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通天盖地45年·中国卫星通信事业发展的伟大征程

2020-11-26 / 阅读次数:354

  2020年11月12日23时59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天通一号02星。天通一号02星是我国“天通一号” 卫星移动通信系统的第二颗卫星,基于东方红四号平台,主要为我国周边海域提供稳定、可靠的卫星移动通信服务。

  后续,天通一号还将发射03星。


  天通一号02星成功发射

  穿越时空的长廊,对于全人类来说,卫星通信是从科幻走向现实的绝妙构想;对于中国人来说,卫星通信是从无到有,从追赶到领先的伟大历程。

  回望我国卫星通信事业发展的征程,从“331工程”立项到今天,中国卫星通信事业“通天盖地”的历程已经走过45年。这45年,是一部敢于在一穷二白中战天斗地的波澜壮阔斗争史,是一部凝聚意志、敢于较真碰硬的尖端科技攀登史,更是一部中国航天人“特别能吃苦、特别能战斗、特别能攻关、特别能奉献”的精神史诗。

  01卫星通信:从科幻走向现实——人类远距离通信方式的绝妙构想

  时光回溯到1945年,英国。当时,一位年仅28岁的英军空军雷达技术人员,在期刊《无线电世界》上发表了一篇具有历史意义的科学设想论文:《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 World-wide Coverage?)

  文中,作者首先从当时的通信情况出发,分析了实现全球范围的全天候通信和电视广播的必要性,继而首先提出了卫星通信的可行性:如果人工发射卫星到地球轨道上,就可以将它作为接收和反射地面信号的中间站,实现将广播和电视信号远距离通信和跨海通信的能力。为此他建议采用三颗相互等距离间隔的同步卫星,组成除两极以外的全球通信网,并提出了可以利用卫星同时向几个地区转播广播节目的设想。

  这篇论文首次用清晰的术语解释同步卫星系统在通信中的运用,在当时的学术领域引起过不小的反响。他对卫星通讯的描写与实际发展惊人的一致,几十年后,这位全球卫星通信理论的奠定人,成了当今最著名的太空题材科幻作家。他便是科幻大师阿瑟·克拉克(1917—2008),地球同步卫星轨道因此被命名为“克拉克轨道”。

  全球卫星通信理论的奠定人——阿瑟·克拉克

  1961年7月10日,美国发射了第一颗商业通信卫星“电星1号”。它成功地进行了横跨大西洋的美国与英法两国的首次电视中继转播、照片传真和电话通信试验,验证了阿瑟克拉克的绝妙构想,卫星通信这种远距离通信方式开始大范围进入人类社会生活各个方面。

  02中国卫星通信事业的伟大起步——代号“331工程”

  我国为什么一定要发展卫星通信事业呢?我们这样一个国土广袤、地形复杂的国家,对于通信卫星的急切需求是天然存在的。我国边疆、海岛、山区、沙漠、森林等地区的通信,无论用什么样的传统手段,通信质量和成本都是难以控制的。相较地面明线、海底电缆、光缆、中长短波、微波中继等通信方式,卫星通信容量大,信号质量好,不受地形限制,成本还相对低廉,具有明显的优势,是解决这些地区通信问题的重大基础设施。

  毛主席亲自批准了《关于发展我国通信卫星问题的报告》

  早在第一颗人造卫星东方红一号发射成功后,我国就已经提出了利用卫星进行通信的要求,卫星研制部门也展开了相应的预先研究。1974年5月19日,一封信递到了周恩来总理的面前,信中详细阐述了中国发展通信卫星的重要意义,建议由国家统一组织安排中国的通信卫星研制问题。周总理迅速作出批示:“请计委、国防科委尽快将卫星通信的制造、协作和使用方针定下来,然后再按计划分工做出规划,督促进行。”

  “5·19”批示后,围绕中国卫星通信的相关工作开始迅速开展。1975年3月31日,中央军委召开第八次常委会,会上批准了国家计委和国防科委上报的《关于发展中国通信卫星问题的报告》,并呈报毛主席批准。至此,中国发展通信卫星这一工程终于落地,由于报告被签署的日期是3月31日,因此,“331工程”也就成了中国通信卫星工程的代号

  就这样,331工程立项了,卫星、运载火箭、发射场、测控、地面通信站五大系统的建设全面起步。同步通信卫星要上到36000公里高度的赤道上空去,这是个对中国人、中国卫星来说从来没有到过的高度,雄关漫道,路远且阻,这必然是一个伟大的征程。

  03开创“通天盖地”历史的“东方红二号”卫星:中国第一代通信卫星

  从1975年3月,我国通信卫星研制经历了三大阶段:至1977年3月为方案初步研制阶段;1977年3月至1979年11月为初样研制阶段;1979年11月至1984年4月为正样卫星研制和发射阶段。

  1984年1月29日,我国利用“长征三号”火箭发射了一颗通信卫星试验星,可惜的是,卫星并没有进入预订轨道。但这次任务验证了卫星变轨飞行、姿态控制、轨道控制和精度控制系统可靠性,证明“东方红二号”通信卫星设计理念的正确性,并验证了各设计数据。

  1984年4月8日,我国在西昌卫星发射中心由长征三号火箭成功发射了第一颗静止轨道试验通信卫星——“东方红”二号,使中国成为世界上第五个自行发射地球静止轨道通信卫星的国家。“东方红”二号卫星由中国空间技术研究院研制,主体为圆柱形,高3.6米,直径2.1米,起飞重量达900千克(有效载荷为461千克)。星上有2个C波段覆球波束天线,还有遥控全向天线和遥测全向天线,卫星平台采取了经过在轨飞行验证的双自旋稳定方式,保证射频功率16W的覆球波束通信天线始终保持对地定向,可在每天24小时内进行全天候通信,包括电话、电视和广播等各项通信试验,开始了用我国用自己的通信卫星进行卫星通信的历史,迈出了中国通信卫星的第一步。

  东方红二号甲实用通信广播卫星

  该卫星能覆盖中国全境及周围一些地区,其设计寿命为4.5年。通过“东方红”二号,一举实现了覆盖全国的信号传输,解决了军用远距离通信和远洋船只的通信问题,彻底改变了边远地区通信落后的状况。

  1984年4月18日,党中央、国务院、中央军委向全体参试人员发出贺电,对我国第一颗通信卫星发射成功表示热烈祝贺,希望全体参试人员认真总结经验,戒骄戒躁,再接再厉,为加速我国社会主义建设和国防现代化做出更大贡献。当天10时,时任国防部长张爱萍在北京指挥所通过我国第一颗通信卫星与新疆自治区第一书记王恩茂通了电话。

  1984年4月20日,张爱萍部长亲临原总参卫星通信地面站视察,并欣然命笔题词:“通天盖地”,这是对全国所有参与建设中国自主卫星通信系统的人们莫大的褒奖。

  张爱萍1984年4月20日为原总参卫星通信地球站题词

  “当时,我们国家工业基础较差,技术水平发展不高,但人们始终坚持把研制工作搞到底。”2016年夏天,北京白石桥,经历了许多重大航天工程的戚发轫院士在回忆331工程时,仍不免有些感慨。

  孙家栋是331工程第一颗地球静止轨道试验通信卫星“东方红二号卫星”的总设计师,戚发轫是副总设计师。这颗卫星在研制之初就制定了军民结合、综合利用的方针,也就是说,卫星发射成功后,全国各个部门都可以使用。干航天,就意味着手中每花出一分钱,都要以国计民生为考量。


  孙家栋(左)与戚发轫(右)

  1986年2月1日,在西昌卫星发射中心由长征三号火箭发射了东方红二号实用通信广播卫星,和试验卫星相比,该卫星提高了波束的等效辐射功率,使通信地球站的信号强度明显提高,接收的电视图像质量大为改善,传输质量得到改善,达到两个频道电视转播和1000路电话传输能力,卫星设计寿命3年。

  1988年3月7日发射的“东方红”二号A卫星是“东方红”二号卫星的改型星,这是我国首次研制成功的实用通信广播卫星,该星有4个C波段转发器,可以传输4路彩色电视信号和3000路的电话传输能力。通过“东方红”二号A卫星,全国有几亿人通过数千个地面接收站收看电视节目,大大改善了我国的通信和广播电视传输条件。“东方红”二号A卫星采用抛物面通信天线,置于星体上部,采取机械消旋装置,以保持通信卫星天线始终定向地球,表面贴有近2万片太阳能电池片以提供卫星工作的电源。

  1988年12月22日,1990年2月4日又成功发射了两颗“东方红”二号甲通信卫星,但是第四颗星由于运载火箭第三级故障而未能进入预定轨道。至此,全部五颗“东方红二号”通信卫星发射完毕,解决了中国通信卫星“有”与“无”的问题。但是这代卫星是试验性质的通信卫星,因此,在转发器数量、转发能力、使用工作寿命等方面,与国外差距较大。同时期国外的通信卫星,已经达到了24个转发器的载荷能力,使用寿命都超过了10年。

  04东方红三号:中国卫星通信跨越发展的中坚型号,卫星进入平台化实践

  进入80年代,在美国“星球大战”背景下,世界主要强国在太空领域的角逐日益白热化。自1986年2月中国第一颗实用通信广播卫星发射成功以来,我国共成功发射了5颗通信卫星,共14个转发器。

  到90年代初期,这5颗卫星的寿命全部到期,为了保证国内的通信和电视传输,只得租用和购买外国的卫星应急。上面说了,同期国外卫星通信事业发展迅速,最先进的通信卫星的容量在80年代中期已达到24个转发器,工作寿命长达8年以上,而我国的东方红二号甲卫星上只有4个转发器。研制中容量通信卫星东方红三号,是中国通信卫星发展的必然选择。

  1986年3月31日,在经历了决定通信卫星发展方向和前途命运的“买星还是造星”之争后,国务院正式批准了航天部关于研制东方红三号卫星的方案,我国正式启动第二代通信卫星——东方红三号的研制工作。

  东方红三号通信卫星

  截止到1988年全世界已发射近900颗通信卫星,其中200多颗是民用地球静止轨道卫星,而属于中国的,仅有5颗。经过中国航天人8年的拼搏奋战,人们期盼已久的大容量、长寿命东方红三号通信卫星终于在1994年9月15日踏上了去西昌卫星发射中心的征程,并于11月30日顺利升空。卫星经过多次成功的变轨飞行后进入36000公里的地球同步轨道后,由于泄漏造成燃料耗尽,未能成功定点。

  卫星专家和设计师们用了整整两年时间对故障进行了认真的分析和模拟仿真试验,确定了故障发生的原因和部位,采取了各项措施,进行了彻底的改进,更换了不可靠的部件和器件,进行了全星热试车考核。为进一步提高卫星的可靠性,还根据其他型号所反馈的质量信息,举一反三开展全面的质量复查,杜绝一切隐患,确保卫星质量。第二颗星于1996年11月出厂,在西昌卫星发射中心完成了多次技术区、发射区的各种检测,于1997年5月12日发射升空,并于5月20日定点成功。东方红三号装载了24台C频段转发器,采用了许多当时的新技术,使中国通信卫星水平一下子跨越了20年。

  该星比东方红二号甲卫星有了新的技术跃进,采用三轴稳定方式,装有24个C频段转发器,卫星设计工作寿命8年以上。东方红三号通信广播卫星已纳入中国卫星通信业务系统,主要用于电话、数据传输、电视传输等。该星的发射成功和投入使用,极大地缓解了国内通信卫星市场转发器短缺的矛盾,仅公众通信一项,每年就可以节省数千万美元。

  “东方红”三号卫星是我国新研制的一种中容量通信卫星,采用全三轴姿态稳定技术、双组元统一推进技术、碳纤维复合材料结构等先进技术,是中国当时发射的通信卫星中,性能最先进、技术最复杂、难度最大的卫星,达到了国际同类卫星的先进水平。“东方红”三号卫星改善了我国的国际通信以及西部边远山区的通信状况。同时,科研人员探索通信卫星的平台化发展之路,“东方红”三号的服务舱部分设计成公用平台,加上不同的有效载荷即可组成各类功能的卫星

  东方红三号卫星在轨运行期间,设计人员一直对其精心“呵护”,日夜监视着卫星的电源切换,收集数据,随时排除异常状况,使卫星经受住了太阳风暴、流星雨、黑子大爆发等恶劣空间环境的严峻考验,保证了卫星的正常运行;同时积累了大量的卫星运行经验,为后续星的改进设计、提高卫星的可靠性打下了坚实基础。

  2000年先后发射的中星22号、鑫诺三号、嫦娥一号、北斗导航卫星等都采用了东方红三号卫星平台,至今均保持着良好的工作状态,证明“东三”卫星平台已经成熟,适用于各种用途的通信卫星,具有广阔的应用前景。该卫星项目还获得了国际科技进步一等奖。

  东方红三号卫星是我国自行研制的新一代通信卫星,卫星设计瞄准了当时(20世纪80年代)的国际先进水平,东方红三号通信卫星的研制、发射成功和定点成功,标志着我国通信卫星技术跨上了一个新台阶。对于缓解我国当时卫星通信资源的紧张状况,促进我国卫星通信事业的发展,提高我国在国际航天领域的威望,巩固我国在国际航天发射市场的地位都有十分重要的意义。卫星上所采用的许多先进技术和主要成果,为今后研制更先进、更大容量的通信卫星奠定了技术基础。

  05东方红四号:中国卫星通信走向国际商业航天

  为加快我国自主研制通信卫星的市场竞争力,1998年新的国防科工委成立,即加紧开展新一代大型静止轨道卫星公用平台论证工作,在九五期间重点开展了大型地球静止轨道卫星公用平台(“东方红四号”平台)的技术开发工作,并取得了突破性进展。

  用了一年的时间,于2001年1月完成了预发展阶段任务,通过了国防科工委组织的专家评审,2001年10月国家正式批准“东方红四号”平台立项,2002年1月通过了转初样设计评审,正式转入初样研制阶段。

  2002年5月与鑫诺卫星公司签署了“鑫诺二号”(SINOSAT-2)卫星采购订货合同。“鑫诺二号”卫星的主要服务对象是我国大陆、港澳台地区的通信广播用户。该卫星使用我国正在研制的新一代大型静止轨道卫星公用平台,即东方红四号卫星平台,装载22路Ku频段大功率转发器,设计寿命15年,使用长征三号乙(CZ-3B)运载火箭由西昌卫星发射中心发射,整星指标和能力达到国际先进水平。

  东方红四号通信卫星

  东方红四号卫星平台在东三的实践基础上更进一步,采用公用平台设计理念,坚持通用性、继承性、扩展性和先进性的原则,平台的性能与国际上同类卫星先进平台水平相当,设计寿命15年,适用于大容量通信广播卫星、大型直播卫星、移动通信、远程教育和医疗等公益卫星以及中继卫星等地球静止轨道卫星通信任务。东方红四号卫星平台的研发成功将为我国通信广播卫星达到20世纪九十年代末国际通信广播卫星水平,实现跨越式发展奠定了基础。

  在突破了卫星总体设计优化、大型中心承力筒、大容量贮箱、卫星电源及控制技术、卫星可靠性、星上综合数据管理、大功率卫星热控、大型静止轨道卫星公用平台高压气瓶研制等12项关键技术后,东方红四号卫星公用平台于2001年10月正式转入工程研制阶段。与1997年5月发射的东方红三号通信卫星相比,东方红四号卫星平台能力大幅度提高,整星功率从1.7千瓦增加到10.5千瓦,为有效载荷提供的重量由220千克增加到600千克,卫星设计寿命由8年增加到15年,卫星起飞重量由2320千克提高到5100千克,卫星用推进剂充填量由1335千克提高到3100千克。

  鑫诺二号卫星是东方红四号大平台的首发星,星上配置了22路Ku转发器,载荷重量430Kg,整星重量5100Kg,整星功率7.6KW。将向中国大陆和港澳台地区提供广播电视直播业务,对满足国民经济发展和提升国际竞争力具有重要意义。

  在东方红四号卫星平台基础上,中国与尼日利亚签署了“尼日利亚通信卫星一号”卫星整星出口项目。“尼星一号”项目是中国长城工业总公司在2004年通过国际公开竞标获得的第一个商业卫星在轨交付项目,也是中国研制的东方红四号卫星平台首次出口。“尼星一号”于2007年5月14日由长三乙运载火箭在西昌卫星发射中心发射升空,7月6日向尼日利亚宇航局进行在轨交付,卫星向非洲地区提供电视转播和通信业务服务。

  2005年11月2日中国长城工业总公司还与委内瑞拉科技部在委内瑞拉首都加拉加斯的总统府内签署了“委内瑞拉卫星”一号通信卫星(简称“委星一号”)项目合同。这颗“委星一号”与上述的“尼星一号”等10个在研和待立项出口型号,这标志着我国民用航天正全面进入国际市场

  利用东方红三号、四号平台,我国还先后研制、发射了两代数据中继卫星(新“天路”通啦!“天链”二号(01)星近日调试成功,我国第二代中继卫星系统上线运行“天链”系列)、首颗移动通信卫星(天通一号01星)、首颗高通量卫星和首颗电视直播卫星,以及“北斗”导航卫星和嫦娥一号、二号月球探测器。

  此次发射成功的天通一号02星,同样是基于东方红四号平台的国产移动通信卫星。

  06东方红五号:面向未来的大型卫星公用平台

  2020年1月5日,我国研制的发射重量最重、技术含量最高的高轨卫星——实践二十号卫星,经历七次轨道机动后,在36000公里高度的地球同步轨道成功定点,定点于东经105.5°,这标志着东方红五号卫星公用平台首飞成功。

  东方红五号卫星平台

  东方红五号卫星平台是我国自主开发的新一代大型地球同步轨道卫星平台,技术指标国际领先,具有“高承载、高功率、高热耗、高控制精度”的特点,主要满足未来5至15年内通信、微波遥感和光学遥感等载荷对卫星平台的需求。

  东方红五号卫星平台

  为充分适应多种载荷及扩展需求,实践二十号卫星放弃了传统的承力筒式结构,创新采用桁架结构技术,有效提升平台的承载能力(承载能力越大,平台及卫星性能越强)和适应性(可满足不同功能卫星,比如高轨通信、微波遥感、光学遥感、空间科学探测、科学试验、在轨服务等),可满足更大载荷的需求以及与不同功能卫星的适应性。

  展望“十四五”:天地一体化+通导遥一体化的

  空间基础设施融合发展

  进入新时代,以通信卫星、导航卫星、遥感卫星为主体的信息系统被普遍称为“空间基础设施”。全球范围内,空间基础设施已进入体系化发展和全球化服务的新阶段。《国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015-2025 年)》指出:“卫星通信各类业务趋于融合并向宽带多媒体方向发展,下一代移动通信卫星星座正在加紧部署;卫星导航从美国主导的单一GPS时代迈向美国、俄罗斯、中国、欧洲四大全球系统和日本、印度两大区域系统竞相发展的新时代;卫星遥感向地球整体观测和多星组网观测发展,逐步形成立体、多维、高中低分辨率结合的全球综合观测能力。”

  “通天盖地”45年,我国卫星通信事业已基本建成完整配套的工业体系,通信卫星研制与发射能力步入世界先进行列,固定通信广播等卫星通信基本保障体系已建成,卫星应用成为国家创新管理、保护资源环境、 提升减灾能力、提供普遍信息服务以及培育新兴产业不可或缺的手段。

  “十四五”期间,我国卫星通信事业将更加坚定地坚持统筹需求和能力、建设和应用、技术和产业、当前和长远发展,建立一星多用、多星组网、多网协同、数据集成服务的相关机制,充分利用国内外资源,优先满足战略性和共性需求,合理满足先导性和专用需求,巩固加强骨干卫星业务系统,按需发展新型业务系统,大力推进业务化应用。

  坚持天地一体化发展,空间系统与地面系统同步规划、同步研发、同步建设、同步使用,优化卫星载荷配置与星座组网,合理布局地面系统站网与数据中心,加强应用支撑服务能力和业务应用能力建设,提升系统整体效能。“十四五”期间,我国要建成技术先进、全球覆盖、高效运行的卫星通信系统基础设施体系,业务化、市场化、产业化发展达到国际先进水平。创新驱动、需求牵引、市场配置的持续发展机制不断完善,有力支撑经济社会发展,有效参与国际化发展。

  峥嵘岁月。穿过历史的滚滚烽烟,航天先辈们筚路蓝缕,从无到有开创了我国自主卫星通信事业,从此信息天堑变通途,天涯海角若比邻。

  红旗漫卷。接过传承的宏图伟业,卫通人英姿勃发,继续保持攻坚克难、敢打必胜的信念,向着全时、全域、全场景覆盖融合服务的“联天通地”目标坚定前行

  本文转载自“我们的太空知乎号”,原标题《【讯息·航天】通天盖地45年·中国卫星通信事业发展的伟大征程——写在天通一号02星成功发射之际》,作者:郭浩然 张钰伟 郭新哲 尹曙明。

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