全球商業通信衛星平臺簡析

目前，全球商業通信衛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星平臺。

1 衛星平臺概述

通信衛星總體設計技術的發展在很大程度上是圍繞著衛星平臺研制展開的。對于商業通信衛星來說，最重要的是節約經費、縮短研制周期，而衛星平臺的設計在許多方面與此密切相關，比如，用基本類似的衛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星平臺正朝著大容量、長壽命方向發展，并逐步形成了衛星平臺系列化和商品化生產。如，美國波音公司的BSS－601HP衛星平臺，其總功率可達8～11kW，設計壽命15年；BSS－702衛星平臺，衛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衛星平臺，功率為5～25kW，其LS－20.20衛星平臺質量為7.5t，可裝載150臺轉發器。泰雷茲-阿萊尼亞公司與阿斯特留姆公司聯合研制的“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，各大通信衛星制造商采取了各種措施，以提高各自通信衛星平臺的競爭力。這些通信衛星制造商研制的衛星平臺主要包括：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合研制的“阿爾法平臺”；中國空間技術研究院的東方紅－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。上述衛星平臺可分為三個系列：①小型衛星平臺系列，包括BSS－376、歐洲星－2000、東方紅－2等；②中型衛星平臺系列，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。

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

2 主要設計特點

我國通信衛星專家認為，在當今通信衛星平臺設計中有三個主要特點，一是采用分艙設計；二是采用“三化”（模塊化、組合化和系列化）設計；三是進行結構優化。

分艙設計

BSS－601衛星平臺剖面圖

為了使衛星平臺具有更大的靈活性以及滿足通信衛星總裝的需求，目前國際上大型通信衛星平臺大多采用分艙的設計方式。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衛星平臺，它們主要有兩個特點：

1）衛星平臺的推進劑貯箱是并聯的，而且各種貯箱都設計成圓柱形，因此能通過增加貯箱柱段長度來增加衛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，可以充分利用衛星平臺的空間，降低衛星平臺的高度。

2）使用這種衛星平臺的通信有效載荷艙更加獨立，能設計成H形或雙H形；有利于有效載荷的擴大和布置更多的設備，而且平板結構工藝修改很簡單；有效載荷艙和衛星平臺的熱設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星平臺影響很小。

“三化”設計

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

衛星的分艙設計實現了整星級的“三化”設計。在此基礎上，可將推進劑貯箱的柱段分成大、中、小3個規格或大、中2個規格；把太陽電池翼和蓄電池也分成大、中、小3個規格；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計改進。典型代表是洛馬公司的A2100系列衛星平臺：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。

結構優化

現代大型通信衛星平臺大多采用箱式平板結構或桿系加平板結構，其主要特點是各種貯箱并列在衛星底部平板上。箱式或桿系結構主要只承受有效載荷艙的力學載荷，不像承力筒結構那樣要承受整星力學載荷。有效載荷艙可分艙獨立設計成H型或雙H型，以實現熱管在南北散熱面上的交叉耦合散熱。箱式或桿系結構的另一個突出優點是其質量較承力筒式結構要輕40%左右。對于通信衛星而言，由于用途的不同，大口徑的天線以及多個天線的安裝是衛星總體設計必須考慮的問題?，F代大型地球靜止軌道通信衛星各平臺的構型和布局都充分考慮了載荷的復雜要求以及多副天線的安裝要求，這也是通信衛星發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動機布置在對天面板上，采用這樣的構形，可將衛星的東西面和對地面都用來布置天線。

3 總體情況分析

衛星平臺承載能力的大小和能源水平的強弱，代表了技術水平的先進與否。盡管在一定程度上強大的衛星平臺代表了技術上的先進水平，但并非就不需要發展中、小載荷能力的衛星平臺。現今社會的市場需求是多樣化的，為適應這樣的需求，應該走優化現有衛星平臺的發展之路。對于通信衛星而言，由于功能的多樣性和性能的高要求，結果導致天線數量的增加?，F有的衛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星平臺的使用，也為載荷的設計增加了困難。

日本“數據中繼試驗衛星”（DRTS）采用DS－2000衛星平臺

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

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

另一項區分衛星平臺的參數是功率。功率由太陽電池翼的面積決定，最終取決于衛星平臺結構的尺寸。因此，衛星平臺的標準是衛星總體特性的反映，它決定了衛星的功率，也就決定了有效載荷的功率，具體說就是衛星可以攜帶轉發器的數量。

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

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

因此，盡管衛星作為具體不同性能的系列產品出售，但就其外觀和性能還是很難區分2顆衛星的。特別是歐洲兩大衛星平臺的制造商當年曾共同開發了歐洲航天局（ESA）的“軌道試驗衛星”（OTS，于20世紀70年代末發射），他們目前的產品都與該衛星有一定淵源?！翱臻g客車”與“歐洲星”衛星平臺的共同設計特征包括：模塊化設計（分為有效載荷艙和服務艙)；三軸穩定方式；采用統一的雙組元推進系統，它既有遠地點助推又有軌道穩定的功能（它是“軌道試驗衛星”固體遠地點發動機/肼系統的改進型)。換句話說，這一標準是歐洲衛星設計的典型模式。

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

新業務、新需求的出現，對衛星平臺的發展起到了重要的牽引作用。受衛星互聯網寬帶接入、數字音視頻廣播、高清電視、數字影院等新業務需求的牽引，國外五大通信衛星制造商研發了數量眾多的大容量、大功率、長壽命的通信衛星。

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

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

曾經紅極一時的美國BSS－376衛星平臺采用自旋穩定方式

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

4 性能指標比較

研制大型衛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“國際通信衛星”（Intelsat）為例，國際通信衛星－1的外形尺寸為φ72cm×59cm，發射質量為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。發展到國際通信衛星－6時，其外形尺寸為φ369cm×1183cm，發射質量為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星－10的性價比更高。

小型衛星平臺

最著名的小型衛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次商業發射，僅發生5次保險損失，其表現無疑是該級別衛星平臺的佼佼者。當然，BSS－376衛星平臺也有不足的一面，其通信容量已經不能滿足用戶對當前衛星市場的技術需求，所以目前已經不再使用。

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

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

阿斯特留姆公司的歐洲星－2000、2000＋衛星平臺曾出過幾次故障，主要是由外部采購的分系統和元器件存在質量控制問題引起的，而這些問題很容易得到解決。由于歐洲星－2000、2000＋衛星平臺可以滿足衛星運營商的各種技術需求，所以它們仍然是市場上最可靠的小型衛星平臺之一。

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

（1）結構材料的輕型化設計

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

（2）分系統的模塊化設計

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

采用模塊化設計，不但可以明顯地降低航天器的尺寸、質量、成本和故障發生率，同時，在衛星設計中運用了模糊邏輯、神經網絡和遺傳算法等智能工具，因而從根本上推動了航天器設計環境的優化。

（3）衛星各模塊間的無電纜連接設計

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

在采用傳統設計的航天器上，各電子部件、電路板及分系統之間都是通過電纜連接的，這些電纜的總質量占航天器質量的6%～10%。而在印刷電路板上均采用焊片焊接和少數引線連接的方式，這些連線及焊點的質量又占電纜質量的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，未來小衛星將采用無電纜連接設計，以降低衛星質量，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構中，其他模塊可以通過該結構進行連接。因此，各模塊與支持結構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計。同時還應大力開發多功能構架，使結構分系統承擔除支承和保護以外的其他功能。例如，將微型傳感器、驅動器嵌裝在結構部件的夾層中，這樣既節省了空間和質量，又提高了構架的承載能力。

大中型衛星平臺

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

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

勞拉公司的LS－1300衛星平臺是在BSS－601衛星平臺之后推出的，在中型BSS－601衛星平臺和大型BSS－702衛星平臺之間的市場上占有一席之地。該衛星平臺技術性能穩定，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問題。盡管故障頻率沒有BSS－702衛星平臺那么高，但是其太陽電池翼的問題重復出現，不能不引起人們的關注。