全球商業(yè)通信衛(wèi)星平臺簡析

目前，全球商業(yè)通信衛(wèi)星制造商主要有美國的波音、洛馬和勞拉公司，歐洲的泰雷茲-阿萊尼亞和阿斯特留姆公司，它們都有各具特色的衛(wèi)星平臺。此外，中國、日本和俄羅斯等國也研制了性能較高的通信衛(wèi)星平臺。

1 衛(wèi)星平臺概述

通信衛(wèi)星總體設(shè)計技術(shù)的發(fā)展在很大程度上是圍繞著衛(wèi)星平臺研制展開的。對于商業(yè)通信衛(wèi)星來說，最重要的是節(jié)約經(jīng)費、縮短研制周期，而衛(wèi)星平臺的設(shè)計在許多方面與此密切相關(guān)，比如，用基本類似的衛(wèi)星平臺能夠滿足不同用戶的需求。

由于地球靜止軌道資源十分緊張，為了有效利用這種資源，國外地球靜止軌道衛(wèi)星平臺正朝著大容量、長壽命方向發(fā)展，并逐步形成了衛(wèi)星平臺系列化和商品化生產(chǎn)。如，美國波音公司的BSS－601HP衛(wèi)星平臺，其總功率可達8～11kW，設(shè)計壽命15年；BSS－702衛(wèi)星平臺，衛(wèi)星壽命末期總功率可達15kW，可攜帶1.2t有效載荷，壽命15年。美國勞拉公司的LS－1300衛(wèi)星平臺，功率為5～25kW，其LS－20.20衛(wèi)星平臺質(zhì)量為7.5t，可裝載150臺轉(zhuǎn)發(fā)器。泰雷茲-阿萊尼亞公司與阿斯特留姆公司聯(lián)合研制的“阿爾法平臺”（Alphabus）的有效載荷功率為18kW。

打造中的“阿爾法平臺”

很久以來，為了爭奪市場，各大通信衛(wèi)星制造商采取了各種措施，以提高各自通信衛(wèi)星平臺的競爭力。這些通信衛(wèi)星制造商研制的衛(wèi)星平臺主要包括：波音公司的BSS－376、601、702；洛馬公司的A2100A、A21AX、A21AXX；勞拉公司的LS－1300；泰雷茲-阿萊尼亞公司的空間客車－3000、4000（Spacebus－3000、4000）；阿斯特留姆公司的歐洲星－2000、2000＋、3000、3000S（Eurostar－2000、2000＋、3000、3000S）；泰雷茲-阿萊尼亞公司與阿斯特留姆公司聯(lián)合研制的“阿爾法平臺”；中國空間技術(shù)研究院的東方紅－2、3、3A、3B、4；印度空間研究組織（ISRO）的I－1K、2K、3K；俄羅斯的亞馬爾－100、200（Yamal－100、200），快訊－1000、2000、A、AM（Exepress－1000、2000、A、AM）；日本的DS－2000。上述衛(wèi)星平臺可分為三個系列：①小型衛(wèi)星平臺系列，包括BSS－376、歐洲星－2000、東方紅－2等；②中型衛(wèi)星平臺系列，包括A2100A、歐洲星－2000＋、空間客車－3000、BSS－601、東方紅－3等；③大型衛(wèi)星平臺系列，包括A2100AX、A2100AXX、BSS－702、LS－1300、歐洲星－3000和3000S、空間客車－4000、東方紅－4、DS－2000等。

由于衛(wèi)星平臺是指衛(wèi)星上除有效載荷以外的所有部分，是由星載各服務(wù)系統(tǒng)組合而成的艙段，所以衛(wèi)星平臺的發(fā)展水平對整個衛(wèi)星的發(fā)展意義重大。將衛(wèi)星平臺設(shè)計成一種具有通用性，能在一定范圍內(nèi)適應(yīng)不同有效載荷配置，構(gòu)成不同用途的衛(wèi)星，這樣在研制不同的衛(wèi)星時，只需改變有效載荷或有效載荷艙，或僅對衛(wèi)星平臺作少量適應(yīng)性修改（裁剪），就能滿足新衛(wèi)星的要求。用這種可裁剪式衛(wèi)星平臺研制衛(wèi)星，可以大大縮短研制周期，節(jié)省研制費用。

2 主要設(shè)計特點

我國通信衛(wèi)星專家認為，在當今通信衛(wèi)星平臺設(shè)計中有三個主要特點，一是采用分艙設(shè)計；二是采用“三化”（模塊化、組合化和系列化）設(shè)計；三是進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

分艙設(shè)計

BSS－601衛(wèi)星平臺剖面圖

為了使衛(wèi)星平臺具有更大的靈活性以及滿足通信衛(wèi)星總裝的需求，目前國際上大型通信衛(wèi)星平臺大多采用分艙的設(shè)計方式。例如波音公司的BSS－702、洛馬公司的A2100、阿斯特留姆公司的歐洲星－3000衛(wèi)星平臺，它們主要有兩個特點：

1）衛(wèi)星平臺的推進劑貯箱是并聯(lián)的，而且各種貯箱都設(shè)計成圓柱形，因此能通過增加貯箱柱段長度來增加衛(wèi)星平臺推進劑裝填量，并簡化了更改工藝，也有利于系列化；幾個圓柱形貯箱并聯(lián)，可以充分利用衛(wèi)星平臺的空間，降低衛(wèi)星平臺的高度。

2）使用這種衛(wèi)星平臺的通信有效載荷艙更加獨立，能設(shè)計成H形或雙H形；有利于有效載荷的擴大和布置更多的設(shè)備，而且平板結(jié)構(gòu)工藝修改很簡單；有效載荷艙和衛(wèi)星平臺的熱設(shè)計可以完全分開并通過隔熱墊絕熱，有效載荷升級更改對衛(wèi)星平臺影響很小。

“三化”設(shè)計

衛(wèi)星平臺的“三化”設(shè)計可使衛(wèi)星研制由作坊式轉(zhuǎn)為流水線式，最大限度地縮短研制周期，降低成本，更好地實現(xiàn)衛(wèi)星應(yīng)用商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化。如波音公司的BSS－702衛(wèi)星平臺采用簡潔的模塊化設(shè)計，能并行加工生產(chǎn)，便于快速裝配。洛馬公司的A2100衛(wèi)星平臺已形成系列，包括A2100AX、A2100AX2、A2100A、A2100B 和A2100C等，該系列衛(wèi)星平臺的設(shè)計原則是：用同一設(shè)計覆蓋整個系列，90%以上的零部件相同，并可商業(yè)購買。

衛(wèi)星的分艙設(shè)計實現(xiàn)了整星級的“三化”設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，可將推進劑貯箱的柱段分成大、中、小3個規(guī)格或大、中2個規(guī)格；把太陽電池翼和蓄電池也分成大、中、小3個規(guī)格；而有效載荷能有更大的靈活性，即可按任何用戶的要求進行靈活的設(shè)計改進。典型代表是洛馬公司的A2100系列衛(wèi)星平臺：A2100AX的太陽電池翼每翼有5塊板，A2100A每翼為4塊板，A2100B每翼為3塊板，A2100每翼為2塊板。其功率變化范圍很大，可以從1.5kW增加到13kW。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化

現(xiàn)代大型通信衛(wèi)星平臺大多采用箱式平板結(jié)構(gòu)或桿系加平板結(jié)構(gòu)，其主要特點是各種貯箱并列在衛(wèi)星底部平板上。箱式或桿系結(jié)構(gòu)主要只承受有效載荷艙的力學載荷，不像承力筒結(jié)構(gòu)那樣要承受整星力學載荷。有效載荷艙可分艙獨立設(shè)計成H型或雙H型，以實現(xiàn)熱管在南北散熱面上的交叉耦合散熱。箱式或桿系結(jié)構(gòu)的另一個突出優(yōu)點是其質(zhì)量較承力筒式結(jié)構(gòu)要輕40%左右。對于通信衛(wèi)星而言，由于用途的不同，大口徑的天線以及多個天線的安裝是衛(wèi)星總體設(shè)計必須考慮的問題。現(xiàn)代大型地球靜止軌道通信衛(wèi)星各平臺的構(gòu)型和布局都充分考慮了載荷的復(fù)雜要求以及多副天線的安裝要求，這也是通信衛(wèi)星發(fā)展過程中為滿足用戶不斷增長的需求所必須的。它們的主要特征是把遠地點發(fā)動機布置在對天面板上，采用這樣的構(gòu)形，可將衛(wèi)星的東西面和對地面都用來布置天線。

3 總體情況分析

衛(wèi)星平臺承載能力的大小和能源水平的強弱，代表了技術(shù)水平的先進與否。盡管在一定程度上強大的衛(wèi)星平臺代表了技術(shù)上的先進水平，但并非就不需要發(fā)展中、小載荷能力的衛(wèi)星平臺?，F(xiàn)今社會的市場需求是多樣化的，為適應(yīng)這樣的需求，應(yīng)該走優(yōu)化現(xiàn)有衛(wèi)星平臺的發(fā)展之路。對于通信衛(wèi)星而言，由于功能的多樣性和性能的高要求，結(jié)果導致天線數(shù)量的增加?，F(xiàn)有的衛(wèi)星平臺難以為天線提供更多的安裝面，一定程度上限制了衛(wèi)星平臺的使用，也為載荷的設(shè)計增加了困難。

日本“數(shù)據(jù)中繼試驗衛(wèi)星”（DRTS）采用DS－2000衛(wèi)星平臺

開發(fā)標準化的衛(wèi)星平臺，不只是從簡化制造、集成工藝和節(jié)約成本的角度來考慮；同時由于產(chǎn)品的系列化，使得市場銷售更容易實現(xiàn)。然而，比較衛(wèi)星平臺之間的優(yōu)劣不像比較兩部汽車那么簡單，因為盡管制造商已經(jīng)使其產(chǎn)品標準化了，但他們總是力圖使人們相信他們生產(chǎn)的產(chǎn)品是獨一無二的。另外，即使同一代衛(wèi)星為同一用戶提供的衛(wèi)星平臺也可能有所不同。

衛(wèi)星平臺的變型通常用質(zhì)量表示。眾所周知，由于每千克質(zhì)量發(fā)射的費用昂貴，所以衛(wèi)星的質(zhì)量是設(shè)計時首要考慮的問題。衛(wèi)星的質(zhì)量可以指發(fā)射質(zhì)量，也可以是在軌質(zhì)量（發(fā)射質(zhì)量減去推進劑的質(zhì)量）。衛(wèi)星平臺還可以通過軌道設(shè)計壽命來區(qū)分，這主要取決于衛(wèi)星推進劑貯箱的容量（受衛(wèi)星總體尺寸及質(zhì)量的制約）。

另一項區(qū)分衛(wèi)星平臺的參數(shù)是功率。功率由太陽電池翼的面積決定，最終取決于衛(wèi)星平臺結(jié)構(gòu)的尺寸。因此，衛(wèi)星平臺的標準是衛(wèi)星總體特性的反映，它決定了衛(wèi)星的功率，也就決定了有效載荷的功率，具體說就是衛(wèi)星可以攜帶轉(zhuǎn)發(fā)器的數(shù)量。

比較衛(wèi)星平臺性能的難點在于以上這些錯綜復(fù)雜的因素。例如，衛(wèi)星平臺A與B的尺寸和質(zhì)量均相同，但衛(wèi)星平臺A的用戶認為衛(wèi)星壽命比轉(zhuǎn)發(fā)器的數(shù)量更重要，這意味著衛(wèi)星平臺A上將安裝較大的燃料貯箱，貯備更多的推進劑，以延長衛(wèi)星的軌道壽命。衛(wèi)星平臺B卻采用較小的燃料貯箱而安裝了更多的轉(zhuǎn)發(fā)器及與之匹配的更大面積的太陽電池翼，當然總體質(zhì)量不變。例子盡管簡單，但它說明了衛(wèi)星制造商的靈活性。與之相比，那些大批量生產(chǎn)汽車的制造商提供的才是真正標準化的產(chǎn)品。

2012年上天的越南衛(wèi)星－2（VINASAT－2）采用A2100衛(wèi)星平臺，該衛(wèi)星傳輸容量相當于150個電視頻道

因此，盡管衛(wèi)星作為具體不同性能的系列產(chǎn)品出售，但就其外觀和性能還是很難區(qū)分2顆衛(wèi)星的。特別是歐洲兩大衛(wèi)星平臺的制造商當年曾共同開發(fā)了歐洲航天局（ESA）的“軌道試驗衛(wèi)星”（OTS，于20世紀70年代末發(fā)射），他們目前的產(chǎn)品都與該衛(wèi)星有一定淵源?！翱臻g客車”與“歐洲星”衛(wèi)星平臺的共同設(shè)計特征包括：模塊化設(shè)計（分為有效載荷艙和服務(wù)艙)；三軸穩(wěn)定方式；采用統(tǒng)一的雙組元推進系統(tǒng)，它既有遠地點助推又有軌道穩(wěn)定的功能（它是“軌道試驗衛(wèi)星”固體遠地點發(fā)動機/肼系統(tǒng)的改進型)。換句話說，這一標準是歐洲衛(wèi)星設(shè)計的典型模式。

隨著通信衛(wèi)星技術(shù)的快速發(fā)展，通信衛(wèi)星性價比大幅度提高。僅在1990－2002年期間，電源功率增長了350%，每顆衛(wèi)星的平均發(fā)電功率從1990年的1.6kW增加到2002年的7.6kW；標準轉(zhuǎn)發(fā)器承載量增加了86%，每顆衛(wèi)星平均承載的標準轉(zhuǎn)發(fā)器（等效36MHz）從1990年的26臺增加到2002年的48臺；設(shè)計壽命延長了38%，每顆衛(wèi)星平均設(shè)計壽命從1990年的10年延長到2002年的14年。

新業(yè)務(wù)、新需求的出現(xiàn)，對衛(wèi)星平臺的發(fā)展起到了重要的牽引作用。受衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)寬帶接入、數(shù)字音視頻廣播、高清電視、數(shù)字影院等新業(yè)務(wù)需求的牽引，國外五大通信衛(wèi)星制造商研發(fā)了數(shù)量眾多的大容量、大功率、長壽命的通信衛(wèi)星。

商業(yè)通信衛(wèi)星市場的發(fā)展主要是需求驅(qū)動型。為了滿足市場需求，爭奪有限的市場空間，各主要衛(wèi)星制造商憑借各自的衛(wèi)星平臺，采取各種措施，不斷增強自身的競爭力。

2012年發(fā)射的印度地球靜止軌道衛(wèi)星－10（GSAT－10）采用I－3K衛(wèi)星平臺，它攜帶了12臺Ku頻段和18臺C頻段轉(zhuǎn)發(fā)器以及靜地軌道增強導航系統(tǒng)

曾經(jīng)紅極一時的美國BSS－376衛(wèi)星平臺采用自旋穩(wěn)定方式

從通信衛(wèi)星運營商角度看，在購買通信衛(wèi)星時，要考慮的問題除了交付時間和衛(wèi)星價格外，衛(wèi)星平臺的可靠性也是重要指標之一。衛(wèi)星的可靠性主要是指衛(wèi)星在設(shè)計壽命時間內(nèi)出現(xiàn)故障的幾率。在1993－2003年所統(tǒng)計的70多顆衛(wèi)星故障中，衛(wèi)星平臺故障占了相當比例，而在衛(wèi)星平臺故障中，衛(wèi)星電源故障又是主要原因之一。因此，加強衛(wèi)星平臺技術(shù)研究，提高其可靠性，是提高商業(yè)通信衛(wèi)星市場競爭力的主要措施。

4 性能指標比較

研制大型衛(wèi)星平臺不僅可以緩解軌道位置的不足，而且能大大降低通信話路的研制成本。以“國際通信衛(wèi)星”（Intelsat）為例，國際通信衛(wèi)星－1的外形尺寸為φ72cm×59cm，發(fā)射質(zhì)量為68kg，壽命末期功率為40W，通信容量為240條雙向話路，壽命為1.5年，每條話路年費用為32500美元。發(fā)展到國際通信衛(wèi)星－6時，其外形尺寸為φ369cm×1183cm，發(fā)射質(zhì)量為3720kg，壽命末期功率為2200W，通信容量為33000條雙向話路加4路彩色電視，壽命10年，每條話路年費用僅800美元。目前在軌運行的國際通信衛(wèi)星－10的性價比更高。

小型衛(wèi)星平臺

最著名的小型衛(wèi)星平臺是波音公司的BSS－376（由原休斯公司研制），它共進行了56次商業(yè)發(fā)射，僅發(fā)生5次保險損失，其表現(xiàn)無疑是該級別衛(wèi)星平臺的佼佼者。當然，BSS－376衛(wèi)星平臺也有不足的一面，其通信容量已經(jīng)不能滿足用戶對當前衛(wèi)星市場的技術(shù)需求，所以目前已經(jīng)不再使用。

雖然美國軌道科學公司（OSC）的“星”（Star）系列衛(wèi)星平臺的發(fā)射數(shù)量不能和波音公司的BSS－376衛(wèi)星平臺相比，但其發(fā)射記錄已經(jīng)得到了市場認可。就其低廉的價格和能夠滿足不同用戶的特殊任務(wù)需求而言，正在得到用戶的青睞。

洛馬公司A2100系列衛(wèi)星平臺中的最小容量衛(wèi)星平臺也屬于小型衛(wèi)星平臺系列，自該衛(wèi)星平臺用于美國通信－7、8（AMC－7、8）衛(wèi)星以后，A2100系列衛(wèi)星平臺已經(jīng)成為小型衛(wèi)星市場的競爭者之一。

阿斯特留姆公司的歐洲星－2000、2000＋衛(wèi)星平臺曾出過幾次故障，主要是由外部采購的分系統(tǒng)和元器件存在質(zhì)量控制問題引起的，而這些問題很容易得到解決。由于歐洲星－2000、2000＋衛(wèi)星平臺可以滿足衛(wèi)星運營商的各種技術(shù)需求，所以它們?nèi)匀皇鞘袌錾献羁煽康男⌒托l(wèi)星平臺之一。

航天技術(shù)的進步，使衛(wèi)星平臺可以向小型化的方向發(fā)展，尤其是微電子機械系統(tǒng)和輕型材料的采用，使航天器小型化的道路充滿光明。

（1）結(jié)構(gòu)材料的輕型化設(shè)計

在小衛(wèi)星設(shè)計的各項指標中，質(zhì)量是一個關(guān)鍵因素。在小衛(wèi)星平臺可以采用的各種材料中，碳化硅具有高剛度、輕質(zhì)量和高導熱性等特點，是極好的航天器結(jié)構(gòu)材料，已被廣泛采用。同時碳化硅多層結(jié)構(gòu)的加工工藝也已得到了提高。硅氣凝膠/環(huán)氧復(fù)合材料也是一種良好的結(jié)構(gòu)材料，它的密度小，導熱系數(shù)低，適合于質(zhì)量較大和耐熱的深空探測器。

（2）分系統(tǒng)的模塊化設(shè)計

與以往的通信衛(wèi)星設(shè)計不同，現(xiàn)代小衛(wèi)星平臺不再由多個分系統(tǒng)組成，取而代之的是能夠完成某一種或某幾種功能的集成模塊。它不僅將性質(zhì)相同的部件集成，而且還能將電子、機械等不同性質(zhì)的部件集成在一個小體積、輕質(zhì)量、無連接電纜的模塊中，成為其他模塊的共用模塊。

采用模塊化設(shè)計，不但可以明顯地降低航天器的尺寸、質(zhì)量、成本和故障發(fā)生率，同時，在衛(wèi)星設(shè)計中運用了模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法等智能工具，因而從根本上推動了航天器設(shè)計環(huán)境的優(yōu)化。

（3）衛(wèi)星各模塊間的無電纜連接設(shè)計

采用泰雷茲-阿萊尼亞公司星－2衛(wèi)星平臺的韓國衛(wèi)星－6（KORESAT－6），它于2010年升空

在采用傳統(tǒng)設(shè)計的航天器上，各電子部件、電路板及分系統(tǒng)之間都是通過電纜連接的，這些電纜的總質(zhì)量占航天器質(zhì)量的6%～10%。而在印刷電路板上均采用焊片焊接和少數(shù)引線連接的方式，這些連線及焊點的質(zhì)量又占電纜質(zhì)量的30%。同時，這種連接方式還存在著功耗大、占用空間多和電磁干擾等問題。因此，未來小衛(wèi)星將采用無電纜連接設(shè)計，以降低衛(wèi)星質(zhì)量，提高可靠性。無電纜連接是將電連接和熱控制都集成到一個支持結(jié)構(gòu)中，其他模塊可以通過該結(jié)構(gòu)進行連接。因此，各模塊與支持結(jié)構(gòu)以及各模塊之間的接口必須采用機、電、熱一體化的標準化設(shè)計。同時還應(yīng)大力開發(fā)多功能構(gòu)架，使結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)承擔除支承和保護以外的其他功能。例如，將微型傳感器、驅(qū)動器嵌裝在結(jié)構(gòu)部件的夾層中，這樣既節(jié)省了空間和質(zhì)量，又提高了構(gòu)架的承載能力。

大中型衛(wèi)星平臺

波音公司的BSS－601和702衛(wèi)星平臺剛開始使用時曾暴露出一些系統(tǒng)設(shè)計方面的缺陷。例如，BSS－601衛(wèi)星平臺上的微處理器使用一種單晶合成材料，常常出現(xiàn)短路，其后續(xù)的BSS－601HP衛(wèi)星平臺則存在電池故障。這些技術(shù)問題給該系列衛(wèi)星造成了很大影響，包括BSS－702衛(wèi)星平臺在最初使用時的市場營銷。

波音公司的BSS－702是目前衛(wèi)星制造商所能提供的最大容量商業(yè)通信衛(wèi)星平臺，但在使用之初曾屢屢出現(xiàn)問題，使用戶認為大型衛(wèi)星平臺的技術(shù)水平還不夠穩(wěn)定，加之當時全球經(jīng)濟出現(xiàn)下滑，所以不少衛(wèi)星經(jīng)營商又一時轉(zhuǎn)而傾向于采購稍小一些的通信衛(wèi)星，這就給A2100系列衛(wèi)星平臺帶來了機遇。在20世紀90年代中期，A2100系列衛(wèi)星平臺主要是用來取代LM－3000、5000系列衛(wèi)星平臺。A2100系列衛(wèi)星平臺的技術(shù)性能可以多種多樣，能滿足不同用戶的任務(wù)需求。由于該衛(wèi)星平臺使用的技術(shù)簡單實用，因而成為可靠性高、在軌工作穩(wěn)定的最佳產(chǎn)品之一。

勞拉公司的LS－1300衛(wèi)星平臺是在BSS－601衛(wèi)星平臺之后推出的，在中型BSS－601衛(wèi)星平臺和大型BSS－702衛(wèi)星平臺之間的市場上占有一席之地。該衛(wèi)星平臺技術(shù)性能穩(wěn)定，良好的記錄曾保持了很長一段時間，但是后來其太陽電池翼也曾出現(xiàn)問題。盡管故障頻率沒有BSS－702衛(wèi)星平臺那么高，但是其太陽電池翼的問題重復(fù)出現(xiàn)，不能不引起人們的關(guān)注。