《国际太空》《卫星应用》
            
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这一颗卫星让“四海八荒”同时进入卫星互联网时代
来源:本站作者:王同心 

2017年4月12日,实践-13卫星在我国西昌卫星发射中心成功发射。这是我国自主研制的首颗高通量卫星(HTS),标志着我国进入卫星互联网应用时代,进一步拓展了我国卫星技术新的应用领域,将对我国经济社会发展产生深远影响。


1 互联网全覆盖不是梦


据实践-13卫星有效载荷系统的研制单位中国空间技术研究院西安分院(简称西安分院)透露,高通量卫星瞄准的是当前社会大众日益增长的互联网应用需求,尤其是传统的光缆敷设和基站难以覆盖的地方。卫星互联网的应用变为现实,将与地面互联网网络形成互补,实现互联网信号天、地、海无死角、无盲区的覆盖,将深刻影响方兴未艾的互联网经济、互联网生活。


西安分院负责该卫星有效载荷研制的卫星副总设计师周颖介绍,地面互联网信号难以覆盖的情况非常常见,比如高空飞行的航班、深海远航的舰船、大漠中、深山里,都基本上处于互联网信号的孤岛。这些地方要么“望洋兴叹”,如高速移动的飞机、高铁、舰船,因所处的空间特点,根本无法架设或无法足量建设地面互联网中转站,要么工程浩大、造价浩繁,如边远山区、沙漠中心,不具备工程的经济性特点而难以建设。


西安分院主管通信类卫星研制的马伊民副院长介绍,卫星事业的发展都是基于新呈现的、新增长的需求。人们需要了解未来天气情况,能够获取、分析、传输云图的气象卫星就会产生,需要听广播、看电视,传统的广播电视通信卫星就出现,需要更高效、更准确进行资源勘测,能够广域扫描、精准分析、快速传输的资源卫星就会兴起,需要了解自己或外物的位置、速度信息,导航定位卫星就应运而生。传统的手段有的并不是实现不了需求,比如传统的气象监测站通过利用风向标来观测风力、风向,但所需要耗费的多个同质化的地面站建设和大量人力投入,准确性也无法得到完全保证,而有的传统手段则完全是处于“臣妾做不到”的窘境,比如靠太阳等天体满足导航定位需求。


马伊民表示,当前社会对互联网的需求非常巨大,但并不是所有地方都解决了信号覆盖问题,需要扩大互联网覆盖区域,高通量通信卫星的研制就列入了航天人的计划。卫星“站得高、看得远”的独特优势很容易转化成“居高临下、直对目标”的效果,能够形成地面基础设施所不能企及的巨大能力。马伊民表示,互联网已经深刻地改变了人类社会生活,热门的互联网加上热门的卫星应用,将给社会发展带来极大的进步空间。高通量互联网通信卫星的发射,将实实在在的给人们的商务出行、旅游、科学考察、远程医疗、教育、灾害应对指挥、应急通信带来方便。


卫星副总师周颖表示,高通量通信卫星,也称作多媒体通信卫星,具有双向通信能力,通过卫星进行话音、数据、图像和视频的上传和下载。这类卫星利用天线多波束技术,将一个大的区域波束改为多个点波束覆盖,在改善性能的同时实现了不同点波束的空域隔离, 有效复用了稀缺的频率资源,提高了转发器的频谱利用效率,所以高通量通信卫星的容量是传统通信卫星的十几倍甚至几十倍,通信卫星的带宽成本大幅下降。高通量卫星能将通信卫星的服务推广至航空机载、海事舰载、陆地移动和边远地区。卫星有效载荷一方面服务于远程教育、远程医疗、应急救灾等公益事业,另一方面为个人和企业提供宽带多媒体和高速率的互联网接入等商业应用。


实践-13运行原理图


2 高通量有效载荷系统诞生记


2013年,西安分院承担研制的我国首颗高通量卫星实践-13项目正式立项。西安分院卫星副总师周颖全面负责卫星有效载荷系统的研制工作,带领转发器分系统、天线分系统、跟踪子系统的相关队伍,瞄准用户需求和高通量卫星的工作特点,着手进行设计开发。


这是一个极其艰难的创新过程,研制队伍秉承着勇攀科技高峰的航天理念,毫不畏惧面临的各项技术难题。


首当其冲的是设计理念和系统规范的差异。传统的广播电视通信卫星,工作频段低,工作带宽窄,采用广域覆盖,广播电视台将多套上星电视节目通过上行地球站发送至星上,接收地球站接收到电视节目通过光纤传送至电视用户,星地通信体制单一。而实践-13卫星工作在Ka频段,单通道带宽达到400MHz,采用多点波束覆盖。整个系统由空间段、地面段(关口站)和用户段构成。卫星有效载荷的设计必须采用星地一体化思路,需要考虑卫星覆盖区域内的用户互联网通信需求,用户终端的型谱,地面端的选址及雨衰情况。载荷适应不同通信体制设计、多维度资源调度算法设计等手段实现热点区域覆盖、发挥高通量卫星的最大潜能。所以在系统方案制定之前,西安分院作为该星的有效载荷研制单位,加强了与卫星运营商中国卫通集团有限公司的沟通,加强了空天地一体化系统设计,对终极用户(个人用户及企业用户)的人口数量、密度、潜在需求进行全方位适应,对地面关口站建设等提出了相关思路。


其次,由于采用新的通信方式,工作带宽范围大,传统的转发器分系统标准的技术指标分配是无法保证需求的,所以转发器分系统需要根据新的星地通信体制和工作方式,单机的技术指标需重新进行分配,单机的设计方案需重新进行优化,这带来的是几乎全新的产品设计和试验工作。以核心单机宽带Ka接收机和采用总线技术的宽带行波管放大器为例,因为拓宽了工作范围,对器件、部件、单板在更大频率范围正常工作提出了考验,设计和调试极为艰难。


再次,高通量通信卫星采用多点波束覆盖,性能得到很大程度的改善,满足宽带互联网所需要的“高能量”集中传输。满足宽带传输的多波束天线技术及配套的工程技术就亟待取得突破性进展,电性能设计的运算量相对于传统的单馈源天线成指数倍的增长。同时,相较于传统卫星更加苛刻的天线反射面精度控制技术、高精度天线展开指向机构技术、双重叠展开天线技术、频率复用和干扰抑制技术,甚至还有波束标较技术等也亟待突破。周颖介绍,传统的广域波束要分解成26个波束,好比指挥单兵散打转化成指挥集团军作战,复杂度和难度急剧提升,每一个波束都需要精确指向,否则星上的“差之毫厘”会导致地面的“谬之千里”。



实践-13卫星有效载荷研制现场(郭立平/摄)


周颖带领着研制团队开展了艰苦卓绝的攻关,解决了一个又一个前所未有的技术难题。在完成总体性能指标的基础上,研制团队秉承着高度的责任感和使命感,自主开展了一系列提高产品可靠性的试验攻关。有效载荷及跟踪子系统相继完成初样、正样设计评审、AIT工作后于2016年12月实现出厂评审交付总体。2017年1月14日,研制队伍开拔奔赴发射场进行试验。2017年4月12日,卫星成功发射。


西安分院型号试验队进站动员会(郭立平/摄)


周颖表示,这颗卫星的发射成功和投入使用,其通信容量已经超过了我国历史上所有通信卫星容量的总和,成绩来之不易。通过这颗星的研制,锻炼了一支具有极强创新能力的研制队伍。通过技术开发和工程实现,将带动西安分院一大批关键技术的升级换代,比如宽带转发技术、多波束天线设计、标校技术、重叠天线展开技术、行波管CSB总线技术将在未来得到更大范围的推广应用。


3 创新驱动发展的加速度


有效载荷作为航天技术发展最活跃、最直接的因素,其创新研发水平对整个卫星系统技术发展起着举足轻重的作用,有效载荷的性能直接决定了卫星的功能和应用水平,有效载荷已经成为推动航天技术发展和应用的主导因素。


西安分院院长李军表示,作为国内最核心的卫星有效载荷研制单位,西安分院的创新步伐、创新成果对我国航天事业跨越式发展、实现航天强国、科技强国目标具有重要支撑作用,西安分院全体干部员工具有高度的使命感和紧迫感。西安分院参与了我国近200颗卫星的研制,在卫星通信、卫星导航、空间雷达遥感与探测、空间数据处理与传输、卫星测控、空间天线、星间链路等领域牢牢占据国内领先地位,是我国高技术装备工程、探月工程、载人航天工程、北斗导航工程、高分辨率对地观测工程等方面的突出贡献单位。


李军介绍,西安分院近年来加速推进创新体系建设,形成了创新规划战略牵引、多平台研发创新支撑、及时转化产品和市场应用为模式的创新体制。在完成好国家重点工程任务为牵引的技术攻关突破外,瞄准未来用户需求,提前布局预先研究,同步推进原始创新、集成创新和协同创新,实现技术超前储备和快速迭代更新。通过几年的努力,西安分院以973课题为代表的大量基础理论研究实现了技术突破,前瞻性技术课题转化为工程应用,可以满足一定时期内航天器日新月异的发展需要。李军表示,虽然取得了一定的成绩,但未来仍然任重道远,早日实现航天梦的征途还有很多亟待探索的地方,尤其是当前构建空天地一体化信息网络是个极其复杂的系统工程,在军民融合发展的道路上推动航天技术成果转化和再创新需要更具开拓意识,技术创新正呈现出加速发展的需求态势,在这些方面西安分院仍有很长的路要走。


西安分院党委书记黄普明在接受采访时表示,当前国企改革进入攻坚阶段,习近平总书记在全国国有企业党建工作会的重要讲话为国企今后的改革发展指明了正确方向,并提出了高标准要求。西安分院的体制机制创新、人才激励创新、市场开拓创新、创新文化建设都亟待适应新的形势需要。黄普明表示,党和国家“走出去”、“一带一路”等重大战略的实施,给西安分院持续推动技术创新带来了前所未有的契机,西安分院党委将加强对国企改革发展的领导,充分发挥政治核心作用,全面从严治党、管好干部、管好人才,为企业全面创新发展奠定基础,为实现国有资产保值增值、提高国有经济竞争力做出应有贡献。

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