蘇聯(lián)／俄羅斯數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)評述

王家勝

（中國空間技術(shù)研究院，北京 100094）

1 引言

2012年天鏈一號03 衛(wèi)星發(fā)射成功并投入運(yùn)營，標(biāo)志著我國第一代地球靜止軌道（GEO）中繼衛(wèi)星三星組網(wǎng)系統(tǒng)順利建成。它具有準(zhǔn)全球覆蓋能力（對低軌航天器用戶可提供100%軌道覆蓋），今后還將進(jìn)一步發(fā)展。確切了解各航天大國的中繼衛(wèi)星發(fā)展?fàn)顩r，對我國在國際上這一領(lǐng)域中的定位和今后的研發(fā)都具有借鑒意義。

蘇聯(lián)／俄羅斯（以下簡稱俄羅斯）曾研制了世界上第一顆人造地球衛(wèi)星，在航天領(lǐng)域有過輝煌的歷史和業(yè)績。到目前為止，它仍是發(fā)射航天器總數(shù)最多的國家。在數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星（以下簡稱中繼衛(wèi)星）方面，它在1982年就發(fā)射了第一顆軍用衛(wèi)星“急流”（Potok-1，即宇宙-1366），是最早開發(fā)這種衛(wèi)星的國家之一（美國同類衛(wèi)星的衛(wèi)星數(shù)據(jù)系統(tǒng)-1（SDS-1）在1976年發(fā)射）。

俄羅斯中繼衛(wèi)星系統(tǒng)分軍用和民用兩大類，均是GEO 衛(wèi)星系統(tǒng)，研制單位為列舍特涅夫信息衛(wèi)星系統(tǒng)公司（ISS-Reshetnev，過去稱NPO Prikladnoi Mekhaniki、或NPO PM）。此外，由于其本土緯度較高的原因，俄羅斯一直大力發(fā)展大橢圓軌道（HEO）通信衛(wèi)星系統(tǒng)，這種衛(wèi)星也易被猜測為具有中繼衛(wèi)星功能。下面分別進(jìn)行評述。本文未包括俄羅斯在早期通信衛(wèi)星上搭載簡單中繼轉(zhuǎn)發(fā)器的內(nèi)容。

和美國的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)不同，俄羅斯中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的相關(guān)資料較難收集。國內(nèi)這方面編譯的情報資料較少，且存在一些過時和誤解之處。本文一方面試圖在盡可能多且新的資料積累的基礎(chǔ)上，給出俄羅斯中繼衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展較為準(zhǔn)確和明晰的描述；另一方面，重點(diǎn)從專業(yè)技術(shù)的層面上，給出分析和評論意見。此外，盡量給出了有關(guān)內(nèi)容的出處，以便于讀者進(jìn)一步查詢和分析。對于出現(xiàn)相互矛盾材料的情況，盡量選取較可靠、較新或較多來源發(fā)布的信息。

2 軍用GEO 中繼衛(wèi)星系統(tǒng)

2．1 第一代“急流”（Potok）衛(wèi)星系統(tǒng)

由于發(fā)展戰(zhàn)略方面的原因，其軍用中繼衛(wèi)星早于民用中繼衛(wèi)星。從1982-2000年總共發(fā)射了10顆“急流”GEO 軍用中繼衛(wèi)星，“急流”衛(wèi)星的外形如圖1所示，其發(fā)射時間、軌道傾角、軌位和起飛質(zhì)量等信息見表1。它的主要功能是對“琥珀”（Yantar-4KS1和Yantar-4KS1M 等）偵察衛(wèi)星提供中繼服務(wù)。此外，它還承擔(dān)著地球站之間的通信任務(wù)［1］。

圖1 “急流”軍用中繼衛(wèi)星Fig．1 Potok military data relay satellite

表1 “急流”軍用中繼衛(wèi)星Table 1 List of Potok military data relay satellite

Potok系統(tǒng)在國際電聯(lián)（ITU）登記了三個軌位：13．5°W、80°E和168°W，但從未使用過第三個軌位［1-2］。也就是說，此系統(tǒng)在最佳狀態(tài)（兩個軌位都有衛(wèi)星工作時）衛(wèi)星間經(jīng)度差只有93．5°左右，不可能對用戶航天器形成全球覆蓋（對各種軌道的用戶航天器提供100%軌道覆蓋）或準(zhǔn)全球覆蓋能力。

衛(wèi)星系統(tǒng)的地面管控站位于莫斯科附近的科納科沃（Konakovo）。衛(wèi)星采用KAUR-4 平臺，由圓柱形的密封艙構(gòu)成，采用三軸穩(wěn)定控制，姿控精度0．1°，天線指向精度0．5°，太陽翼面積約40 m2，設(shè)計壽命較短（約3～5年），其有效載荷工作在C 頻段。從圖1可見，衛(wèi)星無大型反射面天線，主天線是在八邊形平面上的相控陣天線。俄羅斯專家曾在國際衛(wèi)星通信會議上報告了“急流”衛(wèi)星用于民用甚小口徑天線終端（VSAT）系統(tǒng)的情況，給出了其部分有效載荷性能，如表2所示［3］。

表2 “急流”衛(wèi)星部分有效載荷性能Table 2 Some payload characteristics of Potok satellite

從表1和表2可看出：

（1）可能是由于技術(shù)方面的原因，不同衛(wèi)星的軌道傾角差別較大，在0．3°～13．7°之間?？紤]到衛(wèi)星設(shè)計壽命較短，估計它們在軌不進(jìn)行南北位置保持；

（2）只利用了13．5°W 和80°E（包括附近）的軌位，且主要使用軌位是80°E，較多的“急流”衛(wèi)星在初始定點(diǎn)位置都在此軌位。在軌工作期間也有軌位變化的情況，但基本上是在這兩個軌位附近換位；

（3）從衛(wèi)星的起飛質(zhì)量數(shù)據(jù)判斷，在“急流”衛(wèi)星研制和使用中可能經(jīng)歷過三次改進(jìn)（或改動）：前五顆星重約2000kg，第6、7顆增加150kg，第8、9顆再增加150kg，第10顆最重，達(dá)2400kg；

（4）有效載荷指標(biāo)不高，轉(zhuǎn)發(fā)器（信道）數(shù)少，EIRP值和G／T值都不高，特別是帶寬很窄（20 MHz和10 MHz），這說明中繼能力（或數(shù)據(jù)傳輸速率）較低；

（5）由于天線波束寬度較寬，估計只有程序跟蹤功能。

2．2 第二代“魚叉”（Garpun）衛(wèi)星系統(tǒng)［2，4］

可能是由于經(jīng)濟(jì)方面的原因，在本世紀(jì)初俄羅斯軍用中繼衛(wèi)星出現(xiàn)了“斷檔”現(xiàn)象，即沒有軍用中繼衛(wèi)星在軌工作。這一現(xiàn)象維持了幾年，直到2011年9月，第二代“魚叉”衛(wèi)星的首顆星發(fā)射成功。發(fā)射時運(yùn)載火箭使用了微風(fēng)-M（Briz-M）上面級，直接將衛(wèi)星送入GEO 軌道。衛(wèi)星定點(diǎn)于80°E，這是俄羅斯目前唯一在軌運(yùn)營的軍用中繼衛(wèi)星。

“魚叉”衛(wèi)星用于為“芍藥”（Pion）和“荷花”（Lotos）等新一代軍事偵察衛(wèi)星提供服務(wù)。沒有得到它的外形和技術(shù)參數(shù)等方面的信息?？紤]到它比最后一顆“急流”衛(wèi)星的發(fā)射要晚約11年，在技術(shù)上應(yīng)有明顯的進(jìn)步。據(jù)報道俄羅斯還計劃發(fā)射第二顆“魚叉”衛(wèi)星，定點(diǎn)于13．5°W。到那時候，俄羅斯將恢復(fù)到20世紀(jì)90年代中期的規(guī)模。

3 民用GEO 中繼衛(wèi)星系統(tǒng)

俄羅斯曾把它的民用GEO 中繼衛(wèi)星系統(tǒng)規(guī)劃為衛(wèi)星數(shù)據(jù)和中繼網(wǎng)絡(luò)（SDRN），分別為西部網(wǎng)、中部網(wǎng)和東部網(wǎng)。為此，在國際電聯(lián)登記了三個軌位：16°W、95°E和160°W，分別配屬前述三個網(wǎng)。到目前為止，只在前兩個軌位（或附近）布置過衛(wèi)星，從未使用過160°W 的軌位（即東部網(wǎng)沒有實(shí)際存在過）［5-7］。在系統(tǒng)的最佳狀態(tài)（兩個軌位都有衛(wèi)星工作）衛(wèi)星間經(jīng)度差只有111°左右，沒有對用戶航天器形成全球覆蓋或準(zhǔn)全球覆蓋。

這一系統(tǒng)的衛(wèi)星被稱為“射線”（Luch或Loutch，本文用前者），“射線”原是其中繼轉(zhuǎn)發(fā)器的名稱，后被用來稱呼整個衛(wèi)星。例如：Luch（即Altair）、Luch-1、Luch-2、Luch-5和Luch-4等。

關(guān)于俄羅斯民用中繼衛(wèi)星如何分代問題，文獻(xiàn)中有不同的描述。本文按使用的衛(wèi)星平臺來劃分，這樣較為合理。

3．1 基于KAUR-4 平臺的第一代“射線”衛(wèi)星（Luch-1、Luch-2和Luch-11L等）

第一顆星（Luch-11L，即Altair-1或宇宙-1700）于1985年10月發(fā)射。從1985-1995年總共發(fā)射了5顆衛(wèi)星。它們雖然被冠以了不同的名稱，但都使用了KAUR-4衛(wèi)星平臺，即和“急流”軍用中繼衛(wèi)星選用的平臺相同。第一代“射線”衛(wèi)星的外形如圖2所示。5顆衛(wèi)星的一些技術(shù)參數(shù)如表3所示［5］。

圖2 第一代“射線”民用中繼衛(wèi)星Fig．2 First generation of Luch civil data relay satellite

表3 第一代“射線”民用中繼衛(wèi)星表Table 3 List of Luch civil data relay satellite

第一代“射線”衛(wèi)星主要用于和平號空間站與地面運(yùn)控中心之間的通信聯(lián)系，它也提供一般的衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)，例如：電話、電視會議，實(shí)時電視轉(zhuǎn)播和交換，在境外或邊遠(yuǎn)地區(qū)出現(xiàn)災(zāi)害情況下的應(yīng)急通信，為俄海軍提供船艦移動通信等［2，6］。

衛(wèi)星的總體和有效載荷的部分特性見表4和表5。表4中主要數(shù)據(jù)來源于作者2004年訪問在俄羅斯鐵山城（Zheleznogorsk）負(fù)責(zé)研制“射線”衛(wèi)星的機(jī)構(gòu)列舍特涅夫應(yīng)用力學(xué)科學(xué)研究生產(chǎn)聯(lián)合體（NPO PM）時獲得的材料［8］，從獲得的時間判斷，它應(yīng)是其最后一顆星Luch-2的性能，較早的Luch衛(wèi)星部分指標(biāo)低于表中數(shù)據(jù)（如姿控精度、軌道傾角和壽命等）。表5中數(shù)據(jù)主要來源于文獻(xiàn)［9］，其作者是德國和俄羅斯的第二次和平號空間站載人航天合作項目的成員，他們參加了通過“射線”衛(wèi)星將和平號上的信息實(shí)時中繼到德國地球站上的試驗。他們對“射線”衛(wèi)星性能比較了解，提供的資料應(yīng)比較可信。

衛(wèi)星有3副可展開的前饋拋物面網(wǎng)狀天線，其直徑為1．6 m、3．0 m 和4．5 m，分別工作在15GHz／14GHz，15GHz／11GHz和0．9GHz／0．7GHz；其金屬網(wǎng)是在基輔的佩頓材料科學(xué)研究所（Paton Material Science Institute）研發(fā)［10］。此外，衛(wèi)星在對地面還有一個20元天線陣（尺寸約2．2m×2．2m），工作于0．4GHz／11GHz，其波束寬度為15°×17°［8］。

表4 第一代“射線”衛(wèi)星主要總體性能表Table 4 Main system characteristics of first generation Luch satellite

表5 第一代“射線”衛(wèi)星主要有效載荷性能表Table 5 Main payload characteristics of first generation Luch satellite

此衛(wèi)星系統(tǒng)的地面管控站位于莫斯科和哈巴洛夫斯克。

從圖2和表3～5可知：

（1）和“急流”衛(wèi)星的情況一樣，衛(wèi)星的軌道傾角都不在0°附近（2．48°～7．7°），而且離散度較大；

（2）只利用了所登記的95°E 和16°W（包括附近）的軌位（最后一顆星占用了俄羅斯一般通信衛(wèi)星的軌位77°E，其原因不詳），主要使用軌位為95°E，也有和“急流”衛(wèi)星類似的軌位變化情況；

3）5顆衛(wèi)星有3種起飛質(zhì)量，并和發(fā)射時間相近的“急流”衛(wèi)星重量相同，估計這和所使用的同一平臺（KAUR-4）的技術(shù)狀態(tài)變化（或改進(jìn)）有關(guān)；

4）有效載荷指標(biāo)方面：最高工作頻段為Ku頻段，EIRP值和G／T 值都不算高，轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬仍較窄（最寬為50 MHz），這說明中繼數(shù)傳速率較低。三副網(wǎng)狀反射面天線均未如美國第一代中繼衛(wèi)星（TDRS）那樣實(shí)現(xiàn)雙（或三）頻段共用，這樣雖減少了研制難度，使用中也增加些靈活性，但在同樣功能下，衛(wèi)星質(zhì)量明顯增加，整星綜合性能不高；

5）從表4中的軌道傾角指標(biāo)判斷，這種衛(wèi)星也不進(jìn)行南北位置保持。

3．2 基于“快訊”（Ekspress）-1000A 平臺的第二代“射線”衛(wèi)星（Luch-5）

由于經(jīng)濟(jì)方面的原因，1995年11 月起就再沒有發(fā)射第一代“射線”衛(wèi)星，其最后一顆星（Luch-2）在1998年就停止了工作［7，11］；從那時候起，俄羅斯已無在軌運(yùn)營的民用中繼衛(wèi)星。在相當(dāng)一段時間內(nèi)，“國際空間站”（ISS）上的俄羅斯艙只能借助于美國“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)”（TDRSS）來擴(kuò)大測控和通信的覆蓋范圍。后來俄羅斯經(jīng)濟(jì)形勢好轉(zhuǎn)，從2005年開始研制工作壽命達(dá)10年的第二代“射線”衛(wèi)星，命名為Luch-5。

按計劃，要研制兩顆Luch-5衛(wèi)星：Luch-5A 和Luch-5B。其外形如圖3所示。Luch-5A 已于2011年12月發(fā)射，定點(diǎn)在95°E，軌道傾角4．2°［12］。主要用于ISS和地面控制中心之間的電視和數(shù)據(jù)中繼，也對低軌衛(wèi)星提供服務(wù)。Luch-5B 衛(wèi)星也已于2012年11月3日發(fā)射，預(yù)計定點(diǎn)位置16°W。這兩顆衛(wèi)星都投入運(yùn)營后，將形成經(jīng)度間隔111°的雙星系統(tǒng)，由于經(jīng)度間隔仍太窄，不具有全球覆蓋或準(zhǔn)全球覆蓋能力。

Luch-5衛(wèi)星采用Ekspress-1000A 平臺，它是一種小型通信衛(wèi)星平臺Ekspress-1000的改型。它裝有2副展開式網(wǎng)狀反射面天線，一副工作于Ku頻段，另一副工作于S頻段。從圖3可見，其對地面還裝有3副大小不同的4元螺旋天線陣和一個喇叭天線（估計為星地鏈路天線）。Luch-5A 的主要總體性能見表6［11］。

表6 Luch-5A衛(wèi)星主要總體性能表Table 6 Main system characteristics of Luch-5Asatellite

由于選用了帶有上面級的Proton-M／Briz-M運(yùn)載火箭，衛(wèi)星直接被送入GEO。這也是第二代“射線”衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量明顯低于第一代的原因。

Luch-5的部分轉(zhuǎn)發(fā)器由歐洲泰雷茲-阿萊尼亞航天（Thales-Alenia Space）公司提供，包括Luch-5A 的6路轉(zhuǎn)發(fā)器和Luch-5B的4路轉(zhuǎn)發(fā)器（均為S和Ku頻段）［13］。衛(wèi)星在Ku頻段和S頻段的最高數(shù)據(jù)傳輸速率分別為150 Mbit／s和5Mbit／s，和第一代“射線”衛(wèi)星相比，它已有明顯的提高。

從外形上看，它已和美國第一代TDRS 類似，但在技術(shù)上至少有兩點(diǎn)差別：其一是大天線未實(shí)現(xiàn)S／Ku雙頻段共用，其二是沒有多址天線。

3．3 基于“快訊”（Ekspress）-2000平臺的第三代“射線”衛(wèi)星（Luch-4）［11］

2008年俄羅斯決定啟動技術(shù)更先進(jìn)的Luch-4衛(wèi)星的研制，該衛(wèi)星打算選用更大、更先進(jìn)的Ekspress-2000平臺，發(fā)射質(zhì)量約3t，裝有Ka頻段星間鏈路轉(zhuǎn)發(fā)器和個人移動通信系統(tǒng)的試驗轉(zhuǎn)發(fā)器。原計劃于2013年12月發(fā)射1顆，和Luch-5A 和Luch-5B一起形成三星組網(wǎng)系統(tǒng)，以具有和美國TDRSS相似的全球覆蓋能力。但在2011年底，俄聯(lián)邦航天局宣布至少暫停這一計劃到2015年，同時將此項目轉(zhuǎn)為“葉尼塞”（Yenisey）研發(fā)項目，研制一顆技術(shù)試驗衛(wèi)星Yenisey-A1，用來試驗新的大型天線等新技術(shù)。作為補(bǔ)償，將再生產(chǎn)一顆第二代“射線”衛(wèi)星，命名為Luch-5V。其計劃的發(fā)射時間多次推遲，最新的期限是2014年3月。俄羅斯中繼衛(wèi)星三星組網(wǎng)、全球覆蓋（或準(zhǔn)全球覆蓋）的目標(biāo)最早要到那時才能實(shí)現(xiàn)，而第三代“射線”衛(wèi)星的研制將明顯推遲。

4 大橢圓軌道（HEO）通信衛(wèi)星系統(tǒng)［14］

由于俄羅斯本土緯度較高，俄羅斯一直大力發(fā)展HEO 通信衛(wèi)星系統(tǒng)，發(fā)射了很多這樣的衛(wèi)星，如早期的“閃電”（Molniya）和后繼的“子午線”（Meridian）等。俄羅斯人首先提出并使用了這種大橢圓軌道（又稱為Molniya軌道），但設(shè)計的軌道近地點(diǎn)幅角都定在270°，只用于其本土、周邊和北極地區(qū)的通信，未用作中繼衛(wèi)星。

從理論上講，這種衛(wèi)星也可組建中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，但對衛(wèi)星平臺、衛(wèi)星天線、星上部件的抗輻射特性和地面設(shè)施都有高的要求（特別是對要求準(zhǔn)全球覆蓋或高速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r）。如果不附加對高緯度地區(qū)地面（或水面）服務(wù)的要求，HEO 系統(tǒng)將不是一種好的選擇。

5 結(jié)束語

俄羅斯中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了一個V 字形的過程，它發(fā)展較早，有曾在18 年中發(fā)射15 顆軍、民用中繼衛(wèi)星的光輝歷史。20 世紀(jì)末蘇聯(lián)解體，經(jīng)濟(jì)十分困難，俄羅斯在這一領(lǐng)域的活動跌到了最低谷，本世紀(jì)初出現(xiàn)了有幾年無在軌工作中繼衛(wèi)星的狀態(tài)。直到2011年下半年，才又重新開始發(fā)射活動，至今已有軍用1顆、民用2顆衛(wèi)星在軌運(yùn)行，并計劃在今后一年內(nèi)再發(fā)射1顆軍用衛(wèi)星，其恢復(fù)勢頭十分強(qiáng)勁。

雖然俄羅斯在很早就規(guī)劃建立全球覆蓋（或準(zhǔn)全球覆蓋）的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，并申請了相關(guān)軌位。但只占用過13．5°W 和80°E、16°W 和95°E（或附近）兩組軌位，最大經(jīng)度差111°，未形成全球覆蓋（或準(zhǔn)全球覆蓋）能力。但俄羅斯已公布了達(dá)到這一目標(biāo)的計劃：它最早有可能在2014年3月實(shí)現(xiàn)。

應(yīng)該指出，俄羅斯在2000年以前發(fā)射的衛(wèi)星并不是嚴(yán)格意義上的中繼衛(wèi)星（完成航天器和地球站之間的通信），而是用于中繼和一般衛(wèi)星通信（完成地球站之間的通信）的混合衛(wèi)星。星間鏈路使用的頻率也是國際電聯(lián)規(guī)定的星地衛(wèi)星通信頻率。由于有這一局限，其轉(zhuǎn)發(fā)器的性能更趨于一般通信衛(wèi)星。去年發(fā)射的衛(wèi)星在這方面估計已有明顯進(jìn)步。

從獲得的數(shù)據(jù)判斷，最高工作頻段為Ku頻段，有效載荷指標(biāo)不高：特別是2000 年以前發(fā)射的衛(wèi)星，其EIRP值和G／T 值都不算高，轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬最寬也只有50 MHz，這直接限制了中繼數(shù)傳速率。此外，主要天線都是單頻段天線，這在某種程度上限制了衛(wèi)星綜合性能的提高。去年發(fā)射的兩顆衛(wèi)星性能有較大的進(jìn)步，如最高數(shù)傳速率為150Mbit／s，但和美國第一代TDRSS相比，仍有一定差距；

俄羅斯有時利用運(yùn)載火箭配備上面級的優(yōu)勢，將衛(wèi)星直接送入GEO。它采用較小衛(wèi)星平臺（Ekspress 1000A）研制出了性能更好的第二代民用中繼衛(wèi)星Luch-5，其發(fā)射質(zhì)量不到第一代衛(wèi)星的一半。這拓展了小型衛(wèi)星平臺的應(yīng)用思路，有一定優(yōu)點(diǎn)。

和其他國家相比，俄羅斯在中繼衛(wèi)星研制和運(yùn)營上還有一些獨(dú)特的地方：如早期衛(wèi)星的壽命較短，三軸穩(wěn)定衛(wèi)星平臺（KAUR-4）設(shè)計成圓柱形，衛(wèi)星軌道傾角離散度較大，衛(wèi)星在工作壽命期間軌位變化較多（有的為執(zhí)行某一任務(wù)變化軌位，任務(wù)完成后再返回原位）等。上述獨(dú)特地方中有些是出于俄羅斯本國的國情，有些還有待進(jìn)一步研究其技術(shù)原因，可能還有值得我們借鑒的地方。

（References）

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［12］N2yo com．Luch-5Asatellite details 2011-074B NORAD 37951［EB／OL］．［2012-09-17］．http：／／www．n2yo．com／satellite／？s＝37951

［13］Thales．Thales to supply repeaters equipment for Russian satellites Loutch 5A and Loutch 5B［EB／OL］．［2012-09-17］．http：／／www．thales．co．uk／press＿Releases／space＿PR＿Loutch＿19062007／？pid＝1650．htm

［14］Federation of American Scientists．Molniya［EB／OL］．［2012-09-21］．http：／／www．fas．org／guide／rassia／elliptical／molniya．htm