[科普中国]-数据中继试验卫星

发展背景

为使地球观测卫星的观测数据传输和今后的空间站，特别是日本空间舱（JEM)的应用实现标准化，日本宇宙开发事业团（NASDA)已决定开发数据中继卫星，建立数据中继卫星系统，同时还开展了一系列的开发活动。这其中包括1994年8月发射了技术试验卫星（ETS) -VI,尽管这颗星未能进入预定的对地静止轨道，但在其转移轨道上利用该星进行了卫星间通信的基础试验；还计划于1998年2月发射通信广播技术卫星（COMETS)进行标准的通信实验。而为满足对今后不断增大的大容量数据传输网络方面的要求，NASDA还计划在2000年发射两颗数据中继技术卫星（DRTS),它较COMETS 提高了卫星间通信动能，增大了通信容量，NASm将用这两颗卫星进行大容量数据传输网络验证实验。2

DRTS的卫星间传输网络采用两个波段——S波段（2GHz)和Ka波段 (20~ 30GHz),最快的数据传输速率可达240Mb/s。两颗DRTS卫星将分别配置在东经90°和西经170°的对地静止轨道上，以捕获和跟踪在地球轨道上运行的观测卫星、空间站和天地往返机（如HOPE等）等作为通信实验对象的航天器，将这些捕获和跟踪数据传送给地面系统。2

在选定三菱电机公司作为DRTS的主承包商后，又确定了以镰仓制作所作为开发基地，于1996年开始了 DRTS的开发工作，1997年2月完成了系统的初步设计评审（PDR)工作，随后进行详细设计和研制开发模型。2002年9月10日，第1颗DRTS卫星发射，2003年1月开始业务运行，并起名为“回声” (Kodama)。第2颗卫星取消发射。2

主要性能参数DRTS卫星呈长方体，收拢尺寸2.2m×2.4m×2.2m，天线和太阳电池翼展开后最大包络为6.65m×16.36m×6.23m。平台结构为中央承力筒式。热控分系统为被动式和主动式并用。供配电分系统采用32～51.5V浮动母线，有2组50A·h氢镍蓄电池，采用数字式程序分流方式。姿态控制采用整星动量偏置方式，控制精度在正常模式下为0.05°(滚动和俯仰)、0.15°(偏航)；当天线转动时，姿态误差最大不超过0.07°(滚动和俯仰)、0.2°(偏航)、推进分系统包括500N远地点发动机、20N和1N推力器，南北轨道控制采用200mN电弧推力器。1

DRTS卫星与低地球轨道上的“先进陆地观测卫星”(ALOS)和日本实验舱开展了通信试验，同时，其星间链路与美国的“跟踪与数据中继卫星”(TDRS)及欧洲的“阿特米斯”(Artemis)卫星可互操作。迄今，DRTS卫星与6个不同的航天器开展了数据中继试验，其Ka频段前向速率为100kbit/s～50Mbit/s，返向速率为100kit/s～240Mbit/s;S频段前向速率为100bit/s～300kbit/s，返向速率为100kbit/s～6Mbit/s。 DRTS卫星主要性能参数见下表。

|| || DRTS卫星主要性能参数

卫星特点为设法提髙卫星间的通信性能，实现髙 精度地捕获与跟踪作为通信实验对象的航天 器，提髙搭载的有效载荷仪器的质量比，设 计的DRTS卫星需具备以下特点：

(1)高性能的ICE

在ICE（卫星间通信系统）中，提髙了IOC天线的孔径效率和跟踪接收机的性能（加宽频带，降低噪 声），这样就增加了Ka波段回程通信容量和通信通道数，扩大了传输速率范围。2

(2)1000kg级的卫星公用舱

在公用舱设计时，最大限度地利用了 COMETS等现有的经飞行验证的仪器，以降低成本。与此同时还考虑将该DRTS 公用舱作为1000kg级卫星公用舱的可发展性和可扩充性等问题。

(3)具备自适应控制功能的控制系统

在姿态控制系统与天线控制系统间的协调控制方面，为减小伴随髙速驱动IOL天 线所产生的干扰对卫星姿态的影响，采用了以这种干扰的预测值为基础的前馈补偿法来 预测质量特性。为将质量特性预测误差所致 影响减至最小，增加了根据姿态角误差在线 进行参数识别的自适应控制功能。2

(4) 髙有效载荷比，结构紧凑

本体采用碳纤维增强塑料（CFRP)做无骨架壳体和支撑结构，实现结构轻型化，星载有效载荷系统质量与发射质量比达 6.6%(星载有效载荷系统质量为335kg),星载有效载荷系统质量与卫星干质量比髙达28%。由于采用公用舱和有效载荷舱分离组装式结构，所以公用舱和有效载荷舱可分头组装、并行试验。另外，为使大型天线有效地收拢在火箭整流罩内，不仅结构分系统、热控分系统、推进分系统等的设计实现了最佳化，同时也使卫星结构更加紧凑。2

(5)采用500N的双元远地点发动机和多种推力器的推进系统

推进系统采用了一种可适于1000kg公用舱（质量和尺寸）的500N双元远地点发动机，南北轨道控制采用DC电弧推力器，旨在解决包括可搭载性和推进剂携带晕在内的推进系统轻量化问题，姿态控制和东西轨道控制所采用的是1N级的肼推力器。2

(6)采用NiH2 50Ah的蓄电池

电源系统采用了NiH2 50Ah的蓄电池， 这种蓄电池具有能量密度高、可搭载性强、 循环寿命长和可大电流放电等优点。

卫星性能DRTS的性能可分为两类，也就是卫星 间链路性能和FLC性能，这两类性能又是由包括卫星系统和地面系统在内的综合系统性能来实现的。2

另外，DRTS的IOL系统性能是在COMETS原有性能的基础上，充分考虑了将要与DRTS进行实验的各种实验航天器的要求后确定的。因此较COMETS的性能提髙了，同时还增加了若干项功能，归纳总结如下：

(1) IOL天线

增加了天线增益，提髙了天线方向图的旁瓣特性（改变了天线方式，采用了介质支撑物）

降低了轨道上的热扭变误差

(2)中继器

适应KSA的大容量传输（增大了发射机的输出，实现了宽带化）

扩大了动态接收范围

相位噪声低（改善了频率合成器的相位噪声性能）

(3) FIC天线

进行了可适应DRTS-W、DRTS-E 和轨道位置变更的设计

采用由姿态控制系统进行FIC天线指向控制方式

(4)捕获跟踪仪器

缩短了捕获跟踪所需的时间（旋转和捕获时间）

可适应运行轨道不规则、轨道高度低于1000km的航天器（采用按指向角指令进行捕获跟踪的方式）2