[科普中国]-天地通卫星

简介

在几乎所有载人航天任务中，天地往返运输、航天员出舱活动、航天器在轨装配、航天器资源补加、太空救援、航天器在轨服务、深空探测等，都离不开天地通信系统中话音和图像通信的支持。而在包括导引、交会、连接（对接或停靠）、联合飞行、分离等一系列任务的载人航天器交会对接任务中，涉及的目标航天器和追踪航天器这2类航天器，更需要天地通信系统提供全程连续不间断的天地话音图像通信保障。

在载人交会对接、航天员中长期驻留天地往返乘组轮换、空间站消耗品补给、航天员通过应急飞船撤离等过程中，都存在2个或2个以上多航天器目标需要同时与地面进行通信的状态1。

系统结构与原理天地通信系统组成天地通信系统包括航天器天地通信系统和地面天地通信系统。

地面天地通信系统主要由陆、海、天基载人航天测控通信网和天地通信中心系统组成。载人航天测控通信网 包括TDRSS（Tracking and Data Relay Satellite System，跟踪与数据中继卫星系统，简称中继卫星系统）、USB（Unified S-Band，统一 S频段）测控通信系统、各USB测控站（船）、中继卫星终端站至天地通信中心系统间各类信息传输网络1。

空间站工程天地通信手段空间站工程天地话音和图像通信对象包括载人飞船、货运飞船、核心舱和实验舱等4种航天器。天地通信链路主要为中继链路和USB链路。空间站阶段，多航天器目标天地通信支持由陆、海、天基测控通信网共同完成。其中，TDRSS系统作为天基网，采用 三星组 网方式，具 有通信 覆盖 率高、数据传输速率大和能对多个目标跟踪等特点，成为多航天器支持的主要手段；陆、海基 USB系统采用全球布站方式，包括多个固定站、船站和车载站，可较好应对航天器大姿态变化和快速姿态变化，成为多航天器支持的重要手段，并为关键弧段测控通信信息可靠传输提供有效的保障1。

TDRSS系统工作原理1）TDRSS系统组成和基本原理

中继卫星系统主要包括用户星（用户航天器）、中继卫星、中继终端站等。

用户星—中继星—中继终端站的通信链路称为返向链路，中继终端站—中继星—用户星的通信链路称为前向链路。用户航天器要传给地面的遥测数据、话音和图像等信息，经星间通信链路发向中继卫星，中继卫星再使用星地通信链路将其转发到中继终端站，并在终端站进行射频解调，解调信号经线路传输至天地通信中心进行解码、恢复1。

2）TDRSS系统多目标支持技术原理

一般中继卫星上布设多个高增益抛物面天线和相控阵天线，当2个及2个以上目标距离较远，不在1颗中继卫星覆盖范围内时，可采用2颗中继卫星同时跟踪多个目标；若1颗中继卫星可同时覆盖多目标，则采用多波束地面形成技术，产生多个波束分别对准不同航天器，实现多航天器目标的同时测控通信。

当2个及2个以上目标距离较近，处于1颗中继卫星同一点波束内时，则前向链路采用广播方式，返向链 路 利 用 多 用 户 检 测 技 术 恢 复 多 目 标 的 数据。采用点波束向多个目标发前向数据时，中继终端站并行配置多个前向信道，对k个不同目标的前向数据分别进行信道编码和扩频调制：每个目标分1个扩频码〔即高速 PN（伪随机）码〕，PN1～PNk表示k个目标 使 用 的k个PN码，每个 PN 码将对应目标的前向数据调制到很宽的频带上。扩频调制后的信号再通过各自的相移键控调制；然后，k个目标的基带调制信号相加合成C（t）信号；合成信号经射频调制、放大后通过星地链路发送至中继卫星；中继卫星将星地频段转为星间频段，然后将组合数据同时发送至多个航天器；组合数据经不同用户航天器中继天线接收处理及基带相关解调后恢复出相应的前向信号1。

中继卫星系统接收多个目标发送的返向数据的过程如下：各个目标通过星间链路分别发送返向信号至中继卫星；中继卫星将不同目标信号合成，进行星间到星地频段的转换，透明转发数据至中继终端站；中继终端站设置多个返向接收信道，并产生各个目标对应的扩频码，完成相应信号的解扩、解调和译码后，恢复相应的返向数据。

在2颗中继卫星接力跟踪时，接力中继卫星同时接收多航天器下行数据，但只在航天器上中继天线跟踪切换到接力卫星后，才由接力卫星发送上行数据1。

USB系统工作原理USB系统使用集测轨、遥测、遥控、数传和话音多功能合一的统一载波天线，即采用QPSK(Quad-rature Phase Shift Keying，四相相移键控）调制与多副载波/载波调制相结合的综合体制，先把遥控和话音等信号对各自不同的副载波进行调制，然后再对主载波进行调制，调制后的信号经射频向空间航天器发射，空间航天器通过应答接收机接收解调1。

天地通信中心结构和工作原理1）天地通信中心系统组成及信息流程

天地通信中心系统主要包括话音、图像和监控等多个子系统。话音和图像子系统一般包括话音、图像数据处理单元，话音、图像终端，模拟话音、图像处理单元，话音、图像数据记录回放单元；而监控子系统通常包括监控处理计算机等。一般来说，天地通信中心天地话音、图像信息。话音、图像数据处理单元作为数据交换中心，采用网络接口，完成 USB 和中继链路话音、图像数据的双向收发处理。

模拟话音、图像处理单元与各话音、图像终端的音频接口以及需要使用这些信息的用户群组相连，完成各类航天器下行、地面上行模拟话音的分配、汇集。将进入不同航天器用户组的选优话音接入数字扩声系统，完成向多指挥厅的扩声。将图像信息进行处理后，送指挥厅的大屏幕进行显示，同时也可以发送图像信息到指挥显示网络，供相关用户使用。

监控子系统主要完成对话音、图像设备和天地通信系统的状态监控，话音图像数据记录回放单元完成话音图像数据的记录与记录数据文件的回放1。

2)天地通信中心系统多目标支持原理

1）多链路多航天器多格式上下行（前返向）话音、图像数据的发送和接收。天地通信中心可以依据不同航天器的飞行计划和空间位置，由监控处理计算机按照预先制定的上行数据发送策略，控制话音、图像数据处理单 元，使其经 由中继卫星 链路和（或）USB链路同时向正在跟踪的多个航天器发送多种格式的上行话音和图像数据；并使其接收处理来自中继链路、USB链路的多航天器多格式天地话音和图像数据。

2）话音和图像终端基于网络的热备份。话音和图像终端备份采用基于网络的n+k（n=2k）工作模式，其中n为工作的话音和图像终端数量，k为热备份的话音和图像终端数量，这样保证了话音和图像终端可冗余备份并动态切换。按监控处理计算机指令，可同时转发最多n+k路多航天器多链路天地话音、图像数据至终端并解码。

3）话音和图像终端设计为多格式自适应解码方式。话音和图像终端能依据数据中的标志码，判断识别数据格式并自适应解码。这样针对不同航天器数据，可分时使用同一终端进行解码。

4）用户分组和数字扩声系统的动态可配置。解码恢复的模拟话音在灵活的用户分组和动态可调数字扩声系统的共同作用下，可以保障地面中心多个指挥厅与多航天器协同指挥通信，或各自独立成组进行组内双向通信1。

多航天器天工作模式简介双航天器天地通信工作模式1)双航天器交会的几种情况

空间站工程中，地面与2个航天器通信的情况主要包括：载人飞船和核心舱、货运飞船和核心舱、核心舱和实验舱、载人飞船和货运飞船、2个载人飞船等。

2)载人飞船和核心舱双目标模式

载人飞船和核心舱交会时，天地通信中心建立飞船和核心舱2个用户组，2个组同时独立地与 2个目标建立天地通信链路。

若 TDRSS 和USB 系统能同时跟踪双目标 或各自可跟踪目标之一时，采用2种手段同时进行双目标天地通信，航天器及地面均将中继链路话音和图像数据做主用，USB链路数据做备份。在载人飞船和核心舱距离较远时，天地通信中心将2个用户组的上行指挥话音、图像分别按相应航天器格式进行编码，然后按测控计划发送到相应的中继终端站和 USB 测控站，并通过中继和 USB链路发送到飞船和核心舱接收解调。飞船和核心舱发送的话音和图像数据也同时经由中继和 USB 链路送到天地通信中心进行解码恢复，话音信号经优选后各自进入飞船和核心舱用户组，2个航天器的图像信号也分送对应指挥厅显示1。

当飞船与核心舱距离较近，地面需要协同指挥时，可将2个用户组联合为1组，地面对2个航天器发送同一上行话音和图像信号。在天地通信中心恢复的2个航天器的下行话音和图像同时为指挥厅所用，完成双目标双向协同通信。当飞船与核心舱即将对接上时，飞船有可能出现较大姿态变化。这时，若飞船中继话音和图像质量不佳，天地通信中心可以选用飞船的 USB话音和图像信息送相应指挥厅收听和显示1。

3.核心舱和实验舱双目标模式

核心舱和实验舱交会时，因2个航天器具有相同的数据属性，2个航天器上中继和 USB设备配置相当，所以2个航天器上行只能接收相同的数据，下行时，不同 USB站可采用互异频率区分目标。实验舱和核心舱双目标的中继链路通信工作方式同飞船和核心舱类似。地面与实验舱和核心舱上行通信内容一致，只能实现地面与实验舱和核心舱双目标双向协同话音通信1。

因实验舱和核心舱中继设备支持双向高速图像传输，所以在中继卫星跟踪情况下，也可以实现在多指挥厅间地面与实验舱、地面与核心舱双目标同时进行双向视频通话1。

三航天器天地通信工作模式1)三航天器交会的几种情况

空间站工程中，地面与三航天器通信的情况主要包括：与核心舱、载人飞船和货运飞船，与核心舱和2个载人飞船，与核心舱、实验舱和载人飞船，核心舱、实验舱和货运飞船等。下面重点讨论一种情况：核心舱、载人飞船和货运飞船1。

2)核心舱、载人飞船和货运飞船工作模式

核心舱、载人飞船和货运飞船三目标交会时，若3个航天器上均载人，天地通信中心配置飞船、核心舱和货运飞船3个用户组，3个用户组分别利用中继链路和（或）USB 链路同时独立地与3个目标建立天地通信链路。地面通过3个用户组分别发送核心舱、载人飞船和货运飞船的话音和图像编码数据，至中继终端站和 USB 测控站。当三目标在2颗中继卫星覆盖区时，2颗中继卫星可以完成对3个航天器的同时双向数据收发。当三目标在 同一中继卫星 覆盖 区时，则采用中继卫星和 USB 站共同支持，尽量使用中继卫星跟踪主要目标，利用 USB 站跟踪次 要目标，或作为中继的备份跟踪。在载人飞船和货运飞船使用相同的链路跟踪时，因其配置相当，载人飞船和货运飞船都接收同一上行天地通信数据。

若货运飞船无人，或地面需要联合指挥，也可按需调配用户组和扩声系统，实现3个独立或联合为一体的地面指挥与3个航天器之间的双向话音通信系统1。

优势伴随着中国载人航天工程的发展，天地通信对象从最初只支持单个航天器，到同时支持2个航天器，进而被要求同时支持3个以上航天器双向通信。地面天地通信系统在中继卫星系统、相控阵天线、激光通信等技术发展应用下，必然能更好地满足多航天器高覆盖、低干扰、不间断通信的需求。天地通信中心在满足多目标同时实现天 地 通信 需求的基 础上，也要不断完善强化功能，简化系统的复杂度，提高系统仿真测试能力和依计划快速配置天地通信中心资源的能力。使天地通信系统为空间站多目标和交互式应用提供更高质、可靠、灵活的服务1。