中国通信卫星有效载荷创新之路

中国通信卫星有效载荷创新之路

Innovation of China's Communications Satellite Payload

王同心 （中国空间技术研究院西安分院）

2017年4月12日，实践-13在我国西昌卫星发射中心成功发射。这是我国自主研制的首颗高通量通信卫星（HTS），标志着我国进入卫星互联网应用时代，进一步拓展了我国卫星技术新的应用领域，将对我国经济社会发展产生深远影响。

1 互联网全覆盖不是梦

卫星上直接为用户提供服务的核心系统统称为有效载荷系统，其功能、性能及规模决定了卫星可以提供何种服务以及能达到的服务水平。据实践-13卫星有效载荷系统的研制单位中国空间技术研究院西安分院（以下简称西安分院）透露，这类卫星瞄准的是当前社会大众日益增长的互联网应用需求，尤其是传统的光缆敷设和基站难以覆盖的地方。卫星互联网的应用变为现实，将与地面互联网网络形成互补，实现互联网信号天、地、海无死角、无盲区的覆盖，将深刻影响方兴未艾的互联网经济、互联网生活。

负责研制实践-13有效载荷的卫星副总设计师周颖介绍，地面互联网信号难以覆盖的情况非常常见，比如高空飞行的航班、深海远航的舰船、大漠中、深山里，都基本上属于互联网信号的孤岛。这些地方要么“望洋兴叹”，如高速移动的飞机、高铁、舰船，因所处的空间特点，根本无法架设或无法足量建设地面互联网中转站，要么工程浩大、造价浩繁，如边远山区、沙漠中心，不具备工程的经济性特点而难以建设。

西安分院主管通信类卫星研制的马伊民副书记介绍，当前社会对互联网的需求非常巨大，但并不是所有地方都解决了信号覆盖问题，需要扩大互联网覆盖区域，高通量通信卫星的研制就列入了航天人的计划中。卫星“站得高、看得远”的独特优势很容易转化成“居高临下、直对目标”的效果，能够形成地面基础设施所不能企及的巨大能力。马伊民表示，互联网已经深刻地改变了人类社会生活，热门的互联网加上热门的卫星应用，将给社会发展带来极大的进步空间。高通量互联网通信卫星的发射，将实实在在地给人们的商务出行、旅游、科学考察、远程医疗、教育、灾害应对指挥、应急通信带来方便。

卫星副总设计师周颖表示，高通量通信卫星，也称作多媒体通信卫星，具有双向通信能力，通过卫星进行话音、数据、图像和视频的上传和下载。这类卫星利用天线多波束技术，将一个大的区域波束改为多个点波束覆盖，在改善性能的同时实现了不同点波束的空域隔离， 有效复用了稀缺的频率资源，提高了转发器的频谱利用效率，所以高通量通信卫星的容量是传统通信卫星的十几倍甚至几十倍，通信卫星的带宽成本大幅下降。高通量卫星能将通信卫星的服务推广至航空机载、海事舰载、陆地移动和边远地区。卫星有效载荷一方面服务于远程教育、远程医疗、应急救灾等公益事业，另一方面为个人和企业提供宽带多媒体和高速率的互联网接入等商业应用。

2 高通量有效载荷系统诞生记

“十二五”期间，以广播电视通信为代表的固定通信业务日趋饱和，而提供互联网服务的宽带卫星通信逐步成为信息基础设施的重要组成部分，需求增长迅速。西安分院在民商用市场拓展的新增订单，几乎都一致要求具备宽带互联网功能，即使是广播电视运营商，也在积极转型升级，要求新研的卫星必须向上一代兼容，这为启动新一代通信卫星—高通量通信卫星研制提出了现实需求。

2013年，西安分院承担研制的我国首颗高通量通信卫星实践-13项目正式立项。西安分院卫星副总设计师周颖全面负责卫星有效载荷系统的研制工作，带领转发器分系统、天线分系统、跟踪子系统的相关队伍，瞄准用户需求和高通量卫星的工作特点，着手进行设计开发。

这是一个极其艰难的创新过程，研制队伍秉承着勇攀科技高峰的航天理念，毫不畏惧面临的各项技术难题。

首当其冲的是设计理念和系统规范的差异。传统的广播电视通信卫星，工作频段低，工作带宽窄，采用广域覆盖，广播电视台将多套上星电视节目通过上行地球站发送至星上，接收地球站接收到电视节目通过光纤传送至电视用户，星地通信体制单一。而实践-13卫星工作在Ka频段，单通道带宽达到400MHz，采用多点波束覆盖。整个系统由空间段、地面段（关口站）和用户段构成。卫星有效载荷的设计必须采用星地一体化思路，需要考虑卫星覆盖区域内的用户互联网通信需求，用户终端的型谱，地面端的选址及雨衰情况。载荷适应不同通信体制设计、多维度资源调度算法设计等手段实现热点区域覆盖、发挥高通量卫星的最大潜能。所以在系统方案制定之前，西安分院作为该星的有效载荷研制单位，加强了与卫星运营商中国卫通集团有限公司的沟通，加强了空天地一体化系统设计，对终极用户（个人用户及企业用户）的人口数量、密度、潜在需求进行全方位适应，对地面关口站建设等提出了相关思路。

其次，由于采用新的通信方式，工作带宽范围大，传统的转发器分系统标准的技术指标分配是无法保证需求的，所以转发器分系统需要根据新的星地通信体制和工作方式，单机的技术指标需重新进行分配，单机的设计方案需重新进行优化，这带来的是几乎全新的产品设计和试验工作。以核心单机宽带Ka频段接收机和采用总线技术的宽带行波管放大器为例，因为拓宽了工作范围，对器件、部件、单板在更大频率范围正常工作提出了考验，设计和调试极为艰难。

再次，高通量通信卫星采用多点波束覆盖，性能得到很大程度的改善，满足宽带互联网所需要的“高能量”集中传输。满足宽带传输的多波束天线技术及配套的工程技术就亟待取得突破性进展，电性能设计的运算量相对于传统的单馈源天线成指数倍的增长。同时，相较于传统卫星更加苛刻的天线反射面精度控制技术、高精度天线展开指向机构技术、双重叠展开天线技术、频率复用和干扰抑制技术，甚至还有波束标校技术等也亟待突破。周颖介绍，传统的广域波束要分解成26个波束，好比指挥单兵散打转化成指挥集团军作战，复杂度和难度急剧提升，每一个波束都需要精确指向，否则星上的“差之毫厘”会导致地面的“谬之千里”。

周颖带领着研制团队开展了艰苦卓绝的攻关，解决了一个又一个前所未有的技术难题。在完成总体性能指标的基础上，研制团队秉承着高度的责任感和使命感，自主开展了一系列提高产品可靠性的试验攻关。有效载荷及跟踪子系统相继完成初样、正样设计评审、AIT工作后，于2016年12月实现出厂评审交付总体。2017年1月14日，研制队伍开拔奔赴发射场进行试验。2017年4月12日，卫星成功发射。

周颖表示，这颗卫星的发射成功和投入使用，其通信容量已经超过了我国历史上所有通信卫星容量的总和，成绩来之不易。通过这颗星的研制，锻炼了一支具有极强创新能力的研制队伍。通过技术开发和工程实现，将带动西安分院一大批关键技术的升级换代，比如宽带转发技术、多波束天线设计、标校技术、重叠天线展开技术、行波管CSB总线技术将在未来得到更大范围的推广应用。

2016年，香港亚太公司提出研制Ku频段多波束覆盖全球的宽带通信卫星系统，亚太-6D卫星作为该系统首颗启动卫星，技术要求极其复杂、开放，卫星有效载荷采用全球招标方式进行。正是由于前期的技术突破和创新队伍的成长，实践-13卫星有效载荷的主要研制人员通过天地一体化的解决方案，大胆创新，积极协调，成功中标。目前，西安分院已经开始启动亚太-6D宽带通信卫星的研制工作，将开启高通量卫星事业发展的新征程，为卫星宽带互联网全球覆盖和宽带中国建设贡献力量。

3 卫星通信世家的卓越功勋

西安分院的创建、规划、发展、壮大都与卫星通信事业的发展密不可分，在52年的发展历程中，参与研制了我国自主研发的几乎所有的通信卫星有效载荷。在这个当之无愧的我国卫星通信的世家里，几代航天人砥砺创新、奋力拼搏，圆满完成了我国各类通信卫星的有效载荷任务，合计在轨应用40余颗。西安分院始终坚持创新驱动发展，始终坚持满足和引领用户需求，始终代表着我国通信卫星技术发展的最高水平。西安分院研制的UHF、L、S、C、Ku、Ka频段卫星有效载荷已经成功应用在我国军、民、商用通信广播、直播星通信以及中继卫星等所有通信卫星上，通过通信卫星的工程应用，在可展开天线、大功率合成、高速交换机、大容量宽带信号处理、EHF频段转发器、多波束技术等核心技术方面有了丰富的工程经验，在Q/V通信技术、柔性转发技术、激光通信技术等方面有了提前储备，能够适应卫星通信事业的创新发展需求。

1984年4月8日，我国的东方红-2试验通信卫星成功发射，开辟了中国通信卫星事业的新纪元。在轨道测试、数字化通信、广播、彩色电视传输、报纸版型传真和时间标准频率播发等方面，试验均取得良好效果。西安分院为我国首颗通信卫星研制的转发器分系统、通信天线等有效载荷以及测控应答机均表现优异，开启了在卫星通信领域建功的步伐。在试验通信卫星取得成功后，用户迫切要求发射实用型国内通信卫星，为满足国家急需，具有较大通信能力的东方红-2A实用通信卫星的转发器、通信天线、测控应答机的研制纳入到了西安分院的工作日程。我国在1988-1991年间发射了4颗东方红-2A卫星。东方红-2A的发射成功和正常运行标志着我国通信卫星进入了实用阶段。

改革开放后，随着国民经济的高速发展，我国对卫星通信的需求增加。1989-1993年，西安分院竭全企之力攻克了重重技术难关，完成了更大容量的东方红-3卫星模样、初样、正样的研制工作。1997年5月，东方红-3卫星发射取得成功并投入运行。东方红-3卫星达到了20世纪80年代初期国际水平，就国内通信卫星而言上了一个大的台阶。

新世纪后，西安分院始终坚持创新发展，技术创新一路斩关夺隘，参与研制的中星-22卫星于2000年1月成功发射，并在轨运行13年，创造了中国航天器的在轨寿命之最，西安分院研制的有效载荷经受住了时间的检验，过硬的产品质量赢得了用户赞誉。2003年后，10余颗上水平的各类通信卫星密集发射，在这些见证着中国卫星通信事业蓬勃发展的卫星上，西安分院多项有效载荷新技术得到在轨应用，极大提升了我国卫星通信技术水平。2016年8月，西安分院研制的“中国版海事卫星”天通-1的有效载荷正式开通，标志着中国首颗移动通信卫星开始提供话音和数据通信服务，填补了我国在卫星移动通信领域的空白。

与此同时，西安分院在数据中继通信卫星及国际商业通信卫星方面也取得了丰硕果实。中国在2008-2016年发射了4颗天链-1卫星，填补了我国卫星数据中继的空白。从2007年第1颗整星出口的尼日利亚通信卫星成功发射开始，中国自主研制的通信卫星开始走出国门。西安分院承担了我国全部国际商业通信卫星的有效载荷研制任务，为中国航天开辟亚洲、非洲、拉美、欧洲市场做出了重要贡献。

4 创新驱动发展的加速度

随着我国《“十三五”国家科技创新规划》的发布，航天人肩负的使命更加清晰、责任更加重大。航天科技是科技创新的龙头，对巩固我国有重要影响力科技大国地位、推动我国建设世界科技强国具有十分深远的意义。

中国航天科技集团公司董事长雷凡培曾在《求是》杂志撰文指出：“要坚持自主创新的战略基点，密切跟踪世界航天发展的最前沿，加强航天装备建设和技术研发，通过搭建平台、加大投入、充实力量、制度激励等措施，全面提升原始创新、集成创新和协同创新能力，形成强大的核心技术优势和独立自主的发展实力，把发展主动权牢牢掌握在自己手中。”这为航天科研院所在各自的具体业务领域实施创新指明了方向。

有效载荷作为航天技术发展最活跃、最直接的因素，其创新研发水平对整个卫星系统技术发展起着举足轻重的作用，有效载荷的性能直接决定了卫星的功能和应用水平，有效载荷已经成为推动航天技术发展和应用的主导因素。

西安分院院长李军表示，作为国内最核心的卫星有效载荷研制单位，西安分院的创新步伐、创新成果对我国航天事业跨越式发展、实现航天强国、科技强国目标具有重要支撑作用，西安分院全体干部员工具有高度的使命感和紧迫感。西安分院参与了我国近200颗卫星的研制，在卫星通信、卫星导航、空间雷达遥感与探测、空间数据处理与传输、卫星测控、空间天线、星间链路等领域牢牢占据国内领先地位，是我国高技术装备工程、探月工程、载人航天工程、北斗导航工程、高分辨率对地观测工程等方面的突出贡献单位。

李军介绍，西安分院近年来加速推进创新体系建设，形成了创新规划战略牵引、多平台研发创新支撑、及时转化产品和市场应用为模式的创新体制。在完成好国家重点工程任务为牵引的技术攻关突破外，瞄准未来用户需求，提前布局预先研究，同步推进原始创新、集成创新和协同创新，实现技术超前储备和快速迭代更新。通过几年的努力，西安分院以973课题为代表的大量基础理论研究实现了技术突破，前瞻性技术课题转化为工程应用，可以满足一定时期内航天器日新月异的发展需要。李军表示，虽然取得了一定的成绩，但未来仍然任重道远，早日实现航天梦的征途还有很多亟待探索的地方，尤其是当前构建空天地一体化信息网络是个极其复杂的系统工程，在军民融合发展的道路上推动航天技术成果转化和再创新需要更具开拓意识，技术创新正呈现出加速发展的需求态势，在这些方面西安分院仍有很长的路要走。

西安分院党委书记黄普明在接受采访时表示，当前国企改革进入攻坚阶段，习近平总书记在全国国有企业党建工作会的重要讲话为国企今后的改革发展指明了正确方向，并提出了高标准要求。西安分院的体制机制创新、人才激励创新、市场开拓创新、创新文化建设都亟待适应新的形势需要。黄普明表示，党和国家“走出去”、“一带一路”等重大战略的实施，给西安分院持续推动技术创新带来了前所未有的契机，西安分院党委将加强对国企改革发展的领导，充分发挥政治核心作用，全面从严治党、管好干部、管好人才，为企业全面创新发展奠定基础，为实现国有资产保值增值、提高国有经济竞争力做出应有贡献。