日本首個進入國際市場的大型通信衛星公用平臺—DS－2000

戴舒穎（北京控制工程研究所） 王存恩（北京空間科技信息研究所）

□□2006年之前，日本沒有本國研制的通信衛星，完全依賴從美國采購。為徹底擺脫這一尷尬局面，在原宇宙開發事業團（NASDA）和后來的宇宙航空研究開發機構（JAXA）的支持下，以三菱電機公司為代表的航天開發企業一直在不懈地努力，積極地推進以DS－2000平臺為基礎的大型通信衛星公用平臺的模塊化、標準化、系列化。

2006年2月18日，日本成功地發射了基于DS－2000平臺的多用途運輸衛星－2（MTSAT－2），接著又相繼發射了基于DS－2000平臺的超鳥－C2（Superbird－C2）、準天頂衛星－1（QZS－1），還為新加坡和中國臺灣研制并發射了中新－2（ST－2）通信衛星，這不僅宣告日本結束了通信廣播衛星完全依賴美國的歷史，也開創了其通信衛星進入國際市場的先河，為其實現航天產業化奠定了基礎。

1 日本通信廣播衛星國產化步履艱難

采用DS－2000平臺的ETS－8衛星示意圖

1969年5月9日，日本頒布了首部航天法，接著，又制定了首個航天開發政策大綱，表明日本要“依靠本國力量獨自發展航天事業”的決心，然而受運載能力，航天研究、開發政策及管理水平限制，使其制定的開發計劃遲遲不能實現，完全依靠本國力量研制的通信試驗衛星“菖蒲”（ECS）和ECS－b先后發射失敗，無法滿足民眾日益增長的航天應用與服務需求。因此，20世紀70年代中期，內閣不得不修訂其航天開發政策，制定了一條“依靠美國技術，與其合作發展航天事業”的政策，由美國公司為主承包商、日本公司為副承包商，研究、開發當時國家和民眾急需的第一代試驗用中型“通信衛星”（CS）、“廣播衛星”（BS）和“地球靜止軌道氣象衛星”（GMS），用美國火箭發射，解決了有無問題；接著，以日本公司為主承包商、美國公司為副承包商開發了CS－2a、2b， BS－2a、2b和GMS－2，分別用日本N－2火箭發射，并按計劃投入使用；之后，依靠本國力量開發了CS－3a、3b，BS－3a、3b和GMS－3，并用國產火箭將其發射到預定軌道。

然而，此后發生的一系列事件影響了日本航天走上獨立自主之路。原NASDA制定的融通信和廣播于一體的CS－4計劃，由于政策和資金等原因而流產；研制的技術試驗衛星－6（ETS－6）未能進入預定軌道；“通信技術試驗衛星”（COMETS）又因運載問題發射失敗。于是，日本不得不靠購買美國通信衛星來滿足不斷擴大的航天商業需求。

日本憑借自己力量在科學探測、氣象、地球觀測、海洋觀測、天文觀測、行星觀測、地球資源、環境觀測等領域取得了一些成就，但為什么要從美國訂購而遲遲不能實現通信廣播衛星國產化呢？其原因有四。

（1）航天政策存在嚴重問題

日本在航天研發，特別是通信廣播衛星研發過程中，沒有把解決國家和民眾需求置于第一位，過分地強調“研究開發高、精、尖技術”，甚至將其置于用戶需求之上。過分地強調研究和開發世界上最先進技術（如智能、自適應等控制技術）、方法（如較早、較好地解決了由零動量姿態控制切換到三自由度偏置動量控制等），新材料、新工藝，開發出了高精度的星敏感器、紅外地球敏感器、轉發器、離子發動機、64bit星載計算機及其各種存儲器、砷化鎵太陽電池、鋰電池等新部件，在某種程度上忽略了航天，特別是通信衛星的自主開發和產業化問題。

（2）“自己研制遠不如買衛星劃算”的錯誤思想誤導日本決策機構做出錯誤決定

美國為達到其通信廣播衛星進入并占領日本市場、在航天高技術方面控制日本的目的，不僅支持其輿論界，還通過其衛星開發商、代理商聯手美國輿論界乃至日本報紙、廣播等宣傳機構，大肆散布“日本沒有技術成熟的通信廣播衛星平臺，靠自己力量從頭研制不僅周期長、成本高，而且可靠性和在軌運行壽命也得不到保證，遠不如買衛星劃算”等謬論，動搖了日本政府和通信廣播衛星經銷商全力支持本國航天開發企業開發通信廣播衛星的決心。日本從美國訂購的大型通信廣播衛星共有40多顆，此舉嚴重影響了日本航天產業，特別是通信廣播衛星的發展和國產化進程。

（3）美國以“削減美日貿易逆差”為由要求日本訂購美國的通信廣播衛星

20世紀六七十年代，日本的電子、汽車、精密儀器、機械制造業等都取得了突飛猛進的發展，大量產品涌入美國市場，美日貿易逆差很大。美國強烈要求日本“削減美日貿易逆差”，聲稱“最有效的辦法就是購買美國技術先進的通信廣播衛星”。當時日本通信廣播衛星的設計制造能力與經營管理水平確實低于美國，本國研制的衛星綜合性能也的確不如美國，加之“研制遠不如買衛星劃算”的輿論宣傳和錯誤引導，美國政府又不斷地給日本政府施壓，日本內閣不得不屈從于美國。于是，日本的通信廣播衛星營銷商、政府機構下屬的用戶，甚至三菱集團下屬的宇宙通信公司都不去訂購三菱電機公司的通信衛星，而是購買美國休斯公司為其研制的Superbird衛星，從而導致國家對通信廣播衛星計劃的經費支持驟減，使研發者的決心和積極性受到嚴重打擊，對通信衛星的研發和國產化造成無可估量的損失。

（4）政府決策錯誤導致日本通信廣播衛星國產化滯后

日本之所以走上錯誤道路，究其根本原因是日本在政治上屈從于美國。面對受輿論影響，出現用戶不愿訂購日本國產通信衛星，轉而從美國訂購的局面，如果政府（內閣）能從國家利益考慮，不失時機地對通信廣播衛星研發采取政策傾斜，在資金和政策方面予以支持，并引導用戶訂購國產通信廣播衛星，那么就不會走上“無論是政府還是民營企業全都從美國訂購通信廣播衛星”的錯誤道路。

需要指出的是，盡管航天開發及其決策等方面存在一系列嚴重問題，但從事航天開發的核心部門—NASDA和JAXA仍用有限資金支持以DS－2000平臺為基礎的“數據中繼試驗衛星”（DRTS）和ETS－8計劃，為日本開發新一代大型通信廣播衛星，形成衛星研制的模塊化、標準化、系列化和產業化，結束通信廣播衛星依賴美國，并使之早日進入國內市場積累了經驗，也為進入國際市場參與競爭作了必要準備。

2 新航天法為日本通信廣播衛星國產化和進入國際市場創造了條件

進入21世紀以來，日本修憲派一直要求修改航天法。2005年，以時任麻生內閣官房長官的河野建夫為代表的自民黨內修憲派強烈批判日本現行的航天法和航天政策，譴責內閣屈從美國的壓力支持用戶大量購買美國的通信衛星，并支付大量外匯請美國和歐洲航天局為日本發射這些衛星，使日本以通信廣播衛星為代表的商用衛星的開發幾乎處于停滯不前的狀態，導致日本通信衛星開發水平遠遠落后于歐美，嚴重影響了日本的航天發展，削弱了日本航天產品在國際市場上的競爭力。修憲派認為，“當務之急是支持和培育具有國際競爭力的航天企業，開發有國際先進水平的通信衛星，增強日本航天產業在國際市場上的競爭力”。

2008年5月9日，日本議會通過了新的《航天基本法》，并于8月27日正式生效，取代了1969年5月9日頒布的《航天基本法》，新航天法要求盡快解決日本長期以來沒有真正解決好的研發與用戶需求的關系，做到“有計劃地推進航天開發應用，使航天開發取得的研究成果順利地實現產業化，使之能夠和日本的電子、機械制造、汽車等產業一樣，不僅有雄厚的技術實力，還要有很強的國際市場競爭力，為日本的產業振興作貢獻”，盡快完成日本航天開發從“以研究開發為主導”向“建立以高技術實力為基礎的應用需求為主導”的轉變。

2009年6月2日，日本又公布了航天基本計劃，明確提出開發目標，其中就包括了有計劃地推進通信廣播衛星的開發利用和產業化，以及實現這一計劃與達到既定目標所要采取的基本方針—強化技術開發，提高產品質量和實際應用水平；此外，還提出要開展航天外交，以打包方式向國際，特別是發展中國家推介日本的航天產品，內閣不僅要支持這一決策，而且還要求由航天開發戰略本部部長（由內閣總理大臣兼任）出面，外務省和經濟產業省等相關省廳及相關機構強力支持，召開“打包式”航天系統推介會及向海外出口整星和航天基礎設施推介會，提出必要時可簽訂利用日本政府開發援助（ODA）資金為國外研制“打包式”航天系統的動議。

新《航天基本法》的頒布和新航天政策及航天基本計劃的確定，為日本扭轉航天僅僅停留在元部件和以地面設施為主的設備出口，通信廣播衛星完全依賴于美國的局面，并為通信衛星進入國際市場創造了條件。

日本經濟產業省在航天開發戰略本部的批準下，提出要在大幅度地增加元器件和地面設施出口的基礎上，通過盡快提高日本航天產品的可靠性、降低成本、增強市場競爭力，使以DS－2000為代表、技術水平先進、競爭力強的大型通信廣播平臺和以小型科學衛星標準公用平臺NEXTAR為基礎開發的先進對地觀測系統—ASNARO 衛星平臺盡快推向國際市場；有計劃地將H－2A、2B火箭推向國際市場參與競爭，努力增強日本航天產品在國際市場上的競爭力。

日本H－2A火箭發射采用DS－2000平臺的衛星

3 完全屬于三菱電機公司的DS－2000通信衛星平臺

三菱電機公司通過研制和發射DRTS和ETS－8衛星，驗證了DS－2000平臺的可靠性和實用性，確認它完全可作為日本的大型通信廣播衛星平臺進入國內市場，并進一步推向國際市場。DS－2000平臺的主要特點如下。

（1）平臺輕量化，功耗低

DS－2000平臺是世界上首個采用以64bit快速微處理器（MPU）為核心的控制器（SC）進行一體化控制的大型平臺，不僅實現了輕量化，而且功耗也非常低。

（2）星上主要部件經過了飛行驗證

平臺上由64bit MPU控制器組成的控制系統、星載測量敏感器、執行機構（包括南北軌道控制用25mN的氙離子發動機）以及天線定向機構、太陽電池翼驅動機構、砷化鎵太陽電池和熱控器等均經在軌飛行驗證。

（3）全部按照國際標準設計和開發

平臺的結構、星上部件、總線、數據處理部分、接口部分均按照國際標準開發，為根據用戶需求選擇配置和確定部件等提供了便利條件。

（4）設計多種結構平臺供用戶選擇

平臺能滿足通信和技術試驗任務，可搭載單一頻段轉發器，也可混合搭載轉發器（Ku、Ka、C、L、S、X等）。平臺既可執行氣象/航空導航通信，也可單獨執行氣象任務，還能單獨面向測位或測位/導航。

（5）可用多種火箭發射

基于DS－2000平臺的衛星不僅可用日本H－2A火箭，還能用歐洲阿里安－5火箭、美國德爾他－4火箭、中國長征－3B火箭發射，具有適于靈活的運載發射的特點。

（6）功能軟件化

星上配備衛星管理飛行軟件（SMFS）、數據處理飛行軟件（DHFS）和姿態控制飛行軟件（ACFS），其操作系統（COS）可啟用上述3種軟件，實現系統功能軟件化，不僅降低了質量、功耗，也降低了成本。此外，衛星還可利用星載計算機自動地進行故障檢測、隔離和重新配置（FDIR），根據需要隨時向星上注入軟件程序。

（7）有效載荷比高

DS－2000平臺研制的衛星有效載荷比高達39.56%，大幅度地降低了成本（初步估算可節省800萬～1000萬美元）。

（8）大幅度地減輕地面運行支持

由三菱電機公司自主研究、設計和開發，實現了衛星自動化與自主控制，大幅度地減輕地面運行支持。

DS－2000平臺質量分配表 kg

基于DS－2000平臺衛星的電能分配表W

4 采用DS－2000平臺研制的衛星

三菱電機公司采用DS－2000平臺研制和發射了6顆衛星，已列入發射計劃或正在研制的衛星有6顆，即將列入研制計劃的還有7顆。

已研制和發射的衛星

（1）為JAXA研制的DRTS

DRTS是一顆為各類地球觀測衛星傳輸數據、為“國際空間站”（ISS）的希望號日本實驗艙（JEM）及“H－2轉移飛行器”（HTV）等提供數據中繼服務的試驗衛星，也是一顆用來演練地球同步軌道大型通信衛星平臺技術的衛星。它采用偏執動量控制方式，質量為2650kg，設計壽命為7年，壽命末期供電能力可達2115W。衛星于2002年9月10日用H－1火箭發射入軌，定點在90°（E），至今仍在軌執行飛行任務（已超期服役）。日本還計劃發射1顆DRTS，將定點在170°（W）。

DRTS配備了3.6m孔徑的星間通信用天線和1.80m孔徑的與地面通信用天線。衛星由遙控遙測指令系統、太陽電池翼系統、姿態控制系統、結構系統、熱控系統、統一推進系統和儀表系統組成。正常運行模式時滾動偏航姿態控制精度為±0.05°、滾動姿態控制精度為±0.15°；衛星間通信用天線的滾動偏航姿態控制精度為±0.07°、滾動姿態控制精度為±0.2°。

三菱電機公司通過研制和發射DRTS掌握了以下6項技術，為日本開發新一代大型通信廣播衛星積累了經驗。

· 高性能的星間通信系統（ICE）技術；

· 1噸級的衛星平臺開發技術；

· 具備自適應控制功能的控制系統；

· 確保衛星高有效載荷比和緊湊的結構設計技術；

用戶可根據不同飛行任務選擇采用DS－2000平臺的6種結構

· 采用500N的雙元遠地點發動機和多種推力器的推進系統技術；

· 采用50Ah高轉換效能的鎳氫蓄電池技術。

（2）為運輸省研制的MTSAT－2

日本較早地發射了自己研制的氣象衛星，如GMS－1～5。為了增加氣象信息量，同時增加航空通信功能，日本運輸省決定由美國勞拉公司為其研制MTSAT，但因H－2火箭故障發射失敗。后由美國勞拉公司研制MTSAT－1，衛星成功發射并在軌運行。為了重返自主研制之路，運輸省決定采用DS－2000平臺研制了MTSAT－2，該衛星既承擔氣象衛星的任務，又承擔航空通信衛星服務任務，于2006年2月18日用日本H－2A火箭發射入軌，不僅承擔為包括日本在內的亞洲及太平洋地區國家提供氣象服務任務，還為日本多家航空公司提供航空通信服務。該衛星至今工作正常，取得了良好的效果，贏得了用戶的信任，結束了一度依賴美國勞拉公司為日本提供這類衛星的歷史，并為獲得GMS－8和9的訂單鋪平了道路。

（3）為JAXA研制的ETS－8

2006年12月28發射的ETS－8也是以三菱電機公司為主承包商，在DS－2000平臺基礎上研制的大型通信衛星。該衛星自1999年底開始研制，全面繼承了DRTS衛星的管理、設計和研制經驗，采用零動量三軸姿態控制，故障時可采用三自由度偏執動量控制，在軌初始質量為2.9t，主要提供固定和移動通信業務，衛星全部部件展開后，南北長（翼展）40m，東西長（鏡面展開）37m。ETS－8在軌進行大型鏡面天線展開試驗時，還可根據需要由零動量控制變為偏置動量控制，再根據需要變回零動量控制方式。通過ETS－8，還在軌進行了包括魯棒性控制、撓性控制、在軌系統辨識（多輸入輸出系統辨識、模型結構辨識）等試驗。

（4）為宇宙通信公司研制的Superbird－C2衛星

Superbird－C2衛星是三菱電機公司采用DS－2000平臺為宇宙通信公司研制的，衛星質量5t，設計壽命為15年3個月，配備了28個Ku頻段轉發器。衛星于2008年8月15日在法屬圭亞那由“阿里安”火箭發射到預定的地球同步轉移軌道，經變軌后定點在144°（E）的地球靜止軌道。

（5）為新加坡和中國臺灣研制的ST－2通信衛星

2008年三菱電機公司與新加坡和中國臺灣簽訂了利用DS－2000平臺為其研制通信衛星ST－2的合同，合同價值130億日元（約合1.85億美元）。三菱電機公司用了將近2年的時間完成了ST－2的系統設計、研制、組裝和系統測試等工作，2011年5月21日在法屬圭亞那由“阿里安”火箭將ST－2發射到預定的地球同步轉移軌道，經變軌后穩定在88°（E）的地球靜止軌道上。

（6）為JAXA和郵政省等研制的QZS－1

QZS系統是一項利用QZS衛星的高精度導航定位試驗系統播發完善和增強美國GPS衛星的各種信號，試驗、驗證并提高衛星定位系統可應用性和完整性的計劃。通過發射這一系列衛星旨在使日本掌握衛星定位系統基礎技術，增加民間機構為QZS系統提供搭載設備和利用該系統的機會，為日本未來正式啟動導航衛星計劃奠定基礎。QZS系統首期計劃采用在天頂軌道位置呈8字形配置3顆衛星，實現無論何時都可確保至少有1顆衛星能以高仰角觀測到日本上空，能在很少受或不受任何障礙物干擾的情況下，獨自、不間斷地提供導航定位服務。QZS－1是QZS系統的首發星，于2011年9月11日用H－2A火箭發射入軌，衛星質量為4100kg，設計壽命為12年。

MTSAT－2衛星示意圖

ST－2通信衛星示意圖

正在研制中的采用DS－2000平臺的衛星

（1）運輸省的GMS－8、9氣象衛星

為確保不間斷的氣象觀測和先進的航空通信，運輸省決定開發采用完全依靠本國航天技術、采用DS－2000平臺的氣象衛星，即GMS－8、9，這兩顆星計劃于2017－2018年發射。

（2）JAXA和郵政省等的QZS－2、3

QZS系統的3顆星同時下訂單，采取小批量生產模式，QZS－2、3計劃于2012年和2013年發射。郵政省等單位還計劃簽訂4顆衛星研制合同，以實現7顆星組網運行。

（3）土耳其國營通信衛星公司的2顆通信衛星

2011年，三菱電機公司與土耳其簽訂了利用DS－2000平臺為其國營通信衛星公司研制土耳其衛星－4A、4B（Turksat－4A、4B）的合同。這兩顆衛星將搭載C、Ku和Ka頻段轉發器，覆蓋土耳其、歐洲、中東、中亞和非洲等地區，執行通信、廣播等任務。Turksat－4A、4B設計壽命為15年，將分別于2013年和2014年用“阿里安”火箭發射到42°（E）和50°（E）的交付軌道上。

即將列入研制計劃的7顆衛星

（1）追加4顆QZS衛星計劃

QZS－1發射入軌后，運行良好，其完善和增強GPS信號的功能十分顯著—LI-C/A、L1C、L2C、L5能完善GPS信號，LI-SAIF、LEX能增強GPS信號，同時信號比較功能也大幅度提高。因此，郵政省等單位決定并經內閣批準，追加1700億日元經費（總經費達3400億日元），在原3顆衛星的基礎上，再研制4顆采用DS－2000平臺的QZS衛星，拓展后的QZS系統將由7顆衛星組成。

（2）三星組網的X頻段區域衛星通信網絡計劃

據美國航空航天周刊的報道及日本防衛省一位人士透漏，2011年9月30日防衛省發布的一份文件稱，防衛省已申請了一項高達2600億日元（約合34億美元）的航天經費，其中1880億日元擬用于建設一套先進的X頻段區域衛星通信網絡，這一網絡將具備與日本部署于最西線的亞丁灣自衛隊和最東線的夏威夷自衛隊通信的能力。日本航天企業的一位權威人士說，這一訂單無疑會落到三菱電機公司手上，用DS－2000平臺研制3顆地球靜止軌道衛星，衛星將在2015－2017年發射。

此外，三菱電機公司還在與澳大利亞、蒙古等國，以及日本廣播協會（NHK）、日本公用電報電話公司（NTT）等國內大公司探討采用DS－2000平臺為其研制和發射通信廣播衛星的事宜。

Turksat－4A和4B通信衛星示意圖

5 三菱電機公司為擴大DS－2000平臺衛星銷量采取的對策

為滿足快、好、省的開發需求，三菱電機公司已決定增加30億日元投資，在2013財年底之前，完成包括建造人造衛星組裝大樓，更新改造電波暗室和真空罐等在內的各項基礎設施，使以鐮倉制作所為基礎的衛星制造基地的年制造能力由當前的4顆衛星擴展為8顆，到2020年公司的年銷售額預計達到1500億日元。

為進一步滿足用戶需求，特別是發展中國家對通信廣播衛星的需求，三菱電機公司在進一步完善DS－2000平臺的基礎上，還計劃開發一種完全屬于三菱電機公司產權的小型DS－2000平臺，目的是解決發展中國家對低成本通信衛星的需求。

面對基于DS－2000平臺的通信衛星比某些國家和機構的相同量級的衛星售價高的現實，以及日本政府和某些部門在衛星銷售價格和利潤等方面的批評，三菱電機公司決定在確保衛星可靠性和在軌運行能力與壽命的基礎上，有組織、有計劃地采用經飛行驗證的民用器件，并推進采用小批量生產模式等，降低衛星成本，同時提高培訓與服務質量，以求贏得更多用戶，特別是外國用戶。■