蘇聯／俄羅斯數據中繼衛星系統評述

王家勝

（中國空間技術研究院，北京 100094）

1 引言

2012年天鏈一號03 衛星發射成功并投入運營，標志著我國第一代地球靜止軌道（GEO）中繼衛星三星組網系統順利建成。它具有準全球覆蓋能力（對低軌航天器用戶可提供100%軌道覆蓋），今后還將進一步發展。確切了解各航天大國的中繼衛星發展狀況，對我國在國際上這一領域中的定位和今后的研發都具有借鑒意義。

蘇聯／俄羅斯（以下簡稱俄羅斯）曾研制了世界上第一顆人造地球衛星，在航天領域有過輝煌的歷史和業績。到目前為止，它仍是發射航天器總數最多的國家。在數據中繼衛星（以下簡稱中繼衛星）方面，它在1982年就發射了第一顆軍用衛星“急流”（Potok-1，即宇宙-1366），是最早開發這種衛星的國家之一（美國同類衛星的衛星數據系統-1（SDS-1）在1976年發射）。

俄羅斯中繼衛星系統分軍用和民用兩大類，均是GEO 衛星系統，研制單位為列舍特涅夫信息衛星系統公司（ISS-Reshetnev，過去稱NPO Prikladnoi Mekhaniki、或NPO PM）。此外，由于其本土緯度較高的原因，俄羅斯一直大力發展大橢圓軌道（HEO）通信衛星系統，這種衛星也易被猜測為具有中繼衛星功能。下面分別進行評述。本文未包括俄羅斯在早期通信衛星上搭載簡單中繼轉發器的內容。

和美國的中繼衛星系統不同，俄羅斯中繼衛星系統的相關資料較難收集。國內這方面編譯的情報資料較少，且存在一些過時和誤解之處。本文一方面試圖在盡可能多且新的資料積累的基礎上，給出俄羅斯中繼衛星系統發展較為準確和明晰的描述；另一方面，重點從專業技術的層面上，給出分析和評論意見。此外，盡量給出了有關內容的出處，以便于讀者進一步查詢和分析。對于出現相互矛盾材料的情況，盡量選取較可靠、較新或較多來源發布的信息。

2 軍用GEO 中繼衛星系統

2．1 第一代“急流”（Potok）衛星系統

由于發展戰略方面的原因，其軍用中繼衛星早于民用中繼衛星。從1982-2000年總共發射了10顆“急流”GEO 軍用中繼衛星，“急流”衛星的外形如圖1所示，其發射時間、軌道傾角、軌位和起飛質量等信息見表1。它的主要功能是對“琥珀”（Yantar-4KS1和Yantar-4KS1M 等）偵察衛星提供中繼服務。此外，它還承擔著地球站之間的通信任務［1］。

圖1 “急流”軍用中繼衛星Fig．1 Potok military data relay satellite

表1 “急流”軍用中繼衛星Table 1 List of Potok military data relay satellite

Potok系統在國際電聯（ITU）登記了三個軌位：13．5°W、80°E和168°W，但從未使用過第三個軌位［1-2］。也就是說，此系統在最佳狀態（兩個軌位都有衛星工作時）衛星間經度差只有93．5°左右，不可能對用戶航天器形成全球覆蓋（對各種軌道的用戶航天器提供100%軌道覆蓋）或準全球覆蓋能力。

衛星系統的地面管控站位于莫斯科附近的科納科沃（Konakovo）。衛星采用KAUR-4 平臺，由圓柱形的密封艙構成，采用三軸穩定控制，姿控精度0．1°，天線指向精度0．5°，太陽翼面積約40 m2，設計壽命較短（約3～5年），其有效載荷工作在C 頻段。從圖1可見，衛星無大型反射面天線，主天線是在八邊形平面上的相控陣天線。俄羅斯專家曾在國際衛星通信會議上報告了“急流”衛星用于民用甚小口徑天線終端（VSAT）系統的情況，給出了其部分有效載荷性能，如表2所示［3］。

表2 “急流”衛星部分有效載荷性能Table 2 Some payload characteristics of Potok satellite

從表1和表2可看出：

（1）可能是由于技術方面的原因，不同衛星的軌道傾角差別較大，在0．3°～13．7°之間。考慮到衛星設計壽命較短，估計它們在軌不進行南北位置保持；

（2）只利用了13．5°W 和80°E（包括附近）的軌位，且主要使用軌位是80°E，較多的“急流”衛星在初始定點位置都在此軌位。在軌工作期間也有軌位變化的情況，但基本上是在這兩個軌位附近換位；

（3）從衛星的起飛質量數據判斷，在“急流”衛星研制和使用中可能經歷過三次改進（或改動）：前五顆星重約2000kg，第6、7顆增加150kg，第8、9顆再增加150kg，第10顆最重，達2400kg；

（4）有效載荷指標不高，轉發器（信道）數少，EIRP值和G／T值都不高，特別是帶寬很窄（20 MHz和10 MHz），這說明中繼能力（或數據傳輸速率）較低；

（5）由于天線波束寬度較寬，估計只有程序跟蹤功能。

2．2 第二代“魚叉”（Garpun）衛星系統［2，4］

可能是由于經濟方面的原因，在本世紀初俄羅斯軍用中繼衛星出現了“斷檔”現象，即沒有軍用中繼衛星在軌工作。這一現象維持了幾年，直到2011年9月，第二代“魚叉”衛星的首顆星發射成功。發射時運載火箭使用了微風-M（Briz-M）上面級，直接將衛星送入GEO 軌道。衛星定點于80°E，這是俄羅斯目前唯一在軌運營的軍用中繼衛星。

“魚叉”衛星用于為“芍藥”（Pion）和“荷花”（Lotos）等新一代軍事偵察衛星提供服務。沒有得到它的外形和技術參數等方面的信息。考慮到它比最后一顆“急流”衛星的發射要晚約11年，在技術上應有明顯的進步。據報道俄羅斯還計劃發射第二顆“魚叉”衛星，定點于13．5°W。到那時候，俄羅斯將恢復到20世紀90年代中期的規模。

3 民用GEO 中繼衛星系統

俄羅斯曾把它的民用GEO 中繼衛星系統規劃為衛星數據和中繼網絡（SDRN），分別為西部網、中部網和東部網。為此，在國際電聯登記了三個軌位：16°W、95°E和160°W，分別配屬前述三個網。到目前為止，只在前兩個軌位（或附近）布置過衛星，從未使用過160°W 的軌位（即東部網沒有實際存在過）［5-7］。在系統的最佳狀態（兩個軌位都有衛星工作）衛星間經度差只有111°左右，沒有對用戶航天器形成全球覆蓋或準全球覆蓋。

這一系統的衛星被稱為“射線”（Luch或Loutch，本文用前者），“射線”原是其中繼轉發器的名稱，后被用來稱呼整個衛星。例如：Luch（即Altair）、Luch-1、Luch-2、Luch-5和Luch-4等。

關于俄羅斯民用中繼衛星如何分代問題，文獻中有不同的描述。本文按使用的衛星平臺來劃分，這樣較為合理。

3．1 基于KAUR-4 平臺的第一代“射線”衛星（Luch-1、Luch-2和Luch-11L等）

第一顆星（Luch-11L，即Altair-1或宇宙-1700）于1985年10月發射。從1985-1995年總共發射了5顆衛星。它們雖然被冠以了不同的名稱，但都使用了KAUR-4衛星平臺，即和“急流”軍用中繼衛星選用的平臺相同。第一代“射線”衛星的外形如圖2所示。5顆衛星的一些技術參數如表3所示［5］。

圖2 第一代“射線”民用中繼衛星Fig．2 First generation of Luch civil data relay satellite

表3 第一代“射線”民用中繼衛星表Table 3 List of Luch civil data relay satellite

第一代“射線”衛星主要用于和平號空間站與地面運控中心之間的通信聯系，它也提供一般的衛星通信業務，例如：電話、電視會議，實時電視轉播和交換，在境外或邊遠地區出現災害情況下的應急通信，為俄海軍提供船艦移動通信等［2，6］。

衛星的總體和有效載荷的部分特性見表4和表5。表4中主要數據來源于作者2004年訪問在俄羅斯鐵山城（Zheleznogorsk）負責研制“射線”衛星的機構列舍特涅夫應用力學科學研究生產聯合體（NPO PM）時獲得的材料［8］，從獲得的時間判斷，它應是其最后一顆星Luch-2的性能，較早的Luch衛星部分指標低于表中數據（如姿控精度、軌道傾角和壽命等）。表5中數據主要來源于文獻［9］，其作者是德國和俄羅斯的第二次和平號空間站載人航天合作項目的成員，他們參加了通過“射線”衛星將和平號上的信息實時中繼到德國地球站上的試驗。他們對“射線”衛星性能比較了解，提供的資料應比較可信。

衛星有3副可展開的前饋拋物面網狀天線，其直徑為1．6 m、3．0 m 和4．5 m，分別工作在15GHz／14GHz，15GHz／11GHz和0．9GHz／0．7GHz；其金屬網是在基輔的佩頓材料科學研究所（Paton Material Science Institute）研發［10］。此外，衛星在對地面還有一個20元天線陣（尺寸約2．2m×2．2m），工作于0．4GHz／11GHz，其波束寬度為15°×17°［8］。

表4 第一代“射線”衛星主要總體性能表Table 4 Main system characteristics of first generation Luch satellite

表5 第一代“射線”衛星主要有效載荷性能表Table 5 Main payload characteristics of first generation Luch satellite

此衛星系統的地面管控站位于莫斯科和哈巴洛夫斯克。

從圖2和表3～5可知：

（1）和“急流”衛星的情況一樣，衛星的軌道傾角都不在0°附近（2．48°～7．7°），而且離散度較大；

（2）只利用了所登記的95°E 和16°W（包括附近）的軌位（最后一顆星占用了俄羅斯一般通信衛星的軌位77°E，其原因不詳），主要使用軌位為95°E，也有和“急流”衛星類似的軌位變化情況；

3）5顆衛星有3種起飛質量，并和發射時間相近的“急流”衛星重量相同，估計這和所使用的同一平臺（KAUR-4）的技術狀態變化（或改進）有關；

4）有效載荷指標方面：最高工作頻段為Ku頻段，EIRP值和G／T 值都不算高，轉發器帶寬仍較窄（最寬為50 MHz），這說明中繼數傳速率較低。三副網狀反射面天線均未如美國第一代中繼衛星（TDRS）那樣實現雙（或三）頻段共用，這樣雖減少了研制難度，使用中也增加些靈活性，但在同樣功能下，衛星質量明顯增加，整星綜合性能不高；

5）從表4中的軌道傾角指標判斷，這種衛星也不進行南北位置保持。

3．2 基于“快訊”（Ekspress）-1000A 平臺的第二代“射線”衛星（Luch-5）

由于經濟方面的原因，1995年11 月起就再沒有發射第一代“射線”衛星，其最后一顆星（Luch-2）在1998年就停止了工作［7，11］；從那時候起，俄羅斯已無在軌運營的民用中繼衛星。在相當一段時間內，“國際空間站”（ISS）上的俄羅斯艙只能借助于美國“跟蹤與數據中繼衛星系統”（TDRSS）來擴大測控和通信的覆蓋范圍。后來俄羅斯經濟形勢好轉，從2005年開始研制工作壽命達10年的第二代“射線”衛星，命名為Luch-5。

按計劃，要研制兩顆Luch-5衛星：Luch-5A 和Luch-5B。其外形如圖3所示。Luch-5A 已于2011年12月發射，定點在95°E，軌道傾角4．2°［12］。主要用于ISS和地面控制中心之間的電視和數據中繼，也對低軌衛星提供服務。Luch-5B 衛星也已于2012年11月3日發射，預計定點位置16°W。這兩顆衛星都投入運營后，將形成經度間隔111°的雙星系統，由于經度間隔仍太窄，不具有全球覆蓋或準全球覆蓋能力。

Luch-5衛星采用Ekspress-1000A 平臺，它是一種小型通信衛星平臺Ekspress-1000的改型。它裝有2副展開式網狀反射面天線，一副工作于Ku頻段，另一副工作于S頻段。從圖3可見，其對地面還裝有3副大小不同的4元螺旋天線陣和一個喇叭天線（估計為星地鏈路天線）。Luch-5A 的主要總體性能見表6［11］。

表6 Luch-5A衛星主要總體性能表Table 6 Main system characteristics of Luch-5Asatellite

由于選用了帶有上面級的Proton-M／Briz-M運載火箭，衛星直接被送入GEO。這也是第二代“射線”衛星發射質量明顯低于第一代的原因。

Luch-5的部分轉發器由歐洲泰雷茲-阿萊尼亞航天（Thales-Alenia Space）公司提供，包括Luch-5A 的6路轉發器和Luch-5B的4路轉發器（均為S和Ku頻段）［13］。衛星在Ku頻段和S頻段的最高數據傳輸速率分別為150 Mbit／s和5Mbit／s，和第一代“射線”衛星相比，它已有明顯的提高。

從外形上看，它已和美國第一代TDRS 類似，但在技術上至少有兩點差別：其一是大天線未實現S／Ku雙頻段共用，其二是沒有多址天線。

3．3 基于“快訊”（Ekspress）-2000平臺的第三代“射線”衛星（Luch-4）［11］

2008年俄羅斯決定啟動技術更先進的Luch-4衛星的研制，該衛星打算選用更大、更先進的Ekspress-2000平臺，發射質量約3t，裝有Ka頻段星間鏈路轉發器和個人移動通信系統的試驗轉發器。原計劃于2013年12月發射1顆，和Luch-5A 和Luch-5B一起形成三星組網系統，以具有和美國TDRSS相似的全球覆蓋能力。但在2011年底，俄聯邦航天局宣布至少暫停這一計劃到2015年，同時將此項目轉為“葉尼塞”（Yenisey）研發項目，研制一顆技術試驗衛星Yenisey-A1，用來試驗新的大型天線等新技術。作為補償，將再生產一顆第二代“射線”衛星，命名為Luch-5V。其計劃的發射時間多次推遲，最新的期限是2014年3月。俄羅斯中繼衛星三星組網、全球覆蓋（或準全球覆蓋）的目標最早要到那時才能實現，而第三代“射線”衛星的研制將明顯推遲。

4 大橢圓軌道（HEO）通信衛星系統［14］

由于俄羅斯本土緯度較高，俄羅斯一直大力發展HEO 通信衛星系統，發射了很多這樣的衛星，如早期的“閃電”（Molniya）和后繼的“子午線”（Meridian）等。俄羅斯人首先提出并使用了這種大橢圓軌道（又稱為Molniya軌道），但設計的軌道近地點幅角都定在270°，只用于其本土、周邊和北極地區的通信，未用作中繼衛星。

從理論上講，這種衛星也可組建中繼衛星系統，但對衛星平臺、衛星天線、星上部件的抗輻射特性和地面設施都有高的要求（特別是對要求準全球覆蓋或高速率數據傳輸的情況）。如果不附加對高緯度地區地面（或水面）服務的要求，HEO 系統將不是一種好的選擇。

5 結束語

俄羅斯中繼衛星系統的發展經歷了一個V 字形的過程，它發展較早，有曾在18 年中發射15 顆軍、民用中繼衛星的光輝歷史。20 世紀末蘇聯解體，經濟十分困難，俄羅斯在這一領域的活動跌到了最低谷，本世紀初出現了有幾年無在軌工作中繼衛星的狀態。直到2011年下半年，才又重新開始發射活動，至今已有軍用1顆、民用2顆衛星在軌運行，并計劃在今后一年內再發射1顆軍用衛星，其恢復勢頭十分強勁。

雖然俄羅斯在很早就規劃建立全球覆蓋（或準全球覆蓋）的中繼衛星系統，并申請了相關軌位。但只占用過13．5°W 和80°E、16°W 和95°E（或附近）兩組軌位，最大經度差111°，未形成全球覆蓋（或準全球覆蓋）能力。但俄羅斯已公布了達到這一目標的計劃：它最早有可能在2014年3月實現。

應該指出，俄羅斯在2000年以前發射的衛星并不是嚴格意義上的中繼衛星（完成航天器和地球站之間的通信），而是用于中繼和一般衛星通信（完成地球站之間的通信）的混合衛星。星間鏈路使用的頻率也是國際電聯規定的星地衛星通信頻率。由于有這一局限，其轉發器的性能更趨于一般通信衛星。去年發射的衛星在這方面估計已有明顯進步。

從獲得的數據判斷，最高工作頻段為Ku頻段，有效載荷指標不高：特別是2000 年以前發射的衛星，其EIRP值和G／T 值都不算高，轉發器帶寬最寬也只有50 MHz，這直接限制了中繼數傳速率。此外，主要天線都是單頻段天線，這在某種程度上限制了衛星綜合性能的提高。去年發射的兩顆衛星性能有較大的進步，如最高數傳速率為150Mbit／s，但和美國第一代TDRSS相比，仍有一定差距；

俄羅斯有時利用運載火箭配備上面級的優勢，將衛星直接送入GEO。它采用較小衛星平臺（Ekspress 1000A）研制出了性能更好的第二代民用中繼衛星Luch-5，其發射質量不到第一代衛星的一半。這拓展了小型衛星平臺的應用思路，有一定優點。

和其他國家相比，俄羅斯在中繼衛星研制和運營上還有一些獨特的地方：如早期衛星的壽命較短，三軸穩定衛星平臺（KAUR-4）設計成圓柱形，衛星軌道傾角離散度較大，衛星在工作壽命期間軌位變化較多（有的為執行某一任務變化軌位，任務完成后再返回原位）等。上述獨特地方中有些是出于俄羅斯本國的國情，有些還有待進一步研究其技術原因，可能還有值得我們借鑒的地方。

（References）

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［3］Bakursky V，Guskov，Chetverik V N，et al．Satellite communications system using VSAT’s and Potok satellite transponder［C］／／Proc．of Intern’1Conf．on Satellite Communication 1994 （ICSC’94）．New York：IEEE，1994：69-73

［4］Russian Space Web．Garpun［EB／OL］．［2012-09-17］．http：／／www．russianspaceweb．com／garpun．html

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［10］Russian space web．Luch project［EB／OL］．［2012-09-29］．http：／／www．russianspaceweb．com／luch．html

［11］Russian space web．Luch-5and 4 project［EB／OL］．［2012-10-23］．http：／／www．russianspaceweb．com／luch5a．html

［12］N2yo com．Luch-5Asatellite details 2011-074B NORAD 37951［EB／OL］．［2012-09-17］．http：／／www．n2yo．com／satellite／？s＝37951

［13］Thales．Thales to supply repeaters equipment for Russian satellites Loutch 5A and Loutch 5B［EB／OL］．［2012-09-17］．http：／／www．thales．co．uk／press＿Releases／space＿PR＿Loutch＿19062007／？pid＝1650．htm

［14］Federation of American Scientists．Molniya［EB／OL］．［2012-09-21］．http：／／www．fas．org／guide／rassia／elliptical／molniya．htm