亞太6D通信衛(wèi)星方案設(shè)計(jì)與技術(shù)特點(diǎn)

魏強(qiáng) 廖瑛 石明 劉建功 周穎 劉忠漢

(1 國(guó)防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410073)(2 中國(guó)空間技術(shù)研究院通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部, 北京 100094)

亞太6D(APSTAR-6D)衛(wèi)星是由亞太衛(wèi)星寬帶通信(深圳)有限公司采購(gòu)的一顆地球靜止軌道通信衛(wèi)星，由中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司中國(guó)空間技術(shù)研究院通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部抓總研制，設(shè)計(jì)壽命15年，于2020年7月9日由長(zhǎng)征三號(hào)乙(CZ-3B)運(yùn)載火箭成功發(fā)射，定點(diǎn)于134°E。2020年7月—10月，完成了在軌測(cè)試，各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果表明衛(wèi)星功能、性能滿足合同要求。2020年10月底正式交付用戶并全面投入應(yīng)用。

亞太6D衛(wèi)星是國(guó)內(nèi)研制的首顆Ku/Ka頻段全球高通量(High Throughout Satellite，HTS)寬帶商業(yè)衛(wèi)星。衛(wèi)星有效載荷質(zhì)量、有效載荷功率、波束數(shù)量、波束覆蓋區(qū)等多項(xiàng)性能指標(biāo)均為國(guó)內(nèi)第一，代表了我國(guó)高通量衛(wèi)星研制的最高水平。HTS衛(wèi)星概念由美國(guó)航天咨詢公司率先提出，其定義為“采用多點(diǎn)波束和頻率復(fù)用、在同樣頻譜資源的條件下，整星通信容量大幅提升、達(dá)到傳統(tǒng)固定通信衛(wèi)星的數(shù)倍、面向消費(fèi)者互聯(lián)網(wǎng)接入等寬帶應(yīng)用的衛(wèi)星”[1-5]。亞太6D衛(wèi)星是東方紅四號(hào)增強(qiáng)型(DFH-4E)公用平臺(tái)首顆全配置的衛(wèi)星，是目前設(shè)計(jì)最復(fù)雜、技術(shù)最先進(jìn)的東方紅四號(hào)系列平臺(tái)衛(wèi)星。DFH-4E平臺(tái)是對(duì)東方紅四號(hào)(DFH-4)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，快速實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星服務(wù)壽命、有效載荷質(zhì)量和容量提升并達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的新型平臺(tái)[6-7]。

亞太6D衛(wèi)星在設(shè)計(jì)和研制中采用了多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)和方法，衛(wèi)星平臺(tái)采用混合推進(jìn)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)有效載荷承載能力大幅提升；有效載荷采用多波束、多端口放大器、無(wú)法蘭波導(dǎo)等技術(shù)。面向先進(jìn)復(fù)雜平臺(tái)及有效載荷研制，衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)、研制中充分運(yùn)用系統(tǒng)工程方法，實(shí)現(xiàn)整星系統(tǒng)優(yōu)化、流程優(yōu)化和高效率總裝測(cè)試，相應(yīng)技術(shù)和方法可以應(yīng)用于相關(guān)的通信衛(wèi)星項(xiàng)目研制工作中，具有借鑒意義。

1 衛(wèi)星方案設(shè)計(jì)

1.1 衛(wèi)星方案概述

亞太6D衛(wèi)星包括平臺(tái)和有效載荷兩大部分。其中平臺(tái)包括供配電、控制、化學(xué)推進(jìn)、電推進(jìn)、測(cè)控、綜合電子、結(jié)構(gòu)、熱控分系統(tǒng)，有效載荷包括轉(zhuǎn)發(fā)器和天線分系統(tǒng)。亞太6D衛(wèi)星采用長(zhǎng)方體構(gòu)形，本體尺寸為2.36 m×2.1 m×4.2 m，相對(duì)DFH-4平臺(tái)高度增加0.6 m，可以劃分為通信艙、推進(jìn)艙、服務(wù)艙、太陽(yáng)電池翼和天線共5個(gè)模塊，衛(wèi)星在軌飛行狀態(tài)和模塊組成如圖1和圖2所示。平臺(tái)各分系統(tǒng)在繼承DFH-4平臺(tái)基礎(chǔ)上開展的技術(shù)提升，主要概述如下。

圖1 亞太6D衛(wèi)星在軌飛行狀態(tài)

圖2 亞太6D衛(wèi)星模塊組成

(1)供配電分系統(tǒng)采用單翼4塊太陽(yáng)翼的二次展開太陽(yáng)翼，在軌展開后長(zhǎng)達(dá)33 m，粘貼30%轉(zhuǎn)換效率的三結(jié)砷化鎵電池片，輸出功率超過(guò)16 000 W；采用新一代電源控制裝置(PCU-NG)，相比DFH-4平臺(tái)產(chǎn)品功率密度提升30%，成本下降20%；整星功率相對(duì)DFH-4平臺(tái)提升約30%。

(2)控制分系統(tǒng)采用“星敏感器+長(zhǎng)壽命陀螺”為主的姿態(tài)測(cè)量方案，配置4個(gè)25 N·m·s反作用輪進(jìn)行衛(wèi)星姿態(tài)控制，姿態(tài)精度由DFH-4平臺(tái)的0.06°提升為0.04°。

(3)推進(jìn)系統(tǒng)采用化學(xué)推進(jìn)和電推進(jìn)結(jié)合的混合推進(jìn)方式，化學(xué)推進(jìn)分系統(tǒng)用于軌道抬升、東西位?？刂萍白藨B(tài)控制；電推進(jìn)分系統(tǒng)基于蘭州空間物理研究所研制的200 mm型離子推力器(LIPS-200)進(jìn)行設(shè)計(jì)，混合推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用使得有效載荷質(zhì)量相對(duì)東四平臺(tái)提升50%，同時(shí)電推力器的小推力特點(diǎn)顯著地提高了南北位?？刂破陂g姿態(tài)穩(wěn)定性。

(4)測(cè)控分系統(tǒng)采用統(tǒng)一C頻段(UCB)測(cè)控系統(tǒng)測(cè)控體制，在全生命期提供全向覆蓋測(cè)控通道，采用一體化應(yīng)答機(jī)、遙測(cè)遙控單元等小型化、輕量化新研產(chǎn)品。

(5)綜合電子分系統(tǒng)以一臺(tái)中心計(jì)算機(jī)為核心，通過(guò)1553B總線構(gòu)建了一套分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為整星提供標(biāo)準(zhǔn)的總線與電氣接口，同時(shí)完成整星的統(tǒng)一控制，提升衛(wèi)星在軌自主運(yùn)行能力。

(6)結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)在DFH-4平臺(tái)基礎(chǔ)上將中心承力筒提高0.6 m，同時(shí)改進(jìn)復(fù)合材料成形設(shè)計(jì)，承載能力由5000 kg提升至6000 kg。

(7)熱控分系統(tǒng)采用“U”形熱管實(shí)現(xiàn)通信艙南、北板及水平板熱耦合，通信艙散熱能力由DFH-4平臺(tái)4000 W提升至5600 W。

亞太6D衛(wèi)星配置Ku頻段多波束(Ka頻段饋電鏈路)載荷，總通信容量達(dá)到50 Gbit/s。配置32路Ku頻段前向轉(zhuǎn)發(fā)器和10路Ka頻段返向轉(zhuǎn)發(fā)器，共計(jì)90個(gè)用戶波束，實(shí)現(xiàn)靜止軌道可視范圍下全球覆蓋，并配置8個(gè)信關(guān)站實(shí)現(xiàn)靈活切換，單波束容量可達(dá)1 Gbit/s以上。衛(wèi)星配置3副多口徑多波束天線和1副單口徑多波束天線，配置高精度校準(zhǔn)子系統(tǒng)，信關(guān)波束與用戶波束共用反射器，實(shí)現(xiàn)了高增益、高載干比(C/I)以及寬窄波束的隔離。同時(shí)具備靈活關(guān)口站切換及功率動(dòng)態(tài)調(diào)配等能力，首次使用無(wú)法蘭波導(dǎo)、Ku頻段超寬帶多端口放大器技術(shù)(Multi-Port Amplifier，MPA)、超大規(guī)模多波束饋源陣列等諸多先進(jìn)技術(shù)。

1.2 衛(wèi)星主要技術(shù)指標(biāo)

亞太6D衛(wèi)星運(yùn)行在地球同步軌道，定點(diǎn)位置為東經(jīng)134°，衛(wèi)星主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 亞太6D衛(wèi)星主要技術(shù)指標(biāo)

2 衛(wèi)星技術(shù)特點(diǎn)

2.1 總體設(shè)計(jì)統(tǒng)籌系統(tǒng)減重及布局優(yōu)化

亞太6D衛(wèi)星有效載荷質(zhì)量為981 kg，載荷質(zhì)量約為以往通信衛(wèi)星的1.5倍；有效載荷單機(jī)數(shù)量達(dá)到1200臺(tái)以上，波導(dǎo)達(dá)1898根，同時(shí)配置4個(gè)超大規(guī)模饋源陣。圍繞上述特點(diǎn)，衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)上重點(diǎn)開展系統(tǒng)減重、布局優(yōu)化技術(shù)研究和應(yīng)用。

1)系統(tǒng)層面減重設(shè)計(jì)技術(shù)

(1)系統(tǒng)優(yōu)化電推進(jìn)以及化學(xué)推進(jìn)使用策略，電推進(jìn)完成15年壽命期南北位保控制要求，并兼顧離軌及部分轉(zhuǎn)移軌道控制；化學(xué)推進(jìn)完成轉(zhuǎn)移軌道控制、在軌東西位?？刂啤⒆藨B(tài)控制及離軌控制。確定化學(xué)推進(jìn)劑及電推進(jìn)劑裝填量，優(yōu)化化學(xué)推進(jìn)貯箱、氣瓶容積，優(yōu)化后減重38 kg。

(2)在遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火期間使用與發(fā)動(dòng)機(jī)推力同一方向的10 N推力器進(jìn)行姿態(tài)控制，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制精度要求的同時(shí)提供軌道控制推力，提高推進(jìn)劑使用效率；優(yōu)化姿態(tài)控制參數(shù)，提高位置保持期間10 N推力器工作脈寬，從而提高點(diǎn)火效率。

(3)綜合電子分系統(tǒng)應(yīng)用新型高可靠矩陣電路，解決了大容量通信載荷射頻開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路數(shù)量多、電纜網(wǎng)重的難題，實(shí)現(xiàn)了單機(jī)數(shù)量由20余臺(tái)精簡(jiǎn)到6臺(tái)，設(shè)備和電纜網(wǎng)均減重約50%。

(4)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用特制側(cè)向埋件代替?zhèn)鹘y(tǒng)角條，使整星結(jié)構(gòu)減重約10 kg。中心承力筒設(shè)計(jì)通過(guò)應(yīng)用改性氰酸脂、輕量化埋件，優(yōu)化貯箱接口等技術(shù)，大幅提升承載比，相較東四平臺(tái)承力筒承載能力提升了17%；優(yōu)化后的DFH-4E平臺(tái)結(jié)構(gòu)占比僅為6.1%，達(dá)到國(guó)際同類衛(wèi)星平臺(tái)先進(jìn)水平。

(5)轉(zhuǎn)發(fā)器返向通路中對(duì)多個(gè)波束采用了預(yù)選雙工器提前合成的方式，減少低噪聲放大器的數(shù)量。

(6)利用天線、太陽(yáng)翼等星外部件安裝適量配重，提高配重效率。

2)單機(jī)層面減重設(shè)計(jì)技術(shù)

(1)應(yīng)用無(wú)法蘭波導(dǎo)及輕量化波導(dǎo)支架，波導(dǎo)質(zhì)量從220 kg減少到170 kg；

(2)應(yīng)用輕量化單機(jī)，如新一代國(guó)產(chǎn)變頻器、輸入/輸出多工器組件、PCU-NG等；

(3)應(yīng)用饋源陣列輕量化設(shè)計(jì)，單饋源喇叭在保證電性能和力、熱性能的前提下優(yōu)化壁厚，其中Ku饋源組件的壁厚為1.2 mm，Ka饋源組件的壁厚為1.0 mm。

3)構(gòu)型布局設(shè)計(jì)

構(gòu)型布局設(shè)計(jì)中采用了多層通信艙技術(shù)、拓展通信艙技術(shù)、波導(dǎo)定位安裝技術(shù)，實(shí)踐并解決了轉(zhuǎn)發(fā)器單機(jī)布局空間、超大規(guī)模饋源陣安裝、單艙段總裝、艙段對(duì)接、超量復(fù)雜波導(dǎo)對(duì)中連接等工程困難。

(1)多層通信艙是在原“∏”形通信艙構(gòu)型中，增加一層水平板，增加單機(jī)安裝面積，該板實(shí)際安裝行波管、低噪放電源等共計(jì)59臺(tái)單機(jī)。為解決該水平單機(jī)散熱問(wèn)題，首次采用了南北板及水平板全耦合的“U”形熱管，實(shí)施效果良好，滿足整星熱設(shè)計(jì)要求。

(2)拓展通信艙是在原通信艙對(duì)地板基礎(chǔ)上，再次向外拓展出一段“∏”形艙段，用于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)器單機(jī)安裝、饋源陣安裝及支撐、通信艙散熱面擴(kuò)展等需求。拓展通信艙首次應(yīng)用，實(shí)踐并解決了擴(kuò)展段構(gòu)型優(yōu)化、超大南北面板生產(chǎn)及精度控制、拓展艙熱控設(shè)計(jì)等工程問(wèn)題，大幅提升了DFH-4E平臺(tái)的靈活性，為后續(xù)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，如圖3所示。

圖3 亞太6D衛(wèi)星通信艙模型

(3)首次采用穿艙法蘭盤的設(shè)計(jì)方式，解決超百余根的大規(guī)模穿艙波導(dǎo)固定難題，并提高了波導(dǎo)在各艙段間安裝時(shí)的定位精度；通過(guò)開展波導(dǎo)支架的地面鑒定試驗(yàn)，總結(jié)形成了無(wú)法蘭波導(dǎo)的安裝固定規(guī)范，為無(wú)法蘭波導(dǎo)在后續(xù)衛(wèi)星中的推廣應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)支撐。

2.2 有效載荷多項(xiàng)技術(shù)突破實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品能力提升

為滿足用戶針對(duì)有效載荷的要求，亞太6D衛(wèi)星有效載荷設(shè)計(jì)上應(yīng)用大量先進(jìn)技術(shù)及產(chǎn)品，確保了有效載荷各項(xiàng)指標(biāo)全面滿足用戶要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破和產(chǎn)品能力提升。有效載荷典型首次應(yīng)用技術(shù)包括：超寬帶Ku頻段MPA技術(shù)、關(guān)口站靈活切換技術(shù)、非均勻覆蓋多波束天線、超大規(guī)模高精度饋源陣、高精度波束指向控制等設(shè)計(jì)技術(shù)。

1)超寬帶Ku頻段MPA技術(shù)

為滿足用戶提出的熱點(diǎn)區(qū)域和非熱點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行功率共享，實(shí)現(xiàn)不同波束在軌功率動(dòng)態(tài)分配的需求，首次應(yīng)用Ku頻段MPA技術(shù)，實(shí)現(xiàn)星上功率共享。MPA包括輸入巴特勒(Butler)矩陣、功放環(huán)備份網(wǎng)絡(luò)和輸出Butler矩陣，如圖4所示。為保證MPA的各個(gè)通道的幅相一致性，在功率放大器環(huán)備份網(wǎng)絡(luò)中配置了移相組件。轉(zhuǎn)發(fā)器分系統(tǒng)配置2組4×4和2組2×2的Ku頻段MPA，可實(shí)現(xiàn)全部90個(gè)波束切入/切出，可同時(shí)對(duì)一半波束的功率及帶寬動(dòng)態(tài)調(diào)配。MPA技術(shù)的難點(diǎn)是Butler矩陣頻段寬度和通道幅相一致性，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)是端口隔離度。亞太6D衛(wèi)星Butler矩陣設(shè)計(jì)中采用帶寬擴(kuò)展技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了Ku頻段2.05 GHz全頻段覆蓋；采用相位匹配和調(diào)節(jié)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)360°范圍內(nèi)調(diào)整各個(gè)通道的相位，確保通道幅相一致性的要求；MPA端口隔離度測(cè)試結(jié)果優(yōu)于20 dB，達(dá)到國(guó)際同等水平。

圖4 亞太6D衛(wèi)星MPA(4×4)原理圖

2)關(guān)口站靈活切換技術(shù)

傳統(tǒng)的多波束衛(wèi)星關(guān)口站管理波束為固定的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式，缺乏靈活性。亞太6D衛(wèi)星在設(shè)計(jì)中采用了靈活切換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各關(guān)口站信號(hào)的合路和分路，滿足各關(guān)口站靈活切換，滿足了降低業(yè)務(wù)不確定的風(fēng)險(xiǎn)、提高用戶使用靈活性、管理統(tǒng)一性等多方面要求。亞太6D衛(wèi)星面向8個(gè)關(guān)口站設(shè)計(jì)5種切換方式，共計(jì)20余種工作模式，可以實(shí)現(xiàn)所有主用關(guān)口站單獨(dú)上行、國(guó)內(nèi)站與備份關(guān)口站切換或者合成上行、境外站與國(guó)內(nèi)站切換或者分路/合成、單關(guān)口站在不同極化方式切換/合成功能。同時(shí)根據(jù)用戶需求，多個(gè)波束共用一個(gè)行波管放大器，一定程度上可以將重點(diǎn)區(qū)域和非重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行功率共享，輔以MPA技術(shù)，確保不同用戶波束的帶寬具有動(dòng)態(tài)分配能力。

3)無(wú)法蘭波導(dǎo)技術(shù)

傳統(tǒng)通信衛(wèi)星采用帶有法蘭的波導(dǎo)，波導(dǎo)組件數(shù)量不超過(guò)200根，波導(dǎo)層數(shù)一般為一層，組件之間各段波導(dǎo)通過(guò)法蘭連接。亞太6D衛(wèi)星波導(dǎo)組件數(shù)量達(dá)到745根，同時(shí)層數(shù)最大增加到8層。傳統(tǒng)有法蘭波導(dǎo)無(wú)法滿足布局空間、操作空間及質(zhì)量的限制，因此開展無(wú)法蘭及減高波導(dǎo)技術(shù)攻關(guān)和應(yīng)用。針對(duì)無(wú)法蘭波導(dǎo)開展了設(shè)計(jì)工藝鑒定、波導(dǎo)支撐驗(yàn)證、熱變形仿真及驗(yàn)證、三維激光測(cè)量?jī)x檢驗(yàn)、三維總裝等專項(xiàng)工作，解決了無(wú)法蘭波導(dǎo)焊接、鍍銀、加工精度、支撐、驗(yàn)收、安裝以及調(diào)整等技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)機(jī)械及電性能指標(biāo)符合、復(fù)雜波導(dǎo)布局及安裝，提升波導(dǎo)精度，提高波導(dǎo)成品率，相對(duì)傳統(tǒng)波導(dǎo)減重50 kg，為后續(xù)多波束衛(wèi)星研制奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。圖5給出亞太6D衛(wèi)星無(wú)法蘭波導(dǎo)裝配實(shí)際結(jié)果。

圖5 亞太6D衛(wèi)星波導(dǎo)裝配實(shí)物

4)非均勻覆蓋多波束天線技術(shù)

傳統(tǒng)多波束衛(wèi)星采用等寬度波束技術(shù)，適用于較小的覆蓋區(qū)和各波束容量需求相近的情況。亞太6D衛(wèi)星為實(shí)現(xiàn)全球可視范圍覆蓋，同時(shí)根據(jù)用戶在各區(qū)域容量需求的差異化分析結(jié)果，創(chuàng)新采用非均勻覆蓋多波束天線技術(shù)，利用1°、1.3°、1.4°、2.5°和3.0°五種波束寬度共90個(gè)用戶波束實(shí)現(xiàn)對(duì)全球視場(chǎng)的高效率、高性能覆蓋，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星載荷資源的最高效率分配，如圖6所示。具體實(shí)現(xiàn)方案為：采用三口徑非均勻覆蓋多波束天線實(shí)現(xiàn)了1°、1.3°和1.4°波束，通過(guò)高效率的喇叭設(shè)計(jì)對(duì)初始方向圖進(jìn)行賦形，在同一反射器口徑上實(shí)現(xiàn)不同波束寬度的最優(yōu)性能；對(duì)于2.5°和3.0°的超大波束，采用單口徑非均勻賦形多波束天線方案，通過(guò)多波束多目標(biāo)反射器賦形技術(shù)，對(duì)每個(gè)波束的增益、交叉極化隔離度和C/I進(jìn)行優(yōu)化，保證超大覆蓋區(qū)內(nèi)多波束的高性能覆蓋。

圖6 亞太6D衛(wèi)星波束覆蓋

5)超大規(guī)模高精度饋源陣

亞太6D衛(wèi)星單個(gè)饋源陣平均包含約25個(gè)饋源喇叭，如圖7所示。饋源陣規(guī)模遠(yuǎn)超以往型號(hào)，在規(guī)模擴(kuò)大的同時(shí)還要保證各饋源喇叭的精度，在饋源陣設(shè)計(jì)中開展了饋源組件小型化設(shè)計(jì)、低無(wú)源互調(diào)(PIM)(3階)設(shè)計(jì)、多饋源定位、熱變形自適應(yīng)等多類型技術(shù)攻關(guān)和應(yīng)用。其中Ka頻段小型化四端口饋源組件的研制，能夠嵌套在Ku饋源陣列縫隙中，節(jié)省一副饋電天線的空間需求和質(zhì)量需求，實(shí)現(xiàn)Ka頻段0.3°饋電波束的覆蓋。光壁賦形喇叭法蘭外圓的圓柱段采用間隙配合裝配于饋源陣列安裝板上，通過(guò)安裝板的機(jī)械加工精度來(lái)保證饋源組件安裝相對(duì)位置精度，既方便安裝，也能滿足多波束相對(duì)位置的高精度需求。通過(guò)將饋源安裝板的材料確定為具有低熱膨脹特點(diǎn)的鈦合金，以及在饋源安裝板與復(fù)材支撐塔的安裝界面上采用游離設(shè)計(jì)保證不同材料之間的熱相容性，使得在溫度變化的情況下能夠很好地保證饋源喇叭之間位置精度。

圖7 亞太6D衛(wèi)星多波束饋源陣列

6)高精度波束指向控制技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)多波束在軌高指向精度以滿足用戶的高性能指標(biāo)要求，在以往衛(wèi)星基礎(chǔ)上，亞太6D衛(wèi)星天線設(shè)計(jì)從反射器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)和主動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開展多維度技術(shù)提升。在反射器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面，為減小反射器熱變形對(duì)于天線指向誤差的影響，采用圓環(huán)背筋與反射器粘接的形式弱化熱應(yīng)力傳導(dǎo)，展開臂與反射器背環(huán)連接選用鈦合金組件，以得到更好的熱匹配性；在熱設(shè)計(jì)層面，采用10層的多層組件對(duì)天線展開臂進(jìn)行包覆，縮小了展開臂的溫度區(qū)間；在主動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，采用校準(zhǔn)站和饋電站合并的設(shè)計(jì)理念，在不增加用戶建站成本的前提下，采用多波束閉環(huán)校準(zhǔn)系統(tǒng)通過(guò)電信號(hào)完成指向誤差的定位并驅(qū)動(dòng)高精度機(jī)構(gòu)完成波束的指向調(diào)整，消除了天線、平臺(tái)和姿態(tài)控制等多方面的常值誤差，保證了最終用戶的高性能穩(wěn)定使用需求。

2.3 混合推進(jìn)技術(shù)兼具大推力和高比沖特點(diǎn)

亞太6D衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)包括化學(xué)推進(jìn)和電推進(jìn)，兼具化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)大推力、電推進(jìn)系統(tǒng)高比沖的優(yōu)點(diǎn)。化學(xué)推進(jìn)分系統(tǒng)為整星提供變軌、定點(diǎn)捕獲、東西位置保持和姿態(tài)調(diào)整的推力及力矩；電推進(jìn)分系統(tǒng)則利用其高比沖的優(yōu)點(diǎn)為衛(wèi)星提供南北位置保持所需推力，大幅減少推進(jìn)劑應(yīng)用。混合推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上針對(duì)部分功能進(jìn)行了互補(bǔ)，化學(xué)推進(jìn)及電推進(jìn)均可以完成離軌操作：設(shè)計(jì)雙電推力器點(diǎn)火模式，具備部分轉(zhuǎn)移軌道控制能力；化學(xué)推進(jìn)同樣具備南北位置保持控制能力。

離子電推力器是國(guó)際電推進(jìn)應(yīng)用領(lǐng)域的主流產(chǎn)品之一，經(jīng)過(guò)30余年發(fā)展，1997年正式實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用，當(dāng)前廣泛應(yīng)用于軌道位置保持、深空探測(cè)主推進(jìn)、無(wú)拖曳控制等[8]，但在國(guó)內(nèi)將離子電推力器作為全生命期南北位置保持的尚無(wú)先例。亞太6D衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了LIPS200離子推力器在軌首次全壽命商業(yè)應(yīng)用，離子推力器具有高比沖、小推力的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)比沖為3000 s，是化學(xué)推力器的10倍，用于南北位保控制推進(jìn)劑相對(duì)全化學(xué)推進(jìn)減少約600 kg，有效載荷質(zhì)量可增加約450 kg。亞太6D衛(wèi)星離子推力器布局采用同側(cè)一主一備方式，4臺(tái)離子推力器軸線全部在整星YOZ坐標(biāo)平面內(nèi)，整個(gè)南北位置保持工作方式如圖8所示。亞太6D衛(wèi)星在研制過(guò)程中，進(jìn)一步加強(qiáng)和完善了電推進(jìn)系統(tǒng)可靠性，包括：調(diào)整電源處理單元屏柵模塊數(shù)量，降低屏柵電壓；電推力器完成地面模擬真空環(huán)境下14 649 h點(diǎn)火壽命試驗(yàn)、電源處理單元完成等效24 625 h加速壽命試驗(yàn)，提升了系統(tǒng)的整體可靠度。

圖8 亞太6D衛(wèi)星電推進(jìn)南北位置保持工作方式

2.4 高效載荷測(cè)試技術(shù)優(yōu)化整星研制流程

亞太6D衛(wèi)星有效載荷設(shè)計(jì)同樣給測(cè)試帶來(lái)復(fù)雜性，轉(zhuǎn)發(fā)器及天線測(cè)試工作量為過(guò)去民商用通信衛(wèi)星的總和。在項(xiàng)目研制中圍繞提升測(cè)試效率開展了專題技術(shù)研究，包括整星測(cè)試流程優(yōu)化、天線緊縮廠測(cè)試優(yōu)化、轉(zhuǎn)發(fā)器測(cè)試項(xiàng)目?jī)?yōu)化、MPA測(cè)試技術(shù)研究、新型測(cè)試設(shè)備研制等。

經(jīng)過(guò)對(duì)布局特點(diǎn)、測(cè)試需求、總裝操作難點(diǎn)分析，在整星技術(shù)流程中將傳統(tǒng)的“先力學(xué)試驗(yàn)、后熱試驗(yàn)”的順序調(diào)整為“先熱試驗(yàn)、后力學(xué)試驗(yàn)”的順序。通過(guò)該調(diào)整，一方面減少了星上天線、波導(dǎo)、測(cè)試附件的重復(fù)拆裝，可節(jié)約周期近一個(gè)月；另一方面，解決天線研制周期長(zhǎng)的困難，避免發(fā)生整星力學(xué)試驗(yàn)前等待天線的情況。將天線緊縮廠測(cè)試工作前移，在天線交付前利用模擬衛(wèi)星工裝安裝天線，完成全部波束的測(cè)試，在后續(xù)天線電性星及正樣星階段，抽選部分波束進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，抽選原則考慮波束寬度、饋源組件、關(guān)口站、轉(zhuǎn)發(fā)器通道等因素，減少整星主線時(shí)間近一個(gè)月。轉(zhuǎn)發(fā)器測(cè)試中首先優(yōu)化測(cè)試配置，創(chuàng)新性提出將單機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)與整星階段主、備份鏈路測(cè)試結(jié)果相結(jié)合，利用鏈路半物理仿真給出其余所有交叉連接通道性能，在保證測(cè)試覆蓋性的前提下將測(cè)試配置數(shù)量由3000個(gè)以上優(yōu)化至1200個(gè)以下，在測(cè)試過(guò)程中挑選部分交叉通道進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果一致。針對(duì)Ku超寬頻帶MPA測(cè)試，開展了MPA子系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)、桌面聯(lián)試驗(yàn)證以及轉(zhuǎn)發(fā)器分系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證，創(chuàng)新性地提出MPA子系統(tǒng)幅相一致性整體配平方法，大大提升了超寬帶MPA子系統(tǒng)幅相一致性配平效率。

為提高轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)測(cè)試效率和解決熱試驗(yàn)水冷回路數(shù)量限制問(wèn)題，亞太6D衛(wèi)星對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)器測(cè)試設(shè)備也進(jìn)行技術(shù)革命，主要包括以下幾個(gè)方面：①研制了“風(fēng)水冷一體式大功率微波負(fù)載”，解決傳統(tǒng)負(fù)載在常溫及熱真空環(huán)境下不能通用的問(wèn)題，減少更換負(fù)載的總裝工作。在研制過(guò)程中，總結(jié)提煉出的腔體一次成型、吸收體與腔體緊密配合等改進(jìn)設(shè)計(jì)，解決了真空環(huán)境下負(fù)載傳導(dǎo)散熱熱阻過(guò)高問(wèn)題，取得Ku、Ka頻段衛(wèi)星大功率測(cè)試負(fù)載自主研制技術(shù)重大突破。②研制了“通用化射頻測(cè)試前端組件”，高效解決多端口并行測(cè)試的國(guó)內(nèi)難題和91路負(fù)載星上部裝和熱試驗(yàn)水冷回路受限等問(wèn)題。③研制了“超寬頻帶測(cè)試探頭+多通道測(cè)試”的高效測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試效率相比傳統(tǒng)測(cè)試提升5倍，為后續(xù)衛(wèi)星測(cè)試提供解決方案。

2.5 在軌自主運(yùn)行管理技術(shù)提高可靠性和穩(wěn)定性

隨著通信衛(wèi)星設(shè)計(jì)復(fù)雜層度增加，在軌操作任務(wù)同樣變得復(fù)雜且易出錯(cuò)，在近10年在軌衛(wèi)星故障中，發(fā)生過(guò)多起因地面操作不當(dāng)引起的運(yùn)行故障。亞太6D衛(wèi)星在以往型號(hào)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展在軌自主運(yùn)行管理技術(shù)研究，提高在軌運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性。

衛(wèi)星采用一臺(tái)中心管理單元為核心的分布式系統(tǒng)，突破了綜合電子系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、在軌智能化故障診斷與處理、總線設(shè)計(jì)及接口芯片開發(fā)、小型化電子設(shè)備研制等關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)現(xiàn)星上多源數(shù)據(jù)融合、故障檢測(cè)與自主隔離恢復(fù)、發(fā)射至太陽(yáng)翼展開的全程自主飛行控制、20項(xiàng)在軌軟件定義等功能。進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)光照與地影季自主識(shí)別及狀態(tài)設(shè)置、自主遠(yuǎn)地點(diǎn)點(diǎn)火、自主位保、自主太陽(yáng)翼對(duì)日跟蹤及精度修正、全自主溫度控制、自主電推進(jìn)矢量機(jī)構(gòu)指向調(diào)整等功能。

3 在軌使用效能

亞太6D衛(wèi)星自在軌交付以來(lái)，衛(wèi)星平臺(tái)及有效載荷工作正常，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足用戶要求，關(guān)鍵技術(shù)得到驗(yàn)證，關(guān)鍵指標(biāo)經(jīng)在軌驗(yàn)證全面滿足表1要求。部分在軌驗(yàn)證結(jié)果如下：

(1)太陽(yáng)翼最大輸出功率達(dá)到16 000 W，最大負(fù)載功率達(dá)到9500 W；

(2)穩(wěn)態(tài)下姿態(tài)精度優(yōu)于0.02°，位?？刂破陂g姿態(tài)精度優(yōu)于0.03°；

(3)電推力器在軌累計(jì)點(diǎn)火時(shí)間已超過(guò)1600 h，實(shí)測(cè)比沖為3119 s；

(4)衛(wèi)星地影期/光照期切換、位置保持控制、溫度控制、太陽(yáng)翼對(duì)日跟蹤等自主功能正確；

(5)單次校準(zhǔn)下天線在軌指向精度優(yōu)于0.07°。

在衛(wèi)星應(yīng)用方面，全部波束完成在軌測(cè)試，國(guó)內(nèi)波束全部開通應(yīng)用。應(yīng)用于嫦娥5號(hào)返回、神舟12號(hào)飛船發(fā)射、抗洪救災(zāi)等直播業(yè)務(wù)；完成航運(yùn)、直升機(jī)、高速公路、遠(yuǎn)洋船只等多維形式通信驗(yàn)證，其中東航航班應(yīng)用亞太6D衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)空中互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，系統(tǒng)速度最高超過(guò)220 Mbit/s；使用某國(guó)產(chǎn)基帶系統(tǒng)在1號(hào)波束下進(jìn)行大帶寬極速測(cè)試，前向速率達(dá)到280 Mbit/s，返向速率達(dá)到195 Mbit/s，刷新了國(guó)內(nèi)衛(wèi)星通信行業(yè)的最高回傳速率記錄；完成了跨越7個(gè)波束共計(jì)6000 km的車載移動(dòng)通信測(cè)試，移動(dòng)中上下行可達(dá)(11.7 Mbit/s)/(46 Mbit/s)，與5G通信速率接近。這些測(cè)試及應(yīng)用效果均體現(xiàn)出亞太6D衛(wèi)星高性能、大覆蓋的特點(diǎn)。

4 發(fā)展建議

亞太6D衛(wèi)星的成功發(fā)射及在軌應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)中大容量通信衛(wèi)星平臺(tái)和高通量有效載荷的雙突破，為后續(xù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。近年來(lái)，國(guó)際上高通量衛(wèi)星的發(fā)展炙手可熱，同時(shí)國(guó)內(nèi)在軍、民、商用等領(lǐng)域?qū)Ω咄啃l(wèi)星的需求也不斷增大，國(guó)際高通量衛(wèi)星發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在：①通信容量需求持續(xù)增加，單星容量達(dá)到100 Gbit/s～1 Tbit/s以上；②靈活性需求成為基本配置，具備實(shí)現(xiàn)頻率、功率、覆蓋區(qū)、關(guān)口站等靈活性；③研制周期短，典型研制周期要求為24個(gè)月在軌交付。圍繞上述發(fā)展趨勢(shì)，建議我國(guó)高通量衛(wèi)星后續(xù)在以下幾個(gè)方面開展工作：

(1)進(jìn)一步提升平臺(tái)承載能力。提高整星功率輸出能力，滿足20 000 W的載荷功率需求，其途徑主要是開展太陽(yáng)翼、太陽(yáng)翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、電源管理裝置、蓄電池的技術(shù)創(chuàng)新和改進(jìn)；提高載荷承重能力，滿足2000 kg有效載荷質(zhì)量需求，其途徑主要是開展高比沖高推力電推力器研制以及系統(tǒng)使用策略；提高整星布局能力，滿足單機(jī)布局面積、大型天線安裝的需求，其途徑主要是優(yōu)化構(gòu)型、加強(qiáng)內(nèi)部空間有效利用；提高整星散熱能力，滿足10 000 W以上總熱耗以及高集中熱耗單機(jī)的散熱需求，其途徑主要是應(yīng)用新型熱控技術(shù)、產(chǎn)品；提高整星姿態(tài)精度，滿足0.2°窄波束的指向精度要求，其途徑主要是提升敏感器精度、應(yīng)用小推力姿態(tài)控制推力器、與天線進(jìn)行統(tǒng)籌設(shè)計(jì)等。

(2)進(jìn)一步提升有效載荷容量和靈活性。通信容量實(shí)現(xiàn)800 Gbit/s以上，其途徑主要是采用更高帶寬頻率、更多波束數(shù)量、更小波束寬度；靈活性主要面向關(guān)口站、覆蓋區(qū)、功率/帶寬以及組網(wǎng)方式的靈活實(shí)現(xiàn)，其途徑主要是應(yīng)用數(shù)字透明處理器(Digital Transparent Processor，DTP)系統(tǒng)。

(3)進(jìn)一步提升整星總裝測(cè)試能力和效率。高通量衛(wèi)星設(shè)計(jì)使得單機(jī)數(shù)量、測(cè)試配置數(shù)量、測(cè)試難度急劇提升，同時(shí)衛(wèi)星研制周期成為國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，傳統(tǒng)的測(cè)試設(shè)備、手段和方式均無(wú)法滿足未來(lái)的需求，解決問(wèn)題的主要途徑是多艙段并行總裝測(cè)試、提高衛(wèi)星容錯(cuò)設(shè)計(jì)能力、應(yīng)用自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)、強(qiáng)化單機(jī)測(cè)試有效性、優(yōu)化整星測(cè)試項(xiàng)目等。

5 結(jié)束語(yǔ)

亞太6D衛(wèi)星的設(shè)計(jì)能力達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，是國(guó)內(nèi)研制首顆全球高通量寬帶衛(wèi)星，是全球首顆為移動(dòng)業(yè)務(wù)定制的高通量衛(wèi)星，也是國(guó)內(nèi)首顆采用Ku/Ka頻段的高通量衛(wèi)星，是我國(guó)目前通信容量最大、波束最多、輸出功率最大、載荷設(shè)計(jì)程度最復(fù)雜的民商用通信衛(wèi)星，代表了我國(guó)高通量通信衛(wèi)星研制能力達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。亞太6D衛(wèi)星的成功發(fā)射、定點(diǎn)、交付以及應(yīng)用，具有很大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。體現(xiàn)了我國(guó)通信衛(wèi)星領(lǐng)域技術(shù)能力，無(wú)論平臺(tái)還是載荷均達(dá)到國(guó)內(nèi)一流并與國(guó)際一流進(jìn)一步接軌。全面推動(dòng)?xùn)|方紅四號(hào)增強(qiáng)型平臺(tái)的應(yīng)用，為我國(guó)下一代軍事、民商用衛(wèi)星的發(fā)展需求以及后續(xù)數(shù)十顆基于該平臺(tái)的衛(wèi)星打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。