全球商业通信卫星平台简析

目前，全球商业通信卫星制造商主要有美国的波音、洛马和劳拉公司，欧洲的泰雷兹-阿莱尼亚和阿斯特留姆公司，它们都有各具特色的卫星平台。此外，中国、日本和俄罗斯等国也研制了性能较高的通信卫星平台。

1 卫星平台概述

通信卫星总体设计技术的发展在很大程度上是围绕着卫星平台研制展开的。对于商业通信卫星来说，最重要的是节约经费、缩短研制周期，而卫星平台的设计在许多方面与此密切相关，比如，用基本类似的卫星平台能够满足不同用户的需求。

由于地球静止轨道资源十分紧张，为了有效利用这种资源，国外地球静止轨道卫星平台正朝着大容量、长寿命方向发展，并逐步形成了卫星平台系列化和商品化生产。如，美国波音公司的BSS－601HP卫星平台，其总功率可达8～11kW，设计寿命15年；BSS－702卫星平台，卫星寿命末期总功率可达15kW，可携带1.2t有效载荷，寿命15年。美国劳拉公司的LS－1300卫星平台，功率为5～25kW，其LS－20.20卫星平台质量为7.5t，可装载150台转发器。泰雷兹-阿莱尼亚公司与阿斯特留姆公司联合研制的“阿尔法平台”（Alphabus）的有效载荷功率为18kW。

打造中的“阿尔法平台”

很久以来，为了争夺市场，各大通信卫星制造商采取了各种措施，以提高各自通信卫星平台的竞争力。这些通信卫星制造商研制的卫星平台主要包括：波音公司的BSS－376、601、702；洛马公司的A2100A、A21AX、A21AXX；劳拉公司的LS－1300；泰雷兹-阿莱尼亚公司的空间客车－3000、4000（Spacebus－3000、4000）；阿斯特留姆公司的欧洲星－2000、2000＋、3000、3000S（Eurostar－2000、2000＋、3000、3000S）；泰雷兹-阿莱尼亚公司与阿斯特留姆公司联合研制的“阿尔法平台”；中国空间技术研究院的东方红－2、3、3A、3B、4；印度空间研究组织（ISRO）的I－1K、2K、3K；俄罗斯的亚马尔－100、200（Yamal－100、200），快讯－1000、2000、A、AM（Exepress－1000、2000、A、AM）；日本的DS－2000。上述卫星平台可分为三个系列：①小型卫星平台系列，包括BSS－376、欧洲星－2000、东方红－2等；②中型卫星平台系列，包括A2100A、欧洲星－2000＋、空间客车－3000、BSS－601、东方红－3等；③大型卫星平台系列，包括A2100AX、A2100AXX、BSS－702、LS－1300、欧洲星－3000和3000S、空间客车－4000、东方红－4、DS－2000等。

由于卫星平台是指卫星上除有效载荷以外的所有部分，是由星载各服务系统组合而成的舱段，所以卫星平台的发展水平对整个卫星的发展意义重大。将卫星平台设计成一种具有通用性，能在一定范围内适应不同有效载荷配置，构成不同用途的卫星，这样在研制不同的卫星时，只需改变有效载荷或有效载荷舱，或仅对卫星平台作少量适应性修改（裁剪），就能满足新卫星的要求。用这种可裁剪式卫星平台研制卫星，可以大大缩短研制周期，节省研制费用。

2 主要设计特点

我国通信卫星专家认为，在当今通信卫星平台设计中有三个主要特点，一是采用分舱设计；二是采用“三化”（模块化、组合化和系列化）设计；三是进行结构优化。

分舱设计

BSS－601卫星平台剖面图

为了使卫星平台具有更大的灵活性以及满足通信卫星总装的需求，目前国际上大型通信卫星平台大多采用分舱的设计方式。例如波音公司的BSS－702、洛马公司的A2100、阿斯特留姆公司的欧洲星－3000卫星平台，它们主要有两个特点：

1）卫星平台的推进剂贮箱是并联的，而且各种贮箱都设计成圆柱形，因此能通过增加贮箱柱段长度来增加卫星平台推进剂装填量，并简化了更改工艺，也有利于系列化；几个圆柱形贮箱并联，可以充分利用卫星平台的空间，降低卫星平台的高度。

2）使用这种卫星平台的通信有效载荷舱更加独立，能设计成H形或双H形；有利于有效载荷的扩大和布置更多的设备，而且平板结构工艺修改很简单；有效载荷舱和卫星平台的热设计可以完全分开并通过隔热垫绝热，有效载荷升级更改对卫星平台影响很小。

“三化”设计

卫星平台的“三化”设计可使卫星研制由作坊式转为流水线式，最大限度地缩短研制周期，降低成本，更好地实现卫星应用商业化、产业化。如波音公司的BSS－702卫星平台采用简洁的模块化设计，能并行加工生产，便于快速装配。洛马公司的A2100卫星平台已形成系列，包括A2100AX、A2100AX2、A2100A、A2100B 和A2100C等，该系列卫星平台的设计原则是：用同一设计覆盖整个系列，90%以上的零部件相同，并可商业购买。

卫星的分舱设计实现了整星级的“三化”设计。在此基础上，可将推进剂贮箱的柱段分成大、中、小3个规格或大、中2个规格；把太阳电池翼和蓄电池也分成大、中、小3个规格；而有效载荷能有更大的灵活性，即可按任何用户的要求进行灵活的设计改进。典型代表是洛马公司的A2100系列卫星平台：A2100AX的太阳电池翼每翼有5块板，A2100A每翼为4块板，A2100B每翼为3块板，A2100每翼为2块板。其功率变化范围很大，可以从1.5kW增加到13kW。

结构优化

现代大型通信卫星平台大多采用箱式平板结构或杆系加平板结构，其主要特点是各种贮箱并列在卫星底部平板上。箱式或杆系结构主要只承受有效载荷舱的力学载荷，不像承力筒结构那样要承受整星力学载荷。有效载荷舱可分舱独立设计成H型或双H型，以实现热管在南北散热面上的交叉耦合散热。箱式或杆系结构的另一个突出优点是其质量较承力筒式结构要轻40%左右。对于通信卫星而言，由于用途的不同，大口径的天线以及多个天线的安装是卫星总体设计必须考虑的问题。现代大型地球静止轨道通信卫星各平台的构型和布局都充分考虑了载荷的复杂要求以及多副天线的安装要求，这也是通信卫星发展过程中为满足用户不断增长的需求所必须的。它们的主要特征是把远地点发动机布置在对天面板上，采用这样的构形，可将卫星的东西面和对地面都用来布置天线。

3 总体情况分析

卫星平台承载能力的大小和能源水平的强弱，代表了技术水平的先进与否。尽管在一定程度上强大的卫星平台代表了技术上的先进水平，但并非就不需要发展中、小载荷能力的卫星平台。现今社会的市场需求是多样化的，为适应这样的需求，应该走优化现有卫星平台的发展之路。对于通信卫星而言，由于功能的多样性和性能的高要求，结果导致天线数量的增加。现有的卫星平台难以为天线提供更多的安装面，一定程度上限制了卫星平台的使用，也为载荷的设计增加了困难。

日本“数据中继试验卫星”（DRTS）采用DS－2000卫星平台

开发标准化的卫星平台，不只是从简化制造、集成工艺和节约成本的角度来考虑；同时由于产品的系列化，使得市场销售更容易实现。然而，比较卫星平台之间的优劣不像比较两部汽车那么简单，因为尽管制造商已经使其产品标准化了，但他们总是力图使人们相信他们生产的产品是独一无二的。另外，即使同一代卫星为同一用户提供的卫星平台也可能有所不同。

卫星平台的变型通常用质量表示。众所周知，由于每千克质量发射的费用昂贵，所以卫星的质量是设计时首要考虑的问题。卫星的质量可以指发射质量，也可以是在轨质量（发射质量减去推进剂的质量）。卫星平台还可以通过轨道设计寿命来区分，这主要取决于卫星推进剂贮箱的容量（受卫星总体尺寸及质量的制约）。

另一项区分卫星平台的参数是功率。功率由太阳电池翼的面积决定，最终取决于卫星平台结构的尺寸。因此，卫星平台的标准是卫星总体特性的反映，它决定了卫星的功率，也就决定了有效载荷的功率，具体说就是卫星可以携带转发器的数量。

比较卫星平台性能的难点在于以上这些错综复杂的因素。例如，卫星平台A与B的尺寸和质量均相同，但卫星平台A的用户认为卫星寿命比转发器的数量更重要，这意味着卫星平台A上将安装较大的燃料贮箱，贮备更多的推进剂，以延长卫星的轨道寿命。卫星平台B却采用较小的燃料贮箱而安装了更多的转发器及与之匹配的更大面积的太阳电池翼，当然总体质量不变。例子尽管简单，但它说明了卫星制造商的灵活性。与之相比，那些大批量生产汽车的制造商提供的才是真正标准化的产品。

2012年上天的越南卫星－2（VINASAT－2）采用A2100卫星平台，该卫星传输容量相当于150个电视频道

因此，尽管卫星作为具体不同性能的系列产品出售，但就其外观和性能还是很难区分2颗卫星的。特别是欧洲两大卫星平台的制造商当年曾共同开发了欧洲航天局（ESA）的“轨道试验卫星”（OTS，于20世纪70年代末发射），他们目前的产品都与该卫星有一定渊源。“空间客车”与“欧洲星”卫星平台的共同设计特征包括：模块化设计（分为有效载荷舱和服务舱)；三轴稳定方式；采用统一的双组元推进系统，它既有远地点助推又有轨道稳定的功能（它是“轨道试验卫星”固体远地点发动机/肼系统的改进型)。换句话说，这一标准是欧洲卫星设计的典型模式。

随着通信卫星技术的快速发展，通信卫星性价比大幅度提高。仅在1990－2002年期间，电源功率增长了350%，每颗卫星的平均发电功率从1990年的1.6kW增加到2002年的7.6kW；标准转发器承载量增加了86%，每颗卫星平均承载的标准转发器（等效36MHz）从1990年的26台增加到2002年的48台；设计寿命延长了38%，每颗卫星平均设计寿命从1990年的10年延长到2002年的14年。

新业务、新需求的出现，对卫星平台的发展起到了重要的牵引作用。受卫星互联网宽带接入、数字音视频广播、高清电视、数字影院等新业务需求的牵引，国外五大通信卫星制造商研发了数量众多的大容量、大功率、长寿命的通信卫星。

商业通信卫星市场的发展主要是需求驱动型。为了满足市场需求，争夺有限的市场空间，各主要卫星制造商凭借各自的卫星平台，采取各种措施，不断增强自身的竞争力。

2012年发射的印度地球静止轨道卫星－10（GSAT－10）采用I－3K卫星平台，它携带了12台Ku频段和18台C频段转发器以及静地轨道增强导航系统

曾经红极一时的美国BSS－376卫星平台采用自旋稳定方式

从通信卫星运营商角度看，在购买通信卫星时，要考虑的问题除了交付时间和卫星价格外，卫星平台的可靠性也是重要指标之一。卫星的可靠性主要是指卫星在设计寿命时间内出现故障的几率。在1993－2003年所统计的70多颗卫星故障中，卫星平台故障占了相当比例，而在卫星平台故障中，卫星电源故障又是主要原因之一。因此，加强卫星平台技术研究，提高其可靠性，是提高商业通信卫星市场竞争力的主要措施。

4 性能指标比较

研制大型卫星平台不仅可以缓解轨道位置的不足，而且能大大降低通信话路的研制成本。以“国际通信卫星”（Intelsat）为例，国际通信卫星－1的外形尺寸为φ72cm×59cm，发射质量为68kg，寿命末期功率为40W，通信容量为240条双向话路，寿命为1.5年，每条话路年费用为32500美元。发展到国际通信卫星－6时，其外形尺寸为φ369cm×1183cm，发射质量为3720kg，寿命末期功率为2200W，通信容量为33000条双向话路加4路彩色电视，寿命10年，每条话路年费用仅800美元。目前在轨运行的国际通信卫星－10的性价比更高。

小型卫星平台

最著名的小型卫星平台是波音公司的BSS－376（由原休斯公司研制），它共进行了56次商业发射，仅发生5次保险损失，其表现无疑是该级别卫星平台的佼佼者。当然，BSS－376卫星平台也有不足的一面，其通信容量已经不能满足用户对当前卫星市场的技术需求，所以目前已经不再使用。

虽然美国轨道科学公司（OSC）的“星”（Star）系列卫星平台的发射数量不能和波音公司的BSS－376卫星平台相比，但其发射记录已经得到了市场认可。就其低廉的价格和能够满足不同用户的特殊任务需求而言，正在得到用户的青睐。

洛马公司A2100系列卫星平台中的最小容量卫星平台也属于小型卫星平台系列，自该卫星平台用于美国通信－7、8（AMC－7、8）卫星以后，A2100系列卫星平台已经成为小型卫星市场的竞争者之一。

阿斯特留姆公司的欧洲星－2000、2000＋卫星平台曾出过几次故障，主要是由外部采购的分系统和元器件存在质量控制问题引起的，而这些问题很容易得到解决。由于欧洲星－2000、2000＋卫星平台可以满足卫星运营商的各种技术需求，所以它们仍然是市场上最可靠的小型卫星平台之一。

航天技术的进步，使卫星平台可以向小型化的方向发展，尤其是微电子机械系统和轻型材料的采用，使航天器小型化的道路充满光明。

（1）结构材料的轻型化设计

在小卫星设计的各项指标中，质量是一个关键因素。在小卫星平台可以采用的各种材料中，碳化硅具有高刚度、轻质量和高导热性等特点，是极好的航天器结构材料，已被广泛采用。同时碳化硅多层结构的加工工艺也已得到了提高。硅气凝胶/环氧复合材料也是一种良好的结构材料，它的密度小，导热系数低，适合于质量较大和耐热的深空探测器。

（2）分系统的模块化设计

与以往的通信卫星设计不同，现代小卫星平台不再由多个分系统组成，取而代之的是能够完成某一种或某几种功能的集成模块。它不仅将性质相同的部件集成，而且还能将电子、机械等不同性质的部件集成在一个小体积、轻质量、无连接电缆的模块中，成为其他模块的共用模块。

采用模块化设计，不但可以明显地降低航天器的尺寸、质量、成本和故障发生率，同时，在卫星设计中运用了模糊逻辑、神经网络和遗传算法等智能工具，因而从根本上推动了航天器设计环境的优化。

（3）卫星各模块间的无电缆连接设计

采用泰雷兹-阿莱尼亚公司星－2卫星平台的韩国卫星－6（KORESAT－6），它于2010年升空

在采用传统设计的航天器上，各电子部件、电路板及分系统之间都是通过电缆连接的，这些电缆的总质量占航天器质量的6%～10%。而在印刷电路板上均采用焊片焊接和少数引线连接的方式，这些连线及焊点的质量又占电缆质量的30%。同时，这种连接方式还存在着功耗大、占用空间多和电磁干扰等问题。因此，未来小卫星将采用无电缆连接设计，以降低卫星质量，提高可靠性。无电缆连接是将电连接和热控制都集成到一个支持结构中，其他模块可以通过该结构进行连接。因此，各模块与支持结构以及各模块之间的接口必须采用机、电、热一体化的标准化设计。同时还应大力开发多功能构架，使结构分系统承担除支承和保护以外的其他功能。例如，将微型传感器、驱动器嵌装在结构部件的夹层中，这样既节省了空间和质量，又提高了构架的承载能力。

大中型卫星平台

波音公司的BSS－601和702卫星平台刚开始使用时曾暴露出一些系统设计方面的缺陷。例如，BSS－601卫星平台上的微处理器使用一种单晶合成材料，常常出现短路，其后续的BSS－601HP卫星平台则存在电池故障。这些技术问题给该系列卫星造成了很大影响，包括BSS－702卫星平台在最初使用时的市场营销。

波音公司的BSS－702是目前卫星制造商所能提供的最大容量商业通信卫星平台，但在使用之初曾屡屡出现问题，使用户认为大型卫星平台的技术水平还不够稳定，加之当时全球经济出现下滑，所以不少卫星经营商又一时转而倾向于采购稍小一些的通信卫星，这就给A2100系列卫星平台带来了机遇。在20世纪90年代中期，A2100系列卫星平台主要是用来取代LM－3000、5000系列卫星平台。A2100系列卫星平台的技术性能可以多种多样，能满足不同用户的任务需求。由于该卫星平台使用的技术简单实用，因而成为可靠性高、在轨工作稳定的最佳产品之一。

劳拉公司的LS－1300卫星平台是在BSS－601卫星平台之后推出的，在中型BSS－601卫星平台和大型BSS－702卫星平台之间的市场上占有一席之地。该卫星平台技术性能稳定，良好的记录曾保持了很长一段时间，但是后来其太阳电池翼也曾出现问题。尽管故障频率没有BSS－702卫星平台那么高，但是其太阳电池翼的问题重复出现，不能不引起人们的关注。