看天線，識(shí)衛(wèi)星
——漫談衛(wèi)星天線（四）：地球靜止軌道通信衛(wèi)星（上）

+ 袁冬

題圖中是在天上放風(fēng)箏，還是衛(wèi)星大聚會(huì)？一眼望去，太陽能帆板都伸長了腿，大大小小的“鍋”蔚為壯觀……其實(shí)這些個(gè)個(gè)都身價(jià)數(shù)億美元的衛(wèi)星，正在3.6萬公里之遙的太空為人類廣播、電視、上網(wǎng)、打電話而辛勤工作！請(qǐng)看本期——在地球靜止軌道工作的通信衛(wèi)星（上）。

二戰(zhàn)剛剛結(jié)束沒多久，英國科幻作家克拉克（C. Clarke）就琢磨著如何能把當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的德國火箭這個(gè)大殺器，變?yōu)榭梢栽旄Ｈ祟惖膶氊?？他研究出地球靜止軌道衛(wèi)星的工作原理，認(rèn)為只用三顆地球靜止衛(wèi)星即可提供完整的全球覆蓋。1945年10月，他在《無線電世界（Wireless World）》上發(fā)表了一篇文章——《地球外的中繼——衛(wèi)星能給出全球范圍的無線電覆蓋嗎？（Extra-Terrestrial Relays-Can Rocket Stations Give Worldwide Radio Coverage?）》，第一次完整提出了“對(duì)地靜止衛(wèi)星”的概念，即衛(wèi)星運(yùn)行方向和周期與地球自轉(zhuǎn)相同，都為24小時(shí)，因此位于天空上方，相對(duì)于地面靜止，克拉克計(jì)算出所需的軌道特性以及發(fā)射機(jī)的功率水平，并大膽預(yù)測可以使用太陽能發(fā)電。這些理論都超越了他所在的時(shí)代。

圖1 GEO軌道上的衛(wèi)星

嚴(yán)格來講，地球靜止軌道（GEO，The Geostationary Orbit）是指地球同步定點(diǎn)軌道, 即軌道周期與地球旋轉(zhuǎn)周期相同、軌道平面與地球赤道平面重合、傾角為0度的圓軌道。地球旋轉(zhuǎn)周期為一恒星日=23小時(shí)56分秒4.1秒, 靜止軌道至地心距離為42164.174公里, 相對(duì)赤道高度為35786.034公里，一般簡稱3.6萬公里。

圖2 休斯公司Harold Rosen博士（右）和Thomas Hudspeth在1962年的巴黎航展上展示Syncom衛(wèi)星原型

圖3 剝?nèi)ンw裝式太陽能發(fā)電貼片后的Syncom

在地球上看，地球靜止軌道上的衛(wèi)星，就像被定住，一動(dòng)不動(dòng)，對(duì)于衛(wèi)星接收天線來說最方便，省去搖頭晃腦、旋轉(zhuǎn)跟蹤，非常適合天地通信。而在這個(gè)軌道工作的衛(wèi)星，由于對(duì)準(zhǔn)了地球的某一個(gè)區(qū)域，可持續(xù)觀察，也非常適合進(jìn)行可見光和近紅外光觀測的氣象衛(wèi)星、海洋監(jiān)測。（參見圖1）

一、辛康（Syncom）靜星，頭回吃到GEO通信的甜頭

休斯飛機(jī)公司的三位工程師（Harold Rosen，Thomas Hudspeth和Donald Williams）于1959年初，開始研究地球同步衛(wèi)星的概念，提出了一種可行的地球同步衛(wèi)星設(shè)計(jì)，三個(gè)人艱難地說服休斯公司、NASA和國防部，甚至自己掏腰包貼了一萬美元搞工程樣機(jī)，這在當(dāng)時(shí)可是一筆巨款。功夫不負(fù)有心人，在一番努力下，1961年8月，NASA與休斯飛機(jī)公司簽訂了第一個(gè)地球同步通信衛(wèi)星合同，該衛(wèi)星稱為辛康（Syncom）。（參見圖2）

（一）麻雀雖小、五臟俱全

Syncom系列通信衛(wèi)星呈圓柱形，直徑為71厘米，高度為39厘米，含推進(jìn)器質(zhì)量為68千克，和現(xiàn)在動(dòng)輒數(shù)噸的通信衛(wèi)星相比，僅為一個(gè)零頭。麻雀雖小且其貌不揚(yáng)，卻五臟俱全！（參見圖3）

衛(wèi)星底部的遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)為固體火箭，推力1000磅力，可提供1431米/秒的速度增量，用來軌道圓化和消傾角，由Thiokol（瑟奧科爾）公司生產(chǎn)。

為了能在天上保證姿態(tài)穩(wěn)定，衛(wèi)星設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性的提出了類似陀螺的自旋穩(wěn)定概念。不過這樣一來天線也會(huì)跟著轉(zhuǎn)，由此設(shè)計(jì)了簡單可靠的全向輻射天線，也就是衛(wèi)星頂部槍管一樣的物體，叫做同軸縫隙陣列通信天線（Co-axial slotted array antenna），也有文獻(xiàn)稱之為“裙邊圓環(huán)縫隙偶極子”（skirted collinear slot dipoles）。其實(shí)它和本系列《看天線，識(shí)衛(wèi)星----漫談衛(wèi)星天線（一）》一文中講到的半波陣子天線非常類似。其天線方向圖就是一個(gè)甜甜圈，特別適用于這顆輕巧的自旋穩(wěn)定驗(yàn)證衛(wèi)星。如果讓衛(wèi)星的旋轉(zhuǎn)軸（槍管射擊方向）與地球的旋轉(zhuǎn)軸（南北極）平行并保持，就能讓地面獲得最大的輻射場強(qiáng)。 （參見圖4）

天線共有三個(gè)同軸的裙邊偶極子陣列發(fā)射下行信號(hào)，注意看圖5天線中部三個(gè)開口，由環(huán)形波導(dǎo)饋電，波束寬度23°，由于頻率越高衰減就越明顯，為了考慮給衛(wèi)星省點(diǎn)事，下行信號(hào)頻率選擇較低的1.815GHz；圖5中天線結(jié)構(gòu)的右側(cè)單個(gè)帶裙邊的接收偶極子工作在相對(duì)較高的7.360GHz（地面衛(wèi)星站供電充裕，工作頻率高點(diǎn)問題不大），通過圓環(huán)縫隙偶極子天線的接收增益為2 dB。

如果要把衛(wèi)星接收到的微弱信號(hào)放大并發(fā)射，需要轉(zhuǎn)發(fā)器。Syncom攜帶了兩個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器，一個(gè)窄帶，提供兩個(gè)500kHz信道，可以處理一個(gè)雙向電話或16個(gè)單向電傳信道；另一個(gè)寬帶轉(zhuǎn)發(fā)器，提供5MHz信道用于電視傳輸。兩個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器使用2瓦行波管放大器進(jìn)行信號(hào)放大。

在衛(wèi)星尾巴上，還有四根和旋轉(zhuǎn)軸成25度夾角的鞭狀天線用于遙測和指令（TT&C）。四根長度為1/4波長的鞭狀天線，也就是第一篇講到的旋轉(zhuǎn)場天線（turnstile antenna），通過圓極化波進(jìn)行衛(wèi)星指令上傳下達(dá)，而無需考慮天線面是否對(duì)齊。

Syncom的外表面覆蓋著3840個(gè)硅太陽能電池貼片，發(fā)電功率29瓦，星載鎳鎘電池用于地影期間的供電。在姿態(tài)控制上，雙氧水催化反應(yīng)進(jìn)行姿態(tài)控制雖然高效，但缺少使用經(jīng)驗(yàn)，該衛(wèi)星采用了雙氧水/氮?dú)鈨商淄七M(jìn)器提供姿態(tài)控制。（參見圖6）

（二）令人滿意的測試結(jié)果

Syncom 1于1963年2月14日在卡納維拉爾角用Thor Delta B火箭成功發(fā)射，隨后不幸因電氣故障失聯(lián)。失敗乃成功之母，不行再來！

隨后，Syncom 2于1963年7月26日從卡納維拉爾角成功發(fā)射！要把衛(wèi)星送到3.6萬公里高度，對(duì)60年代初期仍屬于蹣跚學(xué)步階段的美國運(yùn)載火箭來說，壓力很大。由于Thor Delta B運(yùn)載火箭的運(yùn)力限制，Syncom 2衛(wèi)星雖然被送入了一個(gè)地球同步軌道，但衛(wèi)星軌道面存在33°的傾角，從地球看，這個(gè)衛(wèi)星像在天上跳“8”字舞，并非靜止！

不過由于天線的波束較寬，沒有影響到電話、電視直播等測試。1963年8月16日Syncom 2開始正式運(yùn)行，測試非常成功，圓滿達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

圖4 “槍管”并沒有指向地球，而是和地球自轉(zhuǎn)軸平行，“甜甜圈”僅有少量信號(hào)用于覆蓋地球

圖5 天線由鋁、玻璃纖維制成，表面噴涂特氟隆，重2千克

圖6 藝術(shù)家筆下的Syncom系列衛(wèi)星

1963年8月23日，美國總統(tǒng)約翰·肯尼迪通過Syncom 2，給尼日利亞總理阿巴巴卡爾·巴萊瓦打了一個(gè)電話，雖然只是象征性地聊了兩分鐘，簡要提到了當(dāng)年簽署的核武器試驗(yàn)禁令條約，并談到尼日利亞中量級(jí)拳擊手迪克·泰格贏得的一場拳賽，但這是國家元首之間第一次通過衛(wèi)星進(jìn)行雙向通話。（參見圖7）

Syncom 2還在體育賽事的直播方面進(jìn)行了嘗試，并取得成功。（參見圖8）

（三）助力東京奧運(yùn)會(huì)

在此基礎(chǔ)上，Syncom 3于1964年8月19日發(fā)射，此次發(fā)射采用Thor Delta D火箭，推力更大的第三級(jí)火箭進(jìn)行偏航機(jī)動(dòng)，GTO軌道傾角下降到16°，隨后衛(wèi)星在遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)力消除了剩余傾角，并進(jìn)入35,670 km x 35,908 km的圓形同步軌道，并在180°經(jīng)度定點(diǎn)。Syncom 3繼續(xù)用于各種通信測試，遠(yuǎn)在菲律賓的美軍USNS Kingsport衛(wèi)星通信船通過該衛(wèi)星和加州羅伯茨營起飛的飛機(jī)進(jìn)行越洋通信傳輸。被載入史冊(cè)的還有Syncom 3用于向美國直播1964年的東京夏季奧運(yùn)會(huì)。（參見圖9）

相比美國海軍和空軍科學(xué)家利用月球進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信，麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室在太空“放針”的西福特計(jì)劃，以及NASA利用氣球衛(wèi)星、低軌衛(wèi)星（Telstar）進(jìn)行的通信實(shí)驗(yàn)，Syncom 2和3成功驗(yàn)證了GEO通信的技術(shù)，顯示出巨大的優(yōu)越性。在海底光纜還沒有使用前，開辟了洲際通信的嶄新篇章！后續(xù)地球靜止軌道衛(wèi)星繼往開來，家族日益龐大。

二、開公司，GEO通信生意做大，定向天線首次使用

美國成功地發(fā)射了世界上第一顆地球靜止軌道通信衛(wèi)星，同時(shí)標(biāo)志著龐大的全球通信市場即將到來。1962年的《美國通信衛(wèi)星法》對(duì)國際衛(wèi)星通信產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，通信衛(wèi)星公司（COMSAT）在該法案要求下成立，并受美國政府監(jiān)管，是一個(gè)私人融資和管理的組織。美國總統(tǒng)約翰·肯尼迪倡議成立國際衛(wèi)星聯(lián)盟，他說：“我邀請(qǐng)所有國家參與通信衛(wèi)星系統(tǒng)以促進(jìn)世界和平及世界各國人民之間的兄弟情誼?！?/p>

圖9 通過Syncom 3向美國直播的1964年的東京夏季奧運(yùn)會(huì)

圖10 早鳥商業(yè)通信衛(wèi)星是Syncom的放大版本

1964年8月，國際電信衛(wèi)星聯(lián)盟（Intelsat，International Telecommunications Satellite Consortium）在COMSAT公司協(xié)助下成立，它是第一個(gè)提供全球衛(wèi)星覆蓋和連接的組織，作為衛(wèi)星通信能力的商業(yè)合作和批發(fā)商，Intelsat向其入會(huì)成員國提供服務(wù)。不過現(xiàn)在的Intelsat已私有化，也引發(fā)了頻率帝國主義紛爭。

擁有Intelsat 61%股份的COMSAT公司負(fù)責(zé)其衛(wèi)星的選型，它選擇了放大版的Syncom衛(wèi)星，作為Intelsat的第一顆商用通信衛(wèi)星，這顆衛(wèi)星被稱為早鳥（Intelsat I）， 于1965年4月6日由Delta D火箭發(fā)射，早鳥發(fā)射重量為149千克。（參見圖10）

該衛(wèi)星提供了240路跨大西洋電話，而價(jià)格僅為海底電纜的十分之一。到1967年，第一代Intelsat衛(wèi)星中的三顆衛(wèi)星在大西洋和太平洋海域上空運(yùn)行，提供清晰、價(jià)格親民的越洋電話和電視，民眾也迅速適應(yīng)了250毫秒的時(shí)延，“早鳥”取得了巨大的商業(yè)成功！（參見圖11、12）

工作在C波段的“早鳥”GEO衛(wèi)星，其下行信號(hào)（3.4GHz-4.2GHz）的鏈路衰減通常在200dB左右，要求發(fā)射機(jī)的功率更大、天線波束更窄！它的天線基本和Syncom類似，發(fā)射單元增加到6個(gè)縫隙，波束寬度約束到20°，天線增益達(dá)到9dB。接收單元為3組3葉草形振子，天線增益由之前0.5大幅增加到4dB。（參見圖13）

更多的太陽能電池提供了45瓦的電力供應(yīng)，比Syncom的29瓦增加不少。兩個(gè)6瓦轉(zhuǎn)發(fā)器工作在C波段（6GHz上行鏈路 - 4GHz下行鏈路），每個(gè)具有50MHz帶寬，可以承載240個(gè)語音電路或一個(gè)電視頻道，但不能同時(shí)進(jìn)行。

不過這些小修小改，以及后續(xù)換湯不換藥的Intelsat II遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了民眾對(duì)于衛(wèi)星通信容量的需求。（參見圖14）

Intelsat試圖最大限度優(yōu)化衛(wèi)星參數(shù)，包括輻射方式和功率、可用帶寬、容量和壽命。1966年，Intelsat與TRW公司簽訂了一份價(jià)值3200萬美元的合同，用于制造六顆Intelsat III衛(wèi)星。

圖11 給奧地利親戚打個(gè)電話說要去串門——衛(wèi)星越洋電話走入尋常百姓家

圖12 GEO通信對(duì)使用體驗(yàn)最大的影響是時(shí)延

圖13 早鳥的天線基本和Syncom類似

圖14 換湯不換藥的Intelsat II的全向天線和為數(shù)不多的轉(zhuǎn)發(fā)器，跟不上民眾對(duì)于衛(wèi)星通信容量的需求

Intelsat III重293公斤，是Intelsat I的兩倍，但其容量增加了4倍，是第一顆專門設(shè)計(jì)用于商業(yè)盈利的衛(wèi)星。并結(jié)合了多項(xiàng)性能改進(jìn)，其中最重要的革新是使用高增益天線的技術(shù)。

如圖14所示，為了自旋穩(wěn)定，衛(wèi)星不得已使用全向天線，以便在衛(wèi)星體旋轉(zhuǎn)時(shí)保持與地球的通信，因此衛(wèi)星的大部分射頻功率都被浪費(fèi)在太空！這對(duì)于衛(wèi)星和地面接收站都不是最佳選擇，天線還需要改進(jìn)，要把能量聚焦。

工程師首先采用了電磁喇叭天線。它的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，饋電簡便，便于控制主面波束寬度和增益，頻率特性好且損耗較小，它由波導(dǎo)逐漸張開形成，加強(qiáng)了方向性，這個(gè)和聲學(xué)喇叭的原理極為相似。（參見圖15）

Intelsat III使用了一個(gè)86厘米高的消旋定向喇叭天線，增益為15.6dB，取代了之前9dB增益的縫隙偶極子天線，增加了有效輻射功率。

其次為了使這種高增益定向天線始終保持指向地球的固定方向，采用了消旋技術(shù)，Intelsat III是第一個(gè)解決這個(gè)問題的通信衛(wèi)星！雖然星體通過高速自旋保持姿態(tài)，但通過使用電機(jī)對(duì)天線進(jìn)行反向旋轉(zhuǎn)，使用于反射信號(hào)的鋁制蜂窩板始終對(duì)準(zhǔn)地球。同步開發(fā)了特殊的潤滑劑和潤滑技術(shù)，避免潤滑劑在零G真空空間中凍結(jié)或蒸發(fā)造成的軸承卡死。（參見圖16）

Intelsat III的總可用帶寬增加到450MHz，由兩個(gè)225MHz帶寬的轉(zhuǎn)發(fā)器提供。消旋天線和6瓦行波管（TWT）放大器聯(lián)袂，為每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器產(chǎn)生+22dBW（158W）的等效輻射功率，信噪比的提升讓單顆衛(wèi)星可承載1200路雙向電話或4個(gè)電視頻道。另外Intelsat III第一次使用肼推進(jìn)劑進(jìn)行位置保持，使用壽命延長到5年。（參見圖17）

圖15 典型的角錐喇叭

圖16 使用電動(dòng)機(jī)消旋，用于反射角錐喇叭的平板天線始終對(duì)準(zhǔn)地球

圖17 Intelsat III第一次使用了喇叭加平板反射面的高增益定向天線

圖18 Intelsat公司對(duì)69年之后的5年業(yè)務(wù)發(fā)展測算表

第一顆Intelsat III于1968年9月18日由更強(qiáng)大的Delta M火箭發(fā)射，由于制導(dǎo)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，運(yùn)載火箭被自毀。第二次發(fā)射于1968年12月18日進(jìn)行，衛(wèi)星成功定點(diǎn)在西經(jīng)31°橫跨大西洋的地方。另外三顆Intelsat III衛(wèi)星定點(diǎn)在東經(jīng)174°（太平洋），西經(jīng)6°（大西洋）和東經(jīng)62.5°（印度洋）。從而完成了第一個(gè)全球覆蓋的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。這個(gè)由四顆衛(wèi)星組成的系統(tǒng)最多可以處理4800個(gè)雙向電話或16個(gè)電視傳輸。

三、為了跟上業(yè)務(wù)需求，開始上“鍋”

洲際通信的需求是如此旺盛，經(jīng)過測算，Intelsat發(fā)現(xiàn)到1971年，當(dāng)時(shí)已有的4顆Intelsat III將不再能滿足大西洋和太平洋的使用需求，而且一旦任何衛(wèi)星發(fā)生故障，系統(tǒng)將陷入嚴(yán)重困境。（參見圖18）

Intelsat決定發(fā)展新的第四代名為Intelsat IV的衛(wèi)星，由于運(yùn)載火箭技術(shù)的提升，有了半人馬上面級(jí)，設(shè)計(jì)質(zhì)量達(dá)到1414千克，入軌質(zhì)量可以達(dá)到790千克，是第三代的5倍多。這份生產(chǎn)四顆大容量衛(wèi)星、價(jià)值7200萬美元的合同給予了休斯公司，要求于1971年初完成前兩顆Intelsat IV衛(wèi)星的發(fā)射（大西洋和太平洋地區(qū)），滿足電話需求；第三顆衛(wèi)星于1972年定點(diǎn)在印度洋上（在Intelsat III壽命結(jié)束時(shí)）；第四顆衛(wèi)星作為備用。（參見圖19）

前述Intelsat III衛(wèi)星其實(shí)有一個(gè)系統(tǒng)性短板：受功率、重量限制，轉(zhuǎn)發(fā)器只有兩個(gè)，眾多地面站上傳信號(hào)時(shí)需要排隊(duì)，排隊(duì)的時(shí)候，還不能發(fā)出大功率的同頻信號(hào)干擾別的地面站，協(xié)同性搞不好，系統(tǒng)效率低。解決的方案其實(shí)很簡單，把可用帶寬劃分為許多小轉(zhuǎn)發(fā)器頻段，給每個(gè)地球站分配專用轉(zhuǎn)發(fā)器，或者幾個(gè)需求小的地面站搭伙。因此Intelsat IV系統(tǒng)采用12個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器，40MHz的帶寬（剔除保護(hù)帶寬，實(shí)際可用36MHz），行波管功率為8瓦，每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器可處理1800個(gè)電話或一個(gè)電視頻道，Intelsat IV的最大容量達(dá)到萬級(jí)雙向電話或12個(gè)電視頻道。

這其實(shí)是上下行信道頻分復(fù)用(FDM，F(xiàn)requency Division Multiplexing)的做法，原理簡單，關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)的時(shí)候受到運(yùn)載火箭GTO軌道投送能力，以及衛(wèi)星平臺(tái)的電源供給能力、行波管效能、重量等因素的共同制約。

增加轉(zhuǎn)發(fā)器，這就需要增加系統(tǒng)供電等整體開銷，而新的HS-312衛(wèi)星平臺(tái)完全可以滿足，設(shè)計(jì)壽命為7年。

圖19 和前三代相比，Intelsat IV 確實(shí)是“大型”，容量也大了許多

圖20 Intelsat IV帶了兩個(gè)高增益鍋，背后4個(gè)黑色的是消旋定向天線，最高的天線是TT&C

Intelsat IV還應(yīng)用了陀螺儀旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定技術(shù)，使雙自旋穩(wěn)定衛(wèi)星技術(shù)趨于成熟，從圖20中可以看到，消旋平臺(tái)上除4個(gè)黑黑的定向天線（兩收兩發(fā)）外，Intelsat IV還第一次帶“鍋”上天了，也就是高增益天線，意大利Selenia SpA公司生產(chǎn)，兩個(gè)波束極窄的4.5°的點(diǎn)波束，可以擺動(dòng)調(diào)整波束，應(yīng)對(duì)美國東部或西歐局部高業(yè)務(wù)熱點(diǎn)，全向輻射功率增加15倍。（參見圖21）

四、頻率瓶頸，見招拆招

洲際通信業(yè)務(wù)繼續(xù)在飛速增長，尤其是大西洋兩岸高密集區(qū)域，如何應(yīng)對(duì)？事實(shí)上，對(duì)于Intelsat公司來說，每一次都是依靠天線技術(shù)的革新，使衛(wèi)星及其地面站能夠承載更多的業(yè)務(wù)量。在Intelsat IV基礎(chǔ)上，休斯公司建造了六顆改進(jìn)型號(hào)被稱為Intelsat IV- A的衛(wèi)星，較Intelsat IV增加了8個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器達(dá)到20個(gè)，可用頻率帶寬達(dá)到720MHz。Intelsat IV-A體表貼了1.7萬個(gè)太陽能電池貼片，功率600瓦。但與其前身Intelsat IV相比，主要差異在于采用了新的天線技術(shù)，通過點(diǎn)波束實(shí)現(xiàn)頻率充分使用，可提供大約兩倍的容量。

具體在實(shí)現(xiàn)上，以圖22為例，左邊是本分做法，循規(guī)蹈矩，3個(gè)頻點(diǎn)各用一次，老老實(shí)實(shí)；而右邊，在點(diǎn)波束旁瓣控制到一定門限前提下，J波束在I波束和K波束左下角又用了一次！如果有四種以上頻率或不同的極化方式，頻率可以實(shí)現(xiàn)“無限”復(fù)用，這就叫做空分復(fù)用技術(shù)。

Intelsat IV-A最頂上的“黑頭”是遙測天線，下方是呈品字形的三塊拋物面反射天線，其中上側(cè)的是接收天線，下側(cè)兩個(gè)是由37個(gè)陣列單元饋電的方形C波段拋物面反射天線，面積1.2×1.3米，天線重51千克。（參見圖23）

需要注意的是，這次的拋物面天線是偏置形式，前述Intelsat IV的饋源擋著天線了，而采用偏置形式，可以無遮擋。

圖22 空分復(fù)用，讓頻率資源“無限”復(fù)用

圖23 呈品字形的三塊拋物面反射天線，右側(cè)圖中饋源用紅圈標(biāo)明

圖24 偏置反射面天線，饋源無遮擋

20個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器的具體使用，以大西洋上的Intelsat IV-A為例，4個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器覆蓋業(yè)務(wù)密度稀疏的大西洋，其余16個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器用于點(diǎn)波束模式；左右兩個(gè)反射天線，左邊負(fù)責(zé)南北美洲，右邊負(fù)責(zé)歐洲和非洲，由于兩個(gè)定向天線相互錯(cuò)開一定角度，相互不干擾，可以實(shí)現(xiàn)同一套頻率兩邊分開使用，因此容量基本已經(jīng)翻翻！而且點(diǎn)波束也明顯提高了覆蓋的輻射功率。

IntelsatIV-A系列中的第一顆衛(wèi)星于1975年9月25日由Atlas-SLV3D/Centaur-D1AR從卡角發(fā)射升空，一共發(fā)射6顆，其中一顆由于運(yùn)載火箭問題失敗。最終所有五顆衛(wèi)星平均運(yùn)營了11年，超過設(shè)計(jì)壽命4年。

五、這回是電不夠用了

同時(shí)期，射頻放大器件技術(shù)也有了突破，出現(xiàn)了效率更高的固態(tài)功率放大器（SSPA）或線性化行波管放大器（LTWTA），使這些衛(wèi)星能夠攜帶更多的轉(zhuǎn)發(fā)器上天。但是要再多，可能就不行了，因?yàn)椴捎米孕€(wěn)定的衛(wèi)星，太陽有效照射的電池貼片不超過三分之一，其余三分之二只能閑著，也不可能無限制讓衛(wèi)星變胖變長，好多貼點(diǎn)太陽能電池貼片。另一方面，消旋平臺(tái)上已經(jīng)像插花一樣裝滿了天線，難以容納更大反射面的天線。

讓衛(wèi)星在軌道保持一定的姿態(tài)，并不是只有自旋穩(wěn)定這一種方法，還有通過內(nèi)部旋轉(zhuǎn)的慣性輪保持穩(wěn)定的方案，Intelsat認(rèn)為這種方法對(duì)于緊迫的商業(yè)運(yùn)營需求而言存在太多技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，選擇繼續(xù)使用保守的自旋穩(wěn)定。

然而幕后的操盤手，NASA早就在衛(wèi)星前沿新技術(shù)上開展驗(yàn)證試驗(yàn)，項(xiàng)目名稱叫做ATS（Applications Technology Satellite）應(yīng)用技術(shù)衛(wèi)星。該項(xiàng)目不僅僅測試通信技術(shù)，還對(duì)地球同步軌道氣象傳感元件的開發(fā)、同步軌道空間環(huán)境測量等項(xiàng)目開展研究。在多次失敗的重力梯度桿試驗(yàn)后，ATS-6任務(wù)對(duì)于后續(xù)地球靜止軌道的眾多新技術(shù)開展了極為重要的測試，大型可展開天線、3軸穩(wěn)定姿態(tài)控制、電力推進(jìn)等，成為目前仍在地球靜止航天器上使用的許多技術(shù)的先鋒。

ATS-6衛(wèi)星設(shè)計(jì)非常前衛(wèi)，哪怕在今天看來也是石破天驚。 （參見圖25、26）

圖25 ATS-6衛(wèi)星，長長的衍架挑起兩個(gè)弧形太陽能帆板，中間是碩大的拋物面天線

圖26 壯觀的9.14米直徑大型可展開纏繞肋天線

（一）ATS-6是第一顆具有三軸穩(wěn)定能力的地球靜止軌道衛(wèi)星

ATS-6的主要進(jìn)步是其三軸穩(wěn)定（3-axis stabilization）系統(tǒng)，陀螺儀控制的三軸穩(wěn)定性將衛(wèi)星轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)穩(wěn)定的固定平臺(tái)，不再需要旋轉(zhuǎn)，這種技術(shù)使許多新應(yīng)用成為可能。三軸穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：

1、使用了自旋穩(wěn)定裝置的衛(wèi)星，體裝式太陽能電池陣列做不大，發(fā)電效率低，無法提供更多的電能；而三軸穩(wěn)定的衛(wèi)星平臺(tái)可以部署更大的平面太陽能電池陣列，通過控制太陽能電池板的方向與太陽輻射垂直，獲得高效的太陽能發(fā)電。高功率的衛(wèi)星平臺(tái)可以讓通信衛(wèi)星攜帶更多、功率更大的轉(zhuǎn)發(fā)器，地面上用更小的天線和靈敏度更低的接收機(jī)即可接收，天線甚至可以縮小到幾十厘米，實(shí)現(xiàn)家庭觀看衛(wèi)星直播電視。

三軸穩(wěn)定衛(wèi)星的一個(gè)缺點(diǎn)是它受到不均勻的太陽光能加熱，朝陽側(cè)極高溫，背陽側(cè)極低溫，在空間真空中，這種溫差非常高，但自旋衛(wèi)星均勻受熱和輻射熱量，不會(huì)遇到這種情況。為了解決這個(gè)問題，ATS-6采用了熱管和相變材料來均衡衛(wèi)星體上的溫度分布。

2、大型高增益定向天線現(xiàn)在可以取代以前自旋穩(wěn)定衛(wèi)星所需的全向天線或復(fù)雜的消旋平臺(tái)天線，將波束準(zhǔn)確聚焦到地球上，增加了衛(wèi)星的有效輻射功率，從而節(jié)省能源和復(fù)雜性。

3、它提供了更準(zhǔn)確的姿態(tài)控制。第一次使用星載姿態(tài)控制數(shù)字計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器，執(zhí)行器是三個(gè)動(dòng)量輪和單推肼推進(jìn)器，執(zhí)行后確保滾轉(zhuǎn)和俯仰精度優(yōu)于0.2°，實(shí)現(xiàn)了精確的位置保持和指向。精確傳感和三軸姿態(tài)控制的結(jié)合，使得ATS-6成為第一顆能夠回轉(zhuǎn)俯視跟蹤其他S波段衛(wèi)星的衛(wèi)星，使用其GEO的有利位置，ATS-6可以為LEO衛(wèi)星甚至飛機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中繼，這是NASA跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星（TDRSS）計(jì)劃的先驅(qū)，此舉可以大幅減少地面站的工作壓力。

（二）纏繞肋（WRAP-RIB）大型可展開天線測試

ATS-6衛(wèi)星的另一個(gè)創(chuàng)新是測試了直徑9.14米的大型可展開纏繞肋天線。為了簡化大型可展開天線的結(jié)構(gòu)和展開機(jī)構(gòu)，提高收納率，JPL（噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室）與洛克希德公司于20世紀(jì)70年代聯(lián)合研制了這款纏繞肋可展開天線。（參見圖26）

圖27 “傘骨”就像卷尺一樣，被收緊纏在一起，到空間則展開，繃緊“傘面”

圖28 RedRipper24提供的ATS-6天線反射面，像豆莢殼的鋁制肋條展開后有一定剛度，但形變大

該天線反射器主要由中心輪轂、48個(gè)鋁制肋條、反射面網(wǎng)組成，反射面網(wǎng)采用了鍍銅的編織滌綸，僅重83千克，收納率很大。類似卷尺，中心輪轂把鋁制肋條卷緊纏繞，收起后縮成直徑僅為1.8米，高0.45米的環(huán)形空間。（參見圖27）

在空間展開時(shí)，由火工品切斷纜線，3400NM扭矩的電機(jī)拉動(dòng)鋁制肋條背后的帶子展開天線，部署時(shí)間約為2.5秒。不足之處是鋁制肋條在空間受熱之后變形，整個(gè)天線形面精度較低（0.5毫米），剛度也較低，不過展開可靠性高。（參見圖28）

口徑為9.14米拋物面天線反射器在UHF至C波段范圍內(nèi)提供34dB至46dB的增益，再加上高功率的80瓦固態(tài)射頻放大器在860MHz的頻率發(fā)射，它提供了直接電視廣播的能力，等效全向輻射功率（EIRP）峰值達(dá)到51.0 dBW，地面僅需3米直徑的小型天線接收。

天線饋電（C，S，L，UHF和VHF頻段）單元安裝在衛(wèi)星主體上，整個(gè)衛(wèi)星主體通過碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）桁架連接到天線和太陽能電池板桅桿。（參見圖29）

太陽能電池板安裝在兩個(gè)可展開的桅桿上。它們具有半圓柱形狀，因此提供相對(duì)恒定的功率（開始為595W），在地影期間兩個(gè)30.5V、15安時(shí)鎳鎘電池負(fù)責(zé)供電。

盡管采用了復(fù)合材料等先進(jìn)技術(shù)，但仍有不足：整個(gè)衛(wèi)星采用大量桁架和展開機(jī)構(gòu)，給人的感覺弱不禁風(fēng)；可展開天線非常金貴；沒有遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，完全靠大力神火箭/半人馬上面級(jí)金牌組合推送到位！

（三）直送GEO，圓滿完成任務(wù)，掃清技術(shù)障礙

1974年5月30日，Titan III-C運(yùn)載火箭將ATS-6這顆重達(dá)1336公斤，當(dāng)時(shí)最重的地球靜止軌道通信衛(wèi)星，直接送到GEO軌道。 ATS-6也不負(fù)眾望，在軌道上徐徐展開天線投入工作。（參見圖30）

除了銫離子電推發(fā)動(dòng)機(jī)測試表現(xiàn)不太好之外，ATS-6任務(wù)順利，進(jìn)行了23次不同的實(shí)驗(yàn)，通過向印度、美國和其他國家傳送遠(yuǎn)程教育節(jié)目，證明了直接到戶（DTH）電視廣播的可行性。（參見圖31）

圖29 太陽能電池板的設(shè)計(jì)基本就是劈開的一個(gè)辛康衛(wèi)星

圖30 軌道上衛(wèi)星順利展開，尺寸為15.8米寬，8.2米高

圖31 印度農(nóng)村使用一個(gè)UHF天線接受遠(yuǎn)程教育

其他測試包括監(jiān)測空間環(huán)境，并用于進(jìn)行粒子物理實(shí)驗(yàn)和測量輻射對(duì)太陽能電池壽命的影響；攜帶高分辨率熱輻射掃描測量計(jì)（輻射計(jì)），在紅外線（10.5至12.5μm）和可見光（0.55至0.75μm）掃描地球，測量其紅外輻射（溫度）和云圖，這些技術(shù)隨后被使用在氣象衛(wèi)星上。ATS-6還被用于進(jìn)行空中交通管制測試和實(shí)施衛(wèi)星輔助搜索和救援技術(shù)，并于1975年在阿波羅/聯(lián)盟對(duì)接中發(fā)揮了重要作用，負(fù)責(zé)將信號(hào)回傳給休斯頓控制中心。1979年8月3日該衛(wèi)星壽終正寢。

ATS-6也可能是“導(dǎo)師”（Mentor）等第四代大型電子偵察衛(wèi)星的先驅(qū)。Mentor衛(wèi)星是美國中央情報(bào)局的地球靜止軌道電子偵察衛(wèi)星，用于截獲電子情報(bào)。在常年值守的電子偵察中，靜止軌道電子偵察衛(wèi)星有更多的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)樾l(wèi)星軌道越高，對(duì)地面的覆蓋面就越寬，不易錯(cuò)失機(jī)會(huì)，所以，美國很重視發(fā)展這種衛(wèi)星。

由于其所接收的地面信號(hào)強(qiáng)度是低軌道衛(wèi)星的1/ 5100 ，故需采用大型接收天線，口徑約為150米，衛(wèi)星質(zhì)量4-6噸，定位在西太平洋、印度洋上空，能夠用于偵收100MHz-20GHz之間的所有電磁信號(hào)。其實(shí)只要“悟通”ATS-6衛(wèi)星“卷尺”式的傘肋收納大法，就會(huì)明白Mentor的150多米直徑“大傘”的展開原理也很簡單?。▍⒁妶D32）

ATS-6也是最后一次ATS任務(wù)，一些國會(huì)議員擔(dān)心NASA開發(fā)技術(shù)造福私營性質(zhì)的COMSAT公司，于是國會(huì)于1973年以削減預(yù)算名義取消了ATS項(xiàng)目，讓商業(yè)通信衛(wèi)星行業(yè)自行承擔(dān)研發(fā)開銷，這標(biāo)志著NASA實(shí)驗(yàn)通信衛(wèi)星計(jì)劃暫時(shí)性告一段落。

私營企業(yè)支持一些具有短期（例如幾年）商業(yè)成功潛力的項(xiàng)目。然而，私營企業(yè)無法支持風(fēng)險(xiǎn)更高，潛力更高的發(fā)展，這類項(xiàng)目通常需要大約十年才能帶來商業(yè)用途。正因?yàn)槿绱?，以及來自多方面的呼吁，NASA在1978年恢復(fù)了對(duì)衛(wèi)星通信技術(shù)研發(fā)的支持。這個(gè)案例非常值得思考，目前中國的航天操盤手、國家隊(duì)、民營航天公司如何各司其職？SATNET

圖32 Charles P. Vick畫的導(dǎo)師（Mentor）第四代大型電子偵察衛(wèi)星猜測圖