看天線，識衛星——漫談衛星天線（四）

科技 11-18

轉載說

題圖是在天上放風箏，還是衛星聚會？一眼望去，太陽能帆板都伸長了腿，大大小小的「鍋」蔚為壯觀……其實這些衛星每個都身價數億美元，在3.6萬公里之遙為人類廣播、電視、上網、打電話辛勤工作！請看本期——在地球靜止軌道工作的通信衛星。

本文作者：超級Loveovergold，本文原載公眾號《衛星與網路》，轉載已獲授權。

作者的絮叨：這篇文章前前後後醞釀了一年，娓娓道來靜止軌道衛星的來龍去脈，對大家感興趣的大天線展開過程也作了詳細的描述。全文14000+字，閱讀大概需要24分鐘，請耐心品嘗。

二戰剛剛結束沒多久，英國科幻作家克拉克（C. Clarke）琢磨著如何能把當時最先進的德國火箭這個大殺器，變為可以造福人類的寶貝？他研究出地球靜止軌道衛星的工作原理，他認為只用三顆地球靜止衛星即可提供完整的全球覆蓋。1945年10月，他在《無線電世界（Wireless World）》上發表了一篇文章——《地球外的中繼——衛星能給出全球範圍的無線電覆蓋嗎？（Extra-Terrestrial Relays– Can Rocket Stations Give Worldwide Radio Coverage?）》，第一次完整提出了「對地靜止衛星」的概念，即航天器運行方向和周期與地球自轉相同，都為24小時，因此位於天空上方，相對於地面靜止，克拉克計算出所需的軌道特性以及發射機的功率水平，並大膽預測了可以使用太陽能發電。這些理論都超越了他所在的年代。

圖1. 兩顆在GEO軌道上的衛星

嚴格來講，地球靜止軌道（GEO，the geostationary orbit）是指地球同步定點軌道, 即軌道周期與地球旋轉周期相同、軌道平面與地球赤道平面重合、傾角為0度的圓軌道。地球旋轉周期為一恆星日=23小時56分秒4.1秒, 靜止軌道至地心距離為42164.174公里, 相對赤道高度為35786.034公里，一般簡稱3.6萬公里。

在地上看來，地球靜止軌道上的衛星，就像被定住，一動不動，對於衛星接收天線來說最方便，省去搖頭晃腦、旋轉跟蹤工作，非常適合天地通信。而在這個軌道工作的衛星，由於對準了地球的某一個區域，可持續觀察，也非常適合進行可見光和近紅外光觀測的氣象衛星、海洋監測。

一、辛康（Syncom）靜星，

頭回吃到GEO通信的甜頭

休斯飛機公司的三位工程師（Harold Rosen，Thomas Hudspeth和Donald Williams）於1959年初，開始研究地球同步衛星的概念，提出了一種可行的地球同步衛星設計，三個人艱難地說服休斯公司、NASA和國防部，甚至自己掏腰包貼了一萬美元搞工程樣機，這在當時可是一筆巨款。功夫不負有心人，在一番努力下，1961年8月，美國宇航局與休斯飛機公司簽訂了第一個地球同步通信衛星合同，該衛星稱為辛康（Syncom）。

圖2.休斯公司Harold Rosen博士（右）和Thomas Hudspeth在62年巴黎航展展示Syncom衛星原型

（一）麻雀雖小、五臟俱全

Syncom系列通信衛星呈圓柱形，直徑為71厘米，高度為39厘米，含推進器質量為68千克，和現在動輒數噸的通信衛星相比，僅為一個零頭。麻雀雖小且其貌不揚，但五臟俱全！

衛星底部的遠地點發動機為固體火箭，推力1000磅力，可提供1431米/秒的速度增量，用來軌道圓化和消傾角，由Thiokol（瑟奧科爾）公司生產。

圖3.剝去體裝式太陽能發電貼片後的Syncom

為了在天上能保證姿態穩定，衛星設計團隊創新提出了類似陀螺的自旋穩定概念。不過這樣一來天線也會跟著轉，由此設計了簡單可靠的全向輻射天線，也就是衛星頂部槍管一樣的物體，叫做同軸縫隙陣列通信天線（Co-axial slotted array antenna），也有文獻稱之為「裙邊圓環縫隙偶極子」（skirted collinear slot dipoles）。其實它和本系列

《看天線，識衛星——漫談衛星天線（一）》

一文中講到的半波陣子天線非常類似。其天線方向圖就是一個甜甜圈，特別適用於這顆輕巧的自旋穩定驗證衛星。如果讓衛星的旋轉軸（槍管射擊方向）與地球的旋轉軸（南北極）平行並保持，就能讓地面獲得最大的輻射場強。

圖4.「槍管」並沒有指向地球，而是和地球自轉軸平行，「甜甜圈」僅有少量信號用於覆蓋地球

天線共有三個同軸的裙邊偶極子陣列發射下行信號，注意看下圖天線中部三個開口，由環形波導饋電，波束寬度23°，由於頻率越高衰減就明顯，為了考慮給衛星省點事，下行信號頻率選擇較低的1.815GHz；下圖天線結構的右側單個帶裙邊的接收偶極子工作在相對較高的7.360GHz（地面衛星站供電充裕，工作頻率高點問題不大），通過圓環縫隙偶極子天線的接收增益為2 dB。

圖5. 天線由鋁、玻璃纖維製成，表面噴塗特氟隆，重2千克（NASA老圖有些模糊）

負責把衛星接收到的微弱信號放大並發射，需要轉發器。Syncom攜帶了兩個轉發器，一個窄帶，提供兩個500 kHz信道，可以處理一個雙向電話或16個單向電傳信道；另一個寬頻轉發器，提供5 MHz信道用於電視傳輸。兩個轉發器使用2瓦行波管放大器進行信號放大。

在衛星尾巴上，還有四根和旋轉軸成25度夾角的鞭狀天線用於遙測和指令（TT&C）。四根長度為1/4波長的鞭狀天線，也就是第一篇講到的旋轉場天線（turnstile antenna），通過圓極化波進行衛星指令上傳下達，而無需考慮天線面是否對齊。

圖6.藝術家筆下的Syncom系列衛星

Syncom的外表面覆蓋著3840硅太陽能電池貼片，發電功率29瓦，星載鎳鎘電池用於地影期間的供電。在姿態控制上，雙氧水催化反應進行姿態控制雖然高效，但缺少使用經驗，該衛星採用了雙氧水/氮氣兩套推進器提供姿態控制。

（二）令人滿意的測試結果

Syncom 1於1963年2月14日在卡納維拉爾角用Thor Delta B火箭成功發射，隨後不幸因電氣故障失聯。失敗乃成功之母，不行再來！

Syncom 2於1963年7月26日從卡納維拉爾角成功發射！要把衛星送到3.6萬公里高度，對60年代初期仍屬於蹣跚學步時期的美國運載火箭來說，壓力山大。由於Thor Delta B運載火箭的運力限制，Syncom 2衛星雖然被送入了一個地球同步軌道，但衛星軌道面存在33°的傾角，從地球看，這個衛星在天上跳8字舞，並非靜止！

不過由於天線的波束較寬，沒有影響到電話、電視直播等測試。1963年8月16日Syncom 2開始正式運行，測試非常成功，圓滿達到了預期的目標！

1963年8月23日，總統約翰·肯尼迪通過Syncom 2，給奈及利亞總理阿巴巴卡爾·巴萊瓦打了一個電話，雖然只是象徵性的兩分鐘嘮嘮嗑，簡要提到了當年簽署的核武器試驗禁令條約，並談到奈及利亞中量級拳擊手迪克·泰格贏得了一場拳賽，但這是國家元首之間第一次通過衛星進行雙向通話。

圖7. 約翰·肯尼迪聊的挺開心

圖8. Syncom 2還直播了一場華盛頓和洛杉磯對陣的棒球賽

（三）助力東京奧運會

在此基礎上，Syncom 3於1964年8月19日發射，此次發射採用Thor Delta D火箭，推力更大的第三級火箭進行偏航機動，GTO軌道傾角下降到16°，隨後衛星在遠地點發力消除了剩餘傾角，並正式進入35,670 km x 35,908 km的圓形同步軌道，並在180°經度定點。Syncom 3繼續用於各種通信測試，遠在菲律賓的美軍USNS Kingsport衛星通信船通過該衛星和加州羅伯茨營起飛的飛機進行越洋通信傳輸。被載入史冊的還有Syncom 3用於向美國直播1964年的東京夏季奧運會。

圖9. Syncom 3用於向美國直播1964年的東京夏季奧運會

相比較美國海軍和空軍科學家利用月球進行遠距離通信，麻省理工學院林肯實驗室在太空「放針」的西福特計劃，以及NASA利用氣球衛星、低軌衛星（Telstar）進行通信實驗，Syncom 2和3成功驗證了GEO通信的技術，顯示出巨大的優越性！在海底光纜還沒有使用前，開闢了洲際通信的嶄新篇章！後續地球靜止軌道衛星繼往開來，家族日益龐大！

關於第一顆靜止軌道衛星，不妨看看這個視頻科普

（片長5分11秒）

。

二、開公司，GEO通信生意做大，

定向天線首次實用

美國成功地發射了世界上第一顆地球靜止軌道通信衛星，同時標誌著龐大的全球通信市場即將到來。1962年的《美國通信衛星法》對國際衛星通信產生了深遠的影響，通信衛星公司（COMSAT）在該法案要求下成立，它受美國政府監管，是一個私人融資和管理的組織。美國總統約翰·肯尼迪倡議成立國際衛星聯盟，他說：「我邀請所有國家參與通信衛星系統以促進世界和平及世界各國人民之間的兄弟情誼。」

1964年8月，國際電信衛星聯盟（Intelsat，International Telecommunications Satellite Consortium）在COMSAT公司協助下成立，它是第一個提供全球衛星覆蓋和連接的組織，作為衛星通信能力的商業合作和批發商，Intelsat向其入會成員國提供服務。不過現在的Intelsat已私有化，也引發了頻率帝國主義紛爭。

擁有Intelsat 61%股份的COMSAT公司負責其衛星的選型，它選擇了放大版的Syncom衛星，作為Intelsat的第一顆商用通信衛星，這顆衛星被稱為早鳥（Intelsat I），於1965年4月6日由Delta D火箭發射，早鳥發射重量為149千克。

圖10. 早鳥商業通信衛星是Syncom放大版本

該衛星提供了240路跨大西洋電話，而價格僅為海底電纜的十分之一。到1967年，第一代Intelsat衛星中的三顆衛星在大西洋和太平洋海域上空運行，提供清晰、價格親民的越洋電話和電視，民眾也迅速適應了250毫秒的時延，「早鳥」取得了巨大的商業成功！

圖11.給奧地利親戚打個電話說要去串門！——衛星越洋電話走入尋常百姓家

圖12.GEO通信對使用體驗最大的影響是時延

工作在C波段的「早鳥」GEO衛星，其下行信號(3.4 GHz-4.2 GHz)的鏈路衰減通常在200 dB左右，要求發射機的功率更大、天線波束更窄！它的天線基本和Syncom類似，發射單元增加到6個縫隙，波束寬度約束到20°，天線增益達到9 dB。接收單元為3組3葉草形振子，天線增益由之前0.5大幅增加到4 dB。

圖13.早鳥的天線基本和Syncom類似

更多的太陽能電池提供了45瓦的電力供應，比Syncom的29瓦增加不少。兩個6瓦轉發器工作在C波段（6GHz上行鏈路 - 4GHz下行鏈路），每個具有50MHz帶寬，可以承載240個語音電路或一個電視頻道，但不能同時進行。

不過這些小修小改，以及後續換湯不換藥的Intelsat II遠遠滿足不了民眾對於衛星通信容量的需求。

圖14. 換湯不換藥的Intelsat II的全向天線和為數不多的轉發器，跟不上民眾對於衛星通信容量的需求

Intelsat試圖最大限度優化衛星參數，包括輻射方式和功率、可用帶寬、容量和壽命。1966年，Intelsat與TRW公司簽訂了一份價值3200萬美元的合同，用於製造六顆Intelsat III衛星。

Intelsat III重293公斤，是Intelsat I的兩倍，但其容量增加了4倍，是第一顆專門設計用於商業盈利的衛星。並結合了多項性能改進，其中最重要的革新是使用高增益天線的技術。

如圖14所示，為了自旋穩定，衛星不得已使用全向天線，以便在衛星體旋轉時保持與地球的通信，因此衛星的大部分射頻功率都被浪費在太空！這對於衛星和地面接收站都不是最佳選擇，天線還需要改進，要把能量聚焦！

工程師首先採用了電磁喇叭電線。它的主要優點是結構簡單，饋電簡便，便於控制主面波束寬度和增益，頻率特性好且損耗較小，它由波導逐漸張開形成，加強了方向性，這個和聲學喇叭的原理極為相似。

圖15.典型的角錐喇叭

Intelsat III使用了一個86厘米高的消旋定向喇叭天線，增益為15.6 dB，取代了之前9 dB增益的縫隙偶極子天線，增加了有效輻射功率。

其次為了使這種高增益定向天線始終保持指向地球的固定方向，採用了消旋技術，Intelsat III是第一個解決這個問題的通信衛星！雖然星體通過高速自旋保持姿態，但通過使用電機對天線進行反向旋轉，使用於反射信號的鋁製蜂窩板始終對準地球。同步開發了特殊的潤滑劑和潤滑技術，避免潤滑劑在零G真空空間中凍結或蒸發造成的軸承卡死。

圖16.使用電動機消旋，用於反射角錐喇叭的平板天線始終對準地球

Intelsat III的總可用帶寬增加到450 MHz，由兩個225 MHz帶寬的轉發器提供。消旋天線和6瓦行波管（TWT）放大器聯袂，為每個轉發器產生+22 dBW（158 W）的等效輻射功率，信噪比的提升讓單顆衛星可承載1200路雙向電話或4個電視頻道。另外Intelsat III第一次使用肼推進劑進行位置保持，延長使用壽命到5年。

圖17. Intelsat III第一次使用了喇叭加平板反射面的高增益定向天線

第一顆Intelsat III於1968年9月18日由更強大的Delta M火箭發射，由於制導系統出現故障，運載火箭被自毀。第二次發射於1968年12月18日進行，衛星成功定點在西經31°橫跨大西洋的地方。另外三顆Intelsat III衛星定點在東經174°（太平洋）（已在軌道上），西經6°（大西洋）和東經62.5°（印度）。從而完成了第一個全球覆蓋的衛星通信系統。這個由四顆衛星組成的系統最多可以處理4800個雙向電話電路或16個電視傳輸。

三、為了跟上業務需求，

開始上「鍋」

洲際通信的需求是如此旺盛，經過測算，Intelsat發現到1971年，當時已有的4顆Intelsat III將不再能滿足大西洋和太平洋的使用需求，而且一旦任何衛星發生故障，系統將陷入嚴重困境。老闆很焦慮，老闆很著急！

圖18.Intelsat公司對69年之後的5年業務發展測算表

Intelsat決定發展新的第四代名為Intelsat IV的衛星，由於運載火箭技術的提升，有了半人馬上面級，設計質量達到1414 千克，入軌質量可以達到790千克，是三代的5倍多。這份生產四顆大容量衛星、價值7200萬美元的合同授予了休斯公司，要求於1971年初（大西洋和太平洋地區）完成前兩顆Intelsat IV衛星的發射，滿足電話需求；第三顆衛星於1972年定點在印度洋上（在Intelsat III壽命結束時）；第四顆衛星作為備用。

圖19.和前三代相比，Intelsat IV 確實是「大型」，容量也大了許多

前述Intelsat III衛星其實有一個系統性短板：受功率、重量限制，轉發器只有兩個，眾多地面站上傳信號時需要排隊，排隊的時候，還不能發出大功率的同頻信號干擾別的地面站，協同性搞不好，系統效率低。解決的方案其實很簡單，把可用帶寬劃分為許多小轉發器頻段，給每個地球站分配專用轉發器，或者幾個需求小的地面站搭夥。因此Intelsat IV系統採用12個轉發器，40 MHz的帶寬（剔除保護帶寬，實際可用36MHz），行波管功率為8瓦，每個轉發器可處理1800個電話或一個電視頻道，Intelsat IV的最大容量達到萬級雙向電話或12個電視頻道。

這其實是上下行信道頻分復用(FDM，Frequency Division Multiplexing)的做法，原理簡單，關鍵是實現的時候受到運載火箭GTO軌道投送能力，以及衛星平台的電源供給能力、行波管效能、重量等因素的共同制約。

增加轉發器，這就需要增加系統供電等整體開銷，而新的HS-312衛星平台完全可以滿足，設計壽命為7年。

圖20. Intelsat IV帶了兩個高增益鍋，背後4個黑黑的是消旋定向天線，最高的天線是TT&C

Intelsat IV還應用了陀螺儀旋轉穩定技術，使雙自旋穩定衛星技術趨於成熟，從上圖還可以看到，消旋平台上除4個黑黑的定向天線（兩收兩發）外，Intelsat IV還第一次帶「鍋」上天了，也就是高增益天線，義大利Selenia SpA公司生產，兩個波束極窄的4.5°的點波束，可以擺動調整波束，應對美國東部或西歐局部高業務熱點，全向輻射功率增加15倍。

圖21.饋源發射的波束經過拋物面天線反射之後波束收斂

四、頻率瓶頸，見招拆招

洲際通信業務仍然在飛速增長，尤其是大西洋兩岸高密集區域，如何應對？事實上，對於Intelsat公司來說，每一次都是依靠天線技術的革新，使得衛星及其地面站能夠承載更多的業務量。在Intelsat IV基礎上，休斯公司建造了六顆改進型號被稱為Intelsat IV- A的衛星，較Intelsat IV增加了8個轉發器達到20個，可用頻率帶寬達到720MHz；Intelsat IV-A體表貼了1.7萬個太陽能電池貼片，功率600瓦。但與其前身Intelsat IV相比，主要差異在於採用了新的天線技術，通過點波束實現頻率充分使用，可提供大約兩倍的容量。

具體在實現上，以下圖為例，左邊是本分做法，循規蹈矩，3個頻點各用一次，老老實實；而右邊，在點波束旁瓣控制到一定門限前提下，J波束在I波束和K波束左下角又用了一次，高！腦補一下已經求證的地圖四色問題，如果有四種以上頻率或不同的極化方式，頻率可以實現「無限」復用，這就叫做空分復用技術。

圖22.空分復用，讓頻率資源「無限」復用

Intelsat IV-A最頂上的「黑頭」是遙測天線，下方是呈品字形的三塊拋物面反射天線，其中上側的是接收天線，下側兩個是由37個陣列單元饋電的方形C波段拋物面反射天線，面積1.2×1.3米，天線重51千克。

圖23. 呈品字形的三塊拋物面反射天線，右側圖中饋源用紅圈標明

需要注意的是，這次的拋物面天線是偏置形式，前述Intelsat IV的饋源擋著天線了，而採用偏置形式，可以無遮擋。

圖24.偏置反射面天線，饋源無遮擋

20個轉發器的具體使用，以大西洋上的Intelsat IV-A為例，4個轉發器覆蓋業務密度稀疏的大西洋，其餘16個轉發器用於點波束模式；左右兩個反射天線，左邊負責南北美洲，右邊負責歐洲和非洲，由於兩個定向天線相互錯開一定角度，相互不干擾，可以實現同一套頻率兩邊分開使用，因此容量基本已經翻翻！而且點波束也明顯提高了覆蓋的輻射功率。

IntelsatIV-A系列中的第一顆衛星於1975年9月25日由Atlas-SLV3D/Centaur-D1AR從卡角發射升空，一共發射6顆，其中一顆由於運載火箭問題失敗。最終所有五顆衛星平均運營了11年，超設計壽命4年。

五、這回是電不夠用了

同時期，射頻放大器件技術也有了突破，出現了效率更高的固態功率放大器（SSPA）或線性化行波管放大器（LTWTA），使這些衛星能夠攜帶更多的轉發器上天。但是再要多，可能就不行了，因為採用自旋穩定的衛星，太陽有效照射的電池貼片不超過三分之一，其餘三分之二只能閑著，也不可能無限制讓衛星變胖變長好多貼點太陽能電池貼片。另一方面，消旋平台上已經像插花一樣裝滿了天線，難以容納更大反射面的天線。

讓衛星在軌道保持一定的姿態，並不是只有自旋穩定這一種方法，還有通過內部旋轉的慣性輪保持穩定的方案，Intelsat認為這種方法對於緊迫的商業運營需求而言存在太多技術風險，選擇繼續使用保守的自旋穩定。

然而幕後的操盤手，NASA早就在衛星前沿新技術上開展驗證試驗，項目名稱叫做ATS（Applications Technology Satellite），應用技術衛星。該項目不僅僅測試通信技術，還對地球同步軌道氣象感測元件的開發、同步軌道空間環境測量等項目開展研究。在多次失敗的重力梯度桿試驗後，ATS-6任務對於後續地球靜止軌道的眾多新技術開展了極為重要的測試，大型可展開天線、3軸穩定姿態控制、電力推進等，成為目前仍在地球靜止航天器上使用的許多技術的先鋒！

ATS-6衛星設計非常前衛，那怕在今天的星迷看來也是石破天驚！

圖25. ATS-6衛星，長長的衍架挑起兩個弧形太陽能帆板，中間是碩大的拋物面天線

（一）ATS-6是第一顆具有三軸穩定能力的地球靜止軌道衛星

ATS-6的主要進步是其三軸穩定（3-axis stabilization）系統，陀螺儀控制的三軸穩定性將衛星轉變為一個穩定的固定平台，不再需要旋轉，這種技術使許多新應用成為可能。三軸穩定的優勢主要體現在：

1、使用了自旋穩定裝置的衛星，體裝式太陽能電池陣列做不大，發電效率低，無法提供更多的電能；而三軸穩定的衛星平台可以部署更大的平面太陽能電池陣列，通過控制太陽能電池板的方向與太陽輻射垂直，獲得高效的太陽能發電。高功率的衛星平台可以讓通信衛星攜帶更多、功率更大的轉發器，地面上用更小的天線和靈敏度更低的接收機即可接收，天線甚至可以縮小到幾十厘米，實現家庭觀看衛星直播電視。

三軸穩定衛星的一個缺點是它受到不均勻的太陽光能加熱，朝陽側極高溫，背陽側極冷，在空間真空中，這種溫差非常高，但自旋衛星均勻受熱和輻射熱量，不會遇到這個問題。為了解決這個問題，ATS-6採用了熱管和相變材料來均衡衛星體上的溫度分布。

2、大型高增益定向天線現在可以取代以前自旋穩定衛星所需的全向天線或複雜的消旋平台天線，將波束準確聚焦到地球上，增加了衛星的有效輻射功率，從而節省能源和複雜性。

3、它提供了更準確的姿態控制。第一次使用星載姿態控制數字計算機驅動執行器，執行器是三個動量輪和單推肼推進器，執行後確保滾轉和俯仰精度優於0.2°，實現了精確的位置保持和指向。精確感測和三軸姿態控制的結合，使得ATS-6成為第一顆能夠迴轉俯視跟蹤其他S波段衛星的衛星，使用其GEO的有利位置，ATS-6可以為LEO衛星甚至飛機實現數據中繼，這是NASA跟蹤和數據中繼衛星（TDRSS）計劃的先驅，此舉可以大幅減少地面站的工作壓力。

（二）纏繞肋（WRAP-RIB）大型可展開天線測試

ATS-6衛星的另一個創新是測試了直徑9.14米的纏繞肋大型可展開天線。為了簡化大型可展開天線的結構和展開機構，提高收納率，JPL（噴氣推進實驗室）與洛克希德公司於20世紀70年代聯合研製了這款纏繞肋可展開天線。

圖26. 壯觀的9.14米直徑纏繞肋大型可展開天線

該天線反射器主要由中心輪轂、48個鋁製肋條、反射面網組成，反射面網採用了鍍銅的編織滌綸，僅重83千克，收納率很大。類似捲尺，中心輪轂把鋁製肋條卷緊纏繞，收起後縮成直徑僅為1.8米，高0.45米的環形空間。

圖27.「傘骨」就像捲尺一樣，被收緊纏在一起，到空間則展開，繃緊「傘面」

在空間展開時，由火工品切斷纜線，3400NM扭矩的電機拉動鋁製肋條背後的帶子展開天線，部署時間約為2.5秒。不足之處是鋁製肋條在空間受熱之後變形，整個天線形面精度較低(0.5毫米)，剛度也較低，不過展開可靠性高。

圖28.RedRipper24提供的ATS-6天線反射面，像豆莢殼的鋁製肋條展開後有一定剛度，但形變大

口徑為9.14米拋物面天線反射器在UHF至C波段範圍內提供34 dB至46 dB的增益，再加上高功率的80瓦固態射頻放大器在860 MHz的頻率發射，它提供了直接電視廣播的能力，等效全向輻射功率（EIRP）峰值達到51.0 dBW，地面僅需3米直徑的小型天線接收。

天線饋電（C，S，L，UHF和VHF頻段）單元安裝在衛星主體上，整個衛星主體通過碳纖維增強塑料（CFRP）桁架連接到天線和太陽能電池板桅杆。

圖29.太陽能電池板的設計基本就是劈開的一個辛康衛星

太陽能電池板安裝在兩個可展開的桅杆上。它們具有半圓柱形狀，因此提供相對恆定的功率（開始為595 W），在地影期間兩個30.5V、15安時鎳鎘電池負責供電。

儘管採用了複合材料等先進技術，但整個衛星大量桁架、展開機構給人的感覺還是弱不禁風，可展開天線又金貴，設計師也沒往星體裡面塞遠地點發動機，而是完全靠大力神/半人馬金牌組合推送到位！

（三）直送GEO，圓滿完成任務，掃清技術障礙

1974年5月30日，Titan III-C運載火箭將ATS-6這顆重達1336公斤，當時最重的地球靜止軌道通信衛星，直接送到GEO軌道（direct to GEO）！！！ ATS-6也不負眾望，在軌道上徐徐展開天線投入工作，圓滿！

圖30.軌道上衛星順利展開，尺寸為15.8米寬，8.2米高

除了銫離子電推發動機測試表現不太好之外，ATS-6任務順利，進行了23次不同的實驗，通過向印度、美國和其他國家傳送遠程教育節目，證明了直接到戶（DTH）電視廣播的可行性。

圖31. 印度農村使用一個UHF天線接受遠程教育

其他測試包括監測空間環境，並用於進行粒子物理實驗和測量輻射對太陽能電池壽命的影響；攜帶高解析度熱輻射掃描測量計（輻射計），在紅外線（10.5至12.5μm）和可見光（0.55至0.75μm）掃描地球，測量其紅外輻射（溫度）和雲圖，這些技術隨後被使用在氣象衛星上。ATS-6還被用於進行空中交通管制測試和實施衛星輔助搜索和救援技術，並於1975年在阿波羅/聯盟對接中發揮了重要作用，負責將信號回傳給休斯頓控制中心。1979年8月3日該衛星壽終正寢。

ATS-6也可能是「導師」（Mentor，中情局用於截獲電子情報）等第四代大型電子偵察衛星的先驅。Mentor衛星是美國中央情報局的地球靜止軌道電子偵察衛星，用於截獲電子情報。在常年值守的電子偵察中，靜止軌道電子偵察衛星有更多的優勢。因為衛星軌道越高，在地面的覆蓋面就越寬，不易錯失良機，所以，美國很重視發展這種衛星。

由於其所接收的地面信號是低軌道衛星的1/ 5100 ，故需採用大型接收天線，口徑約為150米，衛星質量4-6噸，定位在西太平洋、印度洋上空，能夠用於偵收100MHz-20GHz之間的所有電磁信號。其實只要「悟通」ATS-6衛星「捲尺」式的傘肋收納大法，就會明白Mentor的150多米直徑「大傘」的展開原理也很簡單！

圖32. Charles P. Vick畫的導師（Mentor）第四代大型電子偵察衛星猜測圖

ATS-6也是最後一次ATS任務，一些國會議員擔心NASA開發技術造福私營性質的COMSAT公司，於是國會於1973年以削減預算名義取消了ATS項目，讓商業通信衛星行業自行承擔研發開銷，這標誌著NASA實驗通信衛星計劃暫時性告一段落。

私營企業支持一些具有短期（例如幾年）商業成功潛力的項目是可行的。然而，私營企業無法支持風險更高，潛力更高的發展，這類項目通常需要大約十年才能帶來商業用途。正因為如此，以及來自多方面的呼籲，NASA在1978年恢復了對衛星通信技術研發的支持。這個案例非常值得思考，目前中國的航天操盤手、國家隊、民營航天公司如何各司其職？

六、ATS-6指明發展方向，

GEO奇形怪狀天線百花齊放

在ATS-6驗證上述技術的可行性之後，三軸穩定+大功率星載電源+大型空間可展開天線技術徹底釋放了各類應用需求！各種類型的靜止軌道衛星如雨後春筍出現！他們的天線也是最吸引眼球！

（一）最快的受益者——Intelsat

Intelsat委託福特空間及通信有限公司（即現在如日中天的勞拉空間系統公司，SSL）製造了其第五代衛星——Intelsat V，這是通過採用ATS-6衛星首創的動量輪技術實現三軸穩定的衛星，姿態穩定在0.5°以內，也是第一顆商業直播電視衛星，1980年12月發射升空，發射質量1928千克，入軌質量967千克。

圖33. 採用ATS-6衛星首創的動量輪技術實現三軸穩定的Intelsat V

衛星主體為1.65米x 2.01米 x 1.7米的長方體。終於在太空站穩了的衛星，從容地往南北伸出兩塊碩大的太陽能帆板，單塊長7米，寬1.7米，由三塊互相鉸接，總面積是18.12平米，覆蓋17580片太陽能電池，整個太陽能帆板的重量僅為64.1公斤，共提供1800瓦功率，是上一代的3倍！這為高靈敏度接收機、大功率發射器、射頻變頻器的按需配置打好了基礎。衛星合計配置21個C波段和4個Ku波段轉發器，提供12000路語音電話和2個電視頻道。尤其是大功率行波管放大器，配合圖33中2.44米直徑（最大那個）的多波束高增益天線發射4GHz頻段信號，讓小鍋看直播成為可能。

另外值得注意的是Intelsat V採用的幾個新技術：

1、在原有擁擠不堪的4/6GHz（下行/上行頻段，下同）的C波段頻段外，使用了新的11/14GHz的Ku頻段；

2、除空間分隔的頻率復用之外，啟用線極化的水平/垂直極化或者圓極化的左/右旋極化分隔技術；

3、應用「衛星轉換時分多址」聯接技術（SS/TDMA），這與空間分隔和極化分隔一起使用，進一步提升4/6GHz的頻譜復用；

4、大規模使用點波束合成，形成特定的覆蓋足跡覆蓋指定的區域，如某國版圖。不過這裡需要提一下多饋源賦形技術，饋電損耗大和饋源複雜度，後續也有C波段和Ku波段採用單饋源收發共用偏置賦形反射面天線，可以說是用大量演算法高科技製作的「哈哈鏡」來化繁為簡解決問題。因此如果見到天線表面坑坑窪窪，崎嶇不平，千萬別認為這是做工粗糙馬虎的體現。

圖34. 偏置賦形雙反射面天線的製作過程

Intelsat V的配置成為後續許多衛星設計採用的模板，也就是題圖浩浩蕩蕩的一長溜「撞臉」衛星的由來。但是，後來在Intelsat VI衛星上，Intelsat公司為什麼又選擇了休斯公司的自旋穩定方案呢？這其實並不是說三軸穩定不好，而是休斯公司投標時報了一個低價，再加上一些創新，比如用太空梭寬大的貨艙放大了衛星直徑到3.6米，採用望遠鏡筒式的伸縮殼體，讓太陽能發電能力增加了不少，然而這僅僅是迴光返照，技術領先優勢不是商業策略可以阻擋。Intelsat VI是休斯公司最後一款自旋穩定衛星，其研發的HS-702三軸穩定平台在被波音收購後收到了大量訂單。

圖35. Intelsat VI是休斯公司最後一款自旋穩定衛星

（二）傘狀天線成就NASA賺錢的項目—TDRS

前述ATS-6衛星在GEO軌道居高臨下，俯視地球，能夠方便地在中低軌道衛星、空間站、飛機與地面接收站之間搭建橋樑，取代配置在世界各地由許多測控站構成的航天測控網！

跟蹤與數據中繼衛星，TDRS（Tracking and Data Relay Satellite)由此應運而生，由NASA負責運營，軍民兩用！第一顆TDRS衛星在1983年4月4日由挑戰者號太空梭發射升空，衛星重2噸多，太陽能電池帆板展開後翼展達到17.4米！在7副天線中，最醒目的是兩把直徑4.9米的「大傘」，也就是工作於S、C、Ku波段可轉向收發天線的反射面！

圖36. 發現號太空梭發射的TDRS－3作為備用星，高傾角，也用於美國南極站的中繼通信

美國Harris公司為NASA的TDRS衛星製造剛性肋可展開天線，為典型的卡塞格倫天線。肋條改為碳纖維增強塑料（CFPR），熱形變較小，其主反射面採用直徑0.03毫米的鍍金鉬絲編織成網，可以在100 GHz頻率以下工作，結構簡單，展開可靠性較高，質量僅為24千克，但收納率較小，收攏直徑0.9米、高度2.7米，且傘面綳直了非拋物面形，形面精度較低(0.56ram)，結構內應力分布不夠均勻。

圖37.這幅天線是典型的卡塞格論天線

圖38. 直徑0.03毫米的鍍金鉬絲編織成網

圖39.展開時體型巨大，收攏後卻小巧玲瓏、含苞欲放，太空梭貨艙都顯得寬鬆了

針對剛性肋傘形面精度較低的問題，TDRS發展到第二、三代的時候，又採用了柔性自回彈天線（SPRING-BACK ANTENNA）。柔性自回彈天線採用具有一定柔性和一定自回彈性能的薄膜材料形成天線反射面。由於不需要複雜的展開機構，其重量得以大幅度減小，可靠性得以大幅度提高。由於結構具有一定的剛性，反射器的形面精度也比網狀天線更容易得到保證。但缺點是收納率低，適用於口徑小於6 米的天線。同時由於採用了更高的Ka星間波段，最大接收傳輸速率達到了800Mbps。

圖40.第三代TDRS的柔性自回彈肋傘，其型面精度比較容易得到保證

（三）越來越密的高通量衛星天線波束

隨著互聯網的粘性增強，衛星通信開始作為傳統接入網路（光纖接入、3G/4G無線）的有效補充，尤其在幅員廣闊的國家以及空中航線上。2005年開始，以Ku波段應用為主的第一個高通量通信衛星（HTS，High Throughput Satellite）發射浪潮開始，到現在第四代最大的Viasat-2衛星已經實現了300Gbps的吞吐量（發射後出現天線故障，其真實容量可能要打8折），主力均為運行在GEO軌道的高通量通信衛星。

圖41.基於勞拉LS-3000平台的Viasat-1通信衛星在緊縮場測試，天線直徑普遍超2.5米

高通量通信衛星，雖然樣子普普通通，主要是「招風耳」造型。由於在L、S、C、X、Ku波段上已經擁擠不堪，而高通量衛星的載波動不動就是500MHz的頻寬，因此她迫不得已在頻段高、雨衰嚴重，但大段頻率資源相對富裕的K/Ka波段工作。

圖42.僅有K/Ka波段還有大段的頻率資源空閑

更高的頻段使得下行和上行的衰耗更大，高通量衛星採用更高增益的天線，而且為了頻率復用，她把多點波束技術發展到極限！波束極窄，小於0.1°的也已出現，點波束數量變多，如140Gbps吞吐量的ViaSat-1僅有72個點波束，300Gbps的ViaSat-2已經達到數百個，而1T容量ViaSat-3將有數千個點波束。因此HTS可提供比常規通信衛星高出數倍甚至數十倍的容量，能夠支持超過100 Gbps的總容量！

圖43.為了實現高吞吐量，點波束覆蓋面積越小，數量越多，Viasat-3會達到數千個

高通量通信衛星的天線反射面，普遍在100英寸以上，其技術難關包括：第一，要求輕量化；第二，要求在極端高低溫變化下，熱膨脹係數小。因此，一般採用複合材料的三明治結構，上下外層採用碳纖維增強塑料，作為射頻反射材料，中間的中空蜂窩層由鋁、碳纖維、凱芙拉或Nomex等材料按需製成，三層材料最後膠合，目前最理想已經做到1公斤/平方米上下的水平。

圖44.上天的拋物面天線採用了複合材料的「三明治」結構

而在點波束饋源的發展方向上，多口面多波束天線饋源笨重而複雜，未來會向MMIC（Monolithic Microwave Integrated Circuits，單片微波集成電路）直接輻射相控陣天線方向發展，基於MMIC的有源收發模塊天線饋電是未來HTS的經濟而高效的輸出端解決方案。

圖45.現有多口面多波束天線的波束饋源笨重而複雜

（四）沒有最大，只有更大——環形可展開天線

在上世紀90年代，大哥大、行動電話、移動手機相繼興起，隨著摩托羅拉銥星的示範效應，眾多的電信運營商渴望能分一杯衛星行動電話的的羹！因為在偏遠的山區、海島、還有廣闊的市場有待挖掘。對於區域運營商來說，選擇靜止軌道通信衛星，有針對性覆蓋人口稠密、基礎設施尚不完善的區域，投入相對較少，市場前景好。

亞洲蜂窩衛星( ACeS)系統是由印度尼西亞等國家建立起來的區域性個人衛星移動通信系統，覆蓋東亞、東南亞和南亞地區30億人口，是世界上第一顆面向個人、支持手機的區域性地球靜止軌道移動通信衛星，基於GSM技術提供語音、傳真、數據等通信服務。ACeS 系統利用一顆Garuda 1衛星，又名「鷹 1」，於2000年2月12日發射，由美國洛克希德馬丁公司採用A2100平台製造。

要讓發射功率也就1瓦的手機，和遠在靜止軌道的衛星通信，難度可想而知。Garuda 1衛星上裝有兩副12米直徑的L波段收發大天線，每副天線有88個饋源，生成140個點波束，其等效全向輻射功率強度高達73dBW。該星可同時提供11000條電話信道，用戶總容量可達200萬，可在星上進行話路和路由的交換。但後來該星由於L波段系統故障，系統容量打了7折。

圖46. Garuda 1衛星，世界上第一顆面向個人、支持手機的地球靜止軌道移動通信衛星

由於Garuda 1的衛星天線反射面太像生活中的三折雨傘，如何展開可以請讀者們琢磨琢磨。接下來我們把目光投向世界上第二顆支持手機的地球靜止軌道移動通信衛星——圖拉雅（Thuraya）衛星，介紹環形展開天線。

Thuraya衛星通信公司總部設在阿聯酋阿布扎比，Thuraya系統的衛星網路覆蓋包括歐洲、北非、中非、南非大部、中東、中亞、南亞等110個國家和地區, 約涵蓋全球 1/3 的區域 , 可以為23億人口提供基於GSM技術的語音、傳真、數據等通信服務，並且終端整合了衛星、GSM 、GPS 三種功能。Thuraya1/2/3衛星分別於2000年10月20日、2003年6月10日、2008年1月15日發射，為美國波音衛星系統公司基於HS-702平台製造。

圖47.目前Thuraya2/3衛星仍在運行中

Thuraya衛星發射重量5250 kg，在軌重量3200kg，太陽能電池提供11～13 kW的功率，星上載有12.25m口徑衛星天線反射面，產生250～300個波束，頻率復用30次。

圖48. Thuraya衛星載有12.25m口徑衛星天線反射面

Thuraya採用了TRW的Astro Aerospace公司（現為Northrop Grumman旗下）的環形可展開天線技術，該技術出現較晚，採用環形桁架展開結構和柔性網面成形技術，天線重量為56千克，或者0.37千克/平方米。

圖49. 環形可展開天線的結構圖

為使桁架能夠摺疊，在桁架的各桿件中間都設有鉸鏈，利用彈簧機構將天線展開，其特點是可以單獨完成每一個單元的調試後再進行總裝配，大大降低了裝配和測試的難度。與其它結構形式相比，具有較高的展開剛度和結構穩定性，天線口徑可用於6米～150米範圍，且結構形式簡明，在一定範圍內口徑增大不改變結構形式，質量也不會成比例增長，是目前大型衛星天線理想的結構形式。

天線展開的關鍵是下圖中用紅色標註的對角支撐桿，在彈簧驅使下，它的收縮會讓原本為平行四邊形的桁架框變成長方形，整個天線圈面桁架都膨脹變圓，反射面的弧形在豎向拉索的控制下，達到設計的曲面！

圖50.環形可展開天線的展開過程

圖51.五個步驟讓環形可展開天線在空間展開

12米、17米、20米口徑的環形可展開天線已經在「MBSAT」、「INMARSAT」「 TerreStar-1」等系列衛星上得到應用。美國軍方當然不會放過這樣的技術，美國國家偵察局（National Reconnaissance Office，NRO）的「入侵者」系列就採用了此類環形可展開天線技術，據說直徑達到驚人的150米。不過，這裡要說明的是，根據2016年9月9日公布斯諾登文件，前述「導師」電子偵察衛星，MENTOR 4（USA-202），同在地球靜止軌道，一度故意和Thuraya 2衛星湊得很近，伺機截取、竊聽往來的電話，你拿他一點辦法都沒有，可以說這位導師，真是「為人師表」。

圖52.「入侵者」系列電子偵察衛星猜想圖

（五）六邊形拼接——構架式可展開天線

工程測試衛星8（ETS-VIII）衛星由日本國家空間發展局（NASDA）在1996年開發，用於通信、原子鐘、離子引擎等技術的驗證。提供衛星與手持終端通信所需的大型反射器，以及相配套的高功率發射器等技術的驗證環境。

ETS-VIII上有兩個大型可展開反射器。一個用於發送，另一個用於接收。每個反射器由14個直徑4.8m六邊形模塊組成。

圖53. ETS-VIII一共有28個六邊形模塊組成，兩個反射面天線一收一發

每個模塊都有六個徑向可摺疊桁架構件撐起的反射面，桁架在彈簧力的驅動下展開，展開速度由馬達控制。收、發天線的結構相同。桁架能摺疊的關鍵是，下圖中紅色桁架中間設有鉸鏈，彈簧機構驅使紅色桁架收縮，綠色平行四邊形變長方形，天線展開。各種環向繩索保持整個構型，豎向拉索保持反射面設計的曲面。

圖54.能夠摺疊的關鍵是圖中紅色桁架在滑動鉸鏈驅使下收縮，綠色平行四邊形變長方形

該天線形面精度高，剛度強度大，裝配和調試時間短，但質量較大，達到170千克，口徑為19米×17米。

圖55.在地面測試的狀態是一個大反射面

圖56.收攏後直徑為l米，高度為3.4米

ETS-VIII還很超前地使用了31個單元組成的MMIC相控陣饋源，合成三個波束指向日本的不同區域。

圖57. 31個單元組成的MMIC相控陣饋源

2006年12月18日，日本國家空間發展局成功發射了5.8噸重的ETS-Ⅷ衛星，兩個大型可展開反射器在靜止軌道成功展開，並進行了各種技術測試！

圖58. 兩個大型可展開反射器成功展開！

七、結束語

自1964年Syncom3通訊衛星發射升空以來，在60年代還空蕩蕩的地球靜止軌道，現如今已眾多衛星濟濟一堂，甚至是擁擠不堪，這是因為兩顆衛星之間必須保持1000公里以上的距離，以避免出現碰撞和干擾。

圖59.注意美洲、歐洲區域，衛星都要「疊羅漢」了

在這有限的靜止軌道空間里，各大電信運營商之間的競爭仍在持續上演，特別是覆蓋市場熱點上空的軌道空間，例如美洲、歐洲等熱點區域。

通信衛星在現代生活中發揮著越來重要的作用，她們讓沉船能發出求救信號，讓居住在偏遠山區、荒漠、海島的民眾能連接到互聯網，讓乘客能在飛機上微信聊天、排遣孤寂……

圖60.通信衛星在靜止軌道，瞄準地球的熱點地區發射電波！！！

在整個靜止軌道通信衛星及其天線的發展過程中，各種創意，各種絕妙的解決方案，讓人拍案叫絕！很多技術，我國也已經掌握，比如今年5月21日發射升空嫦娥四號中繼星——鵲橋，採用了類似於一代TDRS所採用的剛性肋可展開天線，主天線展開直徑達4.2米，是人類深空探測史上口徑最大的通信天線；2016年8月6日我國發射的天通1號01星採用了12.5米S波段環形可展開天線，實現110個點波束並數字成形，滿足6千路電話，上網速率最高可達384kbps。