研制数据中继卫星，需要攻克众多特有的关键技术，难度极大，故其发展相对缓慢。美国从提出中继卫星概念到发射第一代中继卫星首星，间隔约20年，再到第二代星座首星发射，又间隔了17年。

总体而言，数据中继卫星技术发展路线是采用更先进的卫星平台，升级天线，采用新型无线电频段技术和链路调制体制等，提升卫星综合能力，向用户提供类型更多、功能更强的服务。与此同时，近地航天任务、深空探测任务以及临近空间、低空超高速飞行等不同应用场景都对中继卫星提出了不同的服务要求，推动中继卫星由传统全功能型向专业型方向发展。各航天大国通过创新体系架构，采用新型网络技术和星座技术，持续推动新一代数据中继卫星系统建设，完备中继卫星体系，满足未来航天任务需求。

01

什么是中继卫星

中继卫星是用于转发地球站对中、低轨道航天器的跟踪测控信号和中继航天器发回到地面信息的地球静止通信卫星，它的全名应该叫跟踪和数据中继卫星。通俗的讲，中继卫星就是在太空静止轨道上专门负责天地之间、前后左右之间数据传输的中转站。

理论上讲，所有卫星都具有中继传输数据信息的功能，而专门叫做中继卫星，是因为其在太空轨道的高度、位置和主要作用决定的。当卫星位于赤道上空36000公里这个高度时，其绕地球飞行的角速度可以被控制到同地球自转的角速度一致，这样从地面上看，这颗卫星就像是静止在太空一样，这时的卫星我们就叫它地球同步轨道卫星或定点卫星，我们今天所说的中继卫星通信就是利用了定点、同步、静止这一轨道卫星的特性实现的。

一般的通信卫星作为空中转发站时，两头服务的对象都是地面站，所以还不能完全叫中继卫星，而中继卫星则在地球同步轨道上运行，既能直视中、低轨道用户航天器，又能直视地面站，服务对象是运行于中、低轨道的用户航天器，是沟通用户航天器与地面站的桥梁，这是中继卫星系统的一个重大独特之处。它能够为卫星、飞船等航天器提供数据中继和测控服务，极大提高各类卫星使用效益和应急能力，能使资源卫星、环境卫星等数据实时下传，为应对重大自然灾害赢得更多预警时间。所以，中继卫星又被称为“卫星的卫星”。

中继卫星是随着太空中航天器种类和数量的增多产生的。因为对大量航天器跟踪和控制的任务越来越重，数据传输的量也越来越大，单靠地面测控站是很难完成这么巨大的数据传输任务的，即使是在全球布设了测控网的美国，对载人航天器这样的中低轨道航天器的控制，其轨道覆盖率也只能达到15%，所以，为及时有效地完成对航天器的管理和数据收集工作，数据传输量大的中继卫星便应运而生了。

中继卫星具体作用主要有以下四个方面：一是跟踪、测定中、低轨道卫星。为了尽可能多地覆盖地球表面和获得较高的地面分辨能力，许多卫星都采用倾角大、高度低的轨道。中继卫星几乎能对中、低轨道卫星进行连续跟踪，通过转发它们与测控站之间的测距和多普勒频移信息实现对这些卫星轨道的精确测定；二是为对地观测卫星实时转发遥感、遥测数据。气象、海洋、测地和资源等对地观测卫星在飞经未设地球站的上空时，只能把遥感、遥测信息暂时存贮在记录器里,而在飞经地球站时再转发。而利用中继卫星便可以实时地把大量遥感和遥测数据转发回地面；三是承担航天飞机和载人飞船的通信和数据传输中继业务。地面上的航天测控网，平均仅能覆盖15%的近地轨道，航天员与地面上的航天飞行控制中心直接通话和实时传输数据的时间有限。两颗适当配置的中继卫星能使航天飞机和载人飞船在全部飞行的85%时间内保持与地面联系；四是满足军事特殊需要。以往各类军用的通信、导航、气象、侦察、监视和预警等卫星的地面航天控制中心，常须通过一系列地球站和民用通信网进行跟踪、测控和数据传输。中继卫星可以摆脱对绝大多数地球站的依赖，而自成一独立的专用系统，更有效地为军事服务。

中继卫星有三个突出的特点：一是覆盖率高。中继卫星系统极大地提高对中、低轨航天器的测控和数传的覆盖率，例如：对于一颗轨道高度为500km的卫星，如在国内设多个站，每天可测控时段只有30min～40min，而设置一颗中继卫星可将这一时间提高到10h以上，利用多颗中继星(如3颗)组网形成系统后，可实现对中、低轨航天器的全轨道覆盖，大大提高了卫星效能；二是实时性好。可提供与载人航天器的实时联系。可实时获得中、低轨航天器观测地球产生的数据和图像，增加其实效性。能实时监控这些航天器，可明显提高其生存能力；此外和用户航天器一起，可具备提供实时观测境外热点地区突发事件的能力；三是效费比高。如果用扩大地球站网络来增加覆盖性和实时性，例如：对于轨道高度约300km的卫星，为了满足100%覆盖，必须在地球上设100多个站来实现，但实际上，考虑到经费、地理环境和政治因素，这根本不能实现。中继卫星可大幅度减少地面站、测量船的数量，具有很大的终济优势。

02

以技术发展推动卫星性能提升

数据中继卫星的主要载荷是天线阵列，传统全功能型中继卫星技术发展主要体现在单址信道性能、天线配置、数传速率等方面的提升。

美国第一代中继卫星载荷包括1副由30个螺旋天线单元组成的S频段多址链路相控阵天线以及2副4.9米口径的可转动式S、Ku双频段单址链路抛物面天线。星间链路工作在S、Ku双频段，星地链路工作于Ku频段，S频段多址接入前向与返向速率300千比特/秒，单址接入最高传输速率10兆比特/秒，Ku频段单址接入前向速率25兆比特/秒，返向速率150兆比特/秒。

经过第二代系统过渡，美国第三代中继卫星性能有较大提高，采用了波音公司BSS-601HP平台，同样搭载2副单址天线和1副多址相控阵天线，单址天线提供Ku、Ka和S频段通信，相控阵天线采用新的S频段多址天线技术，并引入低密度奇偶校验码、Turbo乘积码、8PSK调制等新调制形式，Ka频段对单址用户的传输速度达到800兆比特/秒。

激光通信技术可以极大提高数据传输速率，实现通信载荷的小型化、轻型化和低功耗，提高接收灵敏度，同时具有保密性好、抗干扰和抗截获能力强的优点，是中继卫星技术发展的重要方向。由于受大气湍流影响很大，激光通信主要应用于星间链路，已进入实用化阶段。美国第四代中继卫星研制阶段已明确增加激光链路，其激光终端传输速率可达72兆比特/秒～2.88吉比特/秒，未来应用于中继卫星时，速率有望超过10吉比特/秒。

欧空局在中继卫星激光链路技术领域可谓全球领先，2001年发射的第一颗技术试验型中继卫星配备激光通信载荷，从2003年4月开始为法国SPOT-4光学卫星和欧空局Envisat雷达卫星提供高速数据传输服务，其中SPOT-4卫星使用激光中继链路。

自2016年开始，欧空局发射部署第二代中继卫星。其中，EDRS-A卫星配置2副单址天线，分别提供激光和Ka频段星间通信链路，激光返向数据传输速率最高达1.8吉比特/秒，Ka频段返向最高达300兆比特/秒；EDRS-C卫星只有激光通信终端，指标与EDRS-A卫星相同。

日本卫星激光通信技术发展非常迅速。2002年日本发射第一代数据中继卫星，配备S和Ka频段星间链路，传输速率240兆比特/秒。2020年日本发射第二颗数据中继卫星，直接跨入光通信阶段，采用光通信与射频通信相结合方案，联合使用激光和S、Ka频段，与“先进光学卫星”等低轨侦察卫星共同建立中继链路，激光通信速率达到1.8吉比特/秒。

随着认知无线电和软件定义无线电技术成熟，星载器件能力提升，中继卫星链路将根据干扰状况、大气环境状态等进行自适应实时调整，实现链路参数与环境状态的最佳匹配，提高数据传输容量，还能根据系统使用情况，通过软件加载手段，随时升级和改进链路调制体制。

03

构建新型数据中继卫星体系架构

我们先简单盘点一番各国中继卫星体系的现状。

目前美国正发展第三代中继卫星系统，其第一代中继卫星TDRS-1和TDRS-4已离轨报废，其余4颗卫星仍在轨服役，第二代和第三代各3颗卫星均正常运行，共计10颗中继卫星在轨，建成了世界上系统最完备、应用规模最大的中继卫星体系，实现了全球覆盖，用户航天器接入系统日均近千次。

俄罗斯中继卫星系统目前有3颗第二代“射线”卫星在轨服役，定点于东、中、西3个节点（东经167度，东经95度，西经16度），实现准全球覆盖，用户航天器接入系统日均近百次。

欧空局中继卫星系统由2颗地球同步卫星和地面系统组成，卫星定点于东经9度和东经31度附近，实现区域覆盖，用户航天器接入系统日均数十次。

日本有1颗中继卫星在轨，达到区域覆盖，用户航天器接入系统日均数十次。

2021年12月，中国天链二号02星发射升空，与天链一号星座、天链二号01星协同工作，由此，中国发射中继卫星达到7颗，建成世界上第二个全球覆盖的中继卫星系统。

如果说天链一号卫星实现了我国中继卫星从无到有，那么天链二号卫星就是我国中继卫星从有到强的开始。

7月13日0时30分，在西昌卫星发射中心，长征三号乙运载火箭将天链二号03星送入太空，卫星随后准确进入地球同步转移轨道。

这一刻意义非凡，它标志着我国第二代地球同步轨道数据中继卫星成功组网运行，可具备满足中低轨道航天器全球覆盖的能力，并提供24小时无间断通信。

随着天链二号03星的成功发射，我国中继卫星数量增加至8颗，“中继卫星天团”阵容再次升级。

与第一代中继卫星相比，第二代中继卫星是一次跃迁式的升级。

首先是扩大服务目标用户数量。相比于天链一代卫星，天链二代卫星可以同时为多出几倍的用户提供服务，且覆盖范围更加广泛，可以实现为200公里~2万公里轨道高度以内的用户航天器服务。同时，中继卫星对在轨用户的实时管控能力和接入能力也得到极大的提升。

其次是提高卫星在轨机动能力。为应对卫星多轨位变化需求，天链二号02星和03星由适应单区单轨位工作改进为可适用于多区多轨位工作的设计，即可以适用于轨道上现有的全部轨位，这大大提高了卫星在轨道上的机动能力。

此外，卫星平台的适应性和兼容性也有所增强。天链二号02星和03星启动研制时，核心单机都已实现国产化，且产品性能稳定。同时，卫星研制团队通过对卫星架构设计以及硬件与软件的通用化、模块化设计等手段，使得卫星平台的硬件设备与主要软件系统功能完备、适应性兼容性强，达到“去任务化”的目的。

必须认识到，各国由于应用需求的差别，中继卫星系统规模和体系架构有较大差异。

美国运行着世界上最庞大的空间和地面航天基础设施。为支持本国及国际合作伙伴运行的空间任务，巨大需求催生了最庞大的天基中继体系，向各类用户提供测控和通信服务，尤其是满足载人航天的全时测控和通信保障需求。为了实现天地测控一体化，与地面测控网的测控频段保持一致，美国重点发展S频段测控技术。

苏联时期建有庞大的空间基础设施，大力发展载人航天事业，建成了规模庞大的数据中继卫星体系。不过，2000年以后，受经费限制，俄罗斯航天活动收缩，其中继卫星数量也缩减很多。

相比昔日美苏两强，欧空局的空间基础设施数量较少，不能独立开展载人航天任务，研制中继卫星，主要是为了向卫星提供高速下行数据链路，为卫星、载人航天器和运载火箭跟踪提供低速下行链路业务，发展重点是微波和光通信技术在星间链路中的应用。

另一方面，随着卫星技术发展，除了传统全功能型，数据中继卫星也在向分布式、专业化方向发展。

欧空局EDRS-A和EDRS-C都不是独立的数据中继卫星：EDRS-A作为功能独立的中继载荷，搭载在通信卫星上；EDRS-C既是中继卫星，又搭载了其他功能的通信载荷，共用平台。欧空局这种专用卫星与多功能载荷相结合的形式使中继卫星系统构建更加灵活多样，提高了系统弹性。

随着小卫星技术发展以及分布式天基系统建设思路逐渐成熟，美国提出，下一代数据中继卫星将不会把全部新技术集成到1颗卫星上，而是在新构架下将不同的服务在多个航天器上实现。这种“分离”方式可以独立补充现有的卫星服务能力，还可以根据需求和技术成熟度来提供新服务。

因此，下一代中继卫星可能向全功能型、中继和移动型、测控与导航型、高速数据中继与通信型等多个专业方向发展，以星座组网方式提供数据传输、中继等服务。拓展行星际通信中继在深空探测活动中，由于距离十分遥远，探测器的重量和功率受到极大限制，研制专用中继卫星是提高探测能力的必要途径。此外，在一些特定的探测区域和时段，探测器无法与地球直接联系。如月球背面始终背朝地球，月球南极约有一半时间在地球上不可见；火星、木星等行星轨道面与地球相近，以不同公转周期运转，会存在连续几个月的太阳阻隔干扰期，探测器将长期与地球失联。发射专用中继卫星是解决这些问题的关键。

“嫦娥四号”任务实现了探测器首次月球背面软着陆，成功前提就是发射鹊桥中继卫星。2018年5月，鹊桥中继卫星发射升空，进入绕地月L2点的Halo轨道。该轨道位于距地球40多万千米、距月球6.5万千米的地月延长线上，地月两大天体的引力和离心力在此达成巧妙平衡，“鹊桥”仅用少量燃料，即可保持平稳，同时“看见”月背与地球。

2019年1月3日，在“鹊桥”的支持下，嫦娥四号探测器顺利着陆在月球背面预定区域，并把月背近景和玉兔二号月球车的工作影像传回地面。在整个任务过程中，“鹊桥”为“嫦娥四号”搭建起地月通信“生命线”，确保通信和数据传输链路畅通，保障着陆器和巡视器载荷顺利开机，开展科学实验项目，并将大量科学探测数据传回地球。

在中国火星探测任务中，天问一号探测器环绕器配置2.5米口径的高增益天线，在与着陆巡视器分离后，调整进入中继通信轨道，实施为期约3个月的中继通信任务，构建起着陆巡视器与地球测控站的通信链路，向地面传回火星表面图像。

2021年11月，中欧火星探测器开展在轨中继通信试验，由祝融号火星车向欧空局火星快车轨道器发送测试数据，再由“火星快车”将数据转发给欧空局深空测控站，转发至北京航天飞行控制中心，试验取得圆满成功。天问一号探测器环绕器在此试验期间功不可没。

人类逐步进入“深空大航海”时代，抵近太阳探测、月球探测、火星探测、木星探测、太阳系边缘探测等方兴未艾，行星际测控通信导航是人类开拓星空所面临的重要问题。

美国通过空间通信与导航网络建设，已具备综合空间通信与跟踪能力，实现全天时深空通信能力，通过持续发射服务月球、火星等任务的中继卫星，逐渐覆盖太阳系范围，保障任意时间、任意位置的地球与月球、地球与火星的通信连通性。

中国正在研制、发射通用的星际中继通信卫星星座，打造全球深空探测通信基础设施，铺就人类“星际互联网”，未来有望为金星到小行星带乃至木星轨道范围内的各类深空飞行器提供无缝覆盖的商业化测控通信导航服务。

未来，星际间通行中继网络将成为人类遨游星空的基础支撑。

文章来源： 太空探索，生态瞭望者，中国航天报