GEO通信卫星的秘密 看天线识卫星——漫谈天线(

作者:教育

  二战刚刚结束没多久,英国科幻作家克拉克(C. Clarke)琢磨着如何能把当时最先进的德国火箭这个大杀器,变为可以造福人类的宝贝?他研究出地球静止轨道卫星的工作原理,他认为只用三颗地球静止卫星即可提供完整的全球覆盖。1945年10月,他在《无线电世界(Wireless World)》上发表了一篇文章——《地球外的中继——卫星能给出全球范围的无线电覆盖吗?(Extra-Terrestrial Relays– Can Rocket Stations Give Worldwide Radio Coverage?)》,第一次完整提出了“对地静止卫星”的概念,即航天器运行方向和周期与地球自转相同,都为24小时,因此位于天空上方,相对于地面静止,克拉克计算出所需的轨道特性以及发射机的功率水平,并大胆预测了可以使用太阳能发电。这些理论都超越了他所在的年代。

  严格来讲,地球静止轨道(GEO,the geostationary orbit)是指地球同步定点轨道, 即轨道周期与地球旋转周期相同、轨道平面与地球赤道平面重合、倾角为0度的圆轨道。地球旋转周期为一恒星日=23小时56分秒4.1秒, 静止轨道至地心距离为42164.174公里, 相对赤道高度为35786.034公里,一般简称3.6万公里。

  在地上看来,地球静止轨道上的卫星,就像被定住,一动不动,对于卫星接收天线来说最方便,省去摇头晃脑、旋转跟踪工作,非常适合天地通信。而在这个轨道工作的卫星,由于对准了地球的某一个区域,可持续观察,也非常适合进行可见光和近红外光观测的气象卫星、海洋监测。

  休斯飞机公司的三位工程师(Harold Rosen,Thomas Hudspeth和Donald Williams)于1959年初,开始研究地球同步卫星的概念,提出了一种可行的地球同步卫星设计,三个人艰难地说服休斯公司、NASA和国防部,甚至自己掏腰包贴了一万美元搞工程样机,这在当时可是一笔巨款。功夫不负有心人,在一番努力下,1961年8月,美国宇航局与休斯飞机公司签订了第一个地球同步通信卫星合同,该卫星称为辛康(Syncom)。

  Syncom系列通信卫星呈圆柱形,直径为71厘米,高度为39厘米,含推进器质量为68千克,和现在动辄数吨的通信卫星相比,仅为一个零头。麻雀虽小且其貌不扬,但五脏俱全!

  卫星底部的远地点发动机为固体火箭,推力1000磅力,可提供1431米/秒的速度增量,用来轨道圆化和消倾角,由Thiokol(瑟奥科尔)公司生产。

  为了在天上能保证姿态稳定,卫星设计团队创新提出了类似陀螺的自旋稳定概念。不过这样一来天线也会跟着转,由此设计了简单可靠的全向辐射天线,也就是卫星顶部枪管一样的物体,叫做同轴缝隙阵列通信天线(Co-axial slotted array antenna),也有文献称之为“裙边圆环缝隙偶极子”(skirted collinear slot dipoles)。其实它和本系列《看天线,识卫星——漫谈卫星天线(一)》一文中讲到的半波阵子天线非常类似。其天线方向图就是一个甜甜圈,特别适用于这颗轻巧的自旋稳定验证卫星。如果让卫星的旋转轴(枪管射击方向)与地球的旋转轴(南北极)平行并保持,就能让地面获得最大的辐射场强。

  天线共有三个同轴的裙边偶极子阵列发射下行信号,注意看下图天线中部三个开口,由环形波导馈电,波束宽度23°,由于频率越高衰减就明显,为了考虑给卫星省点事,下行信号频率选择较低的1.815GHz;下图天线结构的右侧单个带裙边的接收偶极子工作在相对较高的7.360GHz(地面卫星站供电充裕,工作频率高点问题不大),通过圆环缝隙偶极子天线 dB。

  负责把卫星接收到的微弱信号放大并发射,需要转发器。Syncom携带了两个转发器,一个窄带,提供两个500 kHz信道,可以处理一个双向电线个单向电传信道;另一个宽带转发器,提供5 MHz信道用于电视传输。两个转发器使用2瓦行波管放大器进行信号放大。

  在卫星尾巴上,还有四根和旋转轴成25度夹角的鞭状天线用于遥测和指令(TT&C)。四根长度为1/4波长的鞭状天线,也就是第一篇讲到的旋转场天线(turnstile antenna),通过圆极化波进行卫星指令上传下达,而无需考虑天线面是否对齐。

  Syncom的外表面覆盖着3840硅太阳能电池贴片,发电功率29瓦,星载镍镉电池用于地影期间的供电。在姿态控制上,双氧水催化反应进行姿态控制虽然高效,但缺少使用经验,该卫星采用了双氧水/氮气两套推进器提供姿态控制。

  Syncom 1于1963年2月14日在卡纳维拉尔角用Thor Delta B火箭成功发射,随后不幸因电气故障失联。失败乃成功之母,不行再来!

  Syncom 2于1963年7月26日从卡纳维拉尔角成功发射!要把卫星送到3.6万公里高度,对60年代初期仍属于蹒跚学步时期的美国运载火箭来说,压力山大。由于Thor Delta B运载火箭的运力限制,Syncom 2卫星虽然被送入了一个地球同步轨道,但卫星轨道面存在33°的倾角,从地球看,这个卫星在天上跳8字舞,并非静止!

  不过由于天线的波束较宽,没有影响到电线开始正式运行,测试非常成功,圆满达到了预期的目标!

  1963年8月23日,总统约翰·肯尼迪通过Syncom 2,给尼日利亚总理阿巴巴卡尔·巴莱瓦打了一个电话,虽然只是象征性的两分钟唠唠嗑,简要提到了当年签署的核武器试验禁令条约,并谈到尼日利亚中量级拳击手迪克·泰格赢得了一场拳赛,但这是国家元首之间第一次通过卫星进行双向通线. 约翰·肯尼迪聊的挺开心

  在此基础上,Syncom 3于1964年8月19日发射,此次发射采用Thor Delta D火箭,推力更大的第三级火箭进行偏航机动,GTO轨道倾角下降到16°,随后卫星在远地点发力消除了剩余倾角,并正式进入35,670 km x 35,908 km的圆形同步轨道,并在180°经度定点。Syncom 3继续用于各种通信测试,远在菲律宾的美军USNS Kingsport卫星通信船通过该卫星和加州罗伯茨营起飞的飞机进行越洋通信传输。被载入史册的还有Syncom 3用于向美国直播1964年的东京夏季奥运会。

  相比较美国海军和空军科学家利用月球进行远距离通信,麻省理工学院林肯实验室在太空“放针”的西福特计划,以及NASA利用气球卫星、低轨卫星(Telstar)进行通信实验,Syncom 2和3成功验证了GEO通信的技术,显示出巨大的优越性!在海底光缆还没有使用前,开辟了洲际通信的崭新篇章!后续地球静止轨道卫星继往开来,家族日益庞大!

  二、开公司,GEO通信生意做大,定向天线首次实用美国成功地发射了世界上第一颗地球静止轨道通信卫星,同时标志着庞大的全球通信市场即将到来。1962年的《美国通信卫星法》对国际卫星通信产生了深远的影响,通信卫星公司(COMSAT)在该法案要求下成立,它受美国政府监管,是一个私人融资和管理的组织。美国总统约翰·肯尼迪倡议成立国际卫星联盟,他说:“我邀请所有国家参与通信卫星系统以促进世界和平及世界各国人民之间的兄弟情谊。”

  该卫星提供了240路跨大西洋电话,而价格仅为海底电缆的十分之一。到1967年,第一代Intelsat卫星中的三颗卫星在大西洋和太平洋海域上空运行,提供清晰、价格亲民的越洋电话和电视,民众也迅速适应了250毫秒的时延,“早鸟”取得了巨大的商业成功!

  工作在C波段的“早鸟”GEO卫星,其下行信号(3.4 GHz-4.2 GHz)的链路衰减通常在200 dB左右,要求发射机的功率更大、天线波束更窄!它的天线基本和Syncom类似,发射单元增加到6个缝隙,波束宽度约束到20°,天线叶草形振子,天线 dB。

  更多的太阳能电池提供了45瓦的电力供应,比Syncom的29瓦增加不少。两个6瓦转发器工作在C波段(6GHz上行链路 - 4GHz下行链路),每个具有50MHz带宽,可以承载240个语音电路或一个电视频道,但不能同时进行。

  不过这些小修小改,以及后续换汤不换药的Intelsat II远远满足不了民众对于卫星通信容量的需求。

  图14. 换汤不换药的Intelsat II的全向天线和为数不多的转发器,跟不上民众对于卫星通信容量的需求

  Intelsat试图最大限度优化卫星参数,包括辐射方式和功率、可用带宽、容量和寿命。1966年,Intelsat与TRW公司签订了一份价值3200万美元的合同,用于制造六颗Intelsat III卫星。

  Intelsat III重293公斤,是Intelsat I的两倍,但其容量增加了4倍,是第一颗专门设计用于商业盈利的卫星。并结合了多项性能改进,其中最重要的革新是使用高增益天线所示,为了自旋稳定,卫星不得已使用全向天线,以便在卫星体旋转时保持与地球的通信,因此卫星的大部分射频功率都被浪费在太空!这对于卫星和地面接收站都不是最佳选择,天线还需要改进,要把能量聚焦!

  工程师首先采用了电磁喇叭电线。它的主要优点是结构简单,馈电简便,便于控制主面波束宽度和增益,频率特性好且损耗较小,它由波导逐渐张开形成,加强了方向性,这个和声学喇叭的原理极为相似。

  Intelsat III使用了一个86厘米高的消旋定向喇叭天线 dB增益的缝隙偶极子天线,增加了有效辐射功率。

  其次为了使这种高增益定向天线始终保持指向地球的固定方向,采用了消旋技术,Intelsat III是第一个解决这个问题的通信卫星!虽然星体通过高速自旋保持姿态,但通过使用电机对天线进行反向旋转,使用于反射信号的铝制蜂窝板始终对准地球。同步开发了特殊的润滑剂和润滑技术,避免润滑剂在零G真空空间中冻结或蒸发造成的轴承卡死。

  Intelsat III的总可用带宽增加到450 MHz,由两个225 MHz带宽的转发器提供。消旋天线瓦行波管(TWT)放大器联袂,为每个转发器产生+22 dBW(158 W)的等效辐射功率,信噪比的提升让单颗卫星可承载1200路双向电线个电视频道。另外Intelsat III第一次使用肼推进剂进行位置保持,延长使用寿命到5年。

  第一颗Intelsat III于1968年9月18日由更强大的Delta M火箭发射,由于制导系统出现故障,运载火箭被自毁。第二次发射于1968年12月18日进行,卫星成功定点在西经31°横跨大西洋的地方。另外三颗Intelsat III卫星定点在东经174°(太平洋)(已在轨道上),西经6°(大西洋)和东经62.5°(印度)。从而完成了第一个全球覆盖的卫星通信系统。这个由四颗卫星组成的系统最多可以处理4800个双向电线个电视传输。

  洲际通信的需求是如此旺盛,经过测算,Intelsat发现到1971年,当时已有的4颗Intelsat III将不再能满足大西洋和太平洋的使用需求,而且一旦任何卫星发生故障,系统将陷入严重困境。老板很焦虑,老板很着急!

  Intelsat决定发展新的第四代名为Intelsat IV的卫星,由于运载火箭技术的提升,有了半人马上面级,设计质量达到1414 千克,入轨质量可以达到790千克,是三代的5倍多。这份生产四颗大容量卫星、价值7200万美元的合同授予了休斯公司,要求于1971年初(大西洋和太平洋地区)完成前两颗Intelsat IV卫星的发射,满足电线年定点在印度洋上(在Intelsat III寿命结束时);第四颗卫星作为备用。

  前述Intelsat III卫星其实有一个系统性短板:受功率、重量限制,转发器只有两个,众多地面站上传信号时需要排队,排队的时候,还不能发出大功率的同频信号干扰别的地面站,协同性搞不好,系统效率低。解决的方案其实很简单,把可用带宽划分为许多小转发器频段,给每个地球站分配专用转发器,或者几个需求小的地面站搭伙。因此Intelsat IV系统采用12个转发器,40 MHz的带宽(剔除保护带宽,实际可用36MHz),行波管功率为8瓦,每个转发器可处理1800个电话或一个电视频道,Intelsat IV的最大容量达到万级双向电线个电视频道。

  这其实是上下行信道频分复用(FDM,Frequency Division Multiplexing)的做法,原理简单,关键是实现的时候受到运载火箭GTO轨道投送能力,以及卫星平台的电源供给能力、行波管效能、重量等因素的共同制约。

  增加转发器,这就需要增加系统供电等整体开销,而新的HS-312卫星平台完全可以满足,设计寿命为7年。

  图20. Intelsat IV带了两个高增益锅,背后4个黑黑的是消旋定向天线,最高的天线是TT&C

  Intelsat IV还应用了陀螺仪旋转稳定技术,使双自旋稳定卫星技术趋于成熟,从上图还可以看到,消旋平台上除4个黑黑的定向天线(两收两发)外,Intelsat IV还第一次带“锅”上天了,也就是高增益天线,意大利Selenia SpA公司生产,两个波束极窄的4.5°的点波束,可以摆动调整波束,应对美国东部或西欧局部高业务热点,全向辐射功率增加15倍。

  洲际通信业务仍然在飞速增长,尤其是大西洋两岸高密集区域,如何应对?事实上,对于Intelsat公司来说,每一次都是依靠天线技术的革新,使得卫星及其地面站能够承载更多的业务量。在Intelsat IV基础上,休斯公司建造了六颗改进型号被称为Intelsat IV- A的卫星,较Intelsat IV增加了8个转发器达到20个,可用频率带宽达到720MHz;Intelsat IV-A体表贴了1.7万个太阳能电池贴片,功率600瓦。但与其前身Intelsat IV相比,主要差异在于采用了新的天线技术,通过点波束实现频率充分使用,可提供大约两倍的容量。

  具体在实现上,以下图为例,左边是本分做法,循规蹈矩,3个频点各用一次,老老实实;而右边,在点波束旁瓣控制到一定门限前提下,J波束在I波束和K波束左下角又用了一次,高!脑补一下已经求证的地图四色问题,如果有四种以上频率或不同的极化方式,频率可以实现“无限”复用,这就叫做空分复用技术。

  Intelsat IV-A最顶上的“黑头”是遥测天线,下方是呈品字形的三块抛物面反射天线,其中上侧的是接收天线个阵列单元馈电的方形C波段抛物面反射天线米,天线千克。

  需要注意的是,这次的抛物面天线是偏置形式,前述Intelsat IV的馈源挡着天线了,而采用偏置形式,可以无遮挡。

  图24.偏置反射面天线个转发器的具体使用,以大西洋上的Intelsat IV-A为例,4个转发器覆盖业务密度稀疏的大西洋,其余16个转发器用于点波束模式;左右两个反射天线,左边负责南北美洲,右边负责欧洲和非洲,由于两个定向天线相互错开一定角度,相互不干扰,可以实现同一套频率两边分开使用,因此容量基本已经翻翻!而且点波束也明显提高了覆盖的辐射功率。

  IntelsatIV-A系列中的第一颗卫星于1975年9月25日由Atlas-SLV3D/Centaur-D1AR从卡角发射升空,一共发射6颗,其中一颗由于运载火箭问题失败。最终所有五颗卫星平均运营了11年,超设计寿命4年。

  同时期,射频放大器件技术也有了突破,出现了效率更高的固态功率放大器(SSPA)或线性化行波管放大器(LTWTA),使这些卫星能够携带更多的转发器上天。但是再要多,可能就不行了,因为采用自旋稳定的卫星,太阳有效照射的电池贴片不超过三分之一,其余三分之二只能闲着,也不可能无限制让卫星变胖变长好多贴点太阳能电池贴片。另一方面,消旋平台上已经像插花一样装满了天线,难以容纳更大反射面的天线。

  然而幕后的操盘手,NASA早就在卫星前沿新技术上开展验证试验,项目名称叫做ATS(Applications Technology Satellite),应用技术卫星。该项目不仅仅测试通信技术,还对地球同步轨道气象传感元件的开发、同步轨道空间环境测量等项目开展研究。在多次失败的重力梯度杆试验后,ATS-6任务对于后续地球静止轨道的众多新技术开展了极为重要的测试,大型可展开天线轴稳定姿态控制、电力推进等,成为目前仍在地球静止航天器上使用的许多技术的先锋!

  图25. ATS-6卫星,长长的衍架挑起两个弧形太阳能帆板,中间是硕大的抛物面天线是第一颗具有三轴稳定能力的地球静止轨道卫星

  1、使用了自旋稳定装置的卫星,体装式太阳能电池阵列做不大,发电效率低,无法提供更多的电能;而三轴稳定的卫星平台可以部署更大的平面太阳能电池阵列,通过控制太阳能电池板的方向与太阳辐射垂直,获得高效的太阳能发电。高功率的卫星平台可以让通信卫星携带更多、功率更大的转发器,地面上用更小的天线和灵敏度更低的接收机即可接收,天线甚至可以缩小到几十厘米,实现家庭观看卫星直播电视。

  3、它提供了更准确的姿态控制。第一次使用星载姿态控制数字计算机驱动执行器,执行器是三个动量轮和单推肼推进器,执行后确保滚转和俯仰精度优于0.2°,实现了精确的位置保持和指向。精确传感和三轴姿态控制的结合,使得ATS-6成为第一颗能够回转俯视跟踪其他S波段卫星的卫星,使用其GEO的有利位置,ATS-6可以为LEO卫星甚至飞机实现数据中继,这是NASA跟踪和数据中继卫星(TDRSS)计划的先驱,此举可以大幅减少地面站的工作压力。

  该天线反射器主要由中心轮毂、48个铝制肋条、反射面网组成,反射面网采用了镀铜的编织涤纶,仅重83千克,收纳率很大。类似卷尺,中心轮毂把铝制肋条卷紧缠绕,收起后缩成直径仅为1.8米,高0.45米的环形空间。

  图27.“伞骨”就像卷尺一样,被收紧缠在一起,到空间则展开,绷紧“伞面”

  在空间展开时,由火工品切断缆线NM扭矩的电机拉动铝制肋条背后的带子展开天线秒。不足之处是铝制肋条在空间受热之后变形,整个天线毫米),刚度也较低,不过展开可靠性高。

  口径为9.14米抛物面天线反射器在UHF至C波段范围内提供34 dB至46 dB的增益,再加上高功率的80瓦固态射频放大器在860 MHz的频率发射,它提供了直接电视广播的能力,等效全向辐射功率(EIRP)峰值达到51.0 dBW,地面仅需3米直径的小型天线接收。

  天线馈电(C,S,L,UHF和VHF频段)单元安装在卫星主体上,整个卫星主体通过碳纤维增强塑料(CFRP)桁架连接到天线和太阳能电池板桅杆。

  太阳能电池板安装在两个可展开的桅杆上。它们具有半圆柱形状,因此提供相对恒定的功率(开始为595 W),在地影期间两个30.5V、15安时镍镉电池负责供电。

  尽管采用了复合材料等先进技术,但整个卫星大量桁架、展开机构给人的感觉还是弱不禁风,可展开天线又金贵,设计师也没往星体里面塞远地点发动机,而是完全靠大力神/半人马金牌组合推送到位!

  1974年5月30日,Titan III-C运载火箭将ATS-6这颗重达1336公斤,当时最重的地球静止轨道通信卫星,直接送到GEO轨道(direct to GEO)!!! ATS-6也不负众望,在轨道上徐徐展开天线投入工作,圆满!

  除了铯离子电推发动机测试表现不太好之外,ATS-6任务顺利,进行了23次不同的实验,通过向印度、美国和其他国家传送远程教育节目,证明了直接到户(DTH)电视广播的可行性。

  其他测试包括监测空间环境,并用于进行粒子物理实验和测量辐射对太阳能电池寿命的影响;携带高分辨率热辐射扫描测量计(辐射计),在红外线μm)扫描地球,测量其红外辐射(温度)和云图,这些技术随后被使用在气象卫星上。ATS-6还被用于进行空中交通管制测试和实施卫星辅助搜索和救援技术,并于1975年在阿波罗/联盟对接中发挥了重要作用,负责将信号回传给休斯顿控制中心。1979年8月3日该卫星寿终正寝。

  ATS-6也可能是“导师”(Mentor,中情局用于截获电子情报)等第四代大型电子侦察卫星的先驱。Mentor卫星是美国中央情报局的地球静止轨道电子侦察卫星,用于截获电子情报。在常年值守的电子侦察中,静止轨道电子侦察卫星有更多的优势。因为卫星轨道越高,在地面的覆盖面就越宽,不易错失良机,所以,美国很重视发展这种卫星。

  由于其所接收的地面信号是低轨道卫星的1/ 5100 ,故需采用大型接收天线吨,定位在西太平洋、印度洋上空,能够用于侦收100MHz-20GHz之间的所有电磁信号。其实只要“悟通”ATS-6卫星“卷尺”式的伞肋收纳,就会明白Mentor的150多米直径“大伞”的展开原理也很简单!

  图32. Charles P. Vick画的导师(Mentor)第四代大型电子侦察卫星猜测图

  ATS-6也是最后一次ATS任务,一些国会议员担心NASA开发技术造福私营性质的COMSAT公司,于是国会于1973年以削减预算名义取消了ATS项目,让商业通信卫星行业自行承担研发开销,这标志着NASA实验通信卫星计划暂时性告一段落。

  私营企业支持一些具有短期(例如几年)商业成功潜力的项目是可行的。然而,私营企业无法支持风险更高,潜力更高的发展,这类项目通常需要大约十年才能带来商业用途。正因为如此,以及来自多方面的呼吁,NASA在1978年恢复了对卫星通信技术研发的支持。这个案例非常值得思考,目前中国的航天操盘手、国家队、民营航天公司如何各司其职?

  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。

  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

  卫星主体为1.65米x 2.01米 x 1.7米的长方体。终于在太空站稳了的卫星,从容地往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,总面积是18.12平米,覆盖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。卫星合计配置21个C波段和4个Ku波段转发器,提供12000路语音电线个电视频道。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GHz频段信号,让小锅看直播成为可能。

  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;

  3、应用“卫星转换时分多址”联接技术(SS/TDMA),这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,如某国版图。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的体现。

  Intelsat V的配置成为后续许多卫星设计采用的模板,也就是题图浩浩荡荡的一长溜“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?这其实并不是说三轴稳定不好,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,技术领先优势不是商业策略可以阻挡。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。

  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!

  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100 GHz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。

  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。

  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,其线折),主力均为运行在GEO轨道的高通量通信卫星。

  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,她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已经达到数百个,而1T容量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100 Gbps的总容量!

  高通量通信卫星的天线英寸以上,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,目前最理想已经做到1公斤/平方米上下的水平。

  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。

  (四)没有最大,只有更大——环形可展开天线年代,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。

  亚洲蜂窝卫星( ACeS)系统是由印度尼西亚等国家建立起来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。

  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条电线万,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。

  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

  由于Garuda 1的卫星天线反射面太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。

  Thuraya卫星发射重量5250 kg,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. Thuraya卫星载有12.25m口径卫星天线反射面

  Thuraya采用了TRW的Astro Aerospace公司(现为Northrop Grumman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,天线千克/平方米。

  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。

  图51.五个步骤让环形可展开天线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。美国军方当然不会放过这样的技术,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日公布斯诺登文件,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”。

  (五)六边形拼接——构架式可展开天线(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。

  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

  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,下图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。

  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

  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。

  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。

  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,这是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。

  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,她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,比如今年5月21日发射升空嫦娥四号中继星——鹊桥,采用了类似于一代TDRS所采用的刚性肋可展开天线米,是人类深空探测史上口径最大的通信天线米S波段环形可展开天线个点波束并数字成形,满足6千路电线kbps。

  图62.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,注意电视截屏中它带了一捆天线上天

  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!(笔者以为,缺的是激励一线创新的制度和相关的投入)

  (上期答案:CSat 18/Kacipic 1卫星,基于波音702MP平台,是一颗Ka波段地球静止轨道高通量卫星,将在2019年发射升空,用于亚太地区的数据和互联网通信,共有57个波束,每个波束的容量为1.25Gbps。)

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