中國通信衛星有效載荷創新之路

中國通信衛星有效載荷創新之路

Innovation of China's Communications Satellite Payload

王同心 （中國空間技術研究院西安分院）

2017年4月12日，實踐-13在我國西昌衛星發射中心成功發射。這是我國自主研制的首顆高通量通信衛星（HTS），標志著我國進入衛星互聯網應用時代，進一步拓展了我國衛星技術新的應用領域，將對我國經濟社會發展產生深遠影響。

1 互聯網全覆蓋不是夢

衛星上直接為用戶提供服務的核心系統統稱為有效載荷系統，其功能、性能及規模決定了衛星可以提供何種服務以及能達到的服務水平。據實踐-13衛星有效載荷系統的研制單位中國空間技術研究院西安分院（以下簡稱西安分院）透露，這類衛星瞄準的是當前社會大眾日益增長的互聯網應用需求，尤其是傳統的光纜敷設和基站難以覆蓋的地方。衛星互聯網的應用變為現實，將與地面互聯網網絡形成互補，實現互聯網信號天、地、海無死角、無盲區的覆蓋，將深刻影響方興未艾的互聯網經濟、互聯網生活。

負責研制實踐-13有效載荷的衛星副總設計師周穎介紹，地面互聯網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，都基本上屬于互聯網信號的孤島。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，根本無法架設或無法足量建設地面互聯網中轉站，要么工程浩大、造價浩繁，如邊遠山區、沙漠中心，不具備工程的經濟性特點而難以建設。

西安分院主管通信類衛星研制的馬伊民副書記介紹，當前社會對互聯網的需求非常巨大，但并不是所有地方都解決了信號覆蓋問題，需要擴大互聯網覆蓋區域，高通量通信衛星的研制就列入了航天人的計劃中。衛星“站得高、看得遠”的獨特優勢很容易轉化成“居高臨下、直對目標”的效果，能夠形成地面基礎設施所不能企及的巨大能力。馬伊民表示，互聯網已經深刻地改變了人類社會生活，熱門的互聯網加上熱門的衛星應用，將給社會發展帶來極大的進步空間。高通量互聯網通信衛星的發射，將實實在在地給人們的商務出行、旅游、科學考察、遠程醫療、教育、災害應對指揮、應急通信帶來方便。

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

2 高通量有效載荷系統誕生記

“十二五”期間，以廣播電視通信為代表的固定通信業務日趨飽和，而提供互聯網服務的寬帶衛星通信逐步成為信息基礎設施的重要組成部分，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網功能，即使是廣播電視運營商，也在積極轉型升級，要求新研的衛星必須向上一代兼容，這為啟動新一代通信衛星—高通量通信衛星研制提出了現實需求。

2013年，西安分院承擔研制的我國首顆高通量通信衛星實踐-13項目正式立項。西安分院衛星副總設計師周穎全面負責衛星有效載荷系統的研制工作，帶領轉發器分系統、天線分系統、跟蹤子系統的相關隊伍，瞄準用戶需求和高通量衛星的工作特點，著手進行設計開發。

這是一個極其艱難的創新過程，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難題。

首當其沖的是設計理念和系統規范的差異。傳統的廣播電視通信衛星，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目通過上行地球站發送至星上，接收地球站接收到電視節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。整個系統由空間段、地面段（關口站）和用戶段構成。衛星有效載荷的設計必須采用星地一體化思路，需要考慮衛星覆蓋區域內的用戶互聯網通信需求，用戶終端的型譜，地面端的選址及雨衰情況。載荷適應不同通信體制設計、多維度資源調度算法設計等手段實現熱點區域覆蓋、發揮高通量衛星的最大潛能。所以在系統方案制定之前，西安分院作為該星的有效載荷研制單位，加強了與衛星運營商中國衛通集團有限公司的溝通，加強了空天地一體化系統設計，對終極用戶（個人用戶及企業用戶）的人口數量、密度、潛在需求進行全方位適應，對地面關口站建設等提出了相關思路。

其次，由于采用新的通信方式，工作帶寬范圍大，傳統的轉發器分系統標準的技術指標分配是無法保證需求的，所以轉發器分系統需要根據新的星地通信體制和工作方式，單機的技術指標需重新進行分配，單機的設計方案需重新進行優化，這帶來的是幾乎全新的產品設計和試驗工作。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，設計和調試極為艱難。

再次，高通量通信衛星采用多點波束覆蓋，性能得到很大程度的改善，滿足寬帶互聯網所需要的“高能量”集中傳輸。滿足寬帶傳輸的多波束天線技術及配套的工程技術就亟待取得突破性進展，電性能設計的運算量相對于傳統的單饋源天線成指數倍的增長。同時，相較于傳統衛星更加苛刻的天線反射面精度控制技術、高精度天線展開指向機構技術、雙重疊展開天線技術、頻率復用和干擾抑制技術，甚至還有波束標校技術等也亟待突破。周穎介紹，傳統的廣域波束要分解成26個波束，好比指揮單兵散打轉化成指揮集團軍作戰，復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”會導致地面的“謬之千里”。

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

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

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星系統，亞太-6D衛星作為該系統首顆啟動衛星，技術要求極其復雜、開放，衛星有效載荷采用全球招標方式進行。正是由于前期的技術突破和創新隊伍的成長，實踐-13衛星有效載荷的主要研制人員通過天地一體化的解決方案，大膽創新，積極協調，成功中標。目前，西安分院已經開始啟動亞太-6D寬帶通信衛星的研制工作，將開啟高通量衛星事業發展的新征程，為衛星寬帶互聯網全球覆蓋和寬帶中國建設貢獻力量。

3 衛星通信世家的卓越功勛

西安分院的創建、規劃、發展、壯大都與衛星通信事業的發展密不可分，在52年的發展歷程中，參與研制了我國自主研發的幾乎所有的通信衛星有效載荷。在這個當之無愧的我國衛星通信的世家里，幾代航天人砥礪創新、奮力拼搏，圓滿完成了我國各類通信衛星的有效載荷任務，合計在軌應用40余顆。西安分院始終堅持創新驅動發展，始終堅持滿足和引領用戶需求，始終代表著我國通信衛星技術發展的最高水平。西安分院研制的UHF、L、S、C、Ku、Ka頻段衛星有效載荷已經成功應用在我國軍、民、商用通信廣播、直播星通信以及中繼衛星等所有通信衛星上，通過通信衛星的工程應用，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頻段轉發器、多波束技術等核心技術方面有了豐富的工程經驗，在Q/V通信技術、柔性轉發技術、激光通信技術等方面有了提前儲備，能夠適應衛星通信事業的創新發展需求。

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

改革開放后，隨著國民經濟的高速發展，我國對衛星通信的需求增加。1989-1993年，西安分院竭全企之力攻克了重重技術難關，完成了更大容量的東方紅-3衛星模樣、初樣、正樣的研制工作。1997年5月，東方紅-3衛星發射取得成功并投入運行。東方紅-3衛星達到了20世紀80年代初期國際水平，就國內通信衛星而言上了一個大的臺階。

新世紀后，西安分院始終堅持創新發展，技術創新一路斬關奪隘，參與研制的中星-22衛星于2000年1月成功發射，并在軌運行13年，創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受住了時間的檢驗，過硬的產品質量贏得了用戶贊譽。2003年后，10余顆上水平的各類通信衛星密集發射，在這些見證著中國衛星通信事業蓬勃發展的衛星上，西安分院多項有效載荷新技術得到在軌應用，極大提升了我國衛星通信技術水平。2016年8月，西安分院研制的“中國版海事衛星”天通-1的有效載荷正式開通，標志著中國首顆移動通信衛星開始提供話音和數據通信服務，填補了我國在衛星移動通信領域的空白。

與此同時，西安分院在數據中繼通信衛星及國際商業通信衛星方面也取得了豐碩果實。中國在2008-2016年發射了4顆天鏈-1衛星，填補了我國衛星數據中繼的空白。從2007年第1顆整星出口的尼日利亞通信衛星成功發射開始，中國自主研制的通信衛星開始走出國門。西安分院承擔了我國全部國際商業通信衛星的有效載荷研制任務，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 創新驅動發展的加速度

隨著我國《“十三五”國家科技創新規劃》的發布，航天人肩負的使命更加清晰、責任更加重大。航天科技是科技創新的龍頭，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：“要堅持自主創新的戰略基點，密切跟蹤世界航天發展的最前沿，加強航天裝備建設和技術研發，通過搭建平臺、加大投入、充實力量、制度激勵等措施，全面提升原始創新、集成創新和協同創新能力，形成強大的核心技術優勢和獨立自主的發展實力，把發展主動權牢牢掌握在自己手中。”這為航天科研院所在各自的具體業務領域實施創新指明了方向。

有效載荷作為航天技術發展最活躍、最直接的因素，其創新研發水平對整個衛星系統技術發展起著舉足輕重的作用，有效載荷的性能直接決定了衛星的功能和應用水平，有效載荷已經成為推動航天技術發展和應用的主導因素。

西安分院院長李軍表示，作為國內最核心的衛星有效載荷研制單位，西安分院的創新步伐、創新成果對我國航天事業跨越式發展、實現航天強國、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顆衛星的研制，在衛星通信、衛星導航、空間雷達遙感與探測、空間數據處理與傳輸、衛星測控、空間天線、星間鏈路等領域牢牢占據國內領先地位，是我國高技術裝備工程、探月工程、載人航天工程、北斗導航工程、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新體系建設，形成了創新規劃戰略牽引、多平臺研發創新支撐、及時轉化產品和市場應用為模式的創新體制。在完成好國家重點工程任務為牽引的技術攻關突破外，瞄準未來用戶需求，提前布局預先研究，同步推進原始創新、集成創新和協同創新，實現技術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理論研究實現了技術突破，前瞻性技術課題轉化為工程應用，可以滿足一定時期內航天器日新月異的發展需要。李軍表示，雖然取得了一定的成績，但未來仍然任重道遠，早日實現航天夢的征途還有很多亟待探索的地方，尤其是當前構建空天地一體化信息網絡是個極其復雜的系統工程，在軍民融合發展的道路上推動航天技術成果轉化和再創新需要更具開拓意識，技術創新正呈現出加速發展的需求態勢，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，習近平總書記在全國國有企業黨建工作會的重要講話為國企今后的改革發展指明了正確方向，并提出了高標準要求。西安分院的體制機制創新、人才激勵創新、市場開拓創新、創新文化建設都亟待適應新的形勢需要。黃普明表示，黨和國家“走出去”、“一帶一路”等重大戰略的實施，給西安分院持續推動技術創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展的領導，充分發揮政治核心作用，全面從嚴治黨、管好干部、管好人才，為企業全面創新發展奠定基礎，為實現國有資產保值增值、提高國有經濟競爭力做出應有貢獻。