中国通信卫星的回顾与展望

yuyun

　一、引言
　　1945年，英国人克拉克曾在一篇文章中大胆地提出了利用3颗地球静止轨道人造卫星进行准全球通信的设想。当时人类还未步入宇航时代，这一有关应用卫星的设想无疑带有浓厚的科学幻想色彩。但到了50多年后的今天，它不但变成了现实，而且发挥得淋漓尽致：通信卫星作为空间技术和无线电通信技术的美妙结合，得到了飞速的发展，成为各种卫星中最早投入商业市场，效益最为显著的一种。通信卫星具有通信距离远，覆盖面积大，信道质量高，通信容量大的优点，已广泛应用于国际、国内或区域通信、军用通信、海事通信、电视广播以及航天器的跟踪和数据中继等方面，对世界范围的信息交流、社会进步、各国经济的发展及物质学问生活水平的提高，起到极为重要的作用。
　　
　　我国的通信卫星研制始于70年代。经过30多年的不懈努力，我国形成了自己的通信卫星系列，其技术已接近国际先进水平，在轨应用的国产通信卫星为我国人民的生活、经济和政治活动提供服务，推进了我国的改革开放和经济建设。此外，我国在这一高技术领域的成就，进一步振奋了全国人民的精神，提高了国家的威望，产生了明显的社会效益和经济效益。
　　
　　二、我国通信卫星发展历程
　　
　　我国先后自行研制和发射了3种类型的通信卫星：东方红二号、东方红二号甲和东方红三号，它们均为地球静止轨道通信卫星。
　　
　　东方红二号(简称东二)卫星是我国第一代通信卫星，在轨一共两颗。第一颗于1984年4月8日发射，定点于东经125°；另一颗于1986年2月1日发射，定点于东经103°。卫星本体外形为直径约2.1m，高度约1.6m的圆柱体，采用双自旋稳定姿控方案，起飞重量约920kg，卫星工作寿命3年。每颗星上有2路转发器，每路功率放大器输出功率为8W，工作于C波段，通信天线安装在消旋组件上，卫星工作时一直对准地球。第一颗卫星的通信天线为圆锥喇叭，具有约14°的角覆盖范围。它具有很宽的服务区域，不但可以完成国内陆地地球站的卫星通信，还可供远离国土的海上移动站进行通信试验，但由于卫星等效全向辐射功率（EIRP）和天线增益与系统噪声温度的比值（G／T）较低，使通信容量较小，影响了卫星的经济效益。第二颗卫星在这方面进行了改进，采用国内波束抛物面天线，具有5°×8°的椭圆波束，天线增益比第一颗星的喇叭天线增益增加 6～9dB，明显提高了通信容量，也降低了对地球站发射功率的要求。
　　
　　我国在发射和应用东方红二号卫星的同时，已经开始了东方红二号甲（简称东二甲）通信卫星的研制，以提高卫星的性能。后者实际上是在前者基础上的改进，卫星平台（服务系统）中电源分系统在维持太阳电池片布片面积不变的情况下，尽量挖掘潜力，以供给有效载荷更多的功率，其他平台分系统基本保持不变，或只进行适应性修改。卫星转发器数增为4路，每路功率放大器输出功率增为10W，通信天线仍采用国内波束抛物面天线。虽然从外形上看，东方红二号甲卫星和东方红二号卫星第二颗差别不大，但功能已有明显的提高，服务区内EIRP值大于32dBW，G／T值大于-11dB／K，卫星设计寿命4年，起飞重量约1040kg，一共有3颗在轨工作。1988年3月 7日发射的第一颗定点于东经87.5°，1988年12月 22日发射的第二颗定点于东经98°，1990年2月4日发射的第三颗定点于东经115°。这几颗卫星实际工作寿命均超过了设计指标，达到5年以上。
　　
　　随着时间的推移，上述两种卫星的一些弱点逐渐显现出来，已不能满足我国卫星通信事业迅速发展的需要。我国从1986年开始正式启动了新一代通信卫星--东方红三号（简称东三）的研制工作。国家把此项工作列为国家重点科研任务，给予了高度重视。广大研制人员大力弘扬“自力更生，艰苦奋斗”的航天精神，攻克了多项关键技术和难题。1994年完成第一颗星的研制工作。该星于同年11月发射进入准同步轨道，但由于推进剂泄漏，最终未能定点使用。经故障分析和局部改进后，第二颗卫星于1997年5月12日发射，5月20日定点于东经125°，主要用于电话、数据传输、传真、VSAT网和电视等项业务。到目前为止，该星已正常运行了三年半。东方红三号卫星的研制成功和投入使用，标志着我国在通信卫星领域跨上了一个新的台阶。
　　
　　2000年1月，采用东方红三号卫星平台的另一颗通信卫星--中星22号发射成功，定点于 东经98°，已投入正常使用。同年10月和12月，采用同一平台的两颗北斗导航试验卫星也顺利升空。此外，采用这一平台的另外一些卫星也正在研制中。
　　三、我国通信卫星的未来发展
　　
　　我国通信卫星虽然已经有了明显的发展和进步，但和国民经济发展的需要相比，和国际市场上的先进卫星相比，还存在一定的差距。这主要表现在卫星的寿命、研制周期和有效载荷的功率、重量及种类等方面。大家必须根据自己的国情，确定我国通信卫星今后发展的方向，提高卫星的市场竞争能力，满足飞速发展的卫星通信事业的需求。在近期，主要应注意以下几点：
　　
　　1.东方红三号卫星公用平台的开发应用
　　
　　东方红三号卫星公用平台是目前我国性能最好的、经过飞行考验的地球静止轨道卫星平台，是我国通信卫星产业的重要财富。由于它可分为不同的舱段，平台服务分系统和有效载荷（通信舱）相对独立，具有较大的适应性，在一定的重量和功耗范围内可用于不同有效载荷的多种卫星。考虑到数字压缩技术的飞跃进展，一路转发器已可传多路电视，这使得东三卫星平台已可涉足于某些直播卫星领域。此外，对于功能比较简单的跟踪和数据中继卫星，这种平台也有用武之地。
　　
　　公用平台生产可实现批量化，具有较高的可靠性，另外也使卫星的研制周期缩短，性能价格比提高，市场应用前景变好。因此，充分发挥东方红三号卫星公用平台的作用是我国通信卫星今后发展的方向之一。实际上，我国一些在研的通信卫星都是基于这一平台，有效载荷遍及特高频、S、C和Ku波段。
　　
　　另一方面，充分挖掘东方红三号卫星平台的潜力，提高卫星的性能也是一个很有前景的方向。东方红三号卫星有效载荷重量170kg，功率900W。通过采用平台设备的减重措施和提高电源分系统性能，就能使上述两项指标分别增加30％和13％左右，这一改进已经在地面得到验证。这些局部变化并未影响卫星平台的鉴定状态，却拓宽了应用范围，提高了参与市场竞争的能力。此外，在东三平台上采用砷化镓太阳电池以较大幅度地提高供给有效载荷功率、提高寿命和用于气象的可行性论证工作，都正在进行中。
　　
　　可以预计，在一段时间内，东方红三号卫星公用平台仍将是我国通信卫星产业的主力军。
　　
　　2.大型地球静止轨道卫星平台的研制
　　
　　我国必须发展新一代大型静止轨道卫星平台，以满足今后大容量、高功率、长寿命及多种有效载荷的通信卫星研制需求。这类卫星包括大容量通信卫星、直播卫星、跟踪和数据中继卫星、区域性移动通信卫星和军用通信卫星等。此外，大型静止轨道卫星还有较好的性能价格比（以卫星定点后每千克有效载荷的价格作比较），市场前景看好，世界各先进宇航企业也都在朝着这一方向发展，HS-702、A2100AX、FS-1300、空间客车4000就是这一方面的实例。
　　
　　根据我国市场需求的预估和卫星技术发展的现状，大型地球静止轨道卫星平台的直流功率应达6000～8000W，有效载荷重量超过450kg，寿命15年，这是平台研制第一期应达到的目标。第二期应使平台直流功率和有效载荷重量指标进一步提高（例如功率超过10000W）。第三期应采用电推力器进行轨控，以进一步提高平台性能，估计这时有效载荷可超过800kg，能适应2010年以后的用户需求。
　　
　　这三个时期的产品均属于一种平台，具有相同的卫星本体横截面（长和宽）以及相同的承力筒和贮箱直径，其多数平台分系统的部件相同或相似（例如模块式叠加）。但具体卫星和承力筒的高度、储箱柱段、太阳电池阵和蓄电池的技术状态不同。这样分步走，也是比较现实的研制道路。
　　
　　3.今后发展的主要技术途径
　　
　　研制下一代的大型地球静止轨道卫星平台及其相应的有效载荷具有高的技术难度，其开发的主要技术途径可简述如下：
　　
　　(1)总体方面
　　--新的系统构形设计：以扩大有效载荷天线的安装面，适用于整星空运，有利于简化组装、总装和整星测试（AIT）及缩短供货周期；
　　--在总体设计中应把尽量降低平台重量作为十分重要的目标；
　　--达到长寿命、高可靠性要求的措施；
　　--更有效地利用运载火箭能力的方法；
　　
　　(2)平台分系统方面
　　--高度在一定范围内可以变化的大直径承力筒；
　　--加柱段的大直径表面张力储箱；
　　--新型两次展开的、采用砷化镓片的太阳电池阵；
　　--高容量、长寿命氢镍电池；
　　--高比冲的变轨发动机和姿控推力器（包括后期的电推力器）；
　　--适应能力强的长寿命星上计算机；
　　--高热耗散通信舱的热控技术；
　　--星上数据管理分系统等。
　　
　　(3)有效载荷方面
　　
　　四、结束语
　　
　　经过航天人近30年的共同努力，我国通信卫星事业得到飞速的发展，研制出了东方红二号、东方红二号甲、东方红三号、中星22号等不同类型的通信卫星，为国民经济的发展作出了巨大的贡献。今后国民经济众多部门对通信卫星无论从质的方面还是从量的方面都会提出高得多的要求，大家必须在充分利用和挖掘东方红三号卫星平台能力的同时，开展下一代大型地球静止轨道卫星平台的研制。这是发展我国通信卫星的必经之路。只要大家制定正确的发展战略，选择适合我国国情的技术途径，并尽早实施，这一发展的目标就一定能够早日实现。