跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)在測(cè)量船上的應(yīng)用前景?

李紅艷，薛國(guó)虎，周江，傅敏輝

（中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇江陰214431）

跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)在測(cè)量船上的應(yīng)用前景?

李紅艷，薛國(guó)虎，周江，傅敏輝

（中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇江陰214431）

介紹了國(guó)際跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（TDRSS）的基本狀況與發(fā)展趨勢(shì)，分析了今后測(cè)量船利用中繼衛(wèi)星系統(tǒng)傳輸高速數(shù)據(jù)的應(yīng)用前景，比較了測(cè)量船加裝中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的幾種方案，并對(duì)其可行性進(jìn)行了評(píng)估。

跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)；測(cè)量船；可行性分析

1 引言

隨著世界航天測(cè)控技術(shù)的飛速發(fā)展，跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（TDRSS）成為20世紀(jì)航天測(cè)控通信技術(shù)的重大突破。其“天基”設(shè)計(jì)思想，從根本上解決了測(cè)控、通信的高覆蓋率問題，同時(shí)還解決了高速數(shù)傳和多目標(biāo)測(cè)控通信等技術(shù)難題，具有很高的經(jīng)濟(jì)、軍事價(jià)值。中繼衛(wèi)星系統(tǒng)使航天測(cè)控通信技術(shù)發(fā)生了革命性的變化，目前還在繼續(xù)向前發(fā)展，不斷地拓寬自己的應(yīng)用領(lǐng)域。美國(guó)已率先進(jìn)入中繼衛(wèi)星時(shí)代，其天基測(cè)控系統(tǒng)對(duì)中低軌航天器的覆蓋率達(dá)到了100%［1］，俄羅斯、歐空局、日本等航天大國(guó)和組織也在研制和建立各自的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。隨著我國(guó)自主研制的中繼衛(wèi)星的發(fā)射并投入應(yīng)用，利用中繼衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行大容量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸已成為現(xiàn)實(shí)，而研究并利用中繼衛(wèi)星系統(tǒng)將成為一個(gè)熱點(diǎn)。

如何通過在測(cè)量船上加裝用戶終端成為其用戶，并利用中繼衛(wèi)星系統(tǒng)展開高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用，是一個(gè)值得研究的、具有重大實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的重要課題。

2 國(guó)際、國(guó)內(nèi)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

2.1 國(guó)際中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代以來，美國(guó)的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)已經(jīng)工作了20多年，先后建設(shè)了第一代、第二代中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。目前，美國(guó)的第二代中繼衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行每秒高達(dá)數(shù)百至數(shù)吉比特的數(shù)據(jù)交換；對(duì)200～1 200 km高度目標(biāo)的覆蓋率在85%以上，對(duì)1 200～12 000 km高度目標(biāo)的覆蓋率則達(dá)100%，其可用性與成功率都在98%［1］以上。前蘇聯(lián)的“波束號(hào)”數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)也已成功運(yùn)行多年，對(duì)本國(guó)經(jīng)濟(jì)、軍事發(fā)展起到了很大的推動(dòng)作用。歐空局與日本也都爭(zhēng)相發(fā)展出滿足自身航天任務(wù)需要的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)?？傊?，國(guó)際上各航天大國(guó)都在努力部署與發(fā)展自己的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。

2.2 我國(guó)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的現(xiàn)狀與建設(shè)目標(biāo)

我國(guó)已成功發(fā)射第一顆中繼衛(wèi)星，并已在航天任務(wù)中進(jìn)行試驗(yàn)。該中繼衛(wèi)星系統(tǒng)能夠?qū)χ械蛙壍烙脩艉教炱鬟M(jìn)行跟蹤和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，并具備測(cè)、定軌的功能。

在此基礎(chǔ)上，為滿足更高傳輸速率、更多跟蹤目標(biāo)，基本實(shí)現(xiàn)對(duì)全球的覆蓋，將陸續(xù)發(fā)射幾顆中繼衛(wèi)星并完善地面應(yīng)用系統(tǒng)，建設(shè)一個(gè)比較完備的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。

3 測(cè)量船作為中繼衛(wèi)星用戶的應(yīng)用前景及可行性

3.1 測(cè)量船作為中繼衛(wèi)星用戶的應(yīng)用前景

隨著航天任務(wù)新需求越來越多，測(cè)量船承擔(dān)的遠(yuǎn)洋測(cè)控任務(wù)越來越重，高可靠性海上測(cè)控、高碼速率數(shù)據(jù)傳輸要求、拓展功能提高使用效率等需求越來越明顯，因此，研究中繼衛(wèi)星系統(tǒng)在測(cè)量船上的應(yīng)用有著重要的意義。

相對(duì)于航天器用戶來說，在測(cè)量船上加裝用戶終端更方便：航行速度慢，易于星地鏈路捕獲和跟蹤；測(cè)量船天線口徑大、發(fā)射功率高，易于提高傳輸速率。測(cè)量船作為中繼衛(wèi)星用戶主要有以下應(yīng)用前景。

（1）作為高速數(shù)據(jù)傳輸路由

后續(xù)任務(wù)中，要求天地間傳輸數(shù)據(jù)的碼速率越來越高，下行碼速率也將達(dá)到每秒百兆比特以上。當(dāng)需要使用測(cè)量船完成這些任務(wù)或進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，無法通過衛(wèi)星通信鏈路傳輸高速數(shù)據(jù)時(shí)，可以使用中繼衛(wèi)星系統(tǒng)滿足高碼速率實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊蟆?/p>

（2）滿足保密性和抗干擾的要求

在中繼衛(wèi)星上，星地鏈路的高頻段天線波束較窄，且采用擴(kuò)頻體制，具有較好的抗干擾能力［2］，因此通過中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的傳輸，可以有效提高關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_能力，增強(qiáng)傳輸數(shù)據(jù)的保密性。

3.2 測(cè)量船作為中繼衛(wèi)星用戶的方案設(shè)想

在測(cè)量船安裝用戶終端有3種方案設(shè)想：

（1）在測(cè)量船上利用現(xiàn)有設(shè)備天線，增裝高頻段中繼用戶終端，完成高速率數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。通過對(duì)現(xiàn)有設(shè)備信道、基帶等設(shè)備的改造，使之既能完成海上測(cè)控任務(wù)，又能滿足與中繼衛(wèi)星低速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆Ｔ摲桨竷?yōu)點(diǎn)是設(shè)備功能齊全，能滿足與中繼衛(wèi)星高、中、低速數(shù)據(jù)傳輸；缺點(diǎn)是改造了現(xiàn)有設(shè)備，可能會(huì)對(duì)原有測(cè)控功能帶來一定的影響；

（2）在測(cè)量船上直接安裝高／低雙頻段中繼用戶終端，可以滿足與中繼衛(wèi)星進(jìn)行高、中、低速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。該方案?yōu)點(diǎn)是在不會(huì)對(duì)原有測(cè)控設(shè)備造成任何影響的基礎(chǔ)上，增加了與中繼衛(wèi)星傳輸?shù)墓δ?；缺點(diǎn)是雙頻段共用天伺饋和接收系統(tǒng)，會(huì)降低部分技術(shù)指標(biāo)如天線增益［3］；

（3）在測(cè)量船上直接安裝高頻段用戶終端，可以完成與中繼衛(wèi)星之間高速率數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，使測(cè)量船能滿足與中繼衛(wèi)星進(jìn)行高、中速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。該方案?yōu)點(diǎn)是采用的中繼衛(wèi)星用戶終端設(shè)備比較成熟可靠，減少了技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)；缺點(diǎn)是與中繼衛(wèi)星低頻段低速數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖侄?。后兩種方案因?yàn)樾枰惭b新的天線及設(shè)備，天線布局、相互遮擋以及艙室設(shè)計(jì)等問題需要考慮。

4 需解決問題及今后研究方向

4.1 提高船搖隔離技術(shù)

高頻段天線的半功率波束寬度較窄，在海上動(dòng)態(tài)條件下如何實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的引導(dǎo)捕獲和穩(wěn)定跟蹤將是一個(gè)非常棘手的問題。必須有效隔離船搖才有可能解決船載高精度測(cè)控天線引導(dǎo)捕獲與穩(wěn)定跟蹤的難題。目前在解決船搖隔離方面除自跟蹤環(huán)路外主要通過陀螺環(huán)、船搖前饋等手段實(shí)現(xiàn)對(duì)船搖的有效隔離，總的隔離度能夠達(dá)到50 dB左右。可進(jìn)一步研究如何通過選用高精度陀螺提高船姿船位數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和采樣率以提高船搖隔離度，實(shí)現(xiàn)窄波束天線對(duì)目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤。

4.2 緊密跟蹤測(cè)量船航天測(cè)控任務(wù)需求

測(cè)量船建設(shè)應(yīng)以任務(wù)需求為牽引，提高能力為目標(biāo)。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)將不斷完善，數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)將更先進(jìn)，傳輸能力將更強(qiáng)大。因此，需要緊密跟蹤后續(xù)任務(wù)和職能拓展對(duì)測(cè)量船增裝中繼衛(wèi)星用戶終端的需求，不斷關(guān)注我國(guó)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展趨勢(shì)，爭(zhēng)取盡早使測(cè)量船作為中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的用戶，從而更好地為測(cè)量船執(zhí)行海上測(cè)控任務(wù)服務(wù)。

4.3 加強(qiáng)對(duì)CCSDS標(biāo)準(zhǔn)的研究

CCSDS標(biāo)準(zhǔn)是CCSDS（國(guó)際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)）自1982年1月以來陸續(xù)推出的一系列技術(shù)建議書，它是針對(duì)航天測(cè)控通信提出的一個(gè)廣泛的技術(shù)先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)。CCSDS標(biāo)準(zhǔn)制訂了分包遙測(cè)、遙控、信道編碼及CCSDS主網(wǎng)CPN的一系列基帶數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、接口與網(wǎng)間協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)，建立了CCSDS版本包、空間信道編碼與虛擬信道概念，采用統(tǒng)一數(shù)據(jù)流思想，實(shí)現(xiàn)了航天測(cè)控通信數(shù)據(jù)的綜合傳輸與變換［4］。

測(cè)量船的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)用戶終端可在以下兩個(gè)方面按照CCSDS標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研制：

（1）時(shí)間碼分系統(tǒng)：可繼續(xù)使用現(xiàn)行的IRIG－B碼，也可根據(jù)需要在CUC、CDS、CCS和ASCⅡ碼4種時(shí)間碼中選擇新的時(shí)間碼格式研制時(shí)碼器終端設(shè)備。

（2）中繼衛(wèi)星系統(tǒng)用戶終端：在新研制的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)用戶終端，在數(shù)字集成基帶設(shè)備中采用軟件無線電技術(shù)和可重組技術(shù)，硬件不變，只需加載不同的軟件包，就可分別適應(yīng)CCSDS AOS或更高級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)；

5 結(jié)束語

中繼衛(wèi)星系統(tǒng)在測(cè)量船上的應(yīng)用將是測(cè)量船拓展職能使命和功能的研究熱點(diǎn)，將對(duì)今后測(cè)量船的發(fā)展建設(shè)起到重要作用。本文通過對(duì)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)的研究，分析了測(cè)量船安裝用戶終端的幾種方案，并提出了下一步需要解決的技術(shù)難題以及研究方向，在測(cè)量船作為中繼星系統(tǒng)用戶的可能需求和工程實(shí)現(xiàn)上具有指導(dǎo)意義。

［1］龐之浩.國(guó)外跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的發(fā)展（上）［J］.數(shù)字通信世界，2006（2）：70－73.

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［2］劉嘉興.近空間跟蹤與數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)的初步設(shè)想［J］.電訊技術(shù)，2008，48（5）：46－50.

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YE Xiao－guo.Summary on Space Communication Protocol SCPS／CCSDS［J］.Telecommunication Information，2009（2）：13－15.（in Chinese）

LI Hong-yan was born in Yunnan Province，in 1975.She is now a senior engineer with the B.S.degree.Her research direction is space TT＆C technology.

Email：greengoal＠sohu.com

薛國(guó)虎（1974－），男，江蘇人，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹教鞙y(cè)量船發(fā)展建設(shè)；

XUE Guo-hu was born in Jiangsu Province，in 1974.He is now a senior engineer and working toward the M.S.degree.His research direction is the development of space TT＆C ship.

周江（1975－），男，江蘇人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹教鞙y(cè)控設(shè)備工程總體；

ZHOU Jiang was born in Jiangsu Province，in 1975.He is now a senior engineer with the M.S.degree.His research direction is space TT＆C technology.

傅敏輝（1972－），男，江西人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹教鞙y(cè)量船發(fā)展建設(shè)。

FU Min-hui was born in Jiangxi Province，in 1972.He is now a senior engineer with the M.S.degree.His research direction is the development of space TT＆C ship.

Application Prospect of Tracking and Data Relay
Satellite System（TDRSS）in TT＆C Ship

LI Hong-yan，XUE Guo-hu，ZHOU Jiang，F(xiàn)U Min-hui
（China satellite Maritime Tracking and controlling Department，Jiangyin 214431，China）

This paper introduces the current status and developing trend of international TDRSS（Tracking and Data Relay Satellite System），analyses the feasibility and prospect of utilizing TDRSS as high-speed data relay platform for TT＆C ship，investigates several schemes in which TDRSS terminal can be installed on TT＆C ship，and finally gives an evaluation of feasibility.

TDRSS；TT＆C ship；feasibility analysis

V19

A

10.3969／j.issn.1001－893x.2010.06.027

李紅艷（1975－），女，云南人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹教鞙y(cè)控總體；

1001－893X（2010）06－0118－03

2010－02－18；

2010－05－06