NASA小型通信中繼衛星設計概念

近年來NASA和國際上其他一些空間組織機構制定了多項人類探索太陽系的戰略計劃。這些戰略計劃都有一個明顯的特徵，就是要將機器人和人類任務拓展至低地球軌道（LEO）以外，包括地月空間、近地小行星（NEA）、月球、火星以及火星的衛星，用於執行這些任務的航天器可能運行在太陽系內的多個位置（包括從比LEO低的軌道到比GEO高的軌道）。

目前由NASA的空間通信與導航（SCaN）網路向空間任務的發射、在軌測試以及運行階段提供通信和跟蹤服務，但SCaN的空間組網中繼衛星（TDRS系統）主要向低於GEO的軌道、近地軌道（NEO）以及低於LEO的軌道用戶提供中繼通信服務，不能向高於GEO軌道的任務提供中繼通信服務，因此NASA的格倫研究中心（Glenn Research Center）空間系統參量評估協同建模團隊（COMPASS）的研究人員提出了一種可同時向高於或者低於GEO軌道的任務提供通信中繼服務的小型天基通信中繼衛星（SSBS）概念。

SSBS衛星能夠支持高於GEO軌道的任務（尤其是載人航天任務（HSF）），滿足人類探索任務的需求，實現與地球位置的最高連通能力，同時能夠降低通信延遲。SSBS衛星將提供與NASA的跟蹤數據中繼衛星（TDRS）相當的服務，數據率與TDRS衛星相同或者更高。

1SSBS中繼衛星基本概念

新興的載人航天飛行任務需求促成了SSBS體系結構的形成，位於GEO軌道的SSBS能夠與專用月球中繼衛星或者位於地月（EM）L1/L2位置的任務建立通信連接。專用SSBS頂層體系結構概念示圖見圖1，SSBS能夠向高於或者低於GEO軌道的用戶提供服務。

圖1 專用SSBS頂層體系結構概念示圖

專用SSBS體系結構將能夠為未來NASA通信基礎設施系統提供大多數服務。為了實現系統的魯棒性和應對用戶的不確定性，SSBS初始設計提供的服務將遠超用戶需求研究（UNS）所確定需求。所選擇的實現技術將能夠降低SSBS的成本、功率以及重量，減輕或者維持用戶負擔，其技術成熟度（TRL）至少達到8級。SSBS體系結構中所使用的頻段由不同系統之間的介面特性決定。

除了提供與TDRS系統類似的能力和可能增強的數據率外，SSBS還考慮了多個其他設計選項應對新用戶需求或者降低成本的目標。其中一個設計選項是具有單址（SA）和多址（MA）能力、低速率和高速率單址鏈路、多址陣列並可通過「獵鷹」級運載器進行部署的小型SSBS衛星。單址能力用於向空間用戶任務提供更高數據率服務。多址能力將用於向空間任務提供低速率服務和跟蹤服務。

除了通信能力外，SSBS體系結構還將提供導航服務、非相干或者相干多普勒以及偽碼（PN）測距。SSBS將部署到三個區域，每個區域佔據2個軌位。為了實現技術的演進，不同軌位的衛星將具有不同的技術水平。

專用SSBS與地面基礎設施的完全集成將通過未來SCaN綜合網路體系實現。未來SCaN的地面基礎設施將具備與SSBS的快速集成能力，這樣可降低複雜性和成本。每個地面站都配備多個地面終端，並可在任何給定時間內專用於某一顆中繼衛星，而這些地面終端將高度自主運行。

基於假定的用戶需求，可以推測出下列航天器和通信有效載荷要求：

●單容錯系統；

●能夠獨立加壓的推進劑貯箱；

●數據率（1.2Gbps：地球軌道用戶；80Mbps：月球用戶）；

●頻段：單址（單孔徑；雙頻段孔徑（S波段；Ka波段））；

●天地鏈路（SGL）：單頻段孔徑（單孔徑；Ku波段）；

●單址，提供至少與當前TDRS系統相同的S和Ka波段等效全向輻射功率（EIRP）和增益/系統雜訊溫度（G/T）。對於天地鏈路，至少提供相同的EIRP；

●光通信鏈路基於激光通信中繼演示（LCRD）項目。

2SSBS系統航天器和通信有效載荷設計要求

SSBS系統設計要與當前TDRS的單址（SA）功能儘可能兼容，能夠增強TDRS的性能，並規劃滿足未來用戶的需求。用戶需求研究表明當前的TDRS系統能夠提供Ku波段單址鏈路所需的所有性能和能力，並且將來在國際空間站（ISS）退役以後，將不再需要Ku波段單址能力，因此SSBS設計中不包括Ku波段單址服務。由於S波段多址能力可通過商業服務或者其他衛星上搭載的託管有效載荷獲得，因此SSBS有效載荷設計中不包括S波段多址能力。

SSBS系統設計為未來2030年前的任務提供低到中和超高數據率服務。SSBS設計包括一副與用戶航天器進行通信的較大天線和一副提供天地鏈路的中等尺寸天線，這與當前TDRS系統類似，但不同之處是SSBS系統只有一副單址天線，而沒有多址天線。將單址天線的頻率限定為雙頻，而非三頻，能夠更容易最大程度提高天線Ka波段的增益。

SSBS系統的天地鏈路假定使用NASA SCaN空間網目前所使用的天地鏈路。當前用於天地鏈路的RF頻段足以滿足所有未來任務需求，除了那些要求更高數據量和更高帶寬的未來任務。假如所有提議的任務都在未來得以實施，未來天地鏈路將採用更高的Ka波段（37GHz）或者光學鏈路。

SSBS體系結構考慮支持低於GEO軌道的光學通信，以支持那些可能使用這一技術的未來任務。SSBS體系結構還設計支持超出GEO軌道的RF、光以及RF/光通信。通信有效載荷的設計參數要求如下：

●保持當前的4.8米TDRS衛星天線尺寸；

●保持當前Ku波段天地鏈路，允許使用現有地面基礎設施；

●利用彎管式衛星設計，實現與TDRS系統的後向兼容；

●從當前不具備Ku波段單址組件的TDRS衛星重量推斷出SSBS衛星通信分系統的重量；

●向用戶資產提供雙頻段鏈路；

●能夠跟蹤在軌航天器；

●雙頻段中的一個頻段擁有低到中數據率能力；

●擁有低到中數據率能力的頻段至少具備當前TDRS單顆衛星S頻段鏈路的能力；

●另外一個頻段實現更高數據率，以滿足2020年後的用戶需求；

●單容錯彎管式設計；

●大型網狀天線，能夠以緊湊方式收藏，便於發射（S/Ka波段 5米天線）；

●Ka波段的最高數據率為1.2Gbps；

●提供與當前TDRS系統相同的無線電測量跟蹤服務；

●可能採用下列方法支持一些月球空間任務：（1）假設61dBW的EIRP，將Ka波段返回鏈路的最高數據率降至50Mbps；（2）假設40dBW的EIRP，將S波段返回鏈路的最高數據率降至300kbps；（3）假設用戶採用40W射頻發射機和一副1米拋物面天線；（4）假設載人航天任務需要6dB的工程餘量；

●向地球控制站提供上行/下行鏈路：（1）1.5米天地鏈路天線（與TDRS衛星類似）；（2）Ku波段1.2Gbps數據率；（3）利用高階調製，如8PSK或者16QAM，滿足帶寬限制；

●可以選擇提供從LEO用戶到GEO的光上行鏈路；

●頻段：（1）Ka波段（23/26GHz），單址；（2）S波段（2/2.2GHz），單址；（3）Ku波段，天地鏈路。

3SSBS系統通信有效載荷設計

根據上述SSBS系統的主要通信有效載荷設計要求，空間系統參量評估協同建模團隊（COMPASS）提出了SSBS系統通信有效載荷設計方案。

航天器上的通信有效載荷由四種通信系統組成，包括：

●Ku波段天地鏈路，用於將用戶數據下傳至地面基礎設施；

●S波段全向測控天線，用於提供緊急情況時的通信；

●Ka波段通信系統，通過一副雙S/Ka單址天線建立與用戶平台的高到極高數據速率通信；

●S波段通信系統，通過一副雙S/Ka單址天線建立與用戶平台的低到中數據速率通信。

地面站使用34米或者18米拋物面天線，相對於SSBS衛星，地面站會獲得增益優勢，但需要建造更多這樣的地面站。當不與多用途載人飛船（MPCV）進行通信聯繫時，SSBS每天的功耗很少，幾乎等於零。定軌於GEO的SSBS通信有效載荷設計如下：

●保持+/-7℃傾角；

●同時提供「彎管式」通信中繼/跟蹤（包括月蝕期間）；

●地球下行鏈路波束寬度為1.4°，指向精度為0.14°；

●低於LEO的用戶：5米單址天線（天線左旋/右旋雙圓極化）；S波段（300~6000kbps），Ka波段（300~1000Mbps）波束（+/-0.025°，指向精度）；發射機（1Mbps）；

●高於LEO的用戶（非基線）：用於月球/L1/L2試點用戶，3Mbps（Ka波段），採用相同5米單址天線；單個多用途載人飛船用戶，採用1米拋物線天線，20Mbps（前向）和80Mbps（返回）；不支持現有深空任務。

SSBS通信系統採用彎管式設計，接收到的信號首先會轉換成中頻（IF）信號，然後才會發送出去。SSBS設計有三副天線，天地鏈路包括Ku波段鏈路和S波段鏈路。S波段鏈路用於確定SSBS衛星的位置和速度，接收地面指令並向地面提供遙測數據。SSBS可利用其位置信息保持其軌道位置並跟蹤其他航天器。在Ku波段天地鏈路發出的頻分復用信號中，一組數據進入到Ka波段發射機，其他數據進入到S波段發射機中。系統的分路器負責分離頻分復用信號，然後再發送到S波段發射機或者Ka波段發射機中，而頻率合成器負責將來自S波段和Ka波段接收機的信號復接為一個中頻信號，然後發送到Ku波段天地鏈路發射機中。

假定SSBS通信有效載荷的行波管放大器（TWTA）與「月球勘測軌道器」（LRO）的TWTA相類似。「月球勘測軌道器」的Ka波段TWTA由L3公司提供，LRO天線在26GHz的效能達到約75%，而假定的SSBS天線效能可能要低一些，只能達到55%。用戶航天器和SSBS的系統雜訊溫度大約為300K。

SSBS系統的收發信機由接收機、低雜訊放大器（LNA）、發射機激勵器以及發射功率放大器組成。航天電子分系統與S波段收發信機連接，並根據來自地面的指令監控其他通信系統。

經過計算，對於低於GEO軌道的任務，在不增加用戶負擔的情況下，S波段的最高數據率為3Mbps，而Ka波段的最高數據率為1.2Gbps。對於在L2位置的載人航天任務，用戶等效全向輻射功率（EIRP）為61.2dBw的情況下，Ka波段的數據率為86Mbps，這一數值超出了任務需求。而在EIPR為40dBw的情況下，S波段的數據率為620kbps。利用新的低密度奇偶校驗（LDPC）編碼機制，無需增加有效載荷重量或者功率就可以實現更高數據率。

SSBS通信有效載荷還包含一條用於超出GEO軌道任務的光學鏈路。此設計基於激光通信演示項目（LCRD）。光學天線的尺寸和激光器功率根據地月L2位置載人航天任務所需的數據率確定。研究人員提出兩個設計方案：（1）從載人航天任務到SSBS的單向鏈路；（2）從載人航天任務到SSBS的雙向鏈路。目前光學部件的可靠性和使用壽命尚不可知，但在完成激光通信中繼演示運行階段之後，就可以確定光學子系統的可靠性和使用壽命。SSBS系統的光學通信子系統的其他設想包括：

●SSBS上安裝有一個4W的光信標，在載人航天任務中，用於鎖定SSBS信號；

●當波束寬頻為1550納米時，鏈路餘量大於3dB；

●從L2到SSBS，最高數據率為160Mbps；

●從SSBS到地面，最高數據率為160Mbps；

●從L2到GEO鏈路，SSBS上採用12.5厘米光學天線；

●GEO到L2，使用2W激光發射機；

●從GEO到地面使用10.7厘米光學天線；

●對於靠近L2的用戶航天器，光發射機孔徑為12.5厘米，激光輸出功率為2W；

●對於地面站，光學發射機孔徑為20厘米，激光輸出功率為1W，用於對RF通信的增強。

4結語

SSBS的設計表明，小型專用GEO平台能夠向單址用戶和關鍵任務（如載人航天任務）提供可配置服務，而SSBS所具有的到L1/L2位置的通信鏈路不僅能夠滿足低於GEO軌道的任務需求，而且能夠滿足人類空間探索任務的需求。通過利用SSBS建立與高於GEO軌道位置的航天器的通信，能夠減少或者補充所需地球地面站數量，同時以一組三個的形式發射SSBS衛星也能夠大幅度降低成本。此外，光通信有效載荷演示項目的近期發展也有可能幫助SSBS項目向低於和高於GEO軌道的航天器提供高數據率鏈路以及向位於GEO軌道的其他航天器提供交叉鏈路。

（郝雲豐 編譯）

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