧段，也就是中繼衛(wèi)星對(duì)用戶星的覆蓋弧段。覆蓋率=2(α+β)/2π中繼衛(wèi)星對(duì)用戶衛(wèi)星覆蓋的計(jì)算③中繼衛(wèi)星到地心的連線既不垂直于用戶星軌道平面，也不平行于用戶星軌道平面，覆蓋率介于兩者之間，用戶星一個(gè)軌道周期內(nèi)既可能出現(xiàn)地球遮擋，也可能完全覆蓋。

4.1.2TDRSS的特點(diǎn)和“T〞、“DR〞綜合的根本原理TDRSS的特點(diǎn)表現(xiàn)在，它既與同步衛(wèi)星通信不同，又與“TT&R〞不同。它與同步衛(wèi)星的區(qū)別：①TDRSS要對(duì)用戶星定軌。②TDRSS測(cè)控目標(biāo)為高速空間飛行器；而衛(wèi)星通信的用戶為地球外表的衛(wèi)星通信固定站或速度較低的移動(dòng)通信站。③TDRSS要進(jìn)行高速數(shù)據(jù)中繼傳輸。④TDRSS能進(jìn)行多目標(biāo)測(cè)控通信。其多址通信的方法，包括碼分多址和時(shí)分多址，并采用了TDRS星載相控陣天線及其多波束地面形成等新技術(shù)。TDRSS改進(jìn)了統(tǒng)一載波系統(tǒng)中用頻分復(fù)用來(lái)統(tǒng)一完成各種測(cè)控功能的方案，而采用時(shí)分復(fù)用和擴(kuò)頻復(fù)用來(lái)實(shí)現(xiàn)多種測(cè)控功能和數(shù)傳功能的統(tǒng)一。這種“時(shí)分/擴(kuò)頻〞統(tǒng)一的原理，包括6個(gè)主要的技術(shù)要素：①時(shí)分復(fù)用。②一碼多用。③I/Q正交復(fù)用。④糾錯(cuò)編、譯碼。⑤高速數(shù)傳技術(shù)。⑥擴(kuò)頻測(cè)距。TDRSS的特點(diǎn)如下：①高覆蓋率。②多目標(biāo)測(cè)控通信?？赏瑫r(shí)對(duì)20個(gè)用戶進(jìn)行低速率測(cè)控通信，對(duì)4個(gè)用戶進(jìn)行中、高速率測(cè)控通信。③高的數(shù)傳速率。④可取代全球布站，大大減少地面測(cè)控站數(shù)目及其維護(hù)費(fèi)用。⑤可對(duì)很多用戶航天器進(jìn)行集中管理。TDRSS的多波束多目標(biāo)測(cè)控通信4.13TDRSS定軌原理在TDRSS中，對(duì)用戶航天器的定軌，采用的方法是：“動(dòng)力學(xué)”法。（法）利用地面終端站→中繼衛(wèi)星→用戶航天器→中繼衛(wèi)星→地面終端站的雙向測(cè)距測(cè)速數(shù)據(jù)來(lái)定軌，電波的傳播順序?yàn)椤孛嬲緶y(cè)得和，從中扣除已測(cè)得的和，可得到

和航天飛機(jī)見的和，再根據(jù)軌道方程計(jì)算出用戶航天器的軌道TDRS1TDRS2圖4.5TDRSS對(duì)用戶航天器的動(dòng)力學(xué)測(cè)量采用三站測(cè)距交匯法可以對(duì)中繼衛(wèi)星進(jìn)行精確定位，稱為3法。中繼衛(wèi)星副站1副站2副站3主站正向信號(hào)反向信號(hào)圖4.6對(duì)TDRSS的定位從主站向中繼衛(wèi)星發(fā)測(cè)距測(cè)速信號(hào)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)一路從中繼衛(wèi)星返回地面，另兩路分別送到遠(yuǎn)距離的、與主站呈三角形分布的兩個(gè)無(wú)人應(yīng)答站副站1和副站2，

通過(guò)該兩站轉(zhuǎn)發(fā)至中繼衛(wèi)星，再轉(zhuǎn)發(fā)回主站，由此測(cè)得中繼衛(wèi)星與三個(gè)地面站的距離。4.1.4TDRSS概貌及其中繼通信空間網(wǎng)絡(luò)TDRSS是天/地大回路的長(zhǎng)通道傳輸，它的傳輸通道劃分為正向通道和反向通道。TDRSS地面終端站

用戶航天器TDRS中繼衛(wèi)星遙控、跟蹤（TT&C）遙控、跟蹤（TT&C）TDRSS上行（K頻）正向、遙控、跟蹤用戶星合練（S/K頻）MA.SSA.KSA正向TDRSS下行（K頻）反向、遙測(cè)、跟蹤用戶星合練（S/K頻）MA、SSA、KSA反向MA、SSA正向（S頻）遙控、跟蹤MA、SSA反向（K頻）遙測(cè)、跟蹤KSA正向（S頻）遙控、跟蹤KSA反向（K頻）遙測(cè)、跟蹤TDRSS發(fā)射運(yùn)載器機(jī)械電氣1.正向通道：由地面→TDRS→用戶航天器的通道。由圖可見，地面終端站上行向TDRS星發(fā)射K頻段信號(hào)，它是7路頻分復(fù)合信號(hào)。①TDRS?用戶航天器的兩個(gè)S頻段單通道〔或S頻段單址，簡(jiǎn)稱SSA〕②TDRS?用戶航天器的兩個(gè)K頻段單通道〔或K頻段單址，簡(jiǎn)稱KSA〕③TDRS?用戶航天器的一個(gè)S頻段多通道〔或稱多址MA，又稱SMA〕④遙控指令通道〔TC〕，用于TDRS的控制〔不再轉(zhuǎn)發(fā)〕⑤導(dǎo)頻通道〔GF〕TDR