【簡介：】天地通信是指空間飛行器與地面指揮控制中心之間的通信。其主要功能是完成空間飛行器的遙測與遙控信息、視頻圖像信息、天地話音信息等的傳輸[1]。中文名天地通衛(wèi)星外文名Hea

天地通信是指空間飛行器與地面指揮控制中心之間的通信。其主要功能是完成空間飛行器的遙測與遙控信息、視頻圖像信息、天地話音信息等的傳輸[1]。

中文名

天地通衛(wèi)星

外文名

Heaven and earth pass satellite

功能

同時與多航天器進行通信

系統(tǒng)構(gòu)成

測控通信網(wǎng)、天地通信中心系統(tǒng)

優(yōu)勢

高覆蓋、低干擾、不間斷通信

簡介

在幾乎所有載人航天任務(wù)中，天地往返運輸、航天員出艙活動、航天器在軌裝配、航天器資源補加、太空救援、航天器在軌服務(wù)、深空探測等，都離不開天地通信系統(tǒng)中話音和圖像通信的支持。而在包括導(dǎo)引、交會、連接（對接或停靠）、聯(lián)合飛行、分離等一系列任務(wù)的載人航天器交會對接任務(wù)中，涉及的目標航天器和追蹤航天器這2類航天器，更需要天地通信系統(tǒng)提供全程連續(xù)不間斷的天地話音圖像通信保障。

在載人交會對接、航天員中長期駐留天地往返乘組輪換、空間站消耗品補給、航天員通過應(yīng)急飛船撤離等過程中，都存在2個或2個以上多航天器目標需要同時與地面進行通信的狀態(tài)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

天地通信系統(tǒng)組成

天地通信系統(tǒng)包括航天器天地通信系統(tǒng)和地面天地通信系統(tǒng)。

地面天地通信系統(tǒng)主要由陸、海、天基載人航天測控通信網(wǎng)和天地通信中心系統(tǒng)組成。載人航天測控通信網(wǎng) 包括TDRSS（Tracking and Data Relay Satellite System，跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，簡稱中繼衛(wèi)星系統(tǒng)）、USB（Unified S-Band，統(tǒng)一 S頻段）測控通信系統(tǒng)、各USB測控站（船）、中繼衛(wèi)星終端站至天地通信中心系統(tǒng)間各類信息傳輸網(wǎng)絡(luò)

空間站工程天地通信手段

空間站工程天地話音和圖像通信對象包括載人飛船、貨運飛船、核心艙和實驗艙等4種航天器。天地通信鏈路主要為中繼鏈路和USB鏈路。空間站階段，多航天器目標天地通信支持由陸、海、天基測控通信網(wǎng)共同完成。其中，TDRSS系統(tǒng)作為天基網(wǎng)，采用 三星組 網(wǎng)方式，具 有通信 覆蓋 率高、數(shù)據(jù)傳輸速率大和能對多個目標跟蹤等特點，成為多航天器支持的主要手段；陸、海基 USB系統(tǒng)采用全球布站方式，包括多個固定站、船站和車載站，可較好應(yīng)對航天器大姿態(tài)變化和快速姿態(tài)變化，成為多航天器支持的重要手段，并為關(guān)鍵弧段測控通信信息可靠傳輸提供有效的保障

TDRSS系統(tǒng)工作原理

1）TDRSS系統(tǒng)組成和基本原理

中繼衛(wèi)星系統(tǒng)主要包括用戶星（用戶航天器）、中繼衛(wèi)星、中繼終端站等。

用戶星—中繼星—中繼終端站的通信鏈路稱為返向鏈路，中繼終端站—中繼星—用戶星的通信鏈路稱為前向鏈路。用戶航天器要傳給地面的遙測數(shù)據(jù)、話音和圖像等信息，經(jīng)星間通信鏈路發(fā)向中繼衛(wèi)星，中繼衛(wèi)星再使用星地通信鏈路將其轉(zhuǎn)發(fā)到中繼終端站，并在終端站進行射頻解調(diào)，解調(diào)信號經(jīng)線路傳輸至天地通信中心進行解碼、恢復(fù)。

2）TDRSS系統(tǒng)多目標支持技術(shù)原理

一般中繼衛(wèi)星上布設(shè)多個高增益拋物面天線和相控陣天線，當2個及2個以上目標距離較遠，不在1顆中繼衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)時，可采用2顆中繼衛(wèi)星同時跟蹤多個目標；若1顆中繼衛(wèi)星可同時覆蓋多目標，則采用多波束地面形成技術(shù)，產(chǎn)生多個波束分別對準不同航天器，實現(xiàn)多航天器目標的同時測控通信。

當2個及2個以上目標距離較近，處于1顆中繼衛(wèi)星同一點波束內(nèi)時，則前向鏈路采用廣播方式，返向鏈 路 利 用 多 用 戶 檢 測 技 術(shù) 恢 復(fù) 多 目 標 的 數(shù)據(jù)。采用點波束向多個目標發(fā)前向數(shù)據(jù)時，中繼終端站并行配置多個前向信道，對k個不同目標的前向數(shù)據(jù)分別進行信道編碼和擴頻調(diào)制：每個目標分1個擴頻碼〔即高速 PN（偽隨機）碼〕，PN1～PNk表示k個目標 使 用 的k個PN碼，每個 PN 碼將對應(yīng)目標的前向數(shù)據(jù)調(diào)制到很寬的頻帶上。擴頻調(diào)制后的信號再通過各自的相移鍵控調(diào)制；然后，k個目標的基帶調(diào)制信號相加合成C（t）信號；合成信號經(jīng)射頻調(diào)制、放大后通過星地鏈路發(fā)送至中繼衛(wèi)星；中繼衛(wèi)星將星地頻段轉(zhuǎn)為星間頻段，然后將組合數(shù)據(jù)同時發(fā)送至多個航天器；組合數(shù)據(jù)經(jīng)不同用戶航天器中繼天線接收處理及基帶相關(guān)解調(diào)后恢復(fù)出相應(yīng)的前向信號。

中繼衛(wèi)星系統(tǒng)接收多個目標發(fā)送的返向數(shù)據(jù)的過程如下：各個目標通過星間鏈路分別發(fā)送返向信號至中繼衛(wèi)星；中繼衛(wèi)星將不同目標信號合成，進行星間到星地頻段的轉(zhuǎn)換，透明轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)至中繼終端站；中繼終端站設(shè)置多個返向接收信道，并產(chǎn)生各個目標對應(yīng)的擴頻碼，完成相應(yīng)信號的解擴、解調(diào)和譯碼后，恢復(fù)相應(yīng)的返向數(shù)據(jù)。

在2顆中繼衛(wèi)星接力跟蹤時，接力中繼衛(wèi)星同時接收多航天器下行數(shù)據(jù)，但只在航天器上中繼天線跟蹤切換到接力衛(wèi)星后，才由接力衛(wèi)星發(fā)送上行數(shù)據(jù)。

USB系統(tǒng)工作原理

USB系統(tǒng)使用集測軌、遙測、遙控、數(shù)傳和話音多功能合一的統(tǒng)一載波天線，即采用QPSK(Quad-rature Phase Shift Keying，四相相移鍵控）調(diào)制與多副載波/載波調(diào)制相結(jié)合的綜合體制，先把遙控和話音等信號對各自不同的副載波進行調(diào)制，然后再對主載波進行調(diào)制，調(diào)制后的信號經(jīng)射頻向空間航天器發(fā)射，空間航天器通過應(yīng)答接收機接收解調(diào)。

天地通信中心結(jié)構(gòu)和工作原理

1）天地通信中心系統(tǒng)組成及信息流程

天地通信中心系統(tǒng)主要包括話音、圖像和監(jiān)控等多個子系統(tǒng)。話音和圖像子系統(tǒng)一般包括話音、圖像數(shù)據(jù)處理單元，話音、圖像終端，模擬話音、圖像處理單元，話音、圖像數(shù)據(jù)記錄回放單元；而監(jiān)控子系統(tǒng)通常包括監(jiān)控處理計算機等。一般來說，天地通信中心天地話音、圖像信息。話音、圖像數(shù)據(jù)處理單元作為數(shù)據(jù)交換中心，采用網(wǎng)絡(luò)接口，完成 USB 和中繼鏈路話音、圖像數(shù)據(jù)的雙向收發(fā)處理。

模擬話音、圖像處理單元與各話音、圖像終端的音頻接口以及需要使用這些信息的用戶群組相連，完成各類航天器下行、地面上行模擬話音的分配、匯集。將進入不同航天器用戶組的選優(yōu)話音接入數(shù)字擴聲系統(tǒng)，完成向多指揮廳的擴聲。將圖像信息進行處理后，送指揮廳的大屏幕進行顯示，同時也可以發(fā)送圖像信息到指揮顯示網(wǎng)絡(luò)，供相關(guān)用戶使用。

監(jiān)控子系統(tǒng)主要完成對話音、圖像設(shè)備和天地通信系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控，話音圖像數(shù)據(jù)記錄回放單元完成話音圖像數(shù)據(jù)的記錄與記錄數(shù)據(jù)文件的回放。

2)天地通信中心系統(tǒng)多目標支持原理

1）多鏈路多航天器多格式上下行（前返向）話音、圖像數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。天地通信中心可以依據(jù)不同航天器的飛行計劃和空間位置，由監(jiān)控處理計算機按照預(yù)先制定的上行數(shù)據(jù)發(fā)送策略，控制話音、圖像數(shù)據(jù)處理單 元，使其經(jīng) 由中繼衛(wèi)星 鏈路和（或）USB鏈路同時向正在跟蹤的多個航天器發(fā)送多種格式的上行話音和圖像數(shù)據(jù)；并使其接收處理來自中繼鏈路、USB鏈路的多航天器多格式天地話音和圖像數(shù)據(jù)。

2）話音和圖像終端基于網(wǎng)絡(luò)的熱備份。話音和圖像終端備份采用基于網(wǎng)絡(luò)的n+k（n=2k）工作模式，其中n為工作的話音和圖像終端數(shù)量，k為熱備份的話音和圖像終端數(shù)量，這樣保證了話音和圖像終端可冗余備份并動態(tài)切換。按監(jiān)控處理計算機指令，可同時轉(zhuǎn)發(fā)最多n+k路多航天器多鏈路天地話音、圖像數(shù)據(jù)至終端并解碼。

3）話音和圖像終端設(shè)計為多格式自適應(yīng)解碼方式。話音和圖像終端能依據(jù)數(shù)據(jù)中的標志碼，判斷識別數(shù)據(jù)格式并自適應(yīng)解碼。這樣針對不同航天器數(shù)據(jù)，可分時使用同一終端進行解碼。

4）用戶分組和數(shù)字擴聲系統(tǒng)的動態(tài)可配置。解碼恢復(fù)的模擬話音在靈活的用戶分組和動態(tài)可調(diào)數(shù)字擴聲系統(tǒng)的共同作用下，可以保障地面中心多個指揮廳與多航天器協(xié)同指揮通信，或各自獨立成組進行組內(nèi)雙向通信。