Datenrelaissatellit: Tracking- und Kontrollstation ins All verlegt

Am 13. Juli 2022 wurde der Satellit Tianlian-203 erfolgreich im Satellitenstartzentrum Xichang gestartet. Tianlian-2-03 wird einen globalen Netzwerkbetrieb mit den Satelliten Tianlian-2-01 und 02 realisieren und in der Lage sein, die globale Abdeckung von Raumfahrzeugen in mittleren und niedrigen Umlaufbahnen zu gewährleisten und eine ununterbrochene Kommunikation rund um die Uhr bereitzustellen.

Langer Marsch 3B startet Satelliten Tianlian-2

Aufbau weltraumgestützter Verfolgungs- und Kontrollstationen

Das Satellitenverfolgungs- und Datenrelaissystem ist ein System, das Datenrelais, kontinuierliche Verfolgung sowie Mess- und Steuerungsdienste zwischen Raumfahrzeugen in mittleren und niedrigen Umlaufbahnen sowie zwischen Raumfahrzeugen und Bodenstationen bereitstellt. Relaissatelliten, auch „Satelliten der Satelliten“ genannt, sind ein kleines, aber sehr wichtiges Mitglied der Satellitenfamilie. Sie befinden sich im Allgemeinen in einer geostationären Umlaufbahn und decken das Raumfahrzeug des Benutzers von oben bis unten ab.

In den Anfängen des Weltraumzeitalters stellte man fest, dass aufgrund der Erdkrümmung und der geradlinigen Ausbreitungseigenschaften von Radiowellen eine einzelne Bodenstation den Satelliten während des Flugs eines Satelliten in niedriger Umlaufbahn um die Erde nur in 2 bis 3 % der Zeit „sehen“ konnte und dass der Umlaufbogen und die Kommunikationszeit für Messung und Steuerung sehr kurz waren.

Um dieses Problem zu lösen, hat man das Mess- und Steuerungsnetzwerk erweitert und die Echtzeit-Mess- und Steuerungszeit von Raumfahrzeugen durch den Bau von Bodenstationen, Vermessungsschiffen und Flugzeugen verlängert. Dies ist jedoch kostspielig und die Wirkung ist mittelmäßig. Um bei Satelliten mit einer Umlaufbahnhöhe von 300 Kilometern eine 100-prozentige Abdeckung zu erreichen, müssen weltweit über 100 sinnvoll verteilte Bodenstationen errichtet werden, viele davon im Ausland oder auf hoher See.

Mit dem Vordringen der Menschheit in den Weltraum ist die Echtzeitkommunikation zwischen bemannten Raumfahrzeugen und Bodenkommandozentralen zum Schlüssel für die Sicherheit der Astronauten und den Erfolg bemannter Flugmissionen geworden. Durch den Ausbau des Bodenmess- und -regelnetzes allein kann der Bedarf nicht mehr gedeckt werden. Um das Problem grundsätzlich zu lösen, wurde das Konzept eines Relais-Satellitensystems vorgeschlagen, bei dem die Mess- und Kontrollstation in den Weltraum verlagert wird, um Echtzeit-Mess- und Kontroll- sowie Datenrelaisdienste für Raumfahrzeuge bereitzustellen.

Ein einzelner Relaissatellit, der in einer geostationären Umlaufbahn operiert, kann die meisten Raumfahrzeuge in einer niedrigen Erdumlaufbahn beobachten, und ein Netzwerk aus zwei Satelliten kann grundsätzlich den gesamten Luftraum in mittleren und niedrigen Umlaufbahnen abdecken. Relaissatelliten lösen das Problem der geringen Abdeckung von Bodenmess- und -steuerungsnetzen mit geringeren Kosten und weniger Bodenstationen. Sie können die Informationsübertragung an „unsichtbare“ Benutzer von bodengestützten Mess- und Steuerungssystemen realisieren, Verfolgungs- und Messdienste für Raumfahrzeuge bereitstellen und Relaisdienste für Kommunikation und Datenübertragung übernehmen, wodurch die Nutzungseffizienz und die Notfallreaktionsfähigkeiten von Raumfahrzeugen erheblich verbessert werden.

Da die Menschheit das Sonnensystem immer stärker erforscht, benötigen Sonden, die zum Mond und zum Mars fliegen, eine ununterbrochene Unterstützung bei der Messung, Steuerung und Datenrückmeldung. Darüber hinaus wird es notwendig sein, spezielle Datenübertragungs-Relaissatelliten auf dem Mond, dem Mars und der Erde einzusetzen, um bei der Erkundung der Tiefen des Weltraums Mess-, Steuerungs- und Kommunikationsunterstützung zu bieten.

Effizienzmultiplikator für Raumfahrzeuge

Relaissatelliten integrieren mehrere Funktionen wie Verfolgung, Messung und Steuerung sowie Datenweiterleitung und sind der Mittelpunkt der Informationsübertragung im Weltraum. Ein Datenrelais-Satellitensystem besteht im Allgemeinen aus zwei Satelliten in geostationärer Umlaufbahn, einer Bodenstation und Ausrüstung auf dem Benutzerraumfahrzeug. Benutzer-Raumfahrzeuge senden Telemetriedaten, Erkennungsdaten, Sprach-, Video- und andere Informationen über Intersatellitenverbindungen im S- und Ka-Band an Relaissatelliten, die sie dann zur Datenverarbeitung an Bodenstationen im Ku-Band weiterleiten.

Relaissatelliten haben viele Vorteile. Erstens wird die Orbitalabdeckung der Benutzerraumfahrzeuge erheblich verbessert. Mithilfe von zwei Satelliten und einer Bodenstation können 85 % der Umlaufbahnsegmente von Raumfahrzeugen in einer Höhe von 200 Kilometern und 100 % der Umlaufbahnsegmente von Raumfahrzeugen in einer Höhe von 1.200 bis 12.000 Kilometern abgedeckt werden. Dadurch werden die Mess- und Steuerungsgenauigkeit sowie die Datenübertragung des Raumfahrzeugs erheblich verbessert und die Signalübertragungs- und Interaktionsmöglichkeiten zwischen Satelliten und Boden verbessert, sodass Anomalien im Raumfahrzeug umgehend erkannt und Fehler behoben werden können.

Relais-Satellitennetzwerk deckt die gesamte Umlaufbahn ab

Bei bemannten Weltraummissionen können Relaissatelliten eine unterbrechungsfreie Kommunikation mit den Astronauten sicherstellen, Instrumente und Ausrüstung sowie die Arbeit des Personals jederzeit überwachen und Raumfahrzeuge in jeder beliebigen Umlaufbahnposition steuern, wodurch die Flexibilität der Aktivitätsplanung der Astronauten erheblich verbessert wird. Beispielsweise erhöhte sich nach dem Start von Tianlian-1-01 die Verfolgungs- und Kontrollabdeckung des Raumfahrzeugs Shenzhou VII von 18 % auf 50 %. Nach dem Start der Satelliten Tianlian-1 02 und 03 hat mein Land eine 100-prozentige Umlaufbahnabdeckung durch Raumfahrzeuge in mittleren und niedrigen Umlaufbahnen erreicht.

Das zweite Ziel besteht darin, eine zentrale Verwaltung der Raumfahrzeuge zu erreichen. Der Relaissatellit ist mit mehreren Hochleistungsantennen ausgestattet und verfügt über eine große Systemkapazität und hohe Verfügbarkeit. Es kann Raumfahrzeuge mehrerer Benutzer bedienen und verschiedene Arten von Raumfahrzeugen verwalten. Alle Raumfahrzeuge, die das Weltraumsegment abdecken, werden über die Bodenstation des Relaissatellitensystems verfolgt und gesteuert, was der Standardisierung der Verfolgungs- und Steuerungsdienste sowie der Verfolgungs- und Steuerungsausrüstung auf Raumfahrzeugen förderlich ist.

Drittens ist die Datenübertragungsrate hoch. Die Datenübertragungskapazität des Relaissatelliten zu Benutzerzielen und die Gesamtübertragungsrate zur Erde können den Gigabit/Sekunde-Bereich erreichen. Darüber hinaus besteht der Datenübertragungspfad hauptsächlich aus Vakuum. Unabhängig davon, wo das Raumfahrzeug des Benutzers operiert, kann der Relaissatellit Daten an die Bodenstation übertragen, wodurch die Anzahl der Zwischenübertragungsverbindungen reduziert wird und eine höhere Zuverlässigkeit und bessere Qualität gewährleistet wird.

Viertens ist es wirtschaftlich. Eine kleine Anzahl von Relaissatellitensystemen kann eine große Anzahl von Bodenstationen ersetzen, die zur Verfolgung und Steuerung von Raumfahrzeugen in mittleren und niedrigen Umlaufbahnen eingesetzt werden, insbesondere von Überseestationen und Messschiffen. Zudem kann die Fernkommunikation zwischen bodengestützten Standorten reduziert werden.

Gerade aufgrund dieser erheblichen Vorteile sind Datenrelaissatelliten für die großen Weltraummächte zu einer unverzichtbaren und wichtigen weltraumgestützten Infrastruktur geworden. Die Vereinigten Staaten, Russland, Japan, die ESA, China und andere Länder haben nacheinander Relaissatellitensysteme eingerichtet, die eine wichtige Rolle bei Weltraumaktivitäten spielen.

Überblick zu Overseas Development

Die Vereinigten Staaten starteten 1983 ihren ersten Ortungs- und Datenrelaissatelliten TDRS-1 und schlossen den Bau der ersten Generation von Datenrelaissatellitensystemen 1995 ab. Die Bodenanlagen bestehen hauptsächlich aus der White Sands Station, der Guam Station und dem Goddard Space Flight Center. Zu den weltraumgestützten Einrichtungen gehören sechs Satelliten im Orbit und die Abdeckungsrate der Mess-, Steuerungs- und Kommunikationsbahnen für Raumfahrzeuge in niedrigen Umlaufbahnen erreicht 100 %.

Das US-Space Shuttle setzt den weltweit ersten Relaissatelliten TDRS-1 frei

Anschließend setzten die Vereinigten Staaten weiterhin Datenrelais-Satellitensysteme der zweiten und dritten Generation ein. Die Leistungskonfiguration des Systems der zweiten Generation ist grundsätzlich dieselbe wie die der ersten Generation, und die Intersatellitenverbindung wechselt vom Ku-Band zum Ka-Band. Das System der dritten Generation hat die Satelliten- und Bodeneinrichtungen verbessert und aufgerüstet. Der Satellit verwendet eine fortschrittlichere Satellitenplattform und ein fortschrittlicheres Antriebssystem mit höherer Leistung und höherer Datenübertragungsrate. Das Bodensystem wurde einem Software- und Hardwareaustausch sowie Upgrades unterzogen und ist flexibel, skalierbar und aktualisierbar.

Die Vereinigten Staaten haben das weltweit am weitesten verbreitete, größte und leistungsstärkste Relaissatellitensystem im Orbit aufgebaut, das hauptsächlich Relaismess-, Steuerungs- und Datenübertragungsdienste im S-, Ku- und Ka-Band für Benutzer von Satelliten in mittleren und niedrigen Umlaufbahnen, der Internationalen Raumstation, Flugzeugen, Schiffen, Ozeanbojen usw. bereitstellt.

Das russische Strahlenrelais-Satellitensystem wurde 1982 gebaut und die Stationierung der ersten Generation, bestehend aus drei Satelliten, wurde 1989 abgeschlossen. Es bietet Mess-, Steuerungs- und Datenübertragungsunterstützung für Satelliten in niedriger Umlaufbahn, die Raumstation Mir, das Raumschiff Sojus und die frühe Raumstation Saljut.

Russischer Relaissatellit

Nach 1990 begann Russland mit der Entwicklung des Relaissatelliten der zweiten Generation, der im Wesentlichen die gleiche Konfiguration und Funktionen wie das System der ersten Generation hatte, aber nur einen Satelliten startete. Russland begann 2009 mit der Entwicklung von Relaissatelliten der dritten Generation und schloss bis 2014 die Stationierung von drei Satelliten ab. Das System der dritten Generation verfügt zusätzlich über S-Band-Intersatellitenverbindungen und Nutzlasten für den Empfang von GLONASS-Satellitensignalen und ermöglicht so integrierte und erweiterte Anwendungen mit dem GLONASS-System.

Die ESA begann 1989 mit der Entwicklung eines experimentellen Datenrelaissatelliten und startete ihn im Juli 2001 erfolgreich. Er wird hauptsächlich zur Überprüfung von Mikrowellen- und optischen Kommunikationstechnologien zwischen Satelliten und zur Bereitstellung von Datenrelaisdiensten für europäische Raumtransporter und Rendezvous- und Andockmissionen der Internationalen Raumstation, Erdbeobachtungssatelliten, polarumlaufende Plattformen und andere wissenschaftliche Satelliten eingesetzt.

ESA-Datenrelaissatellit

Im Jahr 2008 begann die ESA mit der Entwicklung des europäischen Datenrelaissatellitensystems EDRS, das aus den drei Satelliten EDRS-A, EDRS-C und EDRS-D sowie den entsprechenden Bodenstationen besteht. Es handelt sich um das weltweit erste praktische Hochgeschwindigkeits-Laserrelaissystem für den Weltraum.

Allerdings sind weder EDRS-A noch EDRS-C unabhängige Satelliten. EDRS-A wurde 2016 als unabhängige Nutzlast auf dem europäischen Kommunikationssatelliten Eutelsat 9B gestartet. EDRS-C, das weitere Kommunikationsnutzlasten trägt, wurde 2019 ins All geschossen. EDRS-D soll 2025 ins All starten.

Japan startete im Jahr 2002 den Datenrelais- und -verfolgungssatelliten, um Mess-, Steuerungs- und Datenrelaisdienste für Erkundungssatelliten, die Internationale Raumstation, das japanische Hope-Labor und andere Raumfahrzeuge bereitzustellen. Die Auslastung des Satelliten hat 99 % erreicht und er wird 2017 außer Dienst gestellt. Um der Nachfrage nach höheren Relaisraten gerecht zu werden, wird Japan Ende 2020 einen Laserdatenrelaissatelliten starten. Er zeichnet sich durch hohe Zuverlässigkeit, Miniaturisierung und hohe Datenübertragungsraten aus und seine Leistung liegt auf dem weltweit höchsten Niveau.

Schlüsseltechnologien, die es zu überwinden gilt

Das Relaissatellitensystem ist ein Knotenpunkt für den Austausch von Weltrauminformationen und eine effiziente weltraumgestützte Informationsnetzwerkinfrastruktur und ein Effizienzmultiplikator für Raumfahrzeuge. Gemessen an der Entwicklung in verschiedenen Ländern spielt das Relaissatellitensystem eine herausragende Rolle und hat einen wichtigen Status, doch im Vergleich zu anderen Satellitenfeldern verläuft seine Entwicklung relativ langsam und die Anzahl ist gering. Nur sehr wenige Länder verfügen über die Fähigkeit, Systemforschung und -konstruktion durchzuführen. Dies liegt daran, dass Relaissatelliten über einzigartige Schlüsseltechnologien und Schwierigkeiten verfügen.

Um eine Intersatelliten-Übertragungsverbindung zwischen einem Relaissatelliten und einem Benutzer-Raumfahrzeug herzustellen, muss zunächst das Problem der satellitengestützten Closed-Loop-Erfassungs- und Verfolgungstechnologie gelöst werden. Die Relais-Satellitenantenne verfügt über eine große Verstärkung und einen schmalen Strahl (0,15 bis 0,3 Grad) und ist erforderlich, um Zielsignale zu erfassen und zu verfolgen, während sich das Benutzer-Raumfahrzeug im Hochgeschwindigkeitsflug befindet. Um das Systemdesign zu vereinfachen, verfügen Benutzerraumfahrzeuge jedoch normalerweise nicht über Beacons, sondern nur über Datenübertragungssignale. Aufgrund der unterschiedlichen Funktionspositionierung variieren Datenübertragungsrate, Modulationsmethode, Bandbreite, Signalpegel und Dopplerverschiebung jedes Benutzerraumfahrzeugs erheblich. Darüber hinaus sind die Antennengröße und die Sendeleistung der Benutzer-Raumfahrzeuge sehr begrenzt, was es für Relaissatelliten äußerst schwierig macht, Zielsignale zu erfassen.

Der Relaissatellit verfügt über eine hohe Datenübertragungsrate und einen hohen Antennengewinn, was extrem hohe elektrische Abmessungen (tatsächliche Abmessungen/Arbeitswellenlänge) der Antenne erfordert. Gleichzeitig gilt: Je kürzer die Arbeitswellenlänge, desto höher die erforderliche Oberflächengenauigkeit des Antennenreflektors. Wenn beispielsweise bei einer Ka-Band-Antenne der durch den Oberflächenfehler verursachte Antennengewinnverlust weniger als 0,5 Dezibel betragen muss, muss der Oberflächenfehler der Hauptreflexionsfläche der Antenne weniger als 0,3 mm betragen. Dabei handelt es sich nicht nur um Verarbeitungsfehler, sondern auch um die durch die extremen Weltraumbedingungen bedingte Verformung der Antennenreflexionsfläche, die berücksichtigt werden muss. Man kann sagen, dass die Multiband-Präzisionsverfolgungsantenne für Relaissatelliten die derzeit am schwierigsten zu entwickelnde satellitengestützte Antenne ist.

Wenn der Relaissatellit im Orbit arbeitet, befindet sich die große Einzelantenne in einem Bewegungszustand mit einer komplexen Flugbahn und wechselnder Geschwindigkeit. Aufgrund der starken dynamischen Kopplung zwischen dem Himmelskörper und der beweglichen Antenne und der Tatsache, dass die Antenne selbst ein nichtlineares, flexibles Struktursystem ist, ist es notwendig, eine hochpräzise Verbundsteuerungstechnologie zu beherrschen, damit die Antenne mit ihrem extrem schmalen Strahl die Erfassungs- und Verfolgungsmission des Benutzer-Raumfahrzeugs erfüllen kann.

Darüber hinaus sind Hochfrequenz-Box-Wärmekontrolldesigntechnologie mit extrem großen externen Wärmeflussänderungen, extrem breitbandige Ku/Ka-Band-Transpondertechnologie und Hochleistungsantennenantriebstechnologie allesamt Schlüsseltechnologien, die von Relaissatelliten gelöst werden müssen.

Wenn Benutzerraumfahrzeuge eine Kommunikationsverbindung mit einem Relaissatelliten herstellen möchten, müssen sie ein dediziertes Relaisterminal mitführen und im entsprechenden Frequenzband für die Intersatellitenverbindung arbeiten. Die Antenne des Benutzer-Raumfahrzeugs muss in der Lage sein, den Relaissatelliten zu verfolgen und basierend auf den Anforderungen an die Datenübertragungsrate eine bestimmte äquivalente isotrope Strahlungsleistung und einen bestimmten Qualitätsfaktor bereitzustellen, um eine Kommunikationsverbindung mit dem Relaissatelliten herzustellen.

Breite Entwicklungs- und Anwendungsperspektiven

Relaissatelliten bieten weltraumgestützte Mess-, Steuerungs- und Datenrelaisdienste für Benutzerziele wie bemannte Raumfahrt, Satelliten und Trägerraketen und verfügen über breite Entwicklungs- und Anwendungsaussichten.

Im Bereich der bemannten Raumfahrt stellen Relaissatelliten weltraumgestützte Mess-, Steuerungs- und Datenübertragungsdienste für den Betrieb von Raumstationen und Raumfahrzeugen im Orbit bereit. Sie liefern während des gesamten Flugs des Raumfahrzeugs Vorwärts- und Rückwärtsbilder, Sprache usw. und unterstützen so den täglichen Betrieb der Raumstation. Im Hinblick auf Satellitenanwendungen bieten Relaissatelliten langfristige, stabile und zuverlässige weltraumgestützte Datenübertragungs- sowie Mess- und Steuerungsdienste für Satelliten in mittleren und niedrigen Umlaufbahnen, beispielsweise für die Fernerkundung sowie die Vermessung und Kartierung, und übertragen Daten zeitnah zur Erde, um die Anwendungseffizienz zu verbessern. Bei Raketenstartmissionen erweitern Relaissatelliten die Abdeckung der Messung und Steuerung von Raketenstarts, füllen die toten Winkel der land- und seegestützten Messung und Steuerung aus und übertragen wichtige raketengestützte Telemetriedaten zurück.

Da sich der Anwendungsbereich des Relaissatellitensystems ständig erweitert, haben sich die Benutzertypen schrittweise von weltraumgestützten Raumfahrzeugen auf See, Land, Luft und andere Bereiche ausgeweitet. Der Umfang routinemäßiger Relay-Missionen und die Anzahl der Serviceziele haben von Jahr zu Jahr rapide zugenommen, und die Missionsarten haben sich in Richtung Diversifizierung und Systematisierung entwickelt, was höhere Anforderungen an die Übertragungsrate, den Abdeckungsbereich und die Echtzeit-Zugriffsleistung von Daten-Relay-Diensten mit sich gebracht hat.

Einerseits verbessert sich die Auflösung von Fernerkundungssatelliten ständig, und bemannte Raumfahrzeuge wie Raumstationen, die sich langfristig in der Umlaufbahn befinden, erzeugen täglich große Mengen wissenschaftlicher Versuchsdaten, sodass Relaissatelliten höhere Datenrückgaberaten liefern müssen. Andererseits benötigen interstellare Sonden, die zum Mond, zum Mars und zu anderen Orten fliegen, kontinuierliche Mess-, Steuerungs- und Kommunikationsunterstützung. Dies erfordert den Einsatz spezieller Relaissatelliten, um die Relaiskapazitäten im Weltraum über große Entfernungen zu erweitern. Darüber hinaus werden zukünftige Raumfahrzeuge über eine autonomere Steuerung und autonome Flugmodi verfügen. Ohne die Beteiligung von Bodenmessungen und -steuerungen erhalten sie hochpräzise Navigationsdaten über Relaissatelliten, um eine hochpräzise Umlaufbahnbestimmung und Umlaufbahnsteuerung des Raumfahrzeugs in Echtzeit zu erreichen.

Schematische Darstellung des Erde-Mond-Kommunikationsrelaissatelliten

Angesichts der neuen Anforderungen haben die großen Weltraummächte aktiv den Ersatz und die Modernisierung der Relaissatellitentechnologie vorangetrieben, Arbeitsfrequenzbänder in Richtung hoher Frequenzen entwickelt und mit der Einführung von Laserkommunikationstechnologie begonnen, um die Datenübertragungsraten deutlich zu erhöhen. Satellitensysteme haben sich in Richtung Dekomposition und Spezialisierung entwickelt, wobei die Vereinigten Staaten eine kleine Satellitenkonstellation eingeführt haben und Europa eine Kombination aus dedizierten Satelliten und Bordnutzlasten einsetzt, um ein flexibleres und vielfältigeres Relaissatellitensystem aufzubauen und die Systemflexibilität zu verbessern; Benutzerterminals haben sich in Richtung Miniaturisierung, Intelligenz, geringer Stromverbrauch und hohe Zuverlässigkeit weiterentwickelt, um einen flexibleren End-to-End-Dateninteraktionsmodus zu ermöglichen. Künstliche Intelligenztechnologie wird mit Software-Funktechnologie kombiniert, um den Datendurchsatz des Relais-Satellitensystems und die Flexibilität der Betriebs- und Wartungssteuerung zu erhöhen und so die Systemleistung weiter zu verbessern.

Relaissatellit verifiziert Laserübertragung

Als Grundinfrastruktur für die Hochgeschwindigkeitsübertragung von Weltrauminformationen und als Multiplikator für die Effizienz von Raumfahrzeugen werden Relaissatelliten in der Luft- und Raumfahrt und anderen Anwendungen eine immer wichtigere Rolle spielen. Seine weitreichenden Aussichten zeigen die enorme Vitalität dieses Satellitenfeldes und werden einen größeren Beitrag zur menschlichen Erforschung des Universums leisten.