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国外
卫星
搭载
有效
载荷
发展
综述
王久龙
航天器工程 第 卷第期 年月国外卫星搭载有效载荷发展综述王久龙徐晨阳曾文彬蔡盛(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春 )摘要分析了搭载有效载荷的概念,给出了宿主卫星平台与搭载有效载荷的接口关系,阐述了搭载有效载荷在降低航天成本、分散任务风险及实现快速发射等方面的优点和挑战;调研了近年来国外搭载有效载荷在遥感成像、卫星通信、定位导航、导弹预警等领域的发展现状,梳理了几个代表性的搭载有效载荷项目的发展背景、系统组成、技术指标,如商业搭载红外有效载荷、广域增强系统、专用超高频通信有效载荷、天基杀伤评估系统;分析了搭载有效载荷在天基侦察、预警探测卫星通信系统、高轨空间态势感知等领域的应用前景,提出了制定平台与载荷标准化接口、建立合理有效载荷价格模型等建议。关键词搭载有效载荷;宿主卫星;卫星通信;天基杀伤评估;态势感知;价格模型中图分类号:文献标志码:(,):,:;收稿日期:;修回日期:基金项目:中国科学院青年创新促进会会员资助项目()作者简介:王久龙,男,硕士,助理研究员,研究方向为光电载荷总体设计。:。通讯作者:蔡盛,男,博士,研究员,研究方向为空天地一体化光电对抗。:。近几年来,随着航天技术的不断发展和航天产业的日益扩大,以低轨巨型星座为代表的商业航天得到迅速推进,航天产业呈现新的发展态势,大规模低成本进入太空的时代已经来临。同时,为保持太空优势和太空行动自由,美国等发达国家全面调整了太空发展策略,提出以下一代太空体系架构、“黑杰克”项目等为典型代表的计划,改变了以往以大型复杂单星为主的模式,将建设重点转向由多颗小卫星组成的灵活、弹性、敏捷的低轨星座。搭载有效载荷已经成为太空体系弹性发展的重要方式之一,为推动相关技术发展,美国提出了一系列重要举措。年,美国 国家太空政策 强调要联合采办可靠、进度符合政府要求,且费效比高的航天发射服务和搭载有效载荷,明确提出鼓励政府发展搭载有效载荷,提高空间态势感知和轨道碎片的监测能力。年,美国波音、洛马、劳拉、轨道科学、欧洲卫星协会、国际通信卫星、铱星等家公司发起成立搭载有效载荷联盟,旨在架起政府和私营企业的沟通桥梁,促进搭载有效载荷的实施。年,美国海军研究生院开展了搭载有效载荷的应用研究,建立了基于搭载有效载荷的天基局部空间态势感知架构,将搭载有效载荷放置在宿主卫星平台前后方,以对局部空间区域进行长期观测,实现威胁自感知、目标检测和碰撞预警,为实现天基态势感知提供了新的解决思路。年,美国空军发布 在商业卫星上搭载军用载荷指南,分析了在商业卫星上搭载有效载荷面临的挑战,成立搭载有效载荷管理办公室,简化相关项目的授予流程,促进商业卫星搭载空军有效载荷的实施。年,基于通用仪器接口项目,联合空军空间和导弹中心的搭载有效载荷办公室以及航天公司发布 搭载有效载荷接口指南提案,描述了搭载有效载荷与宿主平台之间的接口协议,包括尺寸、质量、功率和传输速率,旨在为相关组织开发基于低轨或高轨卫星有效载荷提供标准。为了研究搭载有效载荷的发展现状和军事应用价值,本文系统性的梳理了搭载有效载荷的概念和发展历程,总结了典型项目的系统概况、指标参数,并提出相关建议。搭载有效载荷概念搭载有效载荷是指除主要载荷外搭载在卫星平台上的、为满足特殊需求而设计的额外载荷(如转发器、传感器或者其他星载设备)。搭载有效载荷与主要有效载荷共用一个卫星平台,使用户能够快速高效且低成本的将有效载荷送入太空。在某些情况下,搭载有效载荷也被称为二级有效载荷或寄宿有效载荷。宿主卫星平台为搭载有效载荷提供结构、能源和通信等资源,二者物理连接和传输接口关系如图所示。图搭载有效载荷接口 搭载有效载荷的费用仅是研制、发射与运行整颗卫星费用的一小部分,可以有效降低卫星建设和部署成本,因此,逐渐受到业界的广泛关注,尤其是面临预算压力的机构。当然,在卫星平台上搭载有效载荷也面临一些挑战,比如怎样实现宿主卫星平台与搭载有效载荷的接口标准化、如何确保搭载有效载荷与宿主卫星的研制周期相一致、怎么改变用户对传统卫星项目的管理方法、如何确定搭载有效载荷的价格等。国外发展现状搭载有效载荷在国外已经初步得到广泛的应用,任务领域包括空间态势感知、碎片监测、激光通信、定位导航 以及气象监测 等领域;按照载荷的任务类型,本文从环境监测类载荷、技术试验类载荷以及专用转发器类载荷角度出发,介绍近年来国外搭载有效载荷的发展动态。环境监测类载荷为了研究空间天气对气候、全球定位系统、电力传输、高频无线通信以及卫星通信的影响,牵头研制了太阳射线成像仪(),工第期王久龙 等:国外卫星搭载有效载荷发展综述作波段为 ,可每分钟成像一次,每周 运 行,年 搭 载 环 境 观 测 卫 星()发射。年,由美国劳拉空间系统公司建造、日本国土交通省和日本气象厅运营的地球静止卫星多用途运输卫星()发射升空,搭载了航空类和气象类种有效载荷,航空类载荷分为通信载荷和导航载荷,为飞机提供通信和导航服务;气象类载荷由个可见光(分辨率 )成像载荷、个红外(分辨率)成像载荷以及个气象通信载荷(频段、频段)组成。年,为执行对地观测任务,美国军方将可见光 相机作为有效载荷搭载在美国回声星()和中圆轨道()卫星发射升空。年,为降低下一代天基红外预警系统的研制风险,美国空军启动 了 商 业 搭 载 红 外 有 效 载 荷()项目,即用于导弹预警的宽视场红外传感器,搭载平台为欧洲卫星公司号卫星()。年,美国导弹防御局启动天基杀伤评估()项目,利用天基传感器获取导弹拦截状态,并对拦截效果进行评估,为后续拦截提供支持。年,为解决航天器异常、识别潜在敌对行为提供详细的空间辐射数据,美国空军启动商业搭载的响应式环境评估()项目,在铱星()星座上 搭载 个有效辐射载荷。技术试验类载荷搭载有效载荷为新技术的正式太空部署提供了一种测试、演示与验证的新方式,美国军方、等部门都纷纷利用这种方式进行新技术的试验。年,为在轨验证思科公司的空间路由能力,美国国防部将空间因特网路由()有效载荷搭载在国际通信卫星 上发射升空,该载荷质量 ,功率 ,体积 ,用户数据率 。年,为验证地球同步轨道与地球之间双向激光中继通信的效果,美 启动了激光通信中继演示()项目,载荷由个单独的收发光通信终端和个高速电子单元组成,地面系统由个任务运营中心和个地面站组成,年 月搭载空间测试计划卫星()上发射,初步研究结果表明:激光通信传输速率比射频高 倍,可满足空间科学和爆炸领域对更高数据速率的日益增长的需求。年,为将可释放的有效载荷运送到地球同步轨道,降低天基系统研制成本,作为“凤凰”计划 的一部分,美国国防部先进研究计划局启动了有效载荷在轨交付系统()项目,将由颗小卫星构成的 发射成功,顺利进入地球同步转移轨道。专用转发器类载荷专用转发器作为搭载有效载荷,不仅可提供可靠的通信能力,还能够根据用户需求选择特定通信频段,已逐渐成为各国快速构建天基通信能力的主要手段。年,澳大利亚国防部在民用澳普图斯()卫星平台上搭载了军用 频段的通信载荷,频段有个 和个 的转发器,用于低数据速率双向语音和数据通信;频段有个 的转发器,用于中高数据速率单向、双向视频以及语音、数据通信;频段有个 有源转发器和个备用转发器,用于中高数据速率覆盖和双工视频、语音和数据通信。年,由国际通信卫星公司为主承包商,携带澳大利亚国防部队专用超高频有效通信载荷()的国际通信卫星()发射升空,载荷由波音公司研制,具有 个 转发器,频率为 ,此外该星还搭载 个频段转发器、个 频段转发器。年,由美国劳拉航天公司和西班牙共同研制的“星欧洲”()通信卫星发射升空,搭载了北约可配置频段载荷,具有 个 的转发器,总功率 ,用于加强西班牙与北约军事、外交和保密通信业务。年,由美国劳拉公司研制的西班牙军用电信卫星()发射升空,搭载有效载荷为在轨可重构多波束天线(),该天线的个波束可以从地面单独重新定向,无需移动天线本身,主要服务于西班牙国防部,与 卫星一起使用,为军事行动、图像传输、大使馆服务和政府通信提供支撑。年,美国海岸警卫队将国家自动识别系统()的甚高频通信载荷搭载在轨道通信卫星()上发射升空,该载荷质量 ,功率,体积 ,数据率 ,用于增强现有的自动识别系统,实现海域态势感知。年,美国联邦航空管理局将广域增强系统 的频段转发器作为有效载荷搭载在银河()卫星以及加拿大阿尼克 通信()卫星上发射升空,此后又分别于 年、年、年、年搭载国际海事卫星 ()、墨西哥通信卫星()、欧洲卫星公司 号卫星()以及银河()卫星进行补充发射。年,搭载 频段通信载荷 的高吞吐量卫讯卫星()发射升空,该载荷发射频率为 ,接收频率为 ,质量航天器工程 卷 ,功率 ,用户速率可达 ,设计寿命 年,主要为加拿大农村地区提供高质量宽带服务。年,欧洲卫星公司号卫星()成功发射,主载荷为 个 频段和 个 频段转发器,搭载有效载荷为 和 频段的转发器,作为欧洲地球静止导航重叠服务()一部分。年,美国空军通过其增强型极地系统资本重组()计划完成颗超高频通信有效载荷研制,旨在为北极地区的美军提供安全、抗干扰的卫星通信能力,计划 年搭载在挪威太空公司的北极卫星宽带任务上发射。典型实例近年来,国外成功开展了多项搭载有效载荷应用案例,领域覆盖导弹预警、定位导航、卫星通信、杀伤评估等方面,本文选取其中比较有代表性的项目进行介绍,如商业搭载红外有效载荷、广域增强系统、澳大利亚国防部超高频通信有效载荷、天基杀伤评估,分析搭载有效载荷的应用现状。商业搭载红外有效载荷商业搭载红外有效载荷()由美国空军于 年提出,在一颗商业地球静止轨道卫星上搭载一个军用红外载荷,通过在轨收集红外数据,以研究用于导弹预警和防御的宽视场相机、红外凝视型传感器的性能。历经 个月的研发,于 年月搭载 卫星发射升空,在轨运行 个月后于 年 月正式停止使用,运行期间共采集超过 红外数据,为美国空军分析 多次导弹火箭发射事 件 以 及 次 其 他 红 外 事 件 提 供 帮 助。上的宽视场红外望远镜由科学应用国际公司开发,长、宽、高尺寸为 ,质量为 ,探测波段包括短波红外、中波红外以及直视地表波段(),像素规模 ,可实现对地球圆盘凝视观测,外观结构如图所示。图 红外载荷 载荷的宿主平台为地球同步轨道通信卫星 ,卫星平台为轨道科学公司开发的 ,包含一个标准化的次级载荷接口、专用的有效载荷热辐射器以及由宿主转发器提供的任务数据通信模块,载荷在宿主平台上的布局如图所示。图安装在宿主机上的 载荷 的任务目标包括:()提 供 实 战 环 境 数 据,开 发 和 评 估 宽 视 场()地球圆盘凝视算法;()验证凝视算法的性能;()使用大规模焦平面阵列()评估 性能;第期王久龙 等:国外卫星搭载有效载荷发展综述()评估卫星平台对 传感器约束边界,包括视轴稳定性、热稳定性指标和性能。广域增强系统广域增强系统()是美国专为民航开发的基于卫星的导航增强系统,该计划始于 年,由美国联邦航空局负责实施,年月 日开始运行。由 个广域监测站、个广域主控站、颗地球静止轨道卫星、个地面上行注入站、个操作控制中心以及陆地通信网络组成(见图),可覆盖美国本土、阿拉斯加、加拿大和墨西哥等大部分北美地区。图 系统体系架构 第 届中国卫星导航年会上,美国国务院空间事务办公室指出 为北美 多个民航机场提供带垂直引导的航向道进近程序()服务,其中 多个民航机场具备决断高度为 的带垂直引导的航向道进近程序()能力,达到类精密进近操作()服务水平。近年来,美国政府积极采用搭载有效载荷的方式开展 系统的研究工作。年,美国联邦航空管理局采用在商用通信卫星上搭载有效载荷的方式,将频段转发器托管在 、卫星上,有效载荷质量为 ,功率达到 ,体积为,用户数据率为 。年月,系统有效载荷搭载 卫星发射升空,并于 年月投入使用,以取代 卫星上的旧载荷;年月,系统有效载荷搭载 卫星发射升空,并于 年月投入使用,以取代 卫星上的旧载荷;年,美国莱多斯公司击败雷神公司获得联邦航空管理局 亿美元订单,用于开发第代静止轨道通信载荷,年月搭载 卫星发射升空,年月投入使用。图展示了