日本計劃2019年發(fā)射“激光數據中繼衛(wèi)星”

王存恩 （北京空間科技信息研究所）

2014年9月16日，日本航天政策委員會召開第17次會議，會上，日本宇宙航空研究開發(fā)機構（JAXA）理事山本靜夫和第一衛(wèi)星應用任務本部先進技術衛(wèi)星開發(fā)室主任中川敬三向參加會議的科學技術學術審議會、研究計劃評價分會和航天開發(fā)應用部會的專家們匯報了JAXA擬啟動的“激光數據中繼衛(wèi)星”計劃。 2014年12月，內閣府批準并將這一項目列入2015年1月9日公布的新版航天開發(fā)基本計劃中，2015財年航天開發(fā)預算中給“激光數據中繼衛(wèi)星”下撥了32.08億日元的啟動經費。

1 啟動“激光數據中繼衛(wèi)星”計劃的目的

2002年9月10日，日本成功發(fā)射了“數據中繼試驗衛(wèi)星”（DRTS），為“先進陸地觀測衛(wèi)星”（ALOS）、“國際空間站”（ISS）及其日本希望號實驗艙（JEM）等提供了數據中繼服務，取得了重要成果。“數據中繼試驗衛(wèi)星”的設計壽命為7年，在其超額完成設計壽命任務后不久（2009年11月），JAXA做出了停止對其進行南北軌道控制，僅繼續(xù)進行東西軌道控制的決定，目的是盡量節(jié)省燃料消耗，延長衛(wèi)星的應用壽命，以便為在軌運行的衛(wèi)星、“國際空間站”及其日本希望號實驗艙提供更長時間的必要服務。到2015年3月10日，“數據中繼試驗衛(wèi)星”已在軌運行12.5年，仍在提供中繼服務。不過，JAXA的控制專家和“數據中繼試驗衛(wèi)星”平臺的設計者—三菱電機公司的工程師們都認為：到2015年4月底，衛(wèi)星所攜帶用于軌道控制的燃料很可能會被耗盡，即無法繼續(xù)提供中繼服務了，但目前尚無其停止工作的報道。

對此，日本內閣府宇宙戰(zhàn)略室曾多次向JAXA及相關部門的負責人下達盡快與美國航空航天局（NASA）聯系，在日本這顆“激光數據中繼衛(wèi)星”能夠提供服務前，尋求由NASA在軌的“跟蹤與數據中繼衛(wèi)星”（TDRS）為日本在軌運行的衛(wèi)星和日本希望號實驗艙等提供必要的數據中繼服務的指令，JAXA與NASA已就此達成協議。此外，宇宙戰(zhàn)略室還要求JAXA盡快啟動“數據中繼試驗衛(wèi)星”后繼星的開發(fā)計劃。

其實，早在2009年初，宇宙開發(fā)委員會（2013年7月起由宇宙政策委員會取代了宇宙開發(fā)委員會）、JAXA和國家災害對策委員會，以及廣大用戶就呼吁國家盡快啟動數據中繼衛(wèi)星計劃，盡早發(fā)射新的數據中繼衛(wèi)星，不過在究竟發(fā)射一顆什么樣的數據中繼衛(wèi)星問題上一直舉棋不定。若發(fā)射一顆與在軌運行的“數據中繼試驗衛(wèi)星”形狀、功能和性能大體一致，配備Ka頻段通信載荷的數據中繼衛(wèi)星難度并不太大，開發(fā)周期最長也僅需2年時間，如果稍加努力，1.5年足矣。不過，面對美國、歐洲相繼研究并決定在2017年前發(fā)射激光數據中繼衛(wèi)星，如果日本依然還研制和發(fā)射一顆Ka頻段的數據中繼衛(wèi)星，雖然基本可保證在15年左右時間會有數據中繼衛(wèi)星可用，但在技術上起碼就要落后美歐10多年，且很難滿足越來越多的數據中繼服務需求。

“激光數據中繼衛(wèi)星”的主要用戶、對衛(wèi)星的主要要求和期待達到的性能

JAXA首先認真聽取了各方用戶的意見，并進行了多輪商討后提出：從發(fā)展的角度考慮，也為保證日本在數據中繼衛(wèi)星技術領域的先進性，同時滿足日益增多的數據中繼技術衛(wèi)星用戶之需求，應放棄開發(fā)與“數據中繼試驗衛(wèi)星”基本相同、采用Ka頻段的數據中繼衛(wèi)星，同時立即啟動“激光數據中繼衛(wèi)星”計劃。

JAXA同時還指出：全面吸收“數據中繼試驗衛(wèi)星”和“軌道間光通信工程試驗衛(wèi)星”（OICETS）的研制、應用經驗，以及在應用過程中所積累的跟蹤、捕獲、定向控制等技術和應用成果，更好地利用“軌道間光通信工程試驗衛(wèi)星”進行衛(wèi)星間、衛(wèi)星與地面間激光通信實驗的經驗，并表示只要資金到位，按計劃設計、研制，2019年前把日本的“激光數據中繼衛(wèi)星”送入軌道不存在多大困難。

JAXA還特別強調：日本作為世界上首個利用在610km高的低地球軌道（LEO）上運行的“軌道間光通信工程試驗衛(wèi)星”與地面進行光通信實驗的國家，還利用“軌道間光通信工程試驗衛(wèi)星”與歐洲的“阿蒂米斯”（ARTEMIS，全稱為“先進中繼和技術試驗任務衛(wèi)星”）成功地進行了100多次衛(wèi)星間光通信實驗，取得了當時其他國家無法取得的成果和經驗，這些是啟動“激光數據中繼衛(wèi)星”并能夠取得成功的保障。因此，內閣府宇宙戰(zhàn)略室決心開發(fā)“激光數據中繼衛(wèi)星”的底氣倍增，并決定上報內閣府申請立即啟動“激光數據中繼衛(wèi)星”計劃，并得到內閣批準。

2015年1月9日，日本公布了“新版國家航天開發(fā)基本計劃”，把“激光數據中繼衛(wèi)星”正式列入其中， 2015財年下撥了32.08億日元作為“激光數據中繼衛(wèi)星”啟動經費，要求利用三菱電機公司提供的DS－2000平臺，用4年多時間研發(fā)，并于2019財年前用H-2A火箭將其發(fā)射到36000km高的地球靜止軌道上。

2 其他國家的激光數據中繼衛(wèi)星計劃

NASA的“激光通信演示驗證”計劃路線圖

激光數據中繼衛(wèi)星是以激光作為通信方式，在衛(wèi)星間或衛(wèi)星與地面站間構成激光通信鏈路。在衛(wèi)星間或衛(wèi)星與地球站間進行激光通信的中繼衛(wèi)星不僅可以大幅度地增加中繼通信容量、加快通信速度，而且還可以使通信儀器進一步實現小型化、輕型化和低功耗，提高接收靈敏度。其實，在1顆數據中繼衛(wèi)星上就可以配置多個激光通信用有效載荷，為若干個用戶衛(wèi)星提供通信鏈路。因此，國際上許多國家和空間組織都在研究激光數據中繼衛(wèi)星用的關鍵技術和部件，并在此基礎上開發(fā)和試驗激光數據中繼衛(wèi)星，確認其在技術上的可實現性。美國、歐洲還制定了激光通信衛(wèi)星計劃，取得了階段性的實驗成果。2014年日本也制定了“激光數據中繼衛(wèi)星”計劃。

NASA的“激光通信演示驗證”計劃

早在2012年，NASA就曾宣布：空間技術任務委員會和戈達德空間飛行中心已籌措了2.3億美元用于贊助激光通信項目，其中包括由戈達德空間飛行中心研制激光通信用的核心部件—“激光通信演示驗證”（LCRD）終端，以及將該終端搭載在以勞拉空間系統公司為主承包商研制并計劃于2017年發(fā)射的地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星上，目的是驗證這種終端的功能和性能，同時決定在美國現役“跟蹤與數據中繼衛(wèi)星”的后繼星上搭載這種經演示驗證過的激光通信終端，使之能夠盡快形成系列化，為開發(fā)系列化的激光數據中繼衛(wèi)星做好技術儲備。采用激光通信方式的數據中繼衛(wèi)星要比傳統的衛(wèi)星系統，在進行衛(wèi)星（空間）-衛(wèi)星（空間）、數據中繼衛(wèi)星（空間）-地面（地球站）通信時的數據傳輸速度快得多，可由兆比特每秒量級提升到吉比特每秒量級?！案櫯c數據中繼衛(wèi)星”的后繼星將全面采用這些技術。

歐洲航天局的“歐洲數據中繼衛(wèi)星”計劃

“歐洲數據中繼衛(wèi)星”（EDRS）是歐盟“全球環(huán)境與安全監(jiān)視”（GMES）計劃（現已更名為“哥白尼”計劃）的一個主要組成部分，不僅通過了相關部門的一系列審核并獲得歐洲航天局（ESA）批準，而且其設計階段工作已基本結束，正式步入了研制階段。歐盟“全球環(huán)境與安全檢測”計劃是“歐洲數據中繼衛(wèi)星”的首個用戶。

ESA的“歐洲數據中繼衛(wèi)星”及其搭載的主要光學通信儀器

ESA的激光數據中繼衛(wèi)星系統驗證和發(fā)展計劃

“歐洲數據中繼衛(wèi)星”的主要特點是：利用2顆GEO衛(wèi)星上所搭載的有效載荷（即激光通信終端）與被服務對象[即低地球軌道（LEO）衛(wèi)星上所配備的通信設施]組成一個無縫鏈接的通信網絡，這個無縫鏈接的通信網絡不僅具備高可靠性、快速（可達吉比特每秒級）、實時地向用戶傳輸各種信息，而且還能夠把LEO衛(wèi)星的數據實時地傳送到“歐洲數據中繼衛(wèi)星”上，然后再傳送到地面。

阿斯特留姆公司作為這一系統的主承包商，負責“歐洲數據中繼衛(wèi)星”的研制，該衛(wèi)星將成為首個以商業(yè)運營模式為用戶提供數據中繼服務的系統?！皻W洲數據中繼衛(wèi)星”通過在ESA和阿斯特留姆公司間建立起的“公-私合作”（PPP）關系，實現以1.8Gbit/s的速率向“歐洲數據中繼衛(wèi)星”的激光通信終端（德國TESAT公司開發(fā)）傳送中繼數據，該終端繼續(xù)采用“阿爾發(fā)衛(wèi)星”驗證過的激光通信儀器。

3 日本啟動“激光數據中繼衛(wèi)星”計劃的必要性

盡快研制和發(fā)射高性能數據中繼衛(wèi)星迫在眉睫

日本2002年9月發(fā)射的首顆“數據中繼試驗衛(wèi)星”已處于一種超期服役狀態(tài)，按推算很可能就要停止提供數據中繼服務，實際上，日本已無在軌運行的數據中繼衛(wèi)星可用，只能租用美國的衛(wèi)星。因此，研制和發(fā)射采用國際上最先進技術的高性能數據中繼衛(wèi)星迫在眉睫。

“激光數據中繼衛(wèi)星”既可加快通信速率，又可大幅度地增加有效載荷比

伴隨以大規(guī)模集成電路工藝為核心的微電子、微機構、微光學、微電感、微執(zhí)行器等微技術的革新與發(fā)展，以及輕型復合材料和超精密加工等新技術、新工藝、新材料在航天領域的應用，航天器的許多功能都可以實現軟件化。以氙、微波放電式離子發(fā)動機等電推進系統代替以肼為燃料的液體發(fā)動機，作為新型的姿態(tài)和軌道控制用執(zhí)行機構，使包括數據中繼衛(wèi)星在內的各種衛(wèi)星公用艙占整星的比例在不斷減小，使有效載荷部分所占的比例不斷增加。盡管這樣，仍無法滿足用戶提出的進一步加快數據中繼衛(wèi)星的通信速率和增加有效載荷比的需要。大量的調研結果表明：要進一步加快通信速率，不僅存在著會使采用電波通信的數據中繼衛(wèi)星公用艙更加大型化的問題，同時也存在著衛(wèi)星天線更加大型化且實現大功率輸出等一系列問題，隨之也就出現了諸如必須大幅度加大發(fā)射衛(wèi)星的運載工具推力等一系列問題，顯然，在短時間內要解決這么多的問題是不可能的，而“激光數據中繼衛(wèi)星”恰恰可有效地解決這些難題。

日美歐的激光數據中繼衛(wèi)星與傳統數據中繼衛(wèi)星的性能比較

采用激光通信的數據中繼衛(wèi)星可大幅度提高通信性能，增加有效載荷比和降低功耗

1）與電信號通信相比，“激光數據中繼衛(wèi)星”較容易實現快速通信，滿足數據量不斷增大的需求。采用高頻（～200THz）、快速激光通信方式是加快通信速率的有效途徑，其通信速率最快可達1.8Gbit/s；而電信號通信（Ka頻段）的頻率僅為20GHz（僅是高頻激光通信的1/10000），通信速率最快也只能達到240Mbit/s。

2）傳統的G E O數據中繼衛(wèi)星的天線直徑為3.6m，質量達260kg，最大功耗高達590W。與傳統的GEO數據中繼衛(wèi)星相比，“激光數據中繼衛(wèi)星”進行激光通信，不僅可以使LEO衛(wèi)星天線實現小型化（直徑僅為10cm）、輕型化（整個通信儀器才50cm左右，質量80kg），還可大幅度地降低功耗（僅為180W），從而降低有效載荷本身的質量。

3）設計“激光數據中繼衛(wèi)星”時全部采用國際標準，不僅可與本國的其他衛(wèi)星頻率都保持一致，而且還可與采用國際標準開發(fā)的國際上任何一顆衛(wèi)星的頻率都保持一致。無論實際應用還是開展協作時，都不需要再進行特別協調和頻率調整。

當然，激光通信的波束非常窄，對指向精度要求也非常高，實現難度大，還必須解決波束干擾等一系列問題。

4 “激光數據中繼衛(wèi)星”的開發(fā)體制

“激光數據中繼衛(wèi)星”的開發(fā)體制

內閣府宇宙戰(zhàn)略室為“激光數據中繼衛(wèi)星”制定了“以官為主，官民結合，產學研相結合”的方針。為強化對“激光數據中繼衛(wèi)星”開發(fā)的領導，經內閣府宇宙戰(zhàn)略室批準，還成立了“激光數據中繼衛(wèi)星”計劃團隊，決定以該團隊為主，依靠提供公用平臺的三菱電機公司和運載火箭的三菱重工業(yè)公司，以及實力雄厚的日本國家信息通信技術研究所（NICT）等，認真傾聽用戶意見，調動參研單位的積極性，發(fā)揮各自的特常，確保在計劃時段內好、快、省地開發(fā)出具有國際領先水平的“激光數據中繼衛(wèi)星”。

5 “激光數據中繼衛(wèi)星”概況

日本“激光數據中繼衛(wèi)星”繼承了開發(fā)“數據中繼試驗衛(wèi)星”和“軌道間光通信工程試驗衛(wèi)星”的成功經驗，采用三菱電機公司的DS－2000平臺進行開發(fā)。

日本“激光數據中繼衛(wèi)星”的主要性能

日本“激光數據中繼衛(wèi)星”的主要任務

日本“激光數據中繼衛(wèi)星”及其公用艙、觀測儀器、發(fā)射用火箭、地面設施等的開發(fā)進度計劃

6 “激光數據中繼衛(wèi)星”的開發(fā)進度

面對日本“數據中繼試驗衛(wèi)星”即將退役這一現實，日本宇宙戰(zhàn)略室和內閣府緊急磋商，在采取借用美國數據中繼衛(wèi)星的同時，還要求JAXA拿出對開發(fā)數據中繼衛(wèi)星的具體意見。JAXA經大量的調研，于2014年6月向內閣府宇宙戰(zhàn)略室提交了一份“關于寧可軌道上暫無自己的數據中繼衛(wèi)星也要研制和發(fā)射激光數據中繼衛(wèi)星”的報告，在得到內閣府和宇宙戰(zhàn)略室的批復后，于9月16日提交了一份由山本靜夫和中川敬三撰寫的“激光數據中繼衛(wèi)星研究現狀”的報告，并在有科學技術學術審議會、研究計劃評價分會和航天開發(fā)應用部會的專家們參加的報告會上展示了研究成果，公開了這一計劃方案，得到與會專家們的肯定。內閣府宇宙戰(zhàn)略室不僅批準了這一計劃，還在2015財政年下撥了32.08億日元的啟動資金：自2015財年初正式開始了衛(wèi)星公用艙和有效載荷初樣（工程樣機）的研制，并于年底完成初樣；2016年下半年開始公用艙和有效載荷正樣（飛行樣機）的設計、開發(fā)，政府要求日本NICT等在研究和開發(fā)激光通信技術與核心部件等方面與JAXA通力合作，務必于2019年9月前完成衛(wèi)星公用艙和有效載荷等的研制，并完善所需的各種地面設施，確保按計劃于2019財年用H-2A火箭將“激光數據中繼衛(wèi)星”送入軌道。據JAXA粗算，整個衛(wèi)星系統開發(fā)需投入約500億日元。

7 結束語

JAXA計劃利用“激光數據中繼衛(wèi)星”完成以下3種試驗：

1）利用“國際空間站”、日本希望號實驗艙、計劃于2019年發(fā)射的先進光學衛(wèi)星上搭載的衛(wèi)星間激光中繼通信終端，以及多顆LEO衛(wèi)星進行激光通信試驗；

2）利用日本N I C T的激光通信用地球站與LEO、GEO衛(wèi)星進行激光通信試驗；

3）利用“激光數據中繼衛(wèi)星”完成激光通信終端與配置在日本本土的筑波、鳩山地面站等進行激光通信試驗。

上述3項試驗若獲得成功，“激光數據中繼衛(wèi)星”若能按設計要求在軌工作15年，則可說明日本激光數據衛(wèi)星的研發(fā)和應用水平已接近美國和歐洲，即達到國際先進水平。筆者認為：日本有“數據中繼試驗衛(wèi)星”和“軌道間光通信工程試驗衛(wèi)星”的設計、研制及其應用管理經驗，有三菱電機公司、三菱重工業(yè)公司等有雄厚實力的航天開發(fā)廠家，以及在研究與開發(fā)激光通信技術、儀器和設備等方面有豐富經驗的日本NICT、日本電氣公司等機構和企業(yè)的強力支持，在預定時間內研制并發(fā)射激光數據中繼技術衛(wèi)星是可能的。