中國通信衛(wèi)星有效載荷創(chuàng)新之路

中國通信衛(wèi)星有效載荷創(chuàng)新之路

Innovation of China's Communications Satellite Payload

王同心 （中國空間技術(shù)研究院西安分院）

2017年4月12日，實踐-13在我國西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。這是我國自主研制的首顆高通量通信衛(wèi)星（HTS），標志著我國進入衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用時代，進一步拓展了我國衛(wèi)星技術(shù)新的應(yīng)用領(lǐng)域，將對我國經(jīng)濟社會發(fā)展產(chǎn)生深遠影響。

1 互聯(lián)網(wǎng)全覆蓋不是夢

衛(wèi)星上直接為用戶提供服務(wù)的核心系統(tǒng)統(tǒng)稱為有效載荷系統(tǒng)，其功能、性能及規(guī)模決定了衛(wèi)星可以提供何種服務(wù)以及能達到的服務(wù)水平。據(jù)實踐-13衛(wèi)星有效載荷系統(tǒng)的研制單位中國空間技術(shù)研究院西安分院（以下簡稱西安分院）透露，這類衛(wèi)星瞄準的是當前社會大眾日益增長的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求，尤其是傳統(tǒng)的光纜敷設(shè)和基站難以覆蓋的地方。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用變?yōu)楝F(xiàn)實，將與地面互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)形成互補，實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)信號天、地、海無死角、無盲區(qū)的覆蓋，將深刻影響方興未艾的互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟、互聯(lián)網(wǎng)生活。

負責(zé)研制實踐-13有效載荷的衛(wèi)星副總設(shè)計師周穎介紹，地面互聯(lián)網(wǎng)信號難以覆蓋的情況非常常見，比如高空飛行的航班、深海遠航的艦船、大漠中、深山里，都基本上屬于互聯(lián)網(wǎng)信號的孤島。這些地方要么“望洋興嘆”，如高速移動的飛機、高鐵、艦船，因所處的空間特點，根本無法架設(shè)或無法足量建設(shè)地面互聯(lián)網(wǎng)中轉(zhuǎn)站，要么工程浩大、造價浩繁，如邊遠山區(qū)、沙漠中心，不具備工程的經(jīng)濟性特點而難以建設(shè)。

西安分院主管通信類衛(wèi)星研制的馬伊民副書記介紹，當前社會對互聯(lián)網(wǎng)的需求非常巨大，但并不是所有地方都解決了信號覆蓋問題，需要擴大互聯(lián)網(wǎng)覆蓋區(qū)域，高通量通信衛(wèi)星的研制就列入了航天人的計劃中。衛(wèi)星“站得高、看得遠”的獨特優(yōu)勢很容易轉(zhuǎn)化成“居高臨下、直對目標”的效果，能夠形成地面基礎(chǔ)設(shè)施所不能企及的巨大能力。馬伊民表示，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)深刻地改變了人類社會生活，熱門的互聯(lián)網(wǎng)加上熱門的衛(wèi)星應(yīng)用，將給社會發(fā)展帶來極大的進步空間。高通量互聯(lián)網(wǎng)通信衛(wèi)星的發(fā)射，將實實在在地給人們的商務(wù)出行、旅游、科學(xué)考察、遠程醫(yī)療、教育、災(zāi)害應(yīng)對指揮、應(yīng)急通信帶來方便。

衛(wèi)星副總設(shè)計師周穎表示，高通量通信衛(wèi)星，也稱作多媒體通信衛(wèi)星，具有雙向通信能力，通過衛(wèi)星進行話音、數(shù)據(jù)、圖像和視頻的上傳和下載。這類衛(wèi)星利用天線多波束技術(shù)，將一個大的區(qū)域波束改為多個點波束覆蓋，在改善性能的同時實現(xiàn)了不同點波束的空域隔離， 有效復(fù)用了稀缺的頻率資源，提高了轉(zhuǎn)發(fā)器的頻譜利用效率，所以高通量通信衛(wèi)星的容量是傳統(tǒng)通信衛(wèi)星的十幾倍甚至幾十倍，通信衛(wèi)星的帶寬成本大幅下降。高通量衛(wèi)星能將通信衛(wèi)星的服務(wù)推廣至航空機載、海事艦載、陸地移動和邊遠地區(qū)。衛(wèi)星有效載荷一方面服務(wù)于遠程教育、遠程醫(yī)療、應(yīng)急救災(zāi)等公益事業(yè)，另一方面為個人和企業(yè)提供寬帶多媒體和高速率的互聯(lián)網(wǎng)接入等商業(yè)應(yīng)用。

2 高通量有效載荷系統(tǒng)誕生記

“十二五”期間，以廣播電視通信為代表的固定通信業(yè)務(wù)日趨飽和，而提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的寬帶衛(wèi)星通信逐步成為信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，需求增長迅速。西安分院在民商用市場拓展的新增訂單，幾乎都一致要求具備寬帶互聯(lián)網(wǎng)功能，即使是廣播電視運營商，也在積極轉(zhuǎn)型升級，要求新研的衛(wèi)星必須向上一代兼容，這為啟動新一代通信衛(wèi)星—高通量通信衛(wèi)星研制提出了現(xiàn)實需求。

2013年，西安分院承擔研制的我國首顆高通量通信衛(wèi)星實踐-13項目正式立項。西安分院衛(wèi)星副總設(shè)計師周穎全面負責(zé)衛(wèi)星有效載荷系統(tǒng)的研制工作，帶領(lǐng)轉(zhuǎn)發(fā)器分系統(tǒng)、天線分系統(tǒng)、跟蹤子系統(tǒng)的相關(guān)隊伍，瞄準用戶需求和高通量衛(wèi)星的工作特點，著手進行設(shè)計開發(fā)。

這是一個極其艱難的創(chuàng)新過程，研制隊伍秉承著勇攀科技高峰的航天理念，毫不畏懼面臨的各項技術(shù)難題。

首當其沖的是設(shè)計理念和系統(tǒng)規(guī)范的差異。傳統(tǒng)的廣播電視通信衛(wèi)星，工作頻段低，工作帶寬窄，采用廣域覆蓋，廣播電視臺將多套上星電視節(jié)目通過上行地球站發(fā)送至星上，接收地球站接收到電視節(jié)目通過光纖傳送至電視用戶，星地通信體制單一。而實踐-13衛(wèi)星工作在Ka頻段，單通道帶寬達到400MHz，采用多點波束覆蓋。整個系統(tǒng)由空間段、地面段（關(guān)口站）和用戶段構(gòu)成。衛(wèi)星有效載荷的設(shè)計必須采用星地一體化思路，需要考慮衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)的用戶互聯(lián)網(wǎng)通信需求，用戶終端的型譜，地面端的選址及雨衰情況。載荷適應(yīng)不同通信體制設(shè)計、多維度資源調(diào)度算法設(shè)計等手段實現(xiàn)熱點區(qū)域覆蓋、發(fā)揮高通量衛(wèi)星的最大潛能。所以在系統(tǒng)方案制定之前，西安分院作為該星的有效載荷研制單位，加強了與衛(wèi)星運營商中國衛(wèi)通集團有限公司的溝通，加強了空天地一體化系統(tǒng)設(shè)計，對終極用戶（個人用戶及企業(yè)用戶）的人口數(shù)量、密度、潛在需求進行全方位適應(yīng)，對地面關(guān)口站建設(shè)等提出了相關(guān)思路。

其次，由于采用新的通信方式，工作帶寬范圍大，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)器分系統(tǒng)標準的技術(shù)指標分配是無法保證需求的，所以轉(zhuǎn)發(fā)器分系統(tǒng)需要根據(jù)新的星地通信體制和工作方式，單機的技術(shù)指標需重新進行分配，單機的設(shè)計方案需重新進行優(yōu)化，這帶來的是幾乎全新的產(chǎn)品設(shè)計和試驗工作。以核心單機寬帶Ka頻段接收機和采用總線技術(shù)的寬帶行波管放大器為例，因為拓寬了工作范圍，對器件、部件、單板在更大頻率范圍正常工作提出了考驗，設(shè)計和調(diào)試極為艱難。

再次，高通量通信衛(wèi)星采用多點波束覆蓋，性能得到很大程度的改善，滿足寬帶互聯(lián)網(wǎng)所需要的“高能量”集中傳輸。滿足寬帶傳輸?shù)亩嗖ㄊ炀€技術(shù)及配套的工程技術(shù)就亟待取得突破性進展，電性能設(shè)計的運算量相對于傳統(tǒng)的單饋源天線成指數(shù)倍的增長。同時，相較于傳統(tǒng)衛(wèi)星更加苛刻的天線反射面精度控制技術(shù)、高精度天線展開指向機構(gòu)技術(shù)、雙重疊展開天線技術(shù)、頻率復(fù)用和干擾抑制技術(shù)，甚至還有波束標校技術(shù)等也亟待突破。周穎介紹，傳統(tǒng)的廣域波束要分解成26個波束，好比指揮單兵散打轉(zhuǎn)化成指揮集團軍作戰(zhàn)，復(fù)雜度和難度急劇提升，每一個波束都需要精確指向，否則星上的“差之毫厘”會導(dǎo)致地面的“謬之千里”。

周穎帶領(lǐng)著研制團隊開展了艱苦卓絕的攻關(guān)，解決了一個又一個前所未有的技術(shù)難題。在完成總體性能指標的基礎(chǔ)上，研制團隊秉承著高度的責(zé)任感和使命感，自主開展了一系列提高產(chǎn)品可靠性的試驗攻關(guān)。有效載荷及跟蹤子系統(tǒng)相繼完成初樣、正樣設(shè)計評審、AIT工作后，于2016年12月實現(xiàn)出廠評審交付總體。2017年1月14日，研制隊伍開拔奔赴發(fā)射場進行試驗。2017年4月12日，衛(wèi)星成功發(fā)射。

周穎表示，這顆衛(wèi)星的發(fā)射成功和投入使用，其通信容量已經(jīng)超過了我國歷史上所有通信衛(wèi)星容量的總和，成績來之不易。通過這顆星的研制，鍛煉了一支具有極強創(chuàng)新能力的研制隊伍。通過技術(shù)開發(fā)和工程實現(xiàn)，將帶動西安分院一大批關(guān)鍵技術(shù)的升級換代，比如寬帶轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)、多波束天線設(shè)計、標校技術(shù)、重疊天線展開技術(shù)、行波管CSB總線技術(shù)將在未來得到更大范圍的推廣應(yīng)用。

2016年，香港亞太公司提出研制Ku頻段多波束覆蓋全球的寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)，亞太-6D衛(wèi)星作為該系統(tǒng)首顆啟動衛(wèi)星，技術(shù)要求極其復(fù)雜、開放，衛(wèi)星有效載荷采用全球招標方式進行。正是由于前期的技術(shù)突破和創(chuàng)新隊伍的成長，實踐-13衛(wèi)星有效載荷的主要研制人員通過天地一體化的解決方案，大膽創(chuàng)新，積極協(xié)調(diào)，成功中標。目前，西安分院已經(jīng)開始啟動亞太-6D寬帶通信衛(wèi)星的研制工作，將開啟高通量衛(wèi)星事業(yè)發(fā)展的新征程，為衛(wèi)星寬帶互聯(lián)網(wǎng)全球覆蓋和寬帶中國建設(shè)貢獻力量。

3 衛(wèi)星通信世家的卓越功勛

西安分院的創(chuàng)建、規(guī)劃、發(fā)展、壯大都與衛(wèi)星通信事業(yè)的發(fā)展密不可分，在52年的發(fā)展歷程中，參與研制了我國自主研發(fā)的幾乎所有的通信衛(wèi)星有效載荷。在這個當之無愧的我國衛(wèi)星通信的世家里，幾代航天人砥礪創(chuàng)新、奮力拼搏，圓滿完成了我國各類通信衛(wèi)星的有效載荷任務(wù)，合計在軌應(yīng)用40余顆。西安分院始終堅持創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，始終堅持滿足和引領(lǐng)用戶需求，始終代表著我國通信衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展的最高水平。西安分院研制的UHF、L、S、C、Ku、Ka頻段衛(wèi)星有效載荷已經(jīng)成功應(yīng)用在我國軍、民、商用通信廣播、直播星通信以及中繼衛(wèi)星等所有通信衛(wèi)星上，通過通信衛(wèi)星的工程應(yīng)用，在可展開天線、大功率合成、高速交換機、大容量寬帶信號處理、EHF頻段轉(zhuǎn)發(fā)器、多波束技術(shù)等核心技術(shù)方面有了豐富的工程經(jīng)驗，在Q/V通信技術(shù)、柔性轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)、激光通信技術(shù)等方面有了提前儲備，能夠適應(yīng)衛(wèi)星通信事業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展需求。

1984年4月8日，我國的東方紅-2試驗通信衛(wèi)星成功發(fā)射，開辟了中國通信衛(wèi)星事業(yè)的新紀元。在軌道測試、數(shù)字化通信、廣播、彩色電視傳輸、報紙版型傳真和時間標準頻率播發(fā)等方面，試驗均取得良好效果。西安分院為我國首顆通信衛(wèi)星研制的轉(zhuǎn)發(fā)器分系統(tǒng)、通信天線等有效載荷以及測控應(yīng)答機均表現(xiàn)優(yōu)異，開啟了在衛(wèi)星通信領(lǐng)域建功的步伐。在試驗通信衛(wèi)星取得成功后，用戶迫切要求發(fā)射實用型國內(nèi)通信衛(wèi)星，為滿足國家急需，具有較大通信能力的東方紅-2A實用通信衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器、通信天線、測控應(yīng)答機的研制納入到了西安分院的工作日程。我國在1988-1991年間發(fā)射了4顆東方紅-2A衛(wèi)星。東方紅-2A的發(fā)射成功和正常運行標志著我國通信衛(wèi)星進入了實用階段。

改革開放后，隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國對衛(wèi)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術(shù)難關(guān)，完成了更大容量的東方紅-3衛(wèi)星模樣、初樣、正樣的研制工作。1997年5月，東方紅-3衛(wèi)星發(fā)射取得成功并投入運行。東方紅-3衛(wèi)星達到了20世紀80年代初期國際水平，就國內(nèi)通信衛(wèi)星而言上了一個大的臺階。

新世紀后，西安分院始終堅持創(chuàng)新發(fā)展，技術(shù)創(chuàng)新一路斬關(guān)奪隘，參與研制的中星-22衛(wèi)星于2000年1月成功發(fā)射，并在軌運行13年，創(chuàng)造了中國航天器的在軌壽命之最，西安分院研制的有效載荷經(jīng)受住了時間的檢驗，過硬的產(chǎn)品質(zhì)量贏得了用戶贊譽。2003年后，10余顆上水平的各類通信衛(wèi)星密集發(fā)射，在這些見證著中國衛(wèi)星通信事業(yè)蓬勃發(fā)展的衛(wèi)星上，西安分院多項有效載荷新技術(shù)得到在軌應(yīng)用，極大提升了我國衛(wèi)星通信技術(shù)水平。2016年8月，西安分院研制的“中國版海事衛(wèi)星”天通-1的有效載荷正式開通，標志著中國首顆移動通信衛(wèi)星開始提供話音和數(shù)據(jù)通信服務(wù)，填補了我國在衛(wèi)星移動通信領(lǐng)域的空白。

與此同時，西安分院在數(shù)據(jù)中繼通信衛(wèi)星及國際商業(yè)通信衛(wèi)星方面也取得了豐碩果實。中國在2008-2016年發(fā)射了4顆天鏈-1衛(wèi)星，填補了我國衛(wèi)星數(shù)據(jù)中繼的空白。從2007年第1顆整星出口的尼日利亞通信衛(wèi)星成功發(fā)射開始，中國自主研制的通信衛(wèi)星開始走出國門。西安分院承擔了我國全部國際商業(yè)通信衛(wèi)星的有效載荷研制任務(wù)，為中國航天開辟亞洲、非洲、拉美、歐洲市場做出了重要貢獻。

4 創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展的加速度

隨著我國《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》的發(fā)布，航天人肩負的使命更加清晰、責(zé)任更加重大。航天科技是科技創(chuàng)新的龍頭，對鞏固我國有重要影響力科技大國地位、推動我國建設(shè)世界科技強國具有十分深遠的意義。

中國航天科技集團公司董事長雷凡培曾在《求是》雜志撰文指出：“要堅持自主創(chuàng)新的戰(zhàn)略基點，密切跟蹤世界航天發(fā)展的最前沿，加強航天裝備建設(shè)和技術(shù)研發(fā)，通過搭建平臺、加大投入、充實力量、制度激勵等措施，全面提升原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和協(xié)同創(chuàng)新能力，形成強大的核心技術(shù)優(yōu)勢和獨立自主的發(fā)展實力，把發(fā)展主動權(quán)牢牢掌握在自己手中?！边@為航天科研院所在各自的具體業(yè)務(wù)領(lǐng)域?qū)嵤﹦?chuàng)新指明了方向。

有效載荷作為航天技術(shù)發(fā)展最活躍、最直接的因素，其創(chuàng)新研發(fā)水平對整個衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展起著舉足輕重的作用，有效載荷的性能直接決定了衛(wèi)星的功能和應(yīng)用水平，有效載荷已經(jīng)成為推動航天技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的主導(dǎo)因素。

西安分院院長李軍表示，作為國內(nèi)最核心的衛(wèi)星有效載荷研制單位，西安分院的創(chuàng)新步伐、創(chuàng)新成果對我國航天事業(yè)跨越式發(fā)展、實現(xiàn)航天強國、科技強國目標具有重要支撐作用，西安分院全體干部員工具有高度的使命感和緊迫感。西安分院參與了我國近200顆衛(wèi)星的研制，在衛(wèi)星通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、空間雷達遙感與探測、空間數(shù)據(jù)處理與傳輸、衛(wèi)星測控、空間天線、星間鏈路等領(lǐng)域牢牢占據(jù)國內(nèi)領(lǐng)先地位，是我國高技術(shù)裝備工程、探月工程、載人航天工程、北斗導(dǎo)航工程、高分辨率對地觀測工程等方面的突出貢獻單位。

李軍介紹，西安分院近年來加速推進創(chuàng)新體系建設(shè)，形成了創(chuàng)新規(guī)劃戰(zhàn)略牽引、多平臺研發(fā)創(chuàng)新支撐、及時轉(zhuǎn)化產(chǎn)品和市場應(yīng)用為模式的創(chuàng)新體制。在完成好國家重點工程任務(wù)為牽引的技術(shù)攻關(guān)突破外，瞄準未來用戶需求，提前布局預(yù)先研究，同步推進原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和協(xié)同創(chuàng)新，實現(xiàn)技術(shù)超前儲備和快速迭代更新。通過幾年的努力，西安分院以973課題為代表的大量基礎(chǔ)理論研究實現(xiàn)了技術(shù)突破，前瞻性技術(shù)課題轉(zhuǎn)化為工程應(yīng)用，可以滿足一定時期內(nèi)航天器日新月異的發(fā)展需要。李軍表示，雖然取得了一定的成績，但未來仍然任重道遠，早日實現(xiàn)航天夢的征途還有很多亟待探索的地方，尤其是當前構(gòu)建空天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)是個極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，在軍民融合發(fā)展的道路上推動航天技術(shù)成果轉(zhuǎn)化和再創(chuàng)新需要更具開拓意識，技術(shù)創(chuàng)新正呈現(xiàn)出加速發(fā)展的需求態(tài)勢，在這些方面西安分院仍有很長的路要走。

西安分院黨委書記黃普明在接受采訪時表示，當前國企改革進入攻堅階段，習(xí)近平總書記在全國國有企業(yè)黨建工作會的重要講話為國企今后的改革發(fā)展指明了正確方向，并提出了高標準要求。西安分院的體制機制創(chuàng)新、人才激勵創(chuàng)新、市場開拓創(chuàng)新、創(chuàng)新文化建設(shè)都亟待適應(yīng)新的形勢需要。黃普明表示，黨和國家“走出去”、“一帶一路”等重大戰(zhàn)略的實施，給西安分院持續(xù)推動技術(shù)創(chuàng)新帶來了前所未有的契機，西安分院黨委將加強對國企改革發(fā)展的領(lǐng)導(dǎo)，充分發(fā)揮政治核心作用，全面從嚴治黨、管好干部、管好人才，為企業(yè)全面創(chuàng)新發(fā)展奠定基礎(chǔ)，為實現(xiàn)國有資產(chǎn)保值增值、提高國有經(jīng)濟競爭力做出應(yīng)有貢獻。