采用多种新技术 性能大幅度提高我国首颗高通量通信卫星实践-13升空

采用多种新技术 性能大幅度提高我国首颗高通量通信卫星实践-13升空

China' s First High Throughput Satellite SJ-13 Launched Successfully

本刊记者 东方星

2017年4月12日，我国首颗高通量通信卫星（HTS）—实践-13由长征-3B运载火箭成功发射入轨。该卫星采用了Ka频段、激光通信和电推进等一系列新技术，具有较高的性能。这是长征-3B火箭的第43次发射。今年，我国还将发射首颗采用新一代大容量试验卫星平台东方红-5的实践-18通信卫星、首颗国产电视直播卫星中星-9A和中星-6C通信卫星等5颗通信卫星，从而掀起中国通信卫星发射的新高潮。

1 多个“第一”

记者从国防科工局了解到，实践-13卫星工程于2013年4月27日由国防科工局与财政部联合批复立项，是一颗验证东方红-3B卫星平台和载荷等新技术的高轨技术试验卫星。卫星的设计寿命15年，起飞质量4600kg，定点于地球同步轨道（GSO）110.5 °（E）。

实践-13卫星在国内高轨卫星领域创造了多个“第一”。

第一颗采用全配置东方红-3B卫星平台的卫星，该卫星平台包括综合电子分系统、测控分系统、供配电分系统、控制分系统、化学推进分系统、电推进分系统、结构分系统和热控分系统，将实现我国卫星平台技术水平跨越式提升。

第一颗采用电推进技术的高轨卫星，无需消耗化学推进剂即可完成全寿命期内南北位保任务，这对于我国高轨卫星来说是具有革命性的技术突破，卫星承载能力显著提升。

第一次在我国通信卫星上应用Ka频段多波束宽带通信系统，通信总容量超过20Gbit/s，它将引领我国高通量卫星通信技术的发展。

第一次在我国高轨卫星上搭载激光通信系统。

第一次在我国高轨道长寿命通信卫星上100%工程化应用国产化产品，改变了相关产品长期依赖进口的局面。

第一次在我国卫星上把技术试验和示范应用相结合。作为我国首颗Ka宽带通信卫星，实践-13卫星在完成东方红-3B卫星平台和载荷新技术一系列在轨试验验证后，卫星将纳入“中星”卫星系列，被命名为中星-16卫星，开展Ka频段宽带通信系统的试验应用，提供双向宽带通信运营服务。这样可加速科研成果的应用转化，既满足了新技术在轨试验的目的，又满足了载荷示范应用的要求，提高了工程综合效益。

实践-13/中星-16卫星有26个用户点波束，总体覆盖我国除西北、东北的大部分陆地和近海近200km海域。用户终端可以方便快速地接入网络，下载和回传速率最高分别达到150Mbit/s和12Mbit/s，实现了真正意义上的卫星宽带通信应用，填补了我国在该领域的技术空白。

实践-13/中星-16卫星通信系统空间段卫星资源、地面段网络系统及业务运营系统采用了天地一体化设计，以及卫星网络与地面网络的互联互通，所以用户无需建设主站，仅需购买终端站就可使用宽带卫星服务，终端站通过卫星的用户波束接入所属信关站，这就为用户节省了网络建设的投资。系统可支持宽带接入、基站回传、视频内容分发、视频新闻采集、机载/船载/车载通信、企业联网、应急通信等方面的应用；除支持固定终端外，该卫星还支持机载、车载和船载等移动终端的应用，能够实现跨波束自动无缝切换。其3个信关站可支持30万部终端接入，并可扩展至百万量级。

实践-13/中星-16卫星工程由卫星、火箭、发射场、测控、运控和试验应用六大系统组成。国防科工局负责工程组织实施管理和大总体协调，战略支援部队航天系统部负责卫星测控和发射，中国空间技术研究院、中国运载火箭研究院分别负责实践-13/中星-16卫星，长征-3B火箭的生产研制，中国卫通集团有限公司负责卫星运行管理、试验应用系统以及河北怀来站、喀什站的建设，并牵头组织平台和试验项目的在轨考核，哈尔滨工业大学承担星地激光链路试验研究，负责河北涞水激光通信地面站的建设。

2 七大亮点

新卫星平台亮相

实践-13/中星-16卫星是采用全配置东方红-3B卫星平台的首发星。作为东方红-3卫星平台的改进型，东方红-3B卫星平台是我国研制的最新一代中等容量通信卫星平台，它采用了综合电子、电推进、高效热控和锂离子蓄电池等先进技术，使卫星平台技术水平得到跨越式发展。这些技术可推广应用至其他平台，有效促进卫星平台能力提升。

电推进工程应用

实践-13/中星-16是我国首颗电推进工程化应用的卫星，卫星采用的电推进分系统选用了中国空间技术研究院下属兰州空间技术物理所研制的LIPS-200氙离子电推进系统，用于执行卫星在轨的南北位置保持任务，卫星在轨寿命15年，标志着我国新一代航天电推进技术跻身世界一流，将为我国高轨卫星带来革命性技术突破，为未来我国“全电推”卫星平台的应用奠定坚实的基础。

电推进系统的优点是比化学推进系统的推进效率高10倍左右，具有比冲高、省燃料、振动小、寿命长、较安全和综合性能好等一系列优点。所以，采用电推进系统的卫星比采用化学推进系统的卫星，在完成同样任务时所需的推进剂少得多，这样就可以显著降低发射质量，从而大幅降低发射成本；或明显增加卫星上的有效载荷数量，从而提高商业竞争力；或大大增加推进剂携带量，从而延长卫星的使用寿命。过去，1颗卫星维持15年的寿命周期需要675kg化学燃料，而使用离子电推进后仅需90kg。

卫星通信容量大

由于首次搭载了Ka频段通信载荷，实践-13/中星-16的通信总容量达到20Gbit/s，超过了之前我国研制的所有通信卫星容量的总和。这是我国卫星通信进入高通量时代的标志，真正意义上实现了自主通信卫星的宽带应用，将填补我国在该领域的空白，也会对我国卫星通信产业的发展起到极大的促进作用。

实践-13/中星-16是国内迄今容量最大的宽带卫星，能够覆盖我国除西北、东北的大部分陆地和近海百千米以上海域。地面无线网络信号覆盖不到或光缆宽带接入达不到的地方，都可以通过实践-13/中星-16卫星方便地接入网络。通过实践-13/中星-16卫星，机载终端可支持高达400Mbit/s的下载速率，而用传统手段，整架飞机只能获得10Mbit/s的网速。列车上网也是如此，4G基站能为高速行驶的整列火车提供不足10Mbit/s的下载速率，实践-13/中星-16卫星可提供破百兆比特的下载速率。

随着互联网应用的日益普及、卫星通信带宽需求不断扩大，以及传统C、Ku频段轨位和频率资源的日趋稀缺，卫星通信向Ka频段宽带方向发展就成为一个必然的趋势。Ka频段卫星通信的特点是频带宽、容量大、资源多、覆盖广、成本低、增益大、终端小等，其系统容量是传统通信卫星的数十倍，因此，可广泛用于高速卫星通信、千兆比特级宽带数字传输、高清晰度电视、卫星新闻采集、VSAT业务、直接到户业务及个人卫星通信等新业务。

高轨道激光通信

实践-13/中星-16是我国首次在地球同步轨道卫星上开展对地高速激光通信技术试验的卫星。卫星激光通信具有通信容量大、传输距离远、保密性好等优点，在高速空间信息网络数据传输方面具有不可替代的作用，是国际科技竞争的重要战略高地。此前，我国曾在海洋-2上开展过低轨卫星与地面激光通信试验。这次在实践-13/中星-16卫星上开展高轨卫星与地面的双向激光技术通信，速率可最高达到2.4Gbit/s，试验成功后，将标志着我国在该领域的研究达到国际先进水平。

卫星激光通信的信息传输能力远大于微波卫星通信，能够有效解决现代卫星技术发展所带来的数据传输瓶颈问题，使卫星具有前所未有的信息传输能力。

实现无缝“动中通”

实践-13/中星-16卫星可以助力运营商实现无缝“动中通”。“动中通”是指车辆、轮船、飞机等移动载体在运动过程中的卫星通信保障。据统计，我国平均每天的飞机乘客超过120万人，平均每天的铁路客运量达到760万人，但乘客的上网体验却非常不佳：飞机机舱内无法上网，高铁列车上手机信号时断时续，游轮驶离港口后变成信息孤岛，乘客随时随地上网的需求长期得不到满足。以上问题是由于地面移动网络无法实现全面覆盖，或即使能覆盖、但跨越不同区域导致切换过于频繁，难以为高速交通工具提供服务。由于实践-13/中星-16卫星采用天地一体化设计理念，其中一项重要业务就是提供高速“动中通”，通过多波束无缝切换配合机载、车载或船载终端的自动跟踪捕获功能，可以为航空、航运、铁路等各类交通工具上的乘客联通世界，有效改善上网体验。

用户终端尺寸小

由于实践-13/中星-16卫星搭载了频率更高的Ka频段通信载荷，所以它不仅容量大，可传送高清视频，而且可使卫星的用户终端小，容易装备、携带和使用，还有就是无需单独建网，性价比高。

我国有超过6000万人参与徒步、登山、越野、骑行、海钓、自驾游等户外项目，但因为户外地区通信信号差甚至完全没有信号，每月有近千起迷路或失联事件发生。更重要的是，当发生地震、水灾、海啸等应急突发事件时，一旦地面固定和移动通信业务发生损毁或瘫痪，就无法与外界取得联系，不能及时、快速、准确地传递灾情信息，导致不可挽回的生命或财产损失。采用Ka频段通信的实践-13/中星-16卫星，有效缩小了用户终端天线尺寸，非常便于携带。所以，无论是户外游客还是受灾民众配备了这种用户终端后，都可以随时与卫星建立语音、数据和视频的传输，把途中或灾区的情况第一时间传递出去，为展开救援提供通信保障，将损失降至最小，发挥“应急通信”的关键作用。

国产化水平很高

实践-13/中星-16卫星的国产化水平在我国高轨长寿命通信卫星中达到了新的高度，首次实现了100V电源控制器（PCU）、动量轮、地球敏感器、Ka频段宽带接收机和多功能组件等国产化产品的工程应用，改变了相关产品长期依赖进口的局面，关键核心单机实现自主可控，平台产品国产化率达到100%。这对推动我国商用卫星国产化进程，对我国后续卫星载荷技术发展起到至关重要的作用。

该卫星在国内高轨卫星领域首次采用了多口径多波束天线、固面反射器高形面精度控制等一系列先进技术，并且首次将空间技术试验和示范应用相结合，提供双向宽带通信示范化运营服务。

3 运控应用

在实践-13/中星-16卫星工程项目中，中国航天科技集团公司所属中国卫通集团有限公司负责运控系统和试验应用系统的相关任务。

运行控制系统

实践-13/中星-16卫星运行控制系统包括北京卫星测控中心和位于怀来、喀什两地的两个测控站，以完成以下从卫星定点至寿命终止期间的在轨卫星测控管理任务：

一是配合完成对东方红-3B卫星平台及载荷的在轨测试和综合性能考核任务；

二是支持激光载荷、Ka频段通信载荷的通信试验和应用；

三是负责卫星长期在轨管理。

考虑到实践-13/中星-16卫星是我国首颗采用离子电推进技术的高轨卫星，针对电推进技术的应用特点，在进行运控系统设计时，采用了双站测控的技术方案，一方面大大提高了系统可靠性，更重要的是能将满足测轨精度的时间周期大大缩短。

经过分析计算，运控系统研究制定了一套不同于传统化学推进技术的轨控策略，通过仿真测试，完全能够满足使用电推技术的在轨运行管理要求，在保证和提高在轨运行寿命的同时，大大降低了卫星整星质量，使之可以更加灵活的实现通信卫星的载荷配置。

试验应用系统

实践-13/中星-16卫星试验应用系统包括卫星平台试验系统、激光通信试验系统和Ka频段宽带通信载荷系统3部分。

卫星平台试验系统将对7个卫星平台新技术项目开始在轨验证，对包括Ka频段行波管放大器、Ka频段接收机等2个国产化载荷设备开展在轨测试、试验和评价工作。平台试验系统已完成系统建设、完成在轨试验大纲和评价标准的制定。

激光通信试验系统将验证首次在高轨卫星上搭载激光通信系统对地通信的可行性、功能和性能，积累试验数据。激光通信试验系统已完成了星上激光系统的研制、安装、测试工作；涞水激光地面终端站的建设、系统安装、和调试工作；激光通信载系统在轨试验大纲和评价标准的制定。

Ka频段宽带通信载荷系统将验证我国首颗Ka频段宽带卫星通信系统的功能和性能，并在完成在轨试验后，开展Ka频段宽带通信系统的应用推广。Ka频段试验系统已完成了星上关键技术攻关、系统的研制、安装、测试工作；北京运管中心以及怀来、都江堰两个关口站的系统建设、设备安装、联试工作；Ka频段通信载荷系统在轨试验大纲和评价标准的制定。第三个关口站喀什站的系统建设正在按计划进行。

我国幅员辽阔、地形复杂，在山区、沙漠、草原、海洋等地方，信息传递仍然存在盲区，同时，受我国东西部经济发展不均衡以及地理条件的限制，部分地区的宽带接入设施远远落后与其他地区。如何消除“网络鸿沟”已经是我国在信息化时代亟待解决的重要问题之一。在这些地区铺设地面或移动网络，存在很多无法克服的障碍。而实践-13高通量卫星不受地面条件限制，可以凭借其快捷组网、高速接入的特点以及低成本优势，很好地解决这一问题。得益于卫星的大容量，实践-13/中星-16可以为这些地区的用户提供优良的宽带服务。

4 未来前景

经过40多年的发展，我国通信卫星的研制与应用取得了较大的成就，但与美欧等强国相比，在卫星技术水平、产业规模等方面还有较大差距。例如，国内民商通信卫星多为传统的C、Ku频段转发器，容量有限；通信卫星平台整星功率及有效载荷功率与国际先进水平差距明显；在宽带多媒体通信卫星、移动多媒体广播等新领域的应用尚属空白等等。为了进一步推动我国通信卫星技术及产业的发展，后续我国将积极推进以下工作：

一是加快新一代大容量卫星公用平台—东方红-5卫星平台的研制。为进一步提升我国通信卫星技术水平和国际竞争力，2015年，国防科工局联合财政部批复了新一代大容量通信卫星公用平台—东方红-5卫星平台的攻关立项，该卫星平台是我国第5代通信卫星平台，整星输出功率为28kW，有效载荷质量1500kg，有效载荷功率18kW（可承载120台通信转发器），卫星平台设计寿命16年，主要性能指标超过目前现役的国际主流卫星平台。

二是推进国家民用空间基础设施的实施。2015年，国务院正式批准了《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015-2025年）》，按照《规划》安排，至“十四五”，我国将新增建设22颗通信广播卫星，其中全新研制的通信卫星有5颗，包括L频段移动多媒体广播卫星、大容量宽带通信卫星、超大容量宽带通信卫星、高承载比宽带通信卫星、全球移动通信星座科研星等。例如，超大容量宽带通信卫星主要用于满足教育部提出的远程教育容量需求，同时兼顾远程医疗、应急救灾等公益应用，并牵引个人和企业宽带多媒体接入等商业应用，采用东方红-5卫星平台，整星容量超过100Gbit/s，达到国际宽带卫星领先水平，对于促进我国宽带卫星技术进步和产业发展以及推动国际宽带卫星市场开拓具有重大意义。

三是启动天地一体化信息网络重大科技工程建设。天地一体化信息网络工程是国家面向2030科技创新，新一轮启动的重大工程之一。该工程按照“天基组网、地网跨带、天地互联”的思路，以地面网络为依托、天基网络为拓展、天地一体化为手段，通过天基骨干节点、天基接入节点及地面骨干节点构成全球覆盖的天地一体化网络。计划于2020左右完成典型示范，2025年前实现有效应用，2030年前实现全面服务。其中，天基接入点主要采用政府主导，积极吸纳社会和商业资本，新增建设我国全球低轨移动卫星通信星座系统。该工程完成建设后，将大幅提升我国卫星通信服务能力，并推动我国电信服务网络向全球服务的转型升级。

从总体上看，当前和今后一段时期内是我国卫星通信产业实现跨越发展的机遇期。国家有关部门也相继出台了一系列政策，鼓励和支持商业航天发展，尤其是2016年国防科工局联合国家发展和改革委员会正式印发了《关于加快推进“一带一路”空间信息走廊建设与应用的指导意见》，明确提出“鼓励企业参与投资建设和合作运营通信卫星电信港”。中国有句古话叫“众人拾柴火焰高”，我国通信卫星事业的发展离不开政府和企业的参与，更离不开全社会的支持。政府做好政策保障的同时，也需要企业和社会各界积极推动。如何充分发挥好企业的主体作用，搭建更好的平台，也是后续工作的重点。

毛凌野/本文编辑