卫星史话：我国第一代同步通信卫星的通信系统

《卫星与网络》杂志
文：陈道明
　　序：在正式开始同步通信卫星研制的30周年之际，回忆二三事以事纪念。
　　一、诞生
　　1957年10月4日前苏联成功地发射了世界上的第一颗人造地球卫星。这个月，毛主席率中华人民共和国代表团到苏联，参加十月革命40周年纪念活动。期间于11月17日，在莫斯科大学接见中国留学生讲话时，谈到我们也要搞卫星，要搞大的。
　　1970年6月国防科委召开了一次全国性的会议，动员研制我国的通信卫星开展卫星通信工程工作，工程的代号为“706工程”。从此展开了卫星通信方案的可行性研究，即定义阶段，开展卫星、火箭、发射场、测控、通信等系统的规模和接口设计协调工作。但是在那个特殊的年代实质性进展不大。
　　1974年5月19日周总理批示，要：“计委、国防科委联合召开一个有关部门会议，先将卫星通信的制造、协作和使用方针定下，然后再按计划分工做出规划，督促进行。”这个批示成为中国卫星通信工程一个良好的转机。
　　随即，国家计委、国防科委、邮电部、国防部五院、广播电视局有关领导召开了的会议，对卫星通信工程的有关问题进行了会商。1974年9月30日，国家计委、国防科委联合起草了《关于发展我国通信卫星问题的报告》的讨论稿。1975年3月31日，中央军委召开第八次常委会，会议由军委副主席叶剑英主持，邓小平出席了会议。会议审查了这个讨论稿，并决定请示中央。请示报告全文如下：“国家计委和国防科委《关于发展我国通信卫星的报告》，经军委常委第八次会议讨论同意。现呈上，请批示。中央军委 1975.3.31。”第二天毛主席圈阅。从此将发射通信卫星工程称为331工程，中国通信卫星工程正式上马。
　　1976年6月，在北京召开了331工程第一次大总体会议(3311会议)，讨论工程各系统的状态，协调工程各系统之间的关系，以及第一代的两颗卫星的定点位置和覆盖范围等事项。会议确定第一代卫星为试验卫星，波束覆盖全球，其中一颗覆盖我国和太平洋地区，另一颗覆盖我国和印度洋地区。卫星命名为东方红-2。1977年3月，我们向国际电信联盟申报了两个卫星轨道位置，一个是东经125°，另一个是东经78°，申报的卫星名称为STW(试验通信卫星)。第一颗卫星发射成功后，决定将第二颗卫星的波束覆盖范围缩小到只覆盖我国疆土，以提高卫星的EIRP，为此我们又申报了东经103°轨道位置。
　　1977年3月完成方案设计。
　　1977年，张爱萍将军根据我国的国情，提出中国航天80年代前期三项任务，后称之为“三抓”任务，其中之一是发射地球同步通信卫星。后经国务院、中央军委批准，列为国家重点工程，从此加速了工程的研制进度。
　　1977年4月到1979年10月是卫星初样的研制阶段，期间研制了电性星、结构星、温控星、力学星、大回路星，用它们进行了通信系统的星地对接试验，测控系统的星地对接试验，星箭电磁兼容试验，以及温度、震动、冲击、噪声等一系列环境试验。
　　1979年11月到1983年8月是卫星正样生产阶段，生产了三颗正样星和一颗正样检验星。检验星用作力学、热真空等环境模拟检验，检验完成以后留作地面备份星。
　　经过多年会战，中国自行研制的第一代通信卫星终于横空出世。第一代通信卫星成功发射了两颗，1983年9月第一颗卫星(0B)运抵西昌卫星发射场，于1984年4月8日用新研制的长征-3
火箭发射， 4月20日卫星定点在东经125°的赤道上空；第二颗(0C)于1986年2月1日发射，2月19日定点在东经103°。
　　这一代全新卫星的发射用的是新研制的火箭、新建设的发射场、新装备的远洋测控船、新配置的测控系统和一支全新的发射团队。
　　二、需求和局限
　　70年代我国的电视广播完全依赖传统的地面无线传输方式(微波、差转、短波)，不但传输质量不高，地域也有极大的限制，不但边远地区看不到电视，连新疆、西藏等省市地区也不能实时观看中央电视台的节目，只能靠空运录像资料到当地重播。那时候我国对外广播电台多设置在边远地区，中央向这些电台用短波发送源节目，节目受电波衰落等因素影响，传输质量差，而且节目源信号常常会受到不友好电台的干扰，为此急需解决节目源的传输。当年在内地城市间虽然有了语音和数据长途通信，但是广大地区、边远地区却缺乏通信手段，或是通信不畅，或是根本不通。
　　外地
人民日报的出版靠当地印刷部门用空运的母版印制，急需解决母版传输问题。
　　当时海上通信试验对通信的要求不高，只需要进行岸站和舰艇之间简短报文的单方发信和收信，通信时间也不超过0.5秒，占据带宽不超过100kHz，但就是这样简单的海上通信依然十分困难。
　　其他产业和军事、外交等部门也都有他们各自对卫星通信的特殊需求。
　　各行各业都企盼着早日有我国的通信卫星，都企盼着用它能解决各自的通信困难。为应答各界的呼声，通信卫星的通信系统的任务增加了很多，而且有些需求很怪异。
　　运载火箭、卫星总体部门对卫星通信系统也有自己的接口要求，而且和国外的通信卫星不同，我们卫星的通信系统在起飞前的一刻起就需要将各关键部件的温度、电压、电流、开关状态等的遥测参数传回地面，也就是说卫星的通信系统必需全程开机。这意味着卫星通信系统要经受大气、低气压、真空环境工作的考验，增加了研制工作的难度。
　　当时对于卫星通信分系统的研制还有不少其他限制：
　　1、当然发射同步轨道通信卫星首先是采取一切手段保证卫星能发射成功，准确定点。研制工作的重点放在卫星星体，能保证卫星发射成功就好，在多次动员大会上都谈到能打上一个铁疙瘩就算成功，能传回一帧图片就给你们请功，这大概是331任务的底线，也说明卫星通信分系统的地位。能分配给的通信天线和转发器重量约为33kg，约占卫星重量的二十分之一；功率分配63W，远低于国外同类卫星的通信系统所占有的百分比。
　　2、为了节省卫星功率，卫星测控系统自身不设功率放大器，卫星测控系统和通讯系统要合用通信转发器的行波管放大器，卫星定点以前测控系统占用通信转发器的全部输出功率。
　　3、规定不准使用任何进口器材，包括材料、元器件、螺丝钉。要自力更生，不要崇洋媚外。
　　4、在那个不是开放是时代，很难找到国外通信卫星资料，能看到的只有英国‘天网’卫星的原理方框图和国际通信卫星组织Ⅱ和Ⅲ星的方框图和频率表，直到1978年以后，才逐渐看到一些资料，但是无论如何是看不到工业秘密资料的。
　　5、我们不了解太空环境条件，不太了解它们对卫星的影响，例如低温下的锡会不会升华？真空状态下两种金属会不会冷焊？粒子辐射对
半导体器件和采用的材料有什么影响？等等。
　　6、总体的安全系数设置得较高，给通信系统的环境试验条件过分苛刻。火箭给卫星的震动、冲击、噪声条件已经很高，卫星总体又加码了给通信系统的这些条件。
　　三、第一代通信卫星技术特点
　　第一代通信卫星选择双自旋稳定方式。自旋稳定卫星对安置在平台上的部件的摆放位置要求极严格。
　　地球同步卫星和低轨卫星不同，是长寿命卫星。卫星部件需要极高的可靠性。卫星的重量和功率是卫星有限的宝贵资源，能分配给通讯系统不多。
　　作为卫星通讯系统的设计师必需要在上面的约束条件下挖掘自身潜力尽可能满足各方面的需求，并减轻重量、降低和节约功耗，需要研制新器件、开展新工艺、上马元器件的筛选和老化技术。
　　因为要进行海上短报文收发试验，通信需要占用全部转发器输出功率，所以卫星通信天线采用喇叭式全球波束天线。通信转发器采用二次变频方案有两个原因：其一是，小站短报文信号占用微波带宽远小于1MHz，在微波频段滤出带宽这么小的信号进行单独处理是不可能的，只能采用中频滤波技术进行单独放大，再利用行波管放大器大信号压抑小信号的非线性特性特点，以此获得小站信号几乎占据全部转发器功率的目的。选用二次变频方案的另一个原因是，转发器增益高达109-118dB，若采用微波的一次变频方案，就需要另外加一个微波放大器来提供放大增益，按当时的条件是不允许另外研制高增益行波管放大器。当然这种方案对后继星的继承性差。
　　因为通信转发器要全程开机，要在大气压、低气压、真空环境下都能正常工作，而电压差高达2100V的行波管电源输出的高电压很容易发生低气压放电，为此采用了树脂灌封工艺。这种工艺就得考虑灌封后的树脂中的气泡，如何测试这些气泡，电源采用的元件、材料的“出气”等等。
　　为了缩小系统各部件的体积和减轻其重量，我们开展了微波集成工艺，除有衰减要求的微波部件仍然采用波导技术以外，其余所有部件都采用微波集成电路。值得提出的一点就是两块集成片之间电路的连接采用金丝还是金带都经过测试试验。抛物反射面天线采用炭纤维材料，它比铝合金强度高，重量轻。
　　地球的噪声温度约为300k，转发器低噪声放大器的噪声温度没有很低的必要，所以采用隧道二极管放大器作为接收机的低噪声放大器，这也是当时国外卫星普遍选用的部件。据我们了解，当时在我国还没有任何工程使用过这种放大器，我们的研制工作是从二极管的制造作起的。
　　为了解决通信、测控合用行波管放大器，转发器须设滤波分频器、合成器和微波开关。因为不明确低温冷焊问题，我们选用了无活动部件的铁氧体开关作微波开关。
　　在那个强调“要自力更生，不要崇洋媚外”时代不仅没有进口元器件，也不准使用任何进口材料和元器件，甚至进口的螺丝钉。因此，我们使用的材料和元器件是我国工业部门专门为卫星生产的七专产品，而后进行加严筛选，工业部门不生产的元器件由我们自己研制，其艰难可想而知。
　　卫星长年在外空环境运行，部件一旦出现故障不能更换或修复，因此系统所有部件的可靠性至关重要，需要特殊处理组成它们的元器件，提高它们的可靠性。为保证转发器质量和寿命，除严格筛选元器件外，还要对元器件进行老化处理。为累积长寿命设备资料，第一批转发器正样产品经环境试验以后，又对它们进行了三年不间断的加电试验。三年期间进行加电试验的产品未出现过任何故障，而陪伴试验的供电直流电源和微波信号发生器却有多台发生过故障。
　　全向天线用双盘缝隙天线，没有采用腰带式全向天线。
　　第一颗卫星完成试验后，不再需要再作海上试验了，为了不把信号能量再辐射到大洋，只聚焦在我国国土上，总体部决定第二颗卫星改用椭圆形国内波束。由于有储备的预先研究技术，我们仅用了一年的时间，就把喇叭式全球覆盖天线置换成抛物反射面式椭圆波束天线。这是一项很艰巨的任务，因为既有天线重量(质量)限制，还有重心(质心)位置的限制。
　　第一颗通信卫星定点以后，首先进行了卫星通信系统的在轨测试，而后进行通信试验，完成试验以后进行通信试用。卫星制造、通信、广播等部门联合进行在轨测试，以后使用部门开展北京对乌鲁木齐、拉萨、昆明的通信和电视转播业务，开通了地区之间如北京至乌鲁木齐、拉萨、昆明，兰州至乌鲁木齐、成都至昆明、成都至拉萨的通信线路，进行了数字电话传输试验、标准时间和频率发送试验、码分多址通信试验、长途程控交换机信号传输试验以及其他部门的通信试验。这一切完成之后，这颗星担负了传送广播电视节目和15路语音广播节目的任务，完成了建国30周年国庆阅兵、六届人大会议实况、西藏自治区成立20周年庆祝活动、新疆维吾尔自治区成立30周年庆祝活动以及春节、元旦庆祝活动的电视及广播传输任务。
　　因为是全部自行研制的通信卫星，它的成功发射，培养了一支同步轨道卫星的研制团队，积累了同步轨道卫星的研制经验，装备了同步卫星的测试设备和环境试验设备，配置了比较完善的同步卫星制造工艺，为设计制造下一代实用卫星创造了极为可贵的条件。