看天線，識衛星
——漫談衛星天線（四）：地球靜止軌道通信衛星（下）

2019-09-25 06:20:22袁東

衛星與網絡 2019年6期

+ 袁東

題圖是在天上放風箏，還是衛星聚會？一眼望去，太陽能帆板都伸長了腿，大大小小的“鍋”蔚為壯觀……其實這些個個都身價數億美元的衛星，正在3.6萬公里之遙的太空為人類廣播、電視、上網、打電話而辛勤工作！請看本期——在地球靜止軌道工作的通信衛星（下）。

六、ATS-6指明發展方向，GEO天線百花齊放

在ATS-6驗證了技術的可行性之后，三軸穩定+大功率星載電源+大型空間可展開天線技術徹底釋放了各類應用需求，各種類型的靜止軌道衛星如雨后春筍出現，他們的天線也是最吸引眼球的。

圖33 采用ATS-6衛星首創的動量輪技術實現三軸穩定的Intelsat V

（一）最快的受益者——Intelsat

Intelsat委托福特空間及通信有限公司（即現在如日中天的勞拉空間系統公司，SSL）制造了其第五代衛星——Intelsat V，這是通過采用ATS-6衛星首創的動量輪技術實現三軸穩定的衛星，姿態穩定在0.5°以內，也是第一顆商業直播電視衛星，1980年12月發射升空，發射質量1928千克，入軌質量967千克。（參見圖33）

衛星主體為1.65米×2.01米×1.7米的長方體。終于在太空站穩了的衛星，從容地向南北伸出兩塊碩大的太陽能帆板，單塊長7米，寬1.7米，由三塊互相鉸接，總面積為18.12平米，覆蓋了17580片太陽能電池，整個太陽能帆板的重量僅為64.1公斤，共提供1800瓦功率，是上一代的3倍。這為高靈敏度接收機、大功率發射器、射頻變頻器的按需配置打好了基礎。衛星總計配置了21個C波段和4個Ku波段轉發器，提供12000路語音電話和2個電視頻道。尤其是大功率行波管放大器，配合圖33中2.44米直徑（最大那個）的多波束高增益天線發射4GHz頻段信號，讓“小鍋”看直播成為可能。

另外值得注意的是Intelsat V采用的幾個新技術：

1、在原有擁擠不堪的4/6GHz（下行/上行頻段，下同）的C波段頻段外，使用了新的11/14GHz的Ku頻段；

2、除空間分隔的頻率復用之外，啟用線極化的水平/垂直極化或者圓極化的左/右旋極化分隔技術；

3、應用“衛星轉換時分多址”聯接技術（SS/TDMA），與空間分隔和極化分隔一起使用，進一步提升4/6GHz的頻譜復用；

4、大規模使用點波束合成，形成特定的覆蓋足跡覆蓋指定的區域。不過這里需要提一下多饋源賦形技術，饋電損耗大和饋源復雜度，后續也有C波段和Ku波段采用單饋源收發共用偏置賦形反射面天線，可以說是用大量算法高科技制作的“哈哈鏡”來化繁為簡解決問題。因此如果見到天線表面坑坑洼洼，崎嶇不平，千萬別認為這是做工粗糙馬虎。（參見圖34）

Intelsat V的配置成為后續許多衛星設計采用的模板，也就是題圖中浩浩蕩蕩的一長隊“撞臉”衛星的由來。但是，后來在Intelsat VI衛星上，Intelsat公司為什么又選擇了休斯公司的自旋穩定方案呢？其實這并不是因為三軸穩定不好，而是休斯公司投標時報了一個低價，再加上一些創新，比如用航天飛機寬大的貨艙放大了衛星直徑到3.6米，采用望遠鏡筒式的伸縮殼體，讓太陽能發電能力增加了不少，然而這僅僅是回光返照，技術領先的優勢不是商業策略可以阻擋的。Intelsat VI是休斯公司最后一款自旋穩定衛星，其研發的HS-702三軸穩定平臺在被波音收購后收到了大量訂單。（參見圖35）

圖34 偏置賦形雙反射面天線的制作過程

圖35 Intelsat VI是休斯公司最后一款自旋穩定衛星

（二）傘狀天線成就NASA賺錢的項目—TDRS

前述ATS-6衛星在GEO軌道居高臨下，俯視地球，能夠方便地在中低軌道衛星、空間站、飛機與地面接收站之間搭建橋梁，取代配置在世界各地由許多測控站構成的航天測控網。

跟蹤與數據中繼衛星，TDRS（Tracking and Data Relay Satellite)由此應運而生，由NASA負責運營，軍民兩用。第一顆TDRS衛星在1983年4月4日由挑戰者號航天飛機發射升空，衛星重2噸多，太陽能電池帆板展開后翼展達到17.4米。在7副天線中，最醒目的是兩把直徑4.9米的“大傘”，也就是工作于S、C、Ku波段可轉向收發天線的反射面。（參見圖36）

美國Harris公司為NASA的TDRS衛星制造剛性肋可展開天線，為典型的卡塞格倫天線。肋條改為碳纖維增強塑料（CFPR），熱形變較小，其主反射面采用直徑0.03毫米的鍍金鉬絲編織成網，可以在100GHz頻率以下工作，結構簡單，展開可靠性較高，質量僅為24千克，但收納率較小，收攏直徑0.9米、高度2.7米，且傘面繃直了非拋物面形，形面精度較低（0.56ram），結構內應力分布不夠均勻。（參見圖37、38、39）

針對剛性肋傘形面精度較低的問題，TDRS發展到第二、三代的時候，又采用了柔性自回彈天線（SPRING-BACK ANTENNA）。柔性自回彈天線采用具有一定柔性和一定自回彈性能的薄膜材料形成天線反射面。由于不需要復雜的展開機構，其重量得以大幅度減小，可靠性得以大幅度提高。由于結構具有一定的剛性，反射器的形面精度也比網狀天線更容易得到保證。但缺點是收納率低，適用于口徑小于6 米的天線。同時由于采用了更高的Ka星間波段，最大接收傳輸速率達到了800Mbps。（參見圖40）

（三）越來越密的高通量衛星天線波束

隨著互聯網的粘性增強，衛星通信開始作為傳統接入網絡（光纖接入、3G/4G無線）的有效補充，尤其在幅員廣闊的國家以及空中航線上。2005年開始，以Ku波段應用為主的第一個高通量通信衛星（HTS，High Throughput Satellite）發射浪潮開始，到現在第四代最大的Viasat-2衛星已經實現了300Gbps的吞吐量（發射后出現天線故障，其真實容量可能要打8折），主力均為運行在GEO軌道的高通量通信衛星。（參見圖41）

圖36 發現號航天飛機發射的TDRS-3作為備用星，高傾角，也用于美國南極站的中繼通信

圖37 這副天線是典型的卡塞格論天線

圖38 直徑0.03毫米的鍍金鉬絲編織成網

圖39 展開時體型巨大，收攏后卻小巧玲瓏、含苞欲放，航天飛機貨艙都顯得寬松了

圖40 第三代TDRS的柔性自回彈肋傘，其型面精度比較容易得到保證

圖41 基于勞拉LS-3000平臺的Viasat-1通信衛星在緊縮場測試，天線直徑普遍超2.5米

高通量通信衛星，雖然樣子普普通通，主要是“招風耳”造型。由于在L、S、C、X、Ku波段上已經擁擠不堪，而高通量衛星的載波動不動就是500MHz的頻寬，因此它迫不得已在頻段高、雨衰嚴重，但大段頻率資源相對富裕的K/Ka波段工作。（參見圖42）

更高的頻段使得下行和上行的衰耗更大，高通量衛星采用更高增益的天線，而且為了頻率復用，它把多點波束技術發展到極限。波束極窄，小于0.1°的也已出現，點波束數量變多，如140Gbps吞吐量的ViaSat-1僅有72個點波束，300Gbps的ViaSat-2則已經達到數百個，而1T容量的ViaSat-3將有數千個點波束。因此HTS可提供比常規通信衛星高出數倍甚至數十倍的容量，能夠支持超過100Gbps的總容量。（參見圖43）

高通量通信衛星的天線反射面，普遍在100英寸以上，其技術難關包括：第一，要求輕量化；第二，要求在極端高低溫變化下，熱膨脹系數小。因此，一般采用復合材料的三明治結構，上下外層采用碳纖維增強塑料，作為射頻反射材料，中間的中空蜂窩層由鋁、碳纖維、凱芙拉或Nomex等材料按需制成，三層材料最后膠合，目前最理想的已經做到1公斤/平方米上下的水平。（參見圖44）

而在點波束饋源的發展方向上，多口面多波束天線饋源笨重而復雜，未來會向MMIC（Monolithic Microwave Integrated Circuits，單片微波集成電路）直接輻射相控陣天線方向發展，基于MMIC的有源收發模塊天線饋電是未來HTS的經濟而高效的輸出端解決方案。（參見圖45）

（四）沒有最大，只有更大——環形可展開天線

在上世紀90年代，大哥大、行動電話、移動手機相繼興起，隨著摩托羅拉銥星的示范效應，眾多的電信運營商渴望能分得一杯衛星移動電話的的羹！因為在偏遠的山區、海島，還有廣闊的市場有待挖掘。對于區域運營商來說，選擇靜止軌道通信衛星，有針對性覆蓋人口稠密、基礎設施尚不完善的區域，投入相對較少，市場前景好。

圖42 僅有K/Ka波段還有大段的頻率資源空閑

圖43 為了實現高吞吐量，點波束覆蓋面積越小，數量越多，Viasat-3會達到數千個

圖44 高通量衛星的拋物面天線采用了復合材料的“三明治”結構

亞洲蜂窩衛星( ACeS)系統是由印度尼西亞等國建立的區域性個人衛星移動通信系統，覆蓋東亞、東南亞和南亞地區30億人口，是世界上第一顆面向個人、支持手機的區域性地球靜止軌道移動通信衛星，基于GSM技術提供語音、傳真、數據等通信服務。ACeS系統利用一顆Garuda 1衛星，又名“鷹1”，于2000年2月12日發射，由美國洛克希德馬丁公司采用A2100平臺制造。

圖45 現有多口面多波束天線的波束饋源笨重而復雜

圖46 Garuda 1衛星，世界上第一顆面向個人、支持手機的地球靜止軌道移動通信衛星

圖47 目前Thuraya2及Thuraya3衛星仍在運行中

圖48 Thuraya衛星載有12.25m口徑衛星天線反射面

要讓發射功率也就1瓦的手機，和遠在靜止軌道的衛星通信，難度可想而知。Garuda 1衛星上裝有兩副12米直徑的L波段收發大天線，每副天線有88個饋源，生成140個點波束，其等效全向輻射功率強度高達73dBW。該星可同時提供11000條電話信道，用戶總容量可達200萬，可在星上進行話路和路由的交換。但后來該星由于L波段系統故障，系統容量打了7折。（參見圖46）

Garuda 1的衛星天線反射面很像生活中的三折雨傘，如何展開可以請讀者們琢磨琢磨。接下來我們把目光投向世界上第二顆支持手機的地球靜止軌道移動通信衛星——圖拉雅（Thuraya）衛星，介紹環形展開天線。

Thuraya衛星通信公司總部設在阿聯酋阿布扎比，Thuraya系統的衛星網絡覆蓋包括歐洲、北非、中非、南非大部、中東、中亞、南亞等110個國家和地區, 約涵蓋全球 1/3 的區域 , 可以為23億人口提供基于GSM技術的語音、傳真、數據等通信服務，并且終端整合了衛星、GSM、GPS三種功能。Thuraya1/2/3衛星分別于2000年10月20日、2003年6月10日、2008年1月15日發射，為美國波音衛星系統公司基于HS-702平臺制造。（參見圖47）

Thuraya衛星發射重量5250kg，在軌重量3200kg，太陽能電池提供11～13 kW的功率，星上載有12.25m口徑衛星天線反射面，產生250～300個波束，頻率復用30次。（參見圖48）

Thuraya采用了TRW的Astro Aerospace公司（現為諾格公司旗下）的環形可展開天線技術，該技術出現較晚，采用環形桁架展開結構和柔性網面成形技術，天線重量為56千克，或0.37千克/平方米。（參見圖49）

為使桁架能夠折疊，在桁架的各桿件中間都設有鉸鏈，利用彈簧機構將天線展開，其特點是可以單獨完成每一個單元的調試后再進行總裝配，大大降低了裝配和測試的難度。與其它結構形式相比，具有較高的展開剛度和結構穩定性，天線口徑可用于6米～150米范圍，且結構形式簡明，在一定范圍內口徑增大不改變結構形式，質量也不會成比例增長，是目前大型衛星天線理想的結構形式。

天線展開的關鍵是圖50中用紅色標注的對角支撐桿，在彈簧驅使下，它的收縮會讓原本為平行四邊形的桁架框變成長方形，整個天線圈面桁架都膨脹變圓，反射面的弧形在豎向拉索的控制下，達到設計的曲面！（參見圖51）

12米、17米、20米口徑的環形可展開天線已經在“MBSAT”、“Inmarsat”“TerreStar-1”等系列衛星上得到應用。美國軍方當然不會錯過這樣的技術，美國國家偵察局（National Reconnaissance Office，NRO）的“入侵者”系列就采用了此類環形可展開天線技術，據說直徑達到驚人的150米。不過，這里要說明的是，根據2016年9月9日斯諾登公布文件，前述“導師”電子偵察衛星，MENTOR 4（USA-202），同在地球靜止軌道，一度故意和Thuraya 2衛星湊得很近，伺機截取、竊聽往來的電話，你拿他一點辦法都沒有，可以說這位導師，真是“為人師表”。（參見圖52）

圖49 環形可展開天線的結構圖

圖50 環形可展開天線的展開過程

圖51 五個步驟讓環形可展開天線在空間展開

圖52 “入侵者”系列電子偵察衛星猜想圖

圖53 ETS-VIII一共有28個六邊形模塊組成，兩個反射面天線一收一發

圖54 能夠折疊的關鍵是圖中紅色桁架在滑動鉸鏈驅使下收縮，綠色平行四邊形變長方形

（五）六邊形拼接——構架式可展開天線

工程測試衛星8（ETS-VIII）衛星由日本國家空間發展局（NASDA）在1996年開發，用于通信、原子鐘、離子引擎等技術的驗證。提供衛星與手持終端通信所需的大型反射器，以及相配套的高功率發射器等技術的驗證環境。

ETS-VIII上有兩個大型可展開反射器。一個用于發送，另一個用于接收。每個反射器由14個直徑4.8m六邊形模塊組成。（參見圖53）

每個模塊都有六個徑向可折疊桁架構件撐起的反射面，桁架在彈簧力的驅動下展開，展開速度由馬達控制。收、發天線的結構相同。桁架能折疊的關鍵是，圖54中紅色桁架中間設有鉸鏈，彈簧機構驅使紅色桁架收縮，綠色平行四邊形變長方形，天線展開。各種環向繩索保持整個構型，豎向拉索保持反射面設計的曲面。

該天線形面精度高，剛度強度大，裝配和調試時間短，但質量較大，達到170千克，口徑為19米×17米。（參見圖55、56）

ETS-VIII還很超前地使用了31個單元組成的MMIC相控陣饋源，合成三個波束指向日本的不同區域。（參見圖57）

2006年12月18日，日本國家空間發展局成功發射了5.8噸重的ETS-VIII衛星，兩個大型可展開反射器在靜止軌道成功展開，并進行了各種技術測試。（參見圖58）

結束語

自1964年Syncom3通訊衛星發射升空以來，在60年代還空蕩蕩的地球靜止軌道，現如今已眾多衛星濟濟一堂，甚至是擁擠不堪。靜止軌道的軌位是有限的，因為兩顆衛星之間必須保持1000公里以上的距離，以避免出現碰撞和干擾。（參見圖59）

在這有限的靜止軌道空間里，各大電信運營商之間的競爭仍在持續上演，特別是覆蓋市場熱點上空的軌道空間，例如美洲、歐洲等熱點區域。

通信衛星在現代生活中發揮著越來重要的作用，它們讓沉船能發出求救信號，讓居住在偏遠山區、荒漠、海島的民眾能連接到互聯網，讓乘客能在飛機上微信聊天、排遣孤寂……

在整個靜止軌道通信衛星及其天線的發展過程中，各種創意，各種絕妙的解決方案，讓人拍案叫絕！很多技術，我國也已經掌握，比如2018年5月21日發射升空的嫦娥四號中繼星——鵲橋，采用了類似于TDRS一代所采用的剛性肋可展開天線，主天線展開直徑達4.2米，是人類深空探測史上口徑最大的通信天線；2016年8月6日我國發射的天通1號01星采用了12.5米S波段環形可展開天線，實現110個點波束并數字成形，滿足6千路電話，上網速率最高可達384kbps。（參見圖60、61）

其實傘是中國發明的，根據《史記·五帝本紀》中的記載，我國早在炎黃時代就有了關于傘的記述，迄今已有近四千年的歷史。真心希望更多的新技術能夠在中國原創，中國能成為這個行業的技術領頭羊，因為中國從來不缺創意。SATNET