亚太6D通信卫星方案设计与技术特点

魏强 廖瑛 石明 刘建功 周颖 刘忠汉

(1 国防科技大学 空天科学学院, 长沙 410073)(2 中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部, 北京 100094)

亚太6D(APSTAR-6D)卫星是由亚太卫星宽带通信(深圳)有限公司采购的一颗地球静止轨道通信卫星，由中国航天科技集团有限公司中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部抓总研制，设计寿命15年，于2020年7月9日由长征三号乙(CZ-3B)运载火箭成功发射，定点于134°E。2020年7月—10月，完成了在轨测试，各项测试结果表明卫星功能、性能满足合同要求。2020年10月底正式交付用户并全面投入应用。

亚太6D卫星是国内研制的首颗Ku/Ka频段全球高通量(High Throughout Satellite，HTS)宽带商业卫星。卫星有效载荷质量、有效载荷功率、波束数量、波束覆盖区等多项性能指标均为国内第一，代表了我国高通量卫星研制的最高水平。HTS卫星概念由美国航天咨询公司率先提出，其定义为“采用多点波束和频率复用、在同样频谱资源的条件下，整星通信容量大幅提升、达到传统固定通信卫星的数倍、面向消费者互联网接入等宽带应用的卫星”[1-5]。亚太6D卫星是东方红四号增强型(DFH-4E)公用平台首颗全配置的卫星，是目前设计最复杂、技术最先进的东方红四号系列平台卫星。DFH-4E平台是对东方红四号(DFH-4)平台进行设计改进，快速实现卫星服务寿命、有效载荷质量和容量提升并达到国际先进水平的新型平台[6-7]。

亚太6D卫星在设计和研制中采用了多项创新技术和方法，卫星平台采用混合推进等技术实现对有效载荷承载能力大幅提升；有效载荷采用多波束、多端口放大器、无法兰波导等技术。面向先进复杂平台及有效载荷研制，卫星总体设计、研制中充分运用系统工程方法，实现整星系统优化、流程优化和高效率总装测试，相应技术和方法可以应用于相关的通信卫星项目研制工作中，具有借鉴意义。

1 卫星方案设计

1.1 卫星方案概述

亚太6D卫星包括平台和有效载荷两大部分。其中平台包括供配电、控制、化学推进、电推进、测控、综合电子、结构、热控分系统，有效载荷包括转发器和天线分系统。亚太6D卫星采用长方体构形，本体尺寸为2.36 m×2.1 m×4.2 m，相对DFH-4平台高度增加0.6 m，可以划分为通信舱、推进舱、服务舱、太阳电池翼和天线共5个模块，卫星在轨飞行状态和模块组成如图1和图2所示。平台各分系统在继承DFH-4平台基础上开展的技术提升，主要概述如下。

图1 亚太6D卫星在轨飞行状态

图2 亚太6D卫星模块组成

(1)供配电分系统采用单翼4块太阳翼的二次展开太阳翼，在轨展开后长达33 m，粘贴30%转换效率的三结砷化镓电池片，输出功率超过16 000 W；采用新一代电源控制装置(PCU-NG)，相比DFH-4平台产品功率密度提升30%，成本下降20%；整星功率相对DFH-4平台提升约30%。

(2)控制分系统采用“星敏感器+长寿命陀螺”为主的姿态测量方案，配置4个25 N·m·s反作用轮进行卫星姿态控制，姿态精度由DFH-4平台的0.06°提升为0.04°。

(3)推进系统采用化学推进和电推进结合的混合推进方式，化学推进分系统用于轨道抬升、东西位保控制及姿态控制；电推进分系统基于兰州空间物理研究所研制的200 mm型离子推力器(LIPS-200)进行设计，混合推进系统的应用使得有效载荷质量相对东四平台提升50%，同时电推力器的小推力特点显著地提高了南北位保控制期间姿态稳定性。

(4)测控分系统采用统一C频段(UCB)测控系统测控体制，在全生命期提供全向覆盖测控通道，采用一体化应答机、遥测遥控单元等小型化、轻量化新研产品。

(5)综合电子分系统以一台中心计算机为核心，通过1553B总线构建了一套分布式网络系统，为整星提供标准的总线与电气接口，同时完成整星的统一控制，提升卫星在轨自主运行能力。

(6)结构分系统在DFH-4平台基础上将中心承力筒提高0.6 m，同时改进复合材料成形设计，承载能力由5000 kg提升至6000 kg。

(7)热控分系统采用“U”形热管实现通信舱南、北板及水平板热耦合，通信舱散热能力由DFH-4平台4000 W提升至5600 W。

亚太6D卫星配置Ku频段多波束(Ka频段馈电链路)载荷，总通信容量达到50 Gbit/s。配置32路Ku频段前向转发器和10路Ka频段返向转发器，共计90个用户波束，实现静止轨道可视范围下全球覆盖，并配置8个信关站实现灵活切换，单波束容量可达1 Gbit/s以上。卫星配置3副多口径多波束天线和1副单口径多波束天线，配置高精度校准子系统，信关波束与用户波束共用反射器，实现了高增益、高载干比(C/I)以及宽窄波束的隔离。同时具备灵活关口站切换及功率动态调配等能力，首次使用无法兰波导、Ku频段超宽带多端口放大器技术(Multi-Port Amplifier，MPA)、超大规模多波束馈源阵列等诸多先进技术。

1.2 卫星主要技术指标

亚太6D卫星运行在地球同步轨道，定点位置为东经134°，卫星主要技术指标见表1。

表1 亚太6D卫星主要技术指标

2 卫星技术特点

2.1 总体设计统筹系统减重及布局优化

亚太6D卫星有效载荷质量为981 kg，载荷质量约为以往通信卫星的1.5倍；有效载荷单机数量达到1200台以上，波导达1898根，同时配置4个超大规模馈源阵。围绕上述特点，卫星总体设计上重点开展系统减重、布局优化技术研究和应用。

1)系统层面减重设计技术

(1)系统优化电推进以及化学推进使用策略，电推进完成15年寿命期南北位保控制要求，并兼顾离轨及部分转移轨道控制；化学推进完成转移轨道控制、在轨东西位保控制、姿态控制及离轨控制。确定化学推进剂及电推进剂装填量，优化化学推进贮箱、气瓶容积，优化后减重38 kg。

(2)在远地点发动机点火期间使用与发动机推力同一方向的10 N推力器进行姿态控制，实现姿态控制精度要求的同时提供轨道控制推力，提高推进剂使用效率；优化姿态控制参数，提高位置保持期间10 N推力器工作脉宽，从而提高点火效率。

(3)综合电子分系统应用新型高可靠矩阵电路，解决了大容量通信载荷射频开关驱动电路数量多、电缆网重的难题，实现了单机数量由20余台精简到6台，设备和电缆网均减重约50%。

(4)结构设计中采用特制侧向埋件代替传统角条，使整星结构减重约10 kg。中心承力筒设计通过应用改性氰酸脂、轻量化埋件，优化贮箱接口等技术，大幅提升承载比，相较东四平台承力筒承载能力提升了17%；优化后的DFH-4E平台结构占比仅为6.1%，达到国际同类卫星平台先进水平。

(5)转发器返向通路中对多个波束采用了预选双工器提前合成的方式，减少低噪声放大器的数量。

(6)利用天线、太阳翼等星外部件安装适量配重，提高配重效率。

2)单机层面减重设计技术

(1)应用无法兰波导及轻量化波导支架，波导质量从220 kg减少到170 kg；

(2)应用轻量化单机，如新一代国产变频器、输入/输出多工器组件、PCU-NG等；

(3)应用馈源阵列轻量化设计，单馈源喇叭在保证电性能和力、热性能的前提下优化壁厚，其中Ku馈源组件的壁厚为1.2 mm，Ka馈源组件的壁厚为1.0 mm。

3)构型布局设计

构型布局设计中采用了多层通信舱技术、拓展通信舱技术、波导定位安装技术，实践并解决了转发器单机布局空间、超大规模馈源阵安装、单舱段总装、舱段对接、超量复杂波导对中连接等工程困难。

(1)多层通信舱是在原“∏”形通信舱构型中，增加一层水平板，增加单机安装面积，该板实际安装行波管、低噪放电源等共计59台单机。为解决该水平单机散热问题，首次采用了南北板及水平板全耦合的“U”形热管，实施效果良好，满足整星热设计要求。

(2)拓展通信舱是在原通信舱对地板基础上，再次向外拓展出一段“∏”形舱段，用于实现转发器单机安装、馈源阵安装及支撑、通信舱散热面扩展等需求。拓展通信舱首次应用，实践并解决了扩展段构型优化、超大南北面板生产及精度控制、拓展舱热控设计等工程问题，大幅提升了DFH-4E平台的灵活性，为后续应用奠定了基础，如图3所示。

图3 亚太6D卫星通信舱模型

(3)首次采用穿舱法兰盘的设计方式，解决超百余根的大规模穿舱波导固定难题，并提高了波导在各舱段间安装时的定位精度；通过开展波导支架的地面鉴定试验，总结形成了无法兰波导的安装固定规范，为无法兰波导在后续卫星中的推广应用提供标准支撑。

2.2 有效载荷多项技术突破实现产品能力提升

为满足用户针对有效载荷的要求，亚太6D卫星有效载荷设计上应用大量先进技术及产品，确保了有效载荷各项指标全面满足用户要求的同时，实现技术突破和产品能力提升。有效载荷典型首次应用技术包括：超宽带Ku频段MPA技术、关口站灵活切换技术、非均匀覆盖多波束天线、超大规模高精度馈源阵、高精度波束指向控制等设计技术。

1)超宽带Ku频段MPA技术

为满足用户提出的热点区域和非热点区域进行功率共享，实现不同波束在轨功率动态分配的需求，首次应用Ku频段MPA技术，实现星上功率共享。MPA包括输入巴特勒(Butler)矩阵、功放环备份网络和输出Butler矩阵，如图4所示。为保证MPA的各个通道的幅相一致性，在功率放大器环备份网络中配置了移相组件。转发器分系统配置2组4×4和2组2×2的Ku频段MPA，可实现全部90个波束切入/切出，可同时对一半波束的功率及带宽动态调配。MPA技术的难点是Butler矩阵频段宽度和通道幅相一致性，关键技术指标是端口隔离度。亚太6D卫星Butler矩阵设计中采用带宽扩展技术，实现了Ku频段2.05 GHz全频段覆盖；采用相位匹配和调节技术，实现360°范围内调整各个通道的相位，确保通道幅相一致性的要求；MPA端口隔离度测试结果优于20 dB，达到国际同等水平。

图4 亚太6D卫星MPA(4×4)原理图

2)关口站灵活切换技术

传统的多波束卫星关口站管理波束为固定的点对点式，缺乏灵活性。亚太6D卫星在设计中采用了灵活切换技术，实现各关口站信号的合路和分路，满足各关口站灵活切换，满足了降低业务不确定的风险、提高用户使用灵活性、管理统一性等多方面要求。亚太6D卫星面向8个关口站设计5种切换方式，共计20余种工作模式，可以实现所有主用关口站单独上行、国内站与备份关口站切换或者合成上行、境外站与国内站切换或者分路/合成、单关口站在不同极化方式切换/合成功能。同时根据用户需求，多个波束共用一个行波管放大器，一定程度上可以将重点区域和非重点区域进行功率共享，辅以MPA技术，确保不同用户波束的带宽具有动态分配能力。

3)无法兰波导技术

传统通信卫星采用带有法兰的波导，波导组件数量不超过200根，波导层数一般为一层，组件之间各段波导通过法兰连接。亚太6D卫星波导组件数量达到745根，同时层数最大增加到8层。传统有法兰波导无法满足布局空间、操作空间及质量的限制，因此开展无法兰及减高波导技术攻关和应用。针对无法兰波导开展了设计工艺鉴定、波导支撑验证、热变形仿真及验证、三维激光测量仪检验、三维总装等专项工作，解决了无法兰波导焊接、镀银、加工精度、支撑、验收、安装以及调整等技术难题，实现波导机械及电性能指标符合、复杂波导布局及安装，提升波导精度，提高波导成品率，相对传统波导减重50 kg，为后续多波束卫星研制奠定坚实基础。图5给出亚太6D卫星无法兰波导装配实际结果。

图5 亚太6D卫星波导装配实物

4)非均匀覆盖多波束天线技术

传统多波束卫星采用等宽度波束技术，适用于较小的覆盖区和各波束容量需求相近的情况。亚太6D卫星为实现全球可视范围覆盖，同时根据用户在各区域容量需求的差异化分析结果，创新采用非均匀覆盖多波束天线技术，利用1°、1.3°、1.4°、2.5°和3.0°五种波束宽度共90个用户波束实现对全球视场的高效率、高性能覆盖，实现卫星载荷资源的最高效率分配，如图6所示。具体实现方案为：采用三口径非均匀覆盖多波束天线实现了1°、1.3°和1.4°波束，通过高效率的喇叭设计对初始方向图进行赋形，在同一反射器口径上实现不同波束宽度的最优性能；对于2.5°和3.0°的超大波束，采用单口径非均匀赋形多波束天线方案，通过多波束多目标反射器赋形技术，对每个波束的增益、交叉极化隔离度和C/I进行优化，保证超大覆盖区内多波束的高性能覆盖。

图6 亚太6D卫星波束覆盖

5)超大规模高精度馈源阵

亚太6D卫星单个馈源阵平均包含约25个馈源喇叭，如图7所示。馈源阵规模远超以往型号，在规模扩大的同时还要保证各馈源喇叭的精度，在馈源阵设计中开展了馈源组件小型化设计、低无源互调(PIM)(3阶)设计、多馈源定位、热变形自适应等多类型技术攻关和应用。其中Ka频段小型化四端口馈源组件的研制，能够嵌套在Ku馈源阵列缝隙中，节省一副馈电天线的空间需求和质量需求，实现Ka频段0.3°馈电波束的覆盖。光壁赋形喇叭法兰外圆的圆柱段采用间隙配合装配于馈源阵列安装板上，通过安装板的机械加工精度来保证馈源组件安装相对位置精度，既方便安装，也能满足多波束相对位置的高精度需求。通过将馈源安装板的材料确定为具有低热膨胀特点的钛合金，以及在馈源安装板与复材支撑塔的安装界面上采用游离设计保证不同材料之间的热相容性，使得在温度变化的情况下能够很好地保证馈源喇叭之间位置精度。

图7 亚太6D卫星多波束馈源阵列

6)高精度波束指向控制技术

为了实现多波束在轨高指向精度以满足用户的高性能指标要求，在以往卫星基础上，亚太6D卫星天线设计从反射器结构设计、热设计和主动校准系统设计开展多维度技术提升。在反射器结构设计层面，为减小反射器热变形对于天线指向误差的影响，采用圆环背筋与反射器粘接的形式弱化热应力传导，展开臂与反射器背环连接选用钛合金组件，以得到更好的热匹配性；在热设计层面，采用10层的多层组件对天线展开臂进行包覆，缩小了展开臂的温度区间；在主动校准系统设计方面，采用校准站和馈电站合并的设计理念，在不增加用户建站成本的前提下，采用多波束闭环校准系统通过电信号完成指向误差的定位并驱动高精度机构完成波束的指向调整，消除了天线、平台和姿态控制等多方面的常值误差，保证了最终用户的高性能稳定使用需求。

2.3 混合推进技术兼具大推力和高比冲特点

亚太6D卫星推进系统包括化学推进和电推进，兼具化学推进系统大推力、电推进系统高比冲的优点。化学推进分系统为整星提供变轨、定点捕获、东西位置保持和姿态调整的推力及力矩；电推进分系统则利用其高比冲的优点为卫星提供南北位置保持所需推力，大幅减少推进剂应用。混合推进系统设计上针对部分功能进行了互补，化学推进及电推进均可以完成离轨操作：设计双电推力器点火模式，具备部分转移轨道控制能力；化学推进同样具备南北位置保持控制能力。

离子电推力器是国际电推进应用领域的主流产品之一，经过30余年发展，1997年正式实现商业应用，当前广泛应用于轨道位置保持、深空探测主推进、无拖曳控制等[8]，但在国内将离子电推力器作为全生命期南北位置保持的尚无先例。亚太6D卫星实现了LIPS200离子推力器在轨首次全寿命商业应用，离子推力器具有高比冲、小推力的特点，设计比冲为3000 s，是化学推力器的10倍，用于南北位保控制推进剂相对全化学推进减少约600 kg，有效载荷质量可增加约450 kg。亚太6D卫星离子推力器布局采用同侧一主一备方式，4台离子推力器轴线全部在整星YOZ坐标平面内，整个南北位置保持工作方式如图8所示。亚太6D卫星在研制过程中，进一步加强和完善了电推进系统可靠性，包括：调整电源处理单元屏栅模块数量，降低屏栅电压；电推力器完成地面模拟真空环境下14 649 h点火寿命试验、电源处理单元完成等效24 625 h加速寿命试验，提升了系统的整体可靠度。

图8 亚太6D卫星电推进南北位置保持工作方式

2.4 高效载荷测试技术优化整星研制流程

亚太6D卫星有效载荷设计同样给测试带来复杂性，转发器及天线测试工作量为过去民商用通信卫星的总和。在项目研制中围绕提升测试效率开展了专题技术研究，包括整星测试流程优化、天线紧缩厂测试优化、转发器测试项目优化、MPA测试技术研究、新型测试设备研制等。

经过对布局特点、测试需求、总装操作难点分析，在整星技术流程中将传统的“先力学试验、后热试验”的顺序调整为“先热试验、后力学试验”的顺序。通过该调整，一方面减少了星上天线、波导、测试附件的重复拆装，可节约周期近一个月；另一方面，解决天线研制周期长的困难，避免发生整星力学试验前等待天线的情况。将天线紧缩厂测试工作前移，在天线交付前利用模拟卫星工装安装天线，完成全部波束的测试，在后续天线电性星及正样星阶段，抽选部分波束进行测试验证，抽选原则考虑波束宽度、馈源组件、关口站、转发器通道等因素，减少整星主线时间近一个月。转发器测试中首先优化测试配置，创新性提出将单机测试数据与整星阶段主、备份链路测试结果相结合，利用链路半物理仿真给出其余所有交叉连接通道性能，在保证测试覆盖性的前提下将测试配置数量由3000个以上优化至1200个以下，在测试过程中挑选部分交叉通道进行测试，测试结果与仿真结果一致。针对Ku超宽频带MPA测试，开展了MPA子系统仿真设计、桌面联试验证以及转发器分系统测试验证，创新性地提出MPA子系统幅相一致性整体配平方法，大大提升了超宽带MPA子系统幅相一致性配平效率。

为提高转发器系统测试效率和解决热试验水冷回路数量限制问题，亚太6D卫星对转发器测试设备也进行技术革命，主要包括以下几个方面：①研制了“风水冷一体式大功率微波负载”，解决传统负载在常温及热真空环境下不能通用的问题，减少更换负载的总装工作。在研制过程中，总结提炼出的腔体一次成型、吸收体与腔体紧密配合等改进设计，解决了真空环境下负载传导散热热阻过高问题，取得Ku、Ka频段卫星大功率测试负载自主研制技术重大突破。②研制了“通用化射频测试前端组件”，高效解决多端口并行测试的国内难题和91路负载星上部装和热试验水冷回路受限等问题。③研制了“超宽频带测试探头+多通道测试”的高效测试系统，测试效率相比传统测试提升5倍，为后续卫星测试提供解决方案。

2.5 在轨自主运行管理技术提高可靠性和稳定性

随着通信卫星设计复杂层度增加，在轨操作任务同样变得复杂且易出错，在近10年在轨卫星故障中，发生过多起因地面操作不当引起的运行故障。亚太6D卫星在以往型号基础上，进一步开展在轨自主运行管理技术研究，提高在轨运行可靠性和稳定性。

卫星采用一台中心管理单元为核心的分布式系统，突破了综合电子系统架构设计、在轨智能化故障诊断与处理、总线设计及接口芯片开发、小型化电子设备研制等关键技术。实现星上多源数据融合、故障检测与自主隔离恢复、发射至太阳翼展开的全程自主飞行控制、20项在轨软件定义等功能。进一步实现光照与地影季自主识别及状态设置、自主远地点点火、自主位保、自主太阳翼对日跟踪及精度修正、全自主温度控制、自主电推进矢量机构指向调整等功能。

3 在轨使用效能

亚太6D卫星自在轨交付以来，卫星平台及有效载荷工作正常，各项指标均满足用户要求，关键技术得到验证，关键指标经在轨验证全面满足表1要求。部分在轨验证结果如下：

(1)太阳翼最大输出功率达到16 000 W，最大负载功率达到9500 W；

(2)稳态下姿态精度优于0.02°，位保控制期间姿态精度优于0.03°；

(3)电推力器在轨累计点火时间已超过1600 h，实测比冲为3119 s；

(4)卫星地影期/光照期切换、位置保持控制、温度控制、太阳翼对日跟踪等自主功能正确；

(5)单次校准下天线在轨指向精度优于0.07°。

在卫星应用方面，全部波束完成在轨测试，国内波束全部开通应用。应用于嫦娥5号返回、神舟12号飞船发射、抗洪救灾等直播业务；完成航运、直升机、高速公路、远洋船只等多维形式通信验证，其中东航航班应用亚太6D卫星实现空中互联网应用，系统速度最高超过220 Mbit/s；使用某国产基带系统在1号波束下进行大带宽极速测试，前向速率达到280 Mbit/s，返向速率达到195 Mbit/s，刷新了国内卫星通信行业的最高回传速率记录；完成了跨越7个波束共计6000 km的车载移动通信测试，移动中上下行可达(11.7 Mbit/s)/(46 Mbit/s)，与5G通信速率接近。这些测试及应用效果均体现出亚太6D卫星高性能、大覆盖的特点。

4 发展建议

亚太6D卫星的成功发射及在轨应用，实现了我国中大容量通信卫星平台和高通量有效载荷的双突破，为后续发展奠定了坚实基础。近年来，国际上高通量卫星的发展炙手可热，同时国内在军、民、商用等领域对高通量卫星的需求也不断增大，国际高通量卫星发展趋势主要表现在：①通信容量需求持续增加，单星容量达到100 Gbit/s～1 Tbit/s以上；②灵活性需求成为基本配置，具备实现频率、功率、覆盖区、关口站等灵活性；③研制周期短，典型研制周期要求为24个月在轨交付。围绕上述发展趋势，建议我国高通量卫星后续在以下几个方面开展工作：

(1)进一步提升平台承载能力。提高整星功率输出能力，满足20 000 W的载荷功率需求，其途径主要是开展太阳翼、太阳翼驱动机构、电源管理装置、蓄电池的技术创新和改进；提高载荷承重能力，满足2000 kg有效载荷质量需求，其途径主要是开展高比冲高推力电推力器研制以及系统使用策略；提高整星布局能力，满足单机布局面积、大型天线安装的需求，其途径主要是优化构型、加强内部空间有效利用；提高整星散热能力，满足10 000 W以上总热耗以及高集中热耗单机的散热需求，其途径主要是应用新型热控技术、产品；提高整星姿态精度，满足0.2°窄波束的指向精度要求，其途径主要是提升敏感器精度、应用小推力姿态控制推力器、与天线进行统筹设计等。

(2)进一步提升有效载荷容量和灵活性。通信容量实现800 Gbit/s以上，其途径主要是采用更高带宽频率、更多波束数量、更小波束宽度；灵活性主要面向关口站、覆盖区、功率/带宽以及组网方式的灵活实现，其途径主要是应用数字透明处理器(Digital Transparent Processor，DTP)系统。

(3)进一步提升整星总装测试能力和效率。高通量卫星设计使得单机数量、测试配置数量、测试难度急剧提升，同时卫星研制周期成为国际竞争的一项重要指标，传统的测试设备、手段和方式均无法满足未来的需求，解决问题的主要途径是多舱段并行总装测试、提高卫星容错设计能力、应用自动化测试系统、强化单机测试有效性、优化整星测试项目等。

5 结束语

亚太6D卫星的设计能力达到国际先进水平，是国内研制首颗全球高通量宽带卫星，是全球首颗为移动业务定制的高通量卫星，也是国内首颗采用Ku/Ka频段的高通量卫星，是我国目前通信容量最大、波束最多、输出功率最大、载荷设计程度最复杂的民商用通信卫星，代表了我国高通量通信卫星研制能力达到国际先进水平。亚太6D卫星的成功发射、定点、交付以及应用，具有很大的社会、经济效益。体现了我国通信卫星领域技术能力，无论平台还是载荷均达到国内一流并与国际一流进一步接轨。全面推动东方红四号增强型平台的应用，为我国下一代军事、民商用卫星的发展需求以及后续数十颗基于该平台的卫星打下坚实基础。