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1、21世纪通信卫星的发展和新技术 21世纪通信卫星的发展和新技术鑫诺卫星通信有限公司总工程师闵长宁21世纪通信卫星的发展和新技术摘要：本文概要介绍了目前通信卫星发展的概况和相关技术，包括卫星平台技术和卫星有效载荷技术，尤其是对21世纪通信卫星发展将起到巨大作用的大天线技术、多波束技术、星上处理技术及氙粒子发动机技术等。主题词卫星，卫星技术自从1963年发射第一颗“辛康”(Syncom) 通信卫星以来，随着卫星通信、广播业务的不断发展，尤其是信息产业、多媒体、IP网络产业的兴起和突飞猛进的发展，卫星通信业务所涉及的领域和频段不断拓宽，极大地推动了通信卫星技术的发展，通信卫星技术正在兴起一场新的、革
2、命性的突破。卫星通信技术的发展，直接推动了通信卫星产业，包括常规通信卫星、高级移动通信卫星和数字直播卫星的发展，真正实现了在任何时候，任何地点都能方便地交流信息、获得信息、使用信息的目标。并将间接地影响和改变着人们的通信方式、工作方式和生活方式。1 通信卫星的发展前景和趋势1. 1卫星设计将朝着大功率、多频段和长寿命方向发展综观国外各主要卫星公司的卫星研制、生产状况可以看出：中、高轨道通信卫星正向着大功率、多频段和长寿命方向发展，而低轨道卫星则向着星座和多频段的方向迈进。目前，各国都已向国际电联登记了大量的Ka频段的卫星资料。日本、美国也已进行了大量的Ka通信转发器的通信试验，并已开始投入使用
3、。除目前常用的C、Ku频段外，Ka频段也将是21世纪头几十年卫星通信的主要频段之一。表1列出了国际上几个卫星研制大公司卫星平台的技术参数。这种发展趋势的形成，主要是由于：1） 个人通信和宽带通信的需求及其激烈竞争，对通信卫星提出了更高的要求;2） 轨道位置和频率资源的日益紧张和弥足宝贵。大容量和长寿命不仅仅获得更大的经济效益，而且使轨道位置和频率资源得到最大利用。表1国外主要卫星平台的主要性能波音公司（原休斯公司）具有HS-376、HS-393、HS-601、HS-601HP和HS-702卫星等系列卫星平台。卫星寿命大于15年以上，卫星的功率和重量分别达15KW和5200Kg; 有效载荷功率和
4、质量分别为9000W和1200 Kg。代表性的卫星如GALAXY-和THURYU卫星。洛克希德-马丁公司具有A2100AX系列卫星平台。卫星寿命大于15年以上，卫星的功率和重量分别达3500-13500W和1000-4000Kg; 有效载荷功率和质量分别为8100W和1000 Kg。代表性的卫星有ACES亚洲蜂窝卫星和GE系列的卫星。劳拉公司具有FS-1300、401S和20.20TM三种系列卫星平台。FS-1300用于常规通信广播卫星，卫星的功率为5000-15000W; 401S用于低轨小卫星星座或小功率的常规通信广播，卫星的功率为3KW; 20.20T 用于新一代大容量数据传输卫星，卫星
5、的功率可达到15-20KW。代表性的卫星有GLOBALSTAR和INTELSAT-卫星。ALCATEL 公司具有SB-2000，SB-3000和SB-4000系列卫星平台。其中SB-4000分为高、中低三种卫星平台，卫星寿命为15年，卫星的功率和重量分别达10-16KW和4800Kg，有效载荷功率和质量分别为9000W和1000 Kg。代表性的卫星有SKYBRIDGE宽带通信卫星星座系统和ASTRA-1K卫星。3） 市场和行业的竞争，使卫星的设计变的越来越复杂，功能是越来越强，对卫星平台的需求日趋苛刻。相反，地面的设备和设施将越来越小，越来越简单。4） 各种卫星高新技术的出现，如氙粒子发动机、
6、卫星处理器、高能太阳电池和锂粒子蓄电池等技术，极大地提高了推进和电源效率，节省了质量，使这种发展期望变为现实。1. 2卫星研制的“准生产流水线”将成为现实 让卫星的制造、生产从作坊式的操作模式进入到现代化的、规模化的“准生产流水线”生产方式已成为现实。这主要归功于目前卫星的研制已开始实现高度模块化、集成化、系列化的生产方式。1） 模块化目前，世界各主要卫星制造公司在研制卫星的过程中，不论是桁架式结构平台，还是中心承力筒结构平台。无一例外地采用了模块化设计的方法。例如，HUGHES公司的HUGHES-702平台的卫星，由于采用模块化设计方法，仅用4颗螺栓和6组电子联接件就可以将有效载荷和卫星平台
7、连接起来。同时，变串行生产为并行生产，大大提高了卫星研制的进度，这是卫星由作坊式研制、生产向现代化、规模化的生产的最重要途径之一。2）集成化集成化设计是卫星实现平台系列化，卫星轻型化的重要途径之一。如A2100AX卫星平台代替以往的GE系列卫星平台，卫星平台和有效载荷舱的核心结构都是由铝蜂窝型石墨环氧树肢夹层平面板构成，以替代以往通常采用的铝质圆芯复合材料。这种简单的符合材料不仅容易制造，具有同样的强度和钢度，更节省40%的质量。A2100平台与早期的7000系列平台相比，结构部件数量大大减少。如贮箱的设计可根据有效载荷的需要，仅仅改变贮箱的长度而已，以此来适应各种不同卫星平台的变化。大大提高
8、了卫星的单位通信能力比，大大降低了卫星的费用。同时，为满足卫星重量和星上处理器等方面的要求，卫星轻型材料和超大规模集成技术在卫星上的应用，尤其是应用型专用集成电路（ASIC）在卫星有效载荷中的应用，对于节省卫星的质量，提高卫星的功能和应用前景，将起到重要作用。3） 系列化卫星平台的系列化是缩短研制周期，使卫星制造实现产业化、规模化的重要途径。不论是美国的HUGHES、LORAL/SS、LOCKHEED-MARTIN公司，还是法国的ALCATEL公司，每个公司都完全实现了卫星平台的系列化，以满足不同用户、不同业务的需求，或不同功能的业务需求。目前，作为常规通信卫星、广播卫星或是数据跟踪中继卫星，
9、5000瓦10000瓦的卫星平台基本可满足其业务要求。对于支持个人通信的通信卫星和支持宽带通信业务的固定或移动通信卫星，10000瓦15000瓦的卫星平台基本可满足要求。1. 3宽带卫星通信系统的出现和应用除目前常用的常规通信广播卫星（含DTH业务）、直播卫星（DBS）以及正在兴起的移动卫星星座系统业务之外，一些新的宽带卫星通信系统也应运而生。这些卫星系统包括SPACEWAY系统、ASTROLINK系统、SKYBRIDGE 系统以及VIRGO星座系统和TELEDESIC星座系统。这些卫星系统业务传输采用的频段不仅有移动卫星系统的S、L频段，目前更趋向使用与静止同步轨道通信卫星相同的Ku和Ka频
10、段，如SKYBRIDGE、ASTROLINK和SPACEWAY系统。从技术的角度分析，上述系统均是可行的，只要市场定位准确，操作得当，这些系统在未来的卫星通信中，将占有重要的位置。2卫星通信新技术 在目前的通信卫星中，已开始采用许多代表当今世界通信卫星最先进的技术，如氙粒子发动机技术、高能太阳电池技术、大天线和多点波束技术以及卫星星上处理器技术等等。这些技术代表了21世纪通信卫星技术的发展方向, 这些技术的发展、移植和全面的利用，将对未来的通信卫星和卫星通信发生深刻的影响。2.1氙粒子发动机技术氙粒子发动机的出现，可以称得上是卫星研制历史上一次革命性的突破。氙粒子发动机的作用主要用于卫星的轨道
11、位置保持和机动控制。目前，卫星采用的几种不同的发动机比冲的性能如下：双组元发动机（BIPROPELLENT）285秒弧度噴汽发动机（ARCJET）550秒稳态等粒子发动机（STATTONARY PLASMA）1500秒氙粒子发动机（XENON ION PROPULTION）25厘米，160mN氙粒子发动机 3800秒，（功耗4500W）20-30厘米，25mN氙粒子发动机 2900秒，（功耗620W）由上可看出：氙粒子发动机的比冲是双组元发动机的12倍。比冲是推进效能的衡量指标，对于相同的卫星来说，采用氙粒子发动机只需比双组元推进系统少得多的燃料即可完成卫星的姿、轨控。通常，一颗卫星的氙粒子发
12、动机是由4个氙气罐（2：2备份）和2个功率处理器组成，来完成卫星的轨道位置保持。每个氙粒子发动机每年仅消耗2.5 Kg燃料，每年卫星轨道保持仅消耗5 Kg燃料。对于一颗15年寿命的卫星，采用氙粒子发动机将节省90%的推进剂质量，约280Kg350 Kg。由此，可大大节省卫星的发射价格，或可用于增加更多的卫星转发器，或用来延长卫星的寿命，从而带来巨大的经济效益。氙粒子发动机虽然功耗大，但完全不影响卫星有效载荷的工作，而且功率大，意味着氙粒子运动速度更快，因而产生更高的推力，发动机产生的比冲更大。当使用25厘米的160mN的氙粒子发动机时，每天仅工作30分钟，就可以将卫星的轨道位置保持精度提高到0
13、.005度，从而可以有效地用于多星共位工作的卫星轨位的保持和控制。氙粒子发动机的研制源于80年代中期，通过研究发现在所有的惰性气体中，氙粒子可产生更大的推力，且由于他的惰性特点，使得它既不易腐蚀，又安全。90年代中期已开始使用在各种不同的卫星上，如日本的ETS-3、ETS-6、COMETS卫星及XM-1、GALAXY和PANAMSAT等卫星，已是经过多次飞行验证的完全成熟、可靠的卫星产品。2. 2高效率太阳电池和蓄电池技术卫星平台技术得以突飞猛进的发展，同样得益于卫星电源技术的发展。硅太阳电池一直在卫星太阳能电池的设计和使用中占有主要地位，但随着用户对卫星使用要求的不断提高，尤其是对中、高轨道
14、移动通信、卫星直播电视以及多频段、多功能综合卫星的要求，目前一种新的高效电池正在越来越多的卫星投入使用。这就是砷化镓太阳电池，包括常规的砷化镓太阳电池，双节砷化镓太阳电池和多节砷化镓太阳电池。硅太阳电池的转换效率为14%，而砷化镓太阳电池、双节砷化镓太阳电池和多节砷化镓太阳电池的转换效率分别可达到18.3%、23%和30%以上。同时，在两太阳电池翼的两边，都安装有角状太阳能反光板，从而使阳光更多地聚集在太阳电池板上，利用相同面积的太阳翼，便可得到高得多的能源功率。从而为大功率卫星平台（10000瓦-15000瓦）的实现奠定了基础。同时，为保证卫星在地影中的高效工作，一种效率高、体积小、重量轻，
15、具有7.2WH充电能力的锂粒子蓄电池也开始使用在卫星能源分系统上。锂粒子蓄电池与镍氢蓄电池相比，功率能力密度将提高1倍。3. 3大天线和多点波束技术通信卫星通信天线的发展，经历了从简单天线（标准圆或椭圆波束）、赋形天线（多馈源波束赋形到反射器赋形）和为支持个人移动通信而研制的多波束成型大天线。目前，全球波束仍采用圆波束；区域通信大多采用双栅、正交、单馈源、反射器赋形的天线设计。这种天线技术不仅已用于大多数通信卫星，同时也被世界上各主要的卫星天线制造商所掌握。而支持个人移动通信而研制的多波束成型大天线，目前也已开始在研制、使用。主要的卫星有THURYA卫星ASES卫星。THURYU卫星天线该天线由HUGHES 公司研制。该天线收拢状态及天线展开方式及天线的形状见图1。天线的物理尺寸为12.25米16米，投影直径12米，128个馈源，收发合一。该天线尤如一个由若干支撑杆支撑的双环形，上环有一透明的抛物面支撑面，下环有一透明的抛物面反射器，两抛物面之间由许多细绳拉紧。展开和收拢简易可靠，每个支撑杆结点处由齿轮连接、控制。天线设计具有下列
