4月12日19时04分,我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭成功发射实践十三号卫星。这是我国首次在高轨卫星上使用电推进(无需消耗化学推进剂)完成全寿命期内南北位置保持任务,也是首次应用Ka频段多波束宽带通信系统。

一颗卫星,多个“首次”头衔。实践十三号究竟新在哪里?且看《经济日报》记者在西昌发射中心发回的报道。


“新能源”卫星 闪耀浩瀚宇宙

2013年4月,经国务院批准,东方红三号B平台高轨技术试验卫星工程正式立项,并命名为实践十三号卫星工程。“作为我国首颗电推进工程化应用的卫星,实践十三号卫星推进系统选用氙离子推力器,无需消耗化学推进剂便可完成15年寿命期内的南北位置保持任务。”国防科工局系统工程司副司长赵坚介绍说,推进系统之于卫星,就如同发动机之于汽车,卫星想要在诸多因素干扰下稳定运行在预设轨道中,必须依靠推进系统提供动力。以往大多数卫星都是利用化学推进系统进行位置保持,而携带大量化学推进剂不仅限制了卫星的性能,更增加了运载火箭的负荷。

单位推进剂量产生的冲量叫做比冲,比冲越高表明在保持位置时所消耗的推进剂越少。而配备离子电推进系统的实践十三号正具备了高比冲的特点,这大大减少了其推进剂的携带量。“之前一颗卫星需要带3吨左右的化学推进剂,占总重量的60%,十分笨拙,其中南北位置保持所需的推进剂超过600公斤,而使用电推进的实践十三号卫星只需带100公斤的氙气就可以顺利完成南北位置保持任务。”航天科技集团公司五院通信卫星事业部部长周志成告诉记者,电推进系统的推进效率十倍以上于化学推进系统,“瘦身”成功后的实践十三号有效载荷显著提升,威力不容小觑。

电推进系统的工作原理是利用高电压电离推进剂并加速喷出产生推力。“电推进听起来简单,但实施过程中需要突破许多技术瓶颈、攻克多重实验难关。”周志成透露,航科五院将整颗卫星放进真空罐进行电推进全系统匹配实验,在1000伏的电压下电离氙气,再通过加速栅极喷射出来。

“过去,在卫星中使用100伏的电压,这在国际上都是一项技术难题。而现在要在真空、等离子的环境中,完成1000伏电压下的长时间工作,这对很多国内元器件厂家来说都是一种前所未有的挑战。”周志成说。

考虑到实践十三号卫星是我国首颗采用离子电推进技术的高轨卫星,一套不同于传统化学推进技术的在轨卫星测控管理系统也应运而生。此系统采用双站测控的技术方案,一方面系统可靠性得到充分保证,更重要的是将满足测轨精度的时间周期大大缩短。与此同时,经过分析计算和仿真测试,该策略完全能够满足使用电推技术的在轨运行管理要求,在保证和提高在轨运行寿命的同时,大大降低了卫星整星重量,使之可以更加灵活的实现通信卫星的载荷配置。

此外,实践十三号卫星是东三B平台全配置首发星,该平台是我国研制的最新一代中等容量通信卫星平台,采用了综合电子、电推进、高效热控、锂离子蓄电池、FDIR等先进技术。

“这些技术得以实现,是兰州空间技术物理研究所坚持不懈四十年的奋斗成果、是一代又一代航天人前赴后继、矢志不渝的骄人战绩。”周志成激动地说,这是一项划时代的技术,标志着中国电推进技术已进入全面应用阶段,并达到与国际领先水平比肩齐飞的层面。


  “全天候”宽带 通信无处不在

经过多年的建设和发展,无线网络信号已经覆盖国内所有城市和主要乡镇。但是,我国幅员辽阔、地形复杂,在山地、沙漠、草原、海洋等地方,信息传递仍属于盲区;另一方面,西部地区宽带接入设施落后、跨国企业陆上铺设公众网络困难、网络运营商无法拥有自主可控的电信服务等网络障碍严重阻碍了我国信息化进程的推进。而打破这一僵局的关键在于寻求新手段实施网络基础建设,高通量卫星正是在这样的背景下发展起来的。

“实践十三号是我国首颗高通量通信卫星(HTS),首次搭载了Ka频段通信载荷,卫星通信总容量达20Gbps,超过了我国之前研制的所有通信卫星容量的总和。”周志成介绍说,卫星通过26个用户点波束和3个馈电波束,能够覆盖我国除西北、东北的大部分陆地和近海约200km海域,并凭借其快捷组网、高速接入、容量大、成本低等优势,可以随时随地将宽带通信的“触角”延伸到那些地面无线网络信号覆盖不到或光缆无法接入的地方。

卫星可支持地面用户最高150Mbps的下载速率和12Mbps的上行速率,也就是说,不管你是身在偏远的小山村,还是在广袤无垠的大草原,是在远离喧嚣的海岛上“独钓寒江雪”,还是在耸入云端的高峰上“一览众山小”,都可以在卫星的帮助下实现不间断的高速上网冲浪,切身感受到宽带通信的无处不在、无时不待。

此外,实践十三号卫星采用天地一体化设计理念,将助力运营商实现无缝“动中通”。所谓“动中通”,是指卫星通过多波束无缝切换、终端自动跟踪捕获等技术,为车辆、轮船、飞机等移动载体在运动过程中提供通信保障。

据实践十三号卫星运控和试验应用系统总指挥唐左向介绍,拥有多波束设计的实践十三号与传统C、Ku频段大覆盖卫星的工作原理有所区别。大覆盖卫星仅靠一根天线就可以完成整个区域内的信号传递,而多波束卫星则需在不同波束之间反复切换。“当一架飞机在空中穿越不同国家时,其波束、极化、频率、路由都在发生改变,要想使得机舱内信号不中断,必须实时地对这些变化进行相应切换。这一技术已经被我们成功突破,并应用于实践十三号卫星内。”唐左向说。

据统计,我国平均每天铁路客运量高达760万人次,飞机乘客超过120万人。但乘客的上网体验却非常不佳:高铁列车上手机信号时断时续,游轮驶离港口便成了信息孤岛,而飞机机舱内上网更是天方夜谭……在这些高速穿梭在不同区域的交通工具内,信号切换过于频繁,这让以往的地面通讯手段爱莫能助。而这些问题在高通量卫星实践十三号面前都迎刃而解,多波束无缝切换技术与终端自动跟踪捕获功能的完美配合,将时时刻刻为乘客联通世界,彻底改善上网体验。

“实践十三号的成功发射标志着我国卫星通信从此进入高通量时代,真正意义上实现了卫星通信的宽带应用,填补了我国在该领域的技术空白。”赵坚自豪地说道。


  “小灵快”终端 助力抢险救灾
  据了解,我国有超过6000万人参与徒步、登山、越野、骑行、海钓、自驾游等户外项目,但因为户外地区通信信号差甚至完全没有信号,每月有近千起迷路或失联事件发生。更为重要的是,当地震、海啸、洪水、泥石流等自然灾害发生时,一旦地面固定和移动通信设施遭到损毁,陷于瘫痪时,受灾地区人民就无法与外界取得联系,不能及时、快速、准确地传递灾情信息,导致不可挽回的生命和财产损失。

“2008年5.12汶川大地震严重暴露出我国应急通信中的各项薄弱环节。”赵坚表示,由于缺乏独立自主的移动通讯手段,致使有关部门无法在第一时间获取灾区信息,抗震救灾行动很难及时展开。从那以后,国家就组织相关部门进行科学论证、精准研判、痛下决心,一定要建立起具有足够抗干扰能力的应急通讯系统。

实践十三号卫星采用了频率更高的Ka频段通信,其优势十分明显:更多的频段资源和更大的系统容量,使得高清视频实时传送更加快速;用户终端天线尺寸的有效缩小,方便了装备和携带;无需单独建网,提高了性价比,使用起来更加灵敏轻巧。因此,它既适合政府和单位的全方位通信保障需求,以及特殊行业应急通信保障,如石油、电力、交通、通信运营企业等,也适合于个人携带使用需求,保障户外出行安全。

无论是户外游客还是受灾民众配备了这种用户终端后,可以随时与卫星建立语音、数据和视频的传输,把途中或灾区的情况第一时间传递出去,为开展救援开辟一条“绿色通道”,将损失降至最小。

“通信频率越高,对天线的形变精度要求就越苛刻。”周志成解释说,“Ka频段属于高频通信,具有26个用户波束。波束之间的隔离以及高精确指向决定了两米多的天线,形变精度要控制在0.1毫米这个量级上。且这样的形变量要在太阳光照、轨道变化、宇宙射线等环境因素的影响下,保持15年的全寿命周期。”

实践十三号卫星将引领我国高通量卫星通信技术发展,实现我国卫星平台技术水平跨越式提升,推动我国商用卫星国产化进程,对我国后续卫星载荷技术发展起到至关重要的作用。