看天线，识卫星——漫谈卫星天线（四）：地球静止轨道通信卫星（下）

+ 袁东

题图是在天上放风筝，还是卫星聚会？一眼望去，太阳能帆板都伸长了腿，大大小小的“锅”蔚为壮观……其实这些个个都身价数亿美元的卫星，正在3.6万公里之遥的太空为人类广播、电视、上网、打电话而辛勤工作！请看本期——在地球静止轨道工作的通信卫星（下）。

六、ATS-6指明发展方向，GEO天线百花齐放

在ATS-6验证了技术的可行性之后，三轴稳定+大功率星载电源+大型空间可展开天线技术彻底释放了各类应用需求，各种类型的静止轨道卫星如雨后春笋出现，他们的天线也是最吸引眼球的。

图33 采用ATS-6卫星首创的动量轮技术实现三轴稳定的Intelsat V

（一）最快的受益者——Intelsat

Intelsat委托福特空间及通信有限公司（即现在如日中天的劳拉空间系统公司，SSL）制造了其第五代卫星——Intelsat V，这是通过采用ATS-6卫星首创的动量轮技术实现三轴稳定的卫星，姿态稳定在0.5°以内，也是第一颗商业直播电视卫星，1980年12月发射升空，发射质量1928千克，入轨质量967千克。（参见图33）

卫星主体为1.65米×2.01米×1.7米的长方体。终于在太空站稳了的卫星，从容地向南北伸出两块硕大的太阳能帆板，单块长7米，宽1.7米，由三块互相铰接，总面积为18.12平米，覆盖了17580片太阳能电池，整个太阳能帆板的重量仅为64.1公斤，共提供1800瓦功率，是上一代的3倍。这为高灵敏度接收机、大功率发射器、射频变频器的按需配置打好了基础。卫星总计配置了21个C波段和4个Ku波段转发器，提供12000路语音电话和2个电视频道。尤其是大功率行波管放大器，配合图33中2.44米直径（最大那个）的多波束高增益天线发射4GHz频段信号，让“小锅”看直播成为可能。

另外值得注意的是Intelsat V采用的几个新技术：

1、在原有拥挤不堪的4/6GHz（下行/上行频段，下同）的C波段频段外，使用了新的11/14GHz的Ku频段；

2、除空间分隔的频率复用之外，启用线极化的水平/垂直极化或者圆极化的左/右旋极化分隔技术；

3、应用“卫星转换时分多址”联接技术（SS/TDMA），与空间分隔和极化分隔一起使用，进一步提升4/6GHz的频谱复用；

4、大规模使用点波束合成，形成特定的覆盖足迹覆盖指定的区域。不过这里需要提一下多馈源赋形技术，馈电损耗大和馈源复杂度，后续也有C波段和Ku波段采用单馈源收发共用偏置赋形反射面天线，可以说是用大量算法高科技制作的“哈哈镜”来化繁为简解决问题。因此如果见到天线表面坑坑洼洼，崎岖不平，千万别认为这是做工粗糙马虎。（参见图34）

Intelsat V的配置成为后续许多卫星设计采用的模板，也就是题图中浩浩荡荡的一长队“撞脸”卫星的由来。但是，后来在Intelsat VI卫星上，Intelsat公司为什么又选择了休斯公司的自旋稳定方案呢？其实这并不是因为三轴稳定不好，而是休斯公司投标时报了一个低价，再加上一些创新，比如用航天飞机宽大的货舱放大了卫星直径到3.6米，采用望远镜筒式的伸缩壳体，让太阳能发电能力增加了不少，然而这仅仅是回光返照，技术领先的优势不是商业策略可以阻挡的。Intelsat VI是休斯公司最后一款自旋稳定卫星，其研发的HS-702三轴稳定平台在被波音收购后收到了大量订单。（参见图35）

图34 偏置赋形双反射面天线的制作过程

图35 Intelsat VI是休斯公司最后一款自旋稳定卫星

（二）伞状天线成就NASA赚钱的项目—TDRS

前述ATS-6卫星在GEO轨道居高临下，俯视地球，能够方便地在中低轨道卫星、空间站、飞机与地面接收站之间搭建桥梁，取代配置在世界各地由许多测控站构成的航天测控网。

跟踪与数据中继卫星，TDRS（Tracking and Data Relay Satellite)由此应运而生，由NASA负责运营，军民两用。第一颗TDRS卫星在1983年4月4日由挑战者号航天飞机发射升空，卫星重2吨多，太阳能电池帆板展开后翼展达到17.4米。在7副天线中，最醒目的是两把直径4.9米的“大伞”，也就是工作于S、C、Ku波段可转向收发天线的反射面。（参见图36）

美国Harris公司为NASA的TDRS卫星制造刚性肋可展开天线，为典型的卡塞格伦天线。肋条改为碳纤维增强塑料（CFPR），热形变较小，其主反射面采用直径0.03毫米的镀金钼丝编织成网，可以在100GHz频率以下工作，结构简单，展开可靠性较高，质量仅为24千克，但收纳率较小，收拢直径0.9米、高度2.7米，且伞面绷直了非抛物面形，形面精度较低（0.56ram），结构内应力分布不够均匀。（参见图37、38、39）

针对刚性肋伞形面精度较低的问题，TDRS发展到第二、三代的时候，又采用了柔性自回弹天线（SPRING-BACK ANTENNA）。柔性自回弹天线采用具有一定柔性和一定自回弹性能的薄膜材料形成天线反射面。由于不需要复杂的展开机构，其重量得以大幅度减小，可靠性得以大幅度提高。由于结构具有一定的刚性，反射器的形面精度也比网状天线更容易得到保证。但缺点是收纳率低，适用于口径小于6 米的天线。同时由于采用了更高的Ka星间波段，最大接收传输速率达到了800Mbps。（参见图40）

（三）越来越密的高通量卫星天线波束

随着互联网的粘性增强，卫星通信开始作为传统接入网络（光纤接入、3G/4G无线）的有效补充，尤其在幅员广阔的国家以及空中航线上。2005年开始，以Ku波段应用为主的第一个高通量通信卫星（HTS，High Throughput Satellite）发射浪潮开始，到现在第四代最大的Viasat-2卫星已经实现了300Gbps的吞吐量（发射后出现天线故障，其真实容量可能要打8折），主力均为运行在GEO轨道的高通量通信卫星。（参见图41）

图36 发现号航天飞机发射的TDRS-3作为备用星，高倾角，也用于美国南极站的中继通信

图37 这副天线是典型的卡塞格论天线

图38 直径0.03毫米的镀金钼丝编织成网

图39 展开时体型巨大，收拢后却小巧玲珑、含苞欲放，航天飞机货舱都显得宽松了

图40 第三代TDRS的柔性自回弹肋伞，其型面精度比较容易得到保证

图41 基于劳拉LS-3000平台的Viasat-1通信卫星在紧缩场测试，天线直径普遍超2.5米

高通量通信卫星，虽然样子普普通通，主要是“招风耳”造型。由于在L、S、C、X、Ku波段上已经拥挤不堪，而高通量卫星的载波动不动就是500MHz的频宽，因此它迫不得已在频段高、雨衰严重，但大段频率资源相对富裕的K/Ka波段工作。（参见图42）

更高的频段使得下行和上行的衰耗更大，高通量卫星采用更高增益的天线，而且为了频率复用，它把多点波束技术发展到极限。波束极窄，小于0.1°的也已出现，点波束数量变多，如140Gbps吞吐量的ViaSat-1仅有72个点波束，300Gbps的ViaSat-2则已经达到数百个，而1T容量的ViaSat-3将有数千个点波束。因此HTS可提供比常规通信卫星高出数倍甚至数十倍的容量，能够支持超过100Gbps的总容量。（参见图43）

高通量通信卫星的天线反射面，普遍在100英寸以上，其技术难关包括：第一，要求轻量化；第二，要求在极端高低温变化下，热膨胀系数小。因此，一般采用复合材料的三明治结构，上下外层采用碳纤维增强塑料，作为射频反射材料，中间的中空蜂窝层由铝、碳纤维、凯芙拉或Nomex等材料按需制成，三层材料最后胶合，目前最理想的已经做到1公斤/平方米上下的水平。（参见图44）

而在点波束馈源的发展方向上，多口面多波束天线馈源笨重而复杂，未来会向MMIC（Monolithic Microwave Integrated Circuits，单片微波集成电路）直接辐射相控阵天线方向发展，基于MMIC的有源收发模块天线馈电是未来HTS的经济而高效的输出端解决方案。（参见图45）

（四）没有最大，只有更大——环形可展开天线

在上世纪90年代，大哥大、行动电话、移动手机相继兴起，随着摩托罗拉铱星的示范效应，众多的电信运营商渴望能分得一杯卫星移动电话的的羹！因为在偏远的山区、海岛，还有广阔的市场有待挖掘。对于区域运营商来说，选择静止轨道通信卫星，有针对性覆盖人口稠密、基础设施尚不完善的区域，投入相对较少，市场前景好。

图42 仅有K/Ka波段还有大段的频率资源空闲

图43 为了实现高吞吐量，点波束覆盖面积越小，数量越多，Viasat-3会达到数千个

图44 高通量卫星的抛物面天线采用了复合材料的“三明治”结构

亚洲蜂窝卫星( ACeS)系统是由印度尼西亚等国建立的区域性个人卫星移动通信系统，覆盖东亚、东南亚和南亚地区30亿人口，是世界上第一颗面向个人、支持手机的区域性地球静止轨道移动通信卫星，基于GSM技术提供语音、传真、数据等通信服务。ACeS系统利用一颗Garuda 1卫星，又名“鹰1”，于2000年2月12日发射，由美国洛克希德马丁公司采用A2100平台制造。

图45 现有多口面多波束天线的波束馈源笨重而复杂

图46 Garuda 1卫星，世界上第一颗面向个人、支持手机的地球静止轨道移动通信卫星

图47 目前Thuraya2及Thuraya3卫星仍在运行中

图48 Thuraya卫星载有12.25m口径卫星天线反射面

要让发射功率也就1瓦的手机，和远在静止轨道的卫星通信，难度可想而知。Garuda 1卫星上装有两副12米直径的L波段收发大天线，每副天线有88个馈源，生成140个点波束，其等效全向辐射功率强度高达73dBW。该星可同时提供11000条电话信道，用户总容量可达200万，可在星上进行话路和路由的交换。但后来该星由于L波段系统故障，系统容量打了7折。（参见图46）

Garuda 1的卫星天线反射面很像生活中的三折雨伞，如何展开可以请读者们琢磨琢磨。接下来我们把目光投向世界上第二颗支持手机的地球静止轨道移动通信卫星——图拉雅（Thuraya）卫星，介绍环形展开天线。

Thuraya卫星通信公司总部设在阿联酋阿布扎比，Thuraya系统的卫星网络覆盖包括欧洲、北非、中非、南非大部、中东、中亚、南亚等110个国家和地区, 约涵盖全球 1/3 的区域 , 可以为23亿人口提供基于GSM技术的语音、传真、数据等通信服务，并且终端整合了卫星、GSM、GPS三种功能。Thuraya1/2/3卫星分别于2000年10月20日、2003年6月10日、2008年1月15日发射，为美国波音卫星系统公司基于HS-702平台制造。（参见图47）

Thuraya卫星发射重量5250kg，在轨重量3200kg，太阳能电池提供11～13 kW的功率，星上载有12.25m口径卫星天线反射面，产生250～300个波束，频率复用30次。（参见图48）

Thuraya采用了TRW的Astro Aerospace公司（现为诺格公司旗下）的环形可展开天线技术，该技术出现较晚，采用环形桁架展开结构和柔性网面成形技术，天线重量为56千克，或0.37千克/平方米。（参见图49）

为使桁架能够折叠，在桁架的各杆件中间都设有铰链，利用弹簧机构将天线展开，其特点是可以单独完成每一个单元的调试后再进行总装配，大大降低了装配和测试的难度。与其它结构形式相比，具有较高的展开刚度和结构稳定性，天线口径可用于6米～150米范围，且结构形式简明，在一定范围内口径增大不改变结构形式，质量也不会成比例增长，是目前大型卫星天线理想的结构形式。

天线展开的关键是图50中用红色标注的对角支撑杆，在弹簧驱使下，它的收缩会让原本为平行四边形的桁架框变成长方形，整个天线圈面桁架都膨胀变圆，反射面的弧形在竖向拉索的控制下，达到设计的曲面！（参见图51）

12米、17米、20米口径的环形可展开天线已经在“MBSAT”、“Inmarsat”“TerreStar-1”等系列卫星上得到应用。美国军方当然不会错过这样的技术，美国国家侦察局（National Reconnaissance Office，NRO）的“入侵者”系列就采用了此类环形可展开天线技术，据说直径达到惊人的150米。不过，这里要说明的是，根据2016年9月9日斯诺登公布文件，前述“导师”电子侦察卫星，MENTOR 4（USA-202），同在地球静止轨道，一度故意和Thuraya 2卫星凑得很近，伺机截取、窃听往来的电话，你拿他一点办法都没有，可以说这位导师，真是“为人师表”。（参见图52）

图49 环形可展开天线的结构图

图50 环形可展开天线的展开过程

图51 五个步骤让环形可展开天线在空间展开

图52 “入侵者”系列电子侦察卫星猜想图

图53 ETS-VIII一共有28个六边形模块组成，两个反射面天线一收一发

图54 能够折叠的关键是图中红色桁架在滑动铰链驱使下收缩，绿色平行四边形变长方形

（五）六边形拼接——构架式可展开天线

工程测试卫星8（ETS-VIII）卫星由日本国家空间发展局（NASDA）在1996年开发，用于通信、原子钟、离子引擎等技术的验证。提供卫星与手持终端通信所需的大型反射器，以及相配套的高功率发射器等技术的验证环境。

ETS-VIII上有两个大型可展开反射器。一个用于发送，另一个用于接收。每个反射器由14个直径4.8m六边形模块组成。（参见图53）

每个模块都有六个径向可折叠桁架构件撑起的反射面，桁架在弹簧力的驱动下展开，展开速度由马达控制。收、发天线的结构相同。桁架能折叠的关键是，图54中红色桁架中间设有铰链，弹簧机构驱使红色桁架收缩，绿色平行四边形变长方形，天线展开。各种环向绳索保持整个构型，竖向拉索保持反射面设计的曲面。

该天线形面精度高，刚度强度大，装配和调试时间短，但质量较大，达到170千克，口径为19米×17米。（参见图55、56）

ETS-VIII还很超前地使用了31个单元组成的MMIC相控阵馈源，合成三个波束指向日本的不同区域。（参见图57）

2006年12月18日，日本国家空间发展局成功发射了5.8吨重的ETS-VIII卫星，两个大型可展开反射器在静止轨道成功展开，并进行了各种技术测试。（参见图58）

结束语

自1964年Syncom3通讯卫星发射升空以来，在60年代还空荡荡的地球静止轨道，现如今已众多卫星济济一堂，甚至是拥挤不堪。静止轨道的轨位是有限的，因为两颗卫星之间必须保持1000公里以上的距离，以避免出现碰撞和干扰。（参见图59）

在这有限的静止轨道空间里，各大电信运营商之间的竞争仍在持续上演，特别是覆盖市场热点上空的轨道空间，例如美洲、欧洲等热点区域。

通信卫星在现代生活中发挥着越来重要的作用，它们让沉船能发出求救信号，让居住在偏远山区、荒漠、海岛的民众能连接到互联网，让乘客能在飞机上微信聊天、排遣孤寂……

在整个静止轨道通信卫星及其天线的发展过程中，各种创意，各种绝妙的解决方案，让人拍案叫绝！很多技术，我国也已经掌握，比如2018年5月21日发射升空的嫦娥四号中继星——鹊桥，采用了类似于TDRS一代所采用的刚性肋可展开天线，主天线展开直径达4.2米，是人类深空探测史上口径最大的通信天线；2016年8月6日我国发射的天通1号01星采用了12.5米S波段环形可展开天线，实现110个点波束并数字成形，满足6千路电话，上网速率最高可达384kbps。（参见图60、61）

其实伞是中国发明的，根据《史记·五帝本纪》中的记载，我国早在炎黄时代就有了关于伞的记述，迄今已有近四千年的历史。真心希望更多的新技术能够在中国原创，中国能成为这个行业的技术领头羊，因为中国从来不缺创意。SATNET

图55 在地面测试的状态是一个大反射面

图56 收拢后直径为l米，高度为3.4米

图57 31个单元组成的MMIC相控阵馈源

图58 两个大型可展开反射器成功展开！

图59 注意美洲、欧洲区域，卫星都要“叠罗汉”了

图61 我国发射的天通1号01星采用了12.5米S波段环形可展开天线，注意电视播放的效果图中它带了一捆天线上天