日本首个进入国际市场的大型通信卫星公用平台—DS－2000

戴舒颖（北京控制工程研究所） 王存恩（北京空间科技信息研究所）

□□2006年之前，日本没有本国研制的通信卫星，完全依赖从美国采购。为彻底摆脱这一尴尬局面，在原宇宙开发事业团（NASDA）和后来的宇宙航空研究开发机构（JAXA）的支持下，以三菱电机公司为代表的航天开发企业一直在不懈地努力，积极地推进以DS－2000平台为基础的大型通信卫星公用平台的模块化、标准化、系列化。

2006年2月18日，日本成功地发射了基于DS－2000平台的多用途运输卫星－2（MTSAT－2），接着又相继发射了基于DS－2000平台的超鸟－C2（Superbird－C2）、准天顶卫星－1（QZS－1），还为新加坡和中国台湾研制并发射了中新－2（ST－2）通信卫星，这不仅宣告日本结束了通信广播卫星完全依赖美国的历史，也开创了其通信卫星进入国际市场的先河，为其实现航天产业化奠定了基础。

1 日本通信广播卫星国产化步履艰难

采用DS－2000平台的ETS－8卫星示意图

1969年5月9日，日本颁布了首部航天法，接着，又制定了首个航天开发政策大纲，表明日本要“依靠本国力量独自发展航天事业”的决心，然而受运载能力，航天研究、开发政策及管理水平限制，使其制定的开发计划迟迟不能实现，完全依靠本国力量研制的通信试验卫星“菖蒲”（ECS）和ECS－b先后发射失败，无法满足民众日益增长的航天应用与服务需求。因此，20世纪70年代中期，内阁不得不修订其航天开发政策，制定了一条“依靠美国技术，与其合作发展航天事业”的政策，由美国公司为主承包商、日本公司为副承包商，研究、开发当时国家和民众急需的第一代试验用中型“通信卫星”（CS）、“广播卫星”（BS）和“地球静止轨道气象卫星”（GMS），用美国火箭发射，解决了有无问题；接着，以日本公司为主承包商、美国公司为副承包商开发了CS－2a、2b， BS－2a、2b和GMS－2，分别用日本N－2火箭发射，并按计划投入使用；之后，依靠本国力量开发了CS－3a、3b，BS－3a、3b和GMS－3，并用国产火箭将其发射到预定轨道。

然而，此后发生的一系列事件影响了日本航天走上独立自主之路。原NASDA制定的融通信和广播于一体的CS－4计划，由于政策和资金等原因而流产；研制的技术试验卫星－6（ETS－6）未能进入预定轨道；“通信技术试验卫星”（COMETS）又因运载问题发射失败。于是，日本不得不靠购买美国通信卫星来满足不断扩大的航天商业需求。

日本凭借自己力量在科学探测、气象、地球观测、海洋观测、天文观测、行星观测、地球资源、环境观测等领域取得了一些成就，但为什么要从美国订购而迟迟不能实现通信广播卫星国产化呢？其原因有四。

（1）航天政策存在严重问题

日本在航天研发，特别是通信广播卫星研发过程中，没有把解决国家和民众需求置于第一位，过分地强调“研究开发高、精、尖技术”，甚至将其置于用户需求之上。过分地强调研究和开发世界上最先进技术（如智能、自适应等控制技术）、方法（如较早、较好地解决了由零动量姿态控制切换到三自由度偏置动量控制等），新材料、新工艺，开发出了高精度的星敏感器、红外地球敏感器、转发器、离子发动机、64bit星载计算机及其各种存储器、砷化镓太阳电池、锂电池等新部件，在某种程度上忽略了航天，特别是通信卫星的自主开发和产业化问题。

（2）“自己研制远不如买卫星划算”的错误思想误导日本决策机构做出错误决定

美国为达到其通信广播卫星进入并占领日本市场、在航天高技术方面控制日本的目的，不仅支持其舆论界，还通过其卫星开发商、代理商联手美国舆论界乃至日本报纸、广播等宣传机构，大肆散布“日本没有技术成熟的通信广播卫星平台，靠自己力量从头研制不仅周期长、成本高，而且可靠性和在轨运行寿命也得不到保证，远不如买卫星划算”等谬论，动摇了日本政府和通信广播卫星经销商全力支持本国航天开发企业开发通信广播卫星的决心。日本从美国订购的大型通信广播卫星共有40多颗，此举严重影响了日本航天产业，特别是通信广播卫星的发展和国产化进程。

（3）美国以“削减美日贸易逆差”为由要求日本订购美国的通信广播卫星

20世纪六七十年代，日本的电子、汽车、精密仪器、机械制造业等都取得了突飞猛进的发展，大量产品涌入美国市场，美日贸易逆差很大。美国强烈要求日本“削减美日贸易逆差”，声称“最有效的办法就是购买美国技术先进的通信广播卫星”。当时日本通信广播卫星的设计制造能力与经营管理水平确实低于美国，本国研制的卫星综合性能也的确不如美国，加之“研制远不如买卫星划算”的舆论宣传和错误引导，美国政府又不断地给日本政府施压，日本内阁不得不屈从于美国。于是，日本的通信广播卫星营销商、政府机构下属的用户，甚至三菱集团下属的宇宙通信公司都不去订购三菱电机公司的通信卫星，而是购买美国休斯公司为其研制的Superbird卫星，从而导致国家对通信广播卫星计划的经费支持骤减，使研发者的决心和积极性受到严重打击，对通信卫星的研发和国产化造成无可估量的损失。

（4）政府决策错误导致日本通信广播卫星国产化滞后

日本之所以走上错误道路，究其根本原因是日本在政治上屈从于美国。面对受舆论影响，出现用户不愿订购日本国产通信卫星，转而从美国订购的局面，如果政府（内阁）能从国家利益考虑，不失时机地对通信广播卫星研发采取政策倾斜，在资金和政策方面予以支持，并引导用户订购国产通信广播卫星，那么就不会走上“无论是政府还是民营企业全都从美国订购通信广播卫星”的错误道路。

需要指出的是，尽管航天开发及其决策等方面存在一系列严重问题，但从事航天开发的核心部门—NASDA和JAXA仍用有限资金支持以DS－2000平台为基础的“数据中继试验卫星”（DRTS）和ETS－8计划，为日本开发新一代大型通信广播卫星，形成卫星研制的模块化、标准化、系列化和产业化，结束通信广播卫星依赖美国，并使之早日进入国内市场积累了经验，也为进入国际市场参与竞争作了必要准备。

2 新航天法为日本通信广播卫星国产化和进入国际市场创造了条件

进入21世纪以来，日本修宪派一直要求修改航天法。2005年，以时任麻生内阁官房长官的河野建夫为代表的自民党内修宪派强烈批判日本现行的航天法和航天政策，谴责内阁屈从美国的压力支持用户大量购买美国的通信卫星，并支付大量外汇请美国和欧洲航天局为日本发射这些卫星，使日本以通信广播卫星为代表的商用卫星的开发几乎处于停滞不前的状态，导致日本通信卫星开发水平远远落后于欧美，严重影响了日本的航天发展，削弱了日本航天产品在国际市场上的竞争力。修宪派认为，“当务之急是支持和培育具有国际竞争力的航天企业，开发有国际先进水平的通信卫星，增强日本航天产业在国际市场上的竞争力”。

2008年5月9日，日本议会通过了新的《航天基本法》，并于8月27日正式生效，取代了1969年5月9日颁布的《航天基本法》，新航天法要求尽快解决日本长期以来没有真正解决好的研发与用户需求的关系，做到“有计划地推进航天开发应用，使航天开发取得的研究成果顺利地实现产业化，使之能够和日本的电子、机械制造、汽车等产业一样，不仅有雄厚的技术实力，还要有很强的国际市场竞争力，为日本的产业振兴作贡献”，尽快完成日本航天开发从“以研究开发为主导”向“建立以高技术实力为基础的应用需求为主导”的转变。

2009年6月2日，日本又公布了航天基本计划，明确提出开发目标，其中就包括了有计划地推进通信广播卫星的开发利用和产业化，以及实现这一计划与达到既定目标所要采取的基本方针—强化技术开发，提高产品质量和实际应用水平；此外，还提出要开展航天外交，以打包方式向国际，特别是发展中国家推介日本的航天产品，内阁不仅要支持这一决策，而且还要求由航天开发战略本部部长（由内阁总理大臣兼任）出面，外务省和经济产业省等相关省厅及相关机构强力支持，召开“打包式”航天系统推介会及向海外出口整星和航天基础设施推介会，提出必要时可签订利用日本政府开发援助（ODA）资金为国外研制“打包式”航天系统的动议。

新《航天基本法》的颁布和新航天政策及航天基本计划的确定，为日本扭转航天仅仅停留在元部件和以地面设施为主的设备出口，通信广播卫星完全依赖于美国的局面，并为通信卫星进入国际市场创造了条件。

日本经济产业省在航天开发战略本部的批准下，提出要在大幅度地增加元器件和地面设施出口的基础上，通过尽快提高日本航天产品的可靠性、降低成本、增强市场竞争力，使以DS－2000为代表、技术水平先进、竞争力强的大型通信广播平台和以小型科学卫星标准公用平台NEXTAR为基础开发的先进对地观测系统—ASNARO 卫星平台尽快推向国际市场；有计划地将H－2A、2B火箭推向国际市场参与竞争，努力增强日本航天产品在国际市场上的竞争力。

日本H－2A火箭发射采用DS－2000平台的卫星

3 完全属于三菱电机公司的DS－2000通信卫星平台

三菱电机公司通过研制和发射DRTS和ETS－8卫星，验证了DS－2000平台的可靠性和实用性，确认它完全可作为日本的大型通信广播卫星平台进入国内市场，并进一步推向国际市场。DS－2000平台的主要特点如下。

（1）平台轻量化，功耗低

DS－2000平台是世界上首个采用以64bit快速微处理器（MPU）为核心的控制器（SC）进行一体化控制的大型平台，不仅实现了轻量化，而且功耗也非常低。

（2）星上主要部件经过了飞行验证

平台上由64bit MPU控制器组成的控制系统、星载测量敏感器、执行机构（包括南北轨道控制用25mN的氙离子发动机）以及天线定向机构、太阳电池翼驱动机构、砷化镓太阳电池和热控器等均经在轨飞行验证。

（3）全部按照国际标准设计和开发

平台的结构、星上部件、总线、数据处理部分、接口部分均按照国际标准开发，为根据用户需求选择配置和确定部件等提供了便利条件。

（4）设计多种结构平台供用户选择

平台能满足通信和技术试验任务，可搭载单一频段转发器，也可混合搭载转发器（Ku、Ka、C、L、S、X等）。平台既可执行气象/航空导航通信，也可单独执行气象任务，还能单独面向测位或测位/导航。

（5）可用多种火箭发射

基于DS－2000平台的卫星不仅可用日本H－2A火箭，还能用欧洲阿里安－5火箭、美国德尔他－4火箭、中国长征－3B火箭发射，具有适于灵活的运载发射的特点。

（6）功能软件化

星上配备卫星管理飞行软件（SMFS）、数据处理飞行软件（DHFS）和姿态控制飞行软件（ACFS），其操作系统（COS）可启用上述3种软件，实现系统功能软件化，不仅降低了质量、功耗，也降低了成本。此外，卫星还可利用星载计算机自动地进行故障检测、隔离和重新配置（FDIR），根据需要随时向星上注入软件程序。

（7）有效载荷比高

DS－2000平台研制的卫星有效载荷比高达39.56%，大幅度地降低了成本（初步估算可节省800万～1000万美元）。

（8）大幅度地减轻地面运行支持

由三菱电机公司自主研究、设计和开发，实现了卫星自动化与自主控制，大幅度地减轻地面运行支持。

DS－2000平台质量分配表 kg

基于DS－2000平台卫星的电能分配表W

4 采用DS－2000平台研制的卫星

三菱电机公司采用DS－2000平台研制和发射了6颗卫星，已列入发射计划或正在研制的卫星有6颗，即将列入研制计划的还有7颗。

已研制和发射的卫星

（1）为JAXA研制的DRTS

DRTS是一颗为各类地球观测卫星传输数据、为“国际空间站”（ISS）的希望号日本实验舱（JEM）及“H－2转移飞行器”（HTV）等提供数据中继服务的试验卫星，也是一颗用来演练地球同步轨道大型通信卫星平台技术的卫星。它采用偏执动量控制方式，质量为2650kg，设计寿命为7年，寿命末期供电能力可达2115W。卫星于2002年9月10日用H－1火箭发射入轨，定点在90°（E），至今仍在轨执行飞行任务（已超期服役）。日本还计划发射1颗DRTS，将定点在170°（W）。

DRTS配备了3.6m孔径的星间通信用天线和1.80m孔径的与地面通信用天线。卫星由遥控遥测指令系统、太阳电池翼系统、姿态控制系统、结构系统、热控系统、统一推进系统和仪表系统组成。正常运行模式时滚动偏航姿态控制精度为±0.05°、滚动姿态控制精度为±0.15°；卫星间通信用天线的滚动偏航姿态控制精度为±0.07°、滚动姿态控制精度为±0.2°。

三菱电机公司通过研制和发射DRTS掌握了以下6项技术，为日本开发新一代大型通信广播卫星积累了经验。

· 高性能的星间通信系统（ICE）技术；

· 1吨级的卫星平台开发技术；

· 具备自适应控制功能的控制系统；

· 确保卫星高有效载荷比和紧凑的结构设计技术；

用户可根据不同飞行任务选择采用DS－2000平台的6种结构

· 采用500N的双元远地点发动机和多种推力器的推进系统技术；

· 采用50Ah高转换效能的镍氢蓄电池技术。

（2）为运输省研制的MTSAT－2

日本较早地发射了自己研制的气象卫星，如GMS－1～5。为了增加气象信息量，同时增加航空通信功能，日本运输省决定由美国劳拉公司为其研制MTSAT，但因H－2火箭故障发射失败。后由美国劳拉公司研制MTSAT－1，卫星成功发射并在轨运行。为了重返自主研制之路，运输省决定采用DS－2000平台研制了MTSAT－2，该卫星既承担气象卫星的任务，又承担航空通信卫星服务任务，于2006年2月18日用日本H－2A火箭发射入轨，不仅承担为包括日本在内的亚洲及太平洋地区国家提供气象服务任务，还为日本多家航空公司提供航空通信服务。该卫星至今工作正常，取得了良好的效果，赢得了用户的信任，结束了一度依赖美国劳拉公司为日本提供这类卫星的历史，并为获得GMS－8和9的订单铺平了道路。

（3）为JAXA研制的ETS－8

2006年12月28发射的ETS－8也是以三菱电机公司为主承包商，在DS－2000平台基础上研制的大型通信卫星。该卫星自1999年底开始研制，全面继承了DRTS卫星的管理、设计和研制经验，采用零动量三轴姿态控制，故障时可采用三自由度偏执动量控制，在轨初始质量为2.9t，主要提供固定和移动通信业务，卫星全部部件展开后，南北长（翼展）40m，东西长（镜面展开）37m。ETS－8在轨进行大型镜面天线展开试验时，还可根据需要由零动量控制变为偏置动量控制，再根据需要变回零动量控制方式。通过ETS－8，还在轨进行了包括鲁棒性控制、挠性控制、在轨系统辨识（多输入输出系统辨识、模型结构辨识）等试验。

（4）为宇宙通信公司研制的Superbird－C2卫星

Superbird－C2卫星是三菱电机公司采用DS－2000平台为宇宙通信公司研制的，卫星质量5t，设计寿命为15年3个月，配备了28个Ku频段转发器。卫星于2008年8月15日在法属圭亚那由“阿里安”火箭发射到预定的地球同步转移轨道，经变轨后定点在144°（E）的地球静止轨道。

（5）为新加坡和中国台湾研制的ST－2通信卫星

2008年三菱电机公司与新加坡和中国台湾签订了利用DS－2000平台为其研制通信卫星ST－2的合同，合同价值130亿日元（约合1.85亿美元）。三菱电机公司用了将近2年的时间完成了ST－2的系统设计、研制、组装和系统测试等工作，2011年5月21日在法属圭亚那由“阿里安”火箭将ST－2发射到预定的地球同步转移轨道，经变轨后稳定在88°（E）的地球静止轨道上。

（6）为JAXA和邮政省等研制的QZS－1

QZS系统是一项利用QZS卫星的高精度导航定位试验系统播发完善和增强美国GPS卫星的各种信号，试验、验证并提高卫星定位系统可应用性和完整性的计划。通过发射这一系列卫星旨在使日本掌握卫星定位系统基础技术，增加民间机构为QZS系统提供搭载设备和利用该系统的机会，为日本未来正式启动导航卫星计划奠定基础。QZS系统首期计划采用在天顶轨道位置呈8字形配置3颗卫星，实现无论何时都可确保至少有1颗卫星能以高仰角观测到日本上空，能在很少受或不受任何障碍物干扰的情况下，独自、不间断地提供导航定位服务。QZS－1是QZS系统的首发星，于2011年9月11日用H－2A火箭发射入轨，卫星质量为4100kg，设计寿命为12年。

MTSAT－2卫星示意图

ST－2通信卫星示意图

正在研制中的采用DS－2000平台的卫星

（1）运输省的GMS－8、9气象卫星

为确保不间断的气象观测和先进的航空通信，运输省决定开发采用完全依靠本国航天技术、采用DS－2000平台的气象卫星，即GMS－8、9，这两颗星计划于2017－2018年发射。

（2）JAXA和邮政省等的QZS－2、3

QZS系统的3颗星同时下订单，采取小批量生产模式，QZS－2、3计划于2012年和2013年发射。邮政省等单位还计划签订4颗卫星研制合同，以实现7颗星组网运行。

（3）土耳其国营通信卫星公司的2颗通信卫星

2011年，三菱电机公司与土耳其签订了利用DS－2000平台为其国营通信卫星公司研制土耳其卫星－4A、4B（Turksat－4A、4B）的合同。这两颗卫星将搭载C、Ku和Ka频段转发器，覆盖土耳其、欧洲、中东、中亚和非洲等地区，执行通信、广播等任务。Turksat－4A、4B设计寿命为15年，将分别于2013年和2014年用“阿里安”火箭发射到42°（E）和50°（E）的交付轨道上。

即将列入研制计划的7颗卫星

（1）追加4颗QZS卫星计划

QZS－1发射入轨后，运行良好，其完善和增强GPS信号的功能十分显著—LI-C/A、L1C、L2C、L5能完善GPS信号，LI-SAIF、LEX能增强GPS信号，同时信号比较功能也大幅度提高。因此，邮政省等单位决定并经内阁批准，追加1700亿日元经费（总经费达3400亿日元），在原3颗卫星的基础上，再研制4颗采用DS－2000平台的QZS卫星，拓展后的QZS系统将由7颗卫星组成。

（2）三星组网的X频段区域卫星通信网络计划

据美国航空航天周刊的报道及日本防卫省一位人士透漏，2011年9月30日防卫省发布的一份文件称，防卫省已申请了一项高达2600亿日元（约合34亿美元）的航天经费，其中1880亿日元拟用于建设一套先进的X频段区域卫星通信网络，这一网络将具备与日本部署于最西线的亚丁湾自卫队和最东线的夏威夷自卫队通信的能力。日本航天企业的一位权威人士说，这一订单无疑会落到三菱电机公司手上，用DS－2000平台研制3颗地球静止轨道卫星，卫星将在2015－2017年发射。

此外，三菱电机公司还在与澳大利亚、蒙古等国，以及日本广播协会（NHK）、日本公用电报电话公司（NTT）等国内大公司探讨采用DS－2000平台为其研制和发射通信广播卫星的事宜。

Turksat－4A和4B通信卫星示意图

5 三菱电机公司为扩大DS－2000平台卫星销量采取的对策

为满足快、好、省的开发需求，三菱电机公司已决定增加30亿日元投资，在2013财年底之前，完成包括建造人造卫星组装大楼，更新改造电波暗室和真空罐等在内的各项基础设施，使以镰仓制作所为基础的卫星制造基地的年制造能力由当前的4颗卫星扩展为8颗，到2020年公司的年销售额预计达到1500亿日元。

为进一步满足用户需求，特别是发展中国家对通信广播卫星的需求，三菱电机公司在进一步完善DS－2000平台的基础上，还计划开发一种完全属于三菱电机公司产权的小型DS－2000平台，目的是解决发展中国家对低成本通信卫星的需求。

面对基于DS－2000平台的通信卫星比某些国家和机构的相同量级的卫星售价高的现实，以及日本政府和某些部门在卫星销售价格和利润等方面的批评，三菱电机公司决定在确保卫星可靠性和在轨运行能力与寿命的基础上，有组织、有计划地采用经飞行验证的民用器件，并推进采用小批量生产模式等，降低卫星成本，同时提高培训与服务质量，以求赢得更多用户，特别是外国用户。■