NASA天基网现状及未来发展

王天祥

（中国人民解放军装备学院，中国 北京 101416）

【摘　要】主要介绍了NASA的TDRSS现状、现代化改造计划及未来发展。

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关键词 天基网；中继卫星；测控

0　引言

跟踪与数据中继卫星系统（Tracking and Data Relay Satellite System，TDRSS）是美国以降低对全球地面站的依赖并实现高测控通信覆盖率为目标提出的想法。TDRSS也被称为天基网（或天基测控系统），由空间段和地面段两部分组成，主要的设计目标是为NASA最重要的中低轨航天器提供连续不间断的通信服务和高数据传输速率。

自从美国于1983年4月4日发射世界第一颗TDRS[1]至今，先后发射了三代共12颗TDRS，主要为用户提供数据中继通信服务、中低轨航天器测控服务等，其TDRSS的用户很广泛，包括各类中低轨道航天器、航天飞机、国际空间站、哈勃望远镜等，除了为用户提供高速数传业务之外，还为用户提供测控支持，如为国际空间站提供S、Ka频段测控链路支持。为了满足其未来按需接入的需求，NASA正在对其TDRSS进行升级改造。

1　天基网现状

为了对在轨TDRS进行管控，美国于1981年7月建成白沙地面终端（WSGT）并投入使用，并于1996年2月对WSGT进行了升级改造；为了适应二代中继卫星的管控任务需要，1994年4月又在白沙建成了二代TDRSS地面终端（STGT）。为了跟踪太平洋上的TDRS，于1998年7月建成并启用关岛远程地面终端（GRGT）。为了利用TDRS1给南极科考等提供数据中继服务，在南极设立了远端站。该网自开始建设就一直由戈达德航天中心管理，其卫星控制中心、网管中心、动力学中心均设在戈达德航天中心。

目前，NASA的TDRSS地面设施除了设在戈达德航天中心的TDRSS管控中心外，还包括白沙综合设施（包括WSGT和STGT，简称WSC）、关岛远程地面终端（GRGT）、多个无人值守双程测距站、车载仿真站等，除了作为TDRS控制中心外，白沙综合设施和关岛远程地面终端的三套地面终端设备还要保证天基网能够为用户提供完整的全球覆盖，并每周7天，每天24小时有人值守，为天基网用户提供服务。

由于一代的TDRS1、4卫星先后报废，NASA根据任务需要对其在轨卫星的分布位置进行了调整，并发射了2颗第三代卫星，目前在轨卫星共有9颗，其中TDRS5、10、11位于太平洋上空，TDRS3、6、9、12位于非洲和大西洋上空，TDRS8、9位于印度洋上空，如图1。

其中TDRS3、5、6、7为一代卫星，使用S和Ku两个频段、最高返向数据传输率为300Mbps；TDRS8、9、10为二代卫星，使用S、Ku和Ka三个频段，最高返向数据传输率为800Mbps；TDRS11、12为三代卫星，NASA为其第三代卫星进行了专门的重新设计，使用了全新的通讯负载电子设备和性能更强大、能够吸收更多能量的太阳能电池板，以及以地面为基础的数据处理系统，这使得整个系统能够提供更多的服务，以满足日益增长的通讯需求。第三代卫星除了多址波束形成在地面完成之外，其它功能与二代卫星相同（如图2），安装有Ku频段、Ka频段和S频段的转发器，一副专用S频段天线为多用户提供服务，同时能支持五颗卫星跟踪任务，其Ku、Ka频段主要为单用户提供更高的数据传输率服务，Ka频段的传输速率可达800Mbps。

2　天基网现代化改造计划及未来发展

由于NASA现有TDRSS地面段设备已经投入使用30多年，设备不易操作，为了提高其空间网地面段体系结构的灵活性、扩充性，以及易于进行技术升级改造，NASA自2007年开始就对其天基网地面设施进行了现代化改造[2]，该项目将对现有白沙综合设施和关岛的三个空间网地面终端进行现代化升级改造，其主要任务是（下转第275页）（上接第126页）使地面终端更灵活、易于扩充，并并且将来能为用户提供更优质的服务。其中白沙综合设施的现代化改造包括白沙地面终端（WSGT）和二代TDRS地面终端（STGT）的升级改造，主要使更换地面通信电子设备、增加一个新的训练设施、加强本地备份控制中心、增强白沙地面终端的S频段TT&C天线能力等，最后形成6个主任务、4副S频段TT&C天线；关岛远程终端现代化改造任务主要是更换地面通信电子设备，形成3个主任务天线；此外还将在马里兰州的Blossom Point新建一个地面终端，该地面终端将采用新的地面通信电子设备，建设2副主任务天线。同时，NASA还计划在2016年发射第三代TDRS中的第三颗卫星TDRS-M。到2016年底，将完成天基网体系结构现代化改造，并投入使用。

为了满足其未来高速数据传输的需求，NASA也一直探索采用激光进行空间通信的方案，2013年NASA曾经在月球大气和尘埃环境探测任务中进行了“月球激光通信演示”(LLCD)测试。2014年，NASA又进行了一项激光通信试验验证，即利用激光束把一段高清视频从国际空间站传送回地面。接下了，NASA将于2018年发射搭载戈达德空间飞行中心研制的LCED（激光通信中继演示验证）有效载荷，将采用两个地面终端站，并利用LLCD项目中研制的地面终端，对利用极高频光波进行地球同步轨道与地面之间的通信进行测试验证，该项的研究成果将来可用于未来的火星探测等深空任务数据中继传输；此外，NASA计划在2022年新一代的TDRS中采用激光通信方案[3]。

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参考文献

［1］Space Network (SN). October 2, 2014[OL]. http://www.nasa.gov/directorates/heo/scan/services/networks/txt_sn.html.

［2］Goddard Space Flight Center.Space Network Users’ Guide[M].NASA.August 3,2012.

［3］Optical Communications Demonstrations. May 6, 2014[OL]. http : //www.nasa.gov/directorates/heo/scan/engineering/technology/txt_opticalcomm_start.html

［责任编辑：刘展］