漫谈卫星天线
漫谈卫星天线
本文系《卫星与网络》原创
虽然无线电波无色无味无形，讲起来很虚幻，但是它就像空气、水、Wi-Fi，萦绕在你周围，是你生活中的一部分，无法或缺，事实上，它早就融入你的生活！
一、序言
交变流动的电流，交流电，像天真活泼少女心中的小鹿，步伐轻盈，扭头就走，只要电极配合变得OPEN些，如下图展开，少女心跳加快，频率高一些，再高一些，小鹿的脚步再快一些，电流会“嗖”的一下，越出电极，奔向自由自在，无拘无束的天空！这就是无线电，Radio！
图1.电极展开，形成发射电波的对称振子
图2. 电生磁、磁生电，交替前行，电磁波以光速传播！
当导线的长度增大到可以与波长想比拟时，导线上的电流就大大增加，能形成较强的辐射。如果两个振子的大概为1/2波长，输入阻抗是一个不大的纯电阻，馈电的电流最大，辐射最为强烈，俗称半波振子天线，使用较为广泛。如果嫌天线太长、碍手碍脚，也可以在良好的接地情况下，天线一端接地，使用1/4波长发射。
图3、两个振子的为1/2波长，天线的辐射最为强烈
无线电波的电场变化的方向，称为极化，像上图中无线电波的电场变化的方向垂直于地面，我们称它为垂直极化波，其传播的方向图形状像一个甜甜圈，四面八方、排山倒海；反之，如果电场变化的方向平行于地面，则为水平极化波。由于大地是电的良导体，地面通信普遍采用了垂直极化波，因此大家可以回想为什么战争片里电台的天线都是直挺挺的。对于垂直或水平极化的线极化发射天线，接收天线需要和发射天线保持相同的方向产生“共鸣”以获得最佳信号。
图4. 半波振子天线辐射的立体方向图，像一个甜甜圈
德国科学家赫兹在1888年第一个用实验验证了麦克斯韦电磁理论；意大利科学家马可尼1896年第一次成功用电磁波长途传递讯息；1901年，马可尼又成功地将讯号从英格兰传送到大西洋彼岸的加拿大。21世纪无线电通讯技术及应用更有了异常惊人的发展，通过卫星实现的天地通信走进寻常百姓家！
二、第一颗人造地球卫星——鞭状天线
世界上第一颗人造地球卫星，1957年10月4日发射的Sputnik 1，该卫星内部有一个3.5瓦的无线电发射单元，由莫斯科电子研究所的（NII-885）研发，如果卫星被流星击穿出现失压或者内部温度失控，则改变无线电信号脉冲的持续时间。无线电发射器工作在两个频率，20.005和40.002MHz，分别由2.903米、2.401米两组全向天线发射，让地面测控站甚至无线电爱好者都能接收到信号。
图5.人类第一颗人造地球卫星，苏联的Sputnik 1
苏联第一颗人造地球卫星是一种宣告，广播式，象征着人类正式进入了卫星时代！美国在1958年1月31日发射了其第一颗卫星——探险者1号，宇宙射线探测器的科学数据通过两个无线电发射器送到地面。其中一台10mW、工作在108MHz的发射器采用了4根可折叠的鞭状天线发射短波信号，这四根22英寸（55.9厘米）长的天线依靠卫星旋转甩出展开。不过，和苏联的天线工作原理不一样。
图6. 美国第一颗卫星—探险者1号，旋转甩出4根鞭状天线，发射圆极化波
这种相互呈90度的四根天线称为旋转场天线（turnstile antenna），采用两对半波振子，其中一路为另一路正交分量在保持幅度相等情况下，进行90 度移相后形成圆极化波，按照不同的旋转方向，可以分为左旋和右旋圆极化。
图7.圆极化天线无论如何旋转，发射的电波一样，接收天线可以不用考虑
这种电波，在卫星通信中有极其重要的地位。由于卫星和导弹的天线相对于地面天线可能是任何方向的，而圆极化电波对接收天线的相对方向不敏感，不像上文介绍的垂直或者水平极化，这些线极化电波的发射和接收天线必须直对直，横对横，同时也能避免穿越电离层导致的法拉第旋转效应对信号传输的影响，因此圆极化天线技术在卫星通信领域中有重要作用，特别在航天器中，能满足复杂条件下的通讯和测控。探险者1号上另外一台发射器为60mW、工作在108.03MHz，采用了两个玻璃纤维缝隙天线。
而我国第一颗人造地球卫星——东方红1号，重173kg，轨道为439km×2384km, 倾角68.5，周期114分钟，也采用了简单的4根2米多长鞭状天线，在太空展开，在20 MHz频率播放《东方红》歌曲。
图8.中国第一颗人造地球卫星——东方红一号
三、恍若隔世，卫星天线技术日新月异
距离第一颗人造地球卫星发射一晃50年过去了，卫星天线技术发生了日新月异的巨大进步，并在空间任务中发挥重要作用。其技术进展主要可归纳为以下5个空间应用方向。
图9.卫星天线在空间任务的工作特点
由于发射成本高昂，天线在设计制造时需要做多维度的考虑，比如天线增益、天线尺寸、射频功放功率、耗电量、重量等多个因素。此外，卫星天线的发射和空间工作环境非常苛刻：在发射时，天线需要承受几个G的加速度和剧烈震动，大型天线通常还需要折叠才能放入火箭整流罩内，并在空间展开，该过程存在很大的变数；此外，卫星天线直接暴露在真空中，没有热对流，而朝阳面和背阳面的温差极大，达-180～120°C，天线面对极高的温度梯度变化，产生部件的高应力和变形；另外在空间，还需要考虑太阳风等高能粒子轰击、磁场、空间碎片撞击等一系列意想不到的恶劣工况……这都需要在设计研制时，对电子设备做必要的各种保护。
天线技术在卫星技术发展历程中是重中之重，一代又一代科学家和工程师，从实验室到厂房，攻坚克难，上演了一幕幕挑战人类工程极限的大戏。
苏联第一颗人造地球卫星Sputnik 1的全向鞭状天线，让地面测控站甚至无线电爱好者都能接收到信号。美苏虽为冷战敌对阵营，但心有灵犀，冥冥中，美国约翰霍普金斯大学应用物理实验室（The Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory，简称APL）两位年轻人，吉勒（William Guier)和维芬巴哈(George Weiffenbach)，制作了天线和放大器，轻而易举的收到了卫星发射的20.005MHz的信号，实验室的同事们沸腾了！
Sputnik 1发射的是平淡乏味的“哔哔哔”，但卫星近3万公里的时速，让频率有500 Hz～1500 Hz的偏移！两人在兴奋之余，脑洞大开，产生了基于多普勒频移效应来计算卫星相对速度的想法，进而从多次测量的多普勒频移数据中推断出卫星的轨道。
图1.多普勒效应，汽车驶来，喇叭声由高变低就是多普勒效应
这其中需要解决地球南北不对称、电离层折射校正、卫星振荡器频率漂移校正等工作，在学校的支持下，两个年轻人还用上了实验室刚引入不久的Univac 1200F数字计算机，成功推算出卫星的运行轨道。
实验室研究中心主席麦克卢尔（Frank McClure)找到了他们，启发他们研究用已知的几颗卫星轨道，通过多普勒频移计算出接收器所在的位置。这个课题圆满成功，1958年12月，美国海军武器实验室委托美国约翰霍普金斯大学应用物理实验室研制海军导航卫星系统（Navy Navigation Satellite System ，NNSS）。
第一颗成功入轨的“子午仪”试验卫星Transit 1B于1960年4月13日发射，发射54、162、216和324 MHz等不同频率信号，这些信号提供了实验数据，用来评估电离层的折射效应。1964年NNSS建成并投入使用，1967年开放民用。下图为OSCAR型号NNSS导航卫星长达18米的杆子并不是它的天线，而是用来保持卫星姿态的重力梯度杆。该卫星的天线在150MHz和400 MHz上发射信标信号，双频用于抵消卫星无线电信号在电离层的折射，从而提高定位精度。
图2.艺术家描绘的太空中的TRANSIT（子午仪） Oscar卫星
图3.运行在极轨的5颗子午仪卫星
该系统的卫星运行在极轨，但数量少（5～6颗）、轨道高度较低（1070km）、卫星间隔时间较长，其定位需要在35到100分钟才能完成（平均约90分钟），难以提供高程数据、无法连续进行三维坐标定位，精度也相对较低。1973年美国国防部协同有关军方机构共同研究开发新一代的卫星导航系统。这就是“授时与测距导航系统/全球定位系统”，简称“全球定位系统”（GPS）。
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二、给电波打上时间标签
GPS系统的空间部分由24颗卫星组成，位于距地表20187千米的上空，运行周期为12小时。卫星均匀分布在6个轨道面上（每个轨道面4颗），轨道倾角为55度。如此分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星。
图4.24颗GPS卫星在6个距离地球2.02万公里高度轨道面组成星座
相较于简单的多普勒频移定位，GPS系统要复杂得多，简单来说，GPS卫星上有非常精密的原子钟，在其广播的导航电文中包含了信号发送的时间，接收端根据本地时间做减法，再乘以光速，就是接收机到卫星的距离。如果同时测算三颗卫星的信号，就可以根据三角测量法确认位置。
图5.这就是为什么导航卫星需要精密时钟的原因
不过，接收机很难有和卫星同步的精准时间，因此除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，需要接收到4个卫星的信号，方能准确知晓位置。
图6.通过捕捉第四颗卫星信号，计算出时间修正参数Δt
GPS卫星提供了P码（精码）和C/A码（粗码）两种定位服务。P码为军方服务，调制在L波段1575.425MHz（下称L1载波），定位精度达到3米；C/A码对社会开放，调制在L波段1227.6MHz（下称L2载波），定位精度为14米。但如何能够让地面用户收到远在2万多公里外发出的导航电文信号，是个难题！
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三、完美契合地球球面的天线波形
GPS卫星的L波段天线被设计成固定波束面向地球的一面，由于轨道高度为运行时长12小时的中地球轨道，距离地球2.0187万公里，波束宽度约为27.7度，天线允许的对地角度偏差为±0.15度，因此波束宽度约为28度。但是，天线设计的目标是其增益要有形状，契合地球球形的形状，让卫星星下点和地球边缘的信号衰减相差2.1dB，节省功耗，提高效能。
图7.GPS卫星天线的增益要契合地球球形的形状，让卫星星下点和地球边缘的信号衰减相差2.1dB。
因此在研发中，导航信号发射天线的焦点被汇聚在螺旋天线上。
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四、一夜之间的发明和几年的探索
美国俄亥俄大学教授、科学家约翰·克劳斯（John D. Kraus）1946年听了一个讲座，得知在行波管中用螺线管作为导波结构。于是他联想到，是否可以用螺线管来作为天线？当时报告人的回答是已经试过，肯定不行。但克劳斯认为，如果直径够大，肯定会有辐射产生。当晚，他就在家中地下室里绕了一个周长为一个波长、一共七圈的金属螺线，用12厘米波长震荡源通过同轴线馈电，结果在螺线终端方向测到了圆极化辐射。
图8.金属反射圆盘连接同轴线外导体，金属螺线连接芯线
测到，是不是偶然？克劳斯重复了实验，又绕了一个螺线再度验证了这一特性。可以说是一夜成功！但他说，为了理解这种嬗变的天线，随后却花了好几年。
别看螺旋天线结构简单，不过是绕圈而已，其实大有学问！螺旋天线可分为立体螺旋天线(helical antenna)和平面螺旋天线（spiral antenna）。立体螺旋天线根据绕成的形状的不同，又可分成圆柱形螺旋天线、圆锥形螺旋天线等等；圆锥形螺旋天线又称为盘旋螺线型天线，可同时在两个频率工作。平面螺旋天线的基本形式为等角螺旋天线和阿基米德螺旋天线，在结构上又有单臂、双臂、四臂之分，平面螺旋天线一般在后面添加背腔来提高增益。本文重点讲的是圆柱形螺旋天线，它的辐射特性很大程度上决定于螺旋天线直径与波长的比值。
图9.螺旋天线直径对方向图的影响
如果螺线绕的很细密，D/λ<0.18，直径远小于波长，天线的主射方向垂直于螺旋天线轴，这种工作模式称为法向模，其实和半波振子天线相仿，频带很窄，其天线方向图就是上期讲到的甜甜圈。但其优点不仅仅是天线的长度可以大幅度缩短，而且螺线所具有的电感可以抵消电短天线固有的容抗，辐射电阻较大，便于匹配，广泛应用于GSM手机的外置天线。
图10.GSM900/1800MHz双频螺旋天线
但如果直径和波长比值在0.25～0.46之间，即一圈螺旋周长约为一个波长时，螺旋天线沿轴线方向有最大辐射并在轴线方向产生圆极化波，输入阻抗近于纯电阻，频带较宽，增益较高，这种天线称为轴向模螺旋天线，很快在各领域得到了广泛的应用。而且它的互阻抗几乎可以忽略，因此很容易用来组成天线阵列。
当D/λ进一步增大，在D/λ>0.5时，最大辐射方向偏离轴线方向，天线的辐射呈圆锥状，被称为圆锥模，一般用于电磁对抗天线。
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五、组阵列做减法
天线阵的初始概念和设计由罗克韦尔国际公司（Rockwell International）的空间系统分部（Space systems Division）研发，BLOCK I天线非常惊艳，12根短枪，也就是12个单旋螺旋天线组成了L波段的发射阵列，长枪是一个圆锥形螺旋天线，是S波段TT&C全向天线，也就是Telemetry, Tracking and Command Antenna，遥测、跟踪和指令天线。
图11.第一代GPS卫星的视觉杀伤力非常强大，广泛地在科幻作品中“发射死亡激光”
朝向地球的卫星面板上，12个螺旋天线组成的阵列，其实是相控阵定相天线，由内外两圈同心圆排列而成，4个单元等间距组成半径为16.24厘米的内圈，8个单元等间距组成的外圈半径为43.82厘米。螺旋天线半径3.56厘米，长度51.18厘米，D/λ在0.28～0.38之间，是工作在轴向模式的螺旋天线，在1200-1600 MHz的宽频范围内发射L1和L2右旋圆极化信号，圆极化电波可以有效避免信号在穿越电离层时出现的法拉第旋转效应对传输的影响。整个天线完全是无源设计，具有很高的可靠性，同时质量非常轻巧。
图12. 12个螺旋天线组成的相控阵阵列天线，由内外两圈同心圆排列而成
L1载波的射频放大器功率为50W，L2载波的射频放大器功率为10W，通过输入耦合器进行功率分配，90%的功率驱动内圈4个螺旋天线单元，产生高信号功率的宽幅波束；10%的功率用于驱动外圈8个天线单元，产生较弱信号的较窄波束。然而在相位上，两路信号设置成相差180度。
图13.两路载波信号经过耦合器功率分配之后，移相驱动内外两圈发射单元
内外两环信号相隔180度相位，其实相当于两路信号做了一次减法，即下图中红色减去蓝色，得到绿色复合的28度的天线辐射图案，可以看到绿色线条最左边的增益凹陷部位完美契合地球形状。
图14.红色的主信号减去蓝色的信号，得到契合地球形状的天线增益
得益于螺旋天线轴向模的高增益，同时采用这种相控阵定相设计，几乎恒定的信号强度照射地球半球，降低了GPS航天器所需的总发射功率，减少了卫星上太阳能电池和蓄电池的数量和重量，简化了卫星的复杂性和成本。
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六、GPS系列卫星，一脉相承的设计
1978年至1985年间从范登堡空军基地发射了11颗Block I GPS卫星，Block I卫星的最终入轨质量735磅，整星功率500瓦，它们由三个可充电镍镉电池和7.25平方米的太阳能电池板供电，依靠肼推进器进行轨道位置保持。
这些卫星的设计寿命为4.7年，但实际平均寿命为8.76年，几乎是设计寿命的两倍，星载的铷/铯钟被证明是系统中最脆弱的部件。最后一颗Block I卫星于1995年底退役。
12个螺旋天线的设计是非常成功的，一直被保持了下来。在后续BLOCK II / IIA卫星中，螺旋天线的顶部绕圈改为圆锥形设计，这种设计显著减少了侧面和后瓣辐射，提升了天线效率。
图15.BLOCK II / IIA卫星中，螺旋天线的顶部绕圈改为圆锥形设计，枪头变尖
洛克希德马丁公司在Block IIR设计中进行了一些更改，内外圈天线单元的射频功率分配作了优化，内外环两组天线的180移相方式也做了优化，其中通过电桥进行90度移相，另外90度移相则通过两组天线之间90度机械旋转实现。
同时螺旋天线的理论研究还在继续，20世纪70年代，苏联科学家尤尔采夫和鲁诺夫对各种形式的螺旋天线进行了比较系统的理论分析和设计研究，各国学者在此基础上深入研究，延伸出很多变种，尤其是四臂螺旋天线因其高增益、方向性好、圆极化的特点，得到了深入的发展和实际应用。这种天线很快也将出现在GPS卫星上，如下图周边一圈8+1+1个胖胖的天线，就是Block IIR用于UHF频段通信的四臂螺旋天线，其用途具体见Willard Marquis和Daniel Reigh写的《On-Orbit Performance of the Improved GPS Block IIR Antenna Panel》。
图16. IIR增加了UHF频段通信的四臂螺旋天线，12个螺旋天线反射器也有改进
波音公司生产的GPS BLOCK IIF卫星配备两个高稳定性铷钟和一个铯原子钟，以提供准确的导航信号，信号准确度是传统模型的两倍，但发射天线保留了经典设计，设计寿命为12年，从2010年5月28日开始，已经发射了12颗，是目前GPS卫星的主力。
图17.波音公司生产的BLOCK IIF卫星是目前GPS的主力
图18.洛克希德马丁公司生产的BLOCK III卫星是最新的GPS卫星
斯坦福大学2015年的SCPNT（Stanford Center for Position, Navigation and Time）研讨会上，一位名为Shankar Ramakrishnan的学生利用逆向工程方法，算出了GPS BLOCK III的3D方向图，可以较为直观地了解12组元L波段螺旋天线的辐射（其实一直希望有一种AR技术，能够“看到”看不见的电波）。
图19.Shankar Ramakrishnan用逆向工程法绘制的GPS BLOCK III的3D方向图
就像是一个师傅教出来的一样，俄罗斯的格洛纳斯K卫星也是采用了非常类似的设计。
图20.在2011年Cebit展上露脸的格洛纳斯K卫星
对螺旋天线的研究在持续进行，主要是在扩展带宽、增强方向性即提高增益，提高圆极化纯度和小型化等方面，与轴向模式螺旋天线和喇叭天线相比，逆火螺旋天线（BACKFIRE）作为比抛物面反射器的更好的馈电元件也已走上舞台。
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七、欧洲和中国脱颖而出
欧洲在卫星导航技术上不甘心受制于美国，欧盟于1999年首次公布了伽利略卫星导航系统计划，其目的是摆脱对GPS的依赖，打破其垄断，从而在全球高科技竞争浪潮中获取有利位置，并为将来建设欧洲独立防务创造条件。
伽利略系统的核心部分是在空间部署30颗导航卫星，采用23616km 的中地球轨道，3个轨道面，轨道面间夹角120度，轨道倾角56度，轨道周期14h 4min，地面轨迹重复周期10天，30颗卫星等间隔地分布在三个轨道面上。导航信号分别为E1、E5及E6。
和GPS系统一样，伽利略导航卫星同样需要覆盖球形的地球表面，由于在大约24000km的高度轨道运行，波束宽度较GPS的28度缩小为约24度，并且覆盖边缘所需的增益比中心处的增益高约2.5dB。
在L波段主天线选择上，欧空局另辟蹊径，采用了微带天线多层平面技术。微带天线具有剖面低、重量轻、体积小、易于共形等优点，空间应用潜力巨大。两个相位相差90度的微带天线可以发射圆极化电波；但微带天线也有发射频带窄的劣势，因此天线单元采用两组4层微带天线堆叠而成，组装在紧凑、轻便且可拆卸的独立单元中，中间由蜂窝垫片支撑。由两个分别在1.2G/1.5G频段的独立BFN（波束成形网络）馈电，形成双频右旋极化波。
图21. 4层微带天线堆叠而成的天线发射单元
微带天线的整个天线单元由36个微带天线堆叠贴片单元组成，阵列网格是混合点阵，针对双频段功能进行了优化，两个频段的增益均为15 dBi，重量仅为21.9千克。当中核心区块，4+8的单元设计，与前述螺旋天线阵列完全一致。
图22.当中核心区块，4+8的单元设计，你是否熟悉？不是费列罗，而是前述螺旋天线阵列
欧空局在2005年12月发射了伽利略导航首颗在轨试验卫星，GIOVE(Galileo In-Orbit Validation Element)-A，后续又持续进行了试验和改进，L波段天线出现了几种不同的改变，尚无文献说明天线阵列改变的目的和效果。最终版本被称为FOC (Full Operational Capability) ，可见其天线核心的阵列又恢复到GPS BLOCK I类型的阵列。
图23.4代伽利略导航卫星
图24. Shankar Ramakrishnan用逆向工程法绘制的伽利略主天线的3D方向图
据传，我国MEO北斗卫星的L波段主任务天线也采用了微带天线多层平面技术，然而至今仍犹抱琵琶半遮面。下图为一位国外艺术家J·Huart绘制的想象图。
图25.国外艺术家绘制的北斗MEO导航卫星
从GPS的长枪短炮到伽利略的斑斑点点，导航卫星的天线技术在不断进步，同步原子钟技术、扩频通信技术、定位数据处理等等技术革新，才让现在的定位精度有了显著提高，并实实在在地从外卖点餐到开车导航，走进了老百姓的寻常生活。
前段时间，一位名叫伊恩·威尔逊（Ian Wilson）的英国人宣称他在谷歌地图上找到了失踪四年半的MH370客机，具体坐标为北纬12.089059，东经104.151882！这个消息顿时在全球互联网上一石激起千层浪。我国的长光卫星技术有限公司立刻调动自己全部10颗卫星，陆续前往观察，不过在2018年9月5日11时31分第一次拍摄的照片却令人大失所望，疑似MH370坠毁地点被云层遮挡，所以无法确认。
图1.光学卫星在云雨、雪雾、沙尘面前一筹莫展
后续长光卫星在天晴后发回的照片澄清了传闻真伪，但这不得不令人想起了合成孔径雷达，SAR(Synthetic Aperture Radar)，因为这种雷达弥补了光学对地观测的短板——能够穿透云雨、雪雾、沙尘等各种障碍，全天候，风雨无阻！
图2.合成孔径雷达拍摄的国会山照片,好比是X光透视,体无完肤,毫无保留，撕去伪装、穿透掩盖物！
一、雷达成像不简单——合成孔径雷达的发明
经常会在电台或者电视听到：“根据雷达回波分析……”最初的雷达，很像她英文名的对称型字母顺序，RADAR（RAdio Detection And Ranging）嵌入了一个“反射”的内涵，即发送一个电波，被照射的物体反射电波，雷达接收回波，一来一去记录时间，根据无线电波传播的速度，一乘就知道被测物体的远近。
为了知晓方位，雷达也是很拼命，初期的机械扫描雷达7×24小时旋转工作，得到下图，大家在战争片看到过很多类似的图像：“方位幺叁拐，距离拐洞拐……”
图3.和红色警戒游戏类似雷达图，简单粗糙，满足一定需求
此类提供方位和距离信息的雷达叫做二坐标雷达，一些场景，如舰载警戒引导雷达，还需要知道被测物体（如导弹、飞机）的高低信息，因此在垂直方向（高低角）上增加了电扫描，从而可获得目标的距离、方向和高度信息，这种雷达被称为三坐标雷达。不过要让此类雷达照出高分辨率的照片，这显然还远远不够。在合成孔径雷达的发展历史上，合成孔径雷达之父Carl Wiley以其专注的精神、锐意的创新，谱写了雷达成像崭新篇章。
图4. Carl Wiley,1918.11.30～1985.4.21,美国数学家兼工程师,太阳帆概念及SAR发明者
Wiley老爷子年轻时多才多艺，1942年发现了钛酸钡的压电性获专利，后续他想出了map matching——地形匹配导航概念。1949年他加入了美国固特异飞机公司(Goodyear aircraft Co. )，想把这个概念变为现实。他的课题，其实很暴力，极具军事价值！在导弹飞行的过程中，使用预先记录的地形等高线图，依靠小尺寸天线对地测量结果进行比较，让导弹长眼睛，然后精确命中目标。这种洲际导弹的导航系统，即为后续固特异飞机公司的拳头产品——ATRAN（Automatic Terrain Recognition And Navigation map-matching radar system），自动地形识别和导航地图匹配雷达系统。
图5.装备ATRAN 的TM-76A导弹
但事实上，这要求雷达成像达到3维标准，难度非常大，以下图为例，一束电波照射到地面，反射回来，慢动作回放，但你会发现，你接受到的仅仅是一段起伏的电平，如何才能将当中的信息解读出来并绘制高清图像？
图6.根据雷达回波，收到的仅仅是一段起伏波形，如何能够解读并绘制高清图像？
而且雷达系统的分辨率由其天线的尺寸决定。在波长固定时，天线越长则分辨率越好，但在飞机上、卫星上却很难装载下一支非常长的天线。
Carl Wiley仔细研究飞行雷达收集到的信息，在1951年6月他观察到，在方位向上（这个专有名词后续有专门介绍），被测物体的坐标，与该物体反射到雷达的信号的瞬时多普勒频移之间存在一一对应关系。Carl Wiley脑子里面的构思逐渐清晰起来……
（一）移动改变雷达成像
——深度学习多普勒效应
当一辆警车迎面驶来的时候，听到声音尖刻，而车离去的时候声音变得低沉，这就是“多普勒效应”。在《看天线，识卫星——漫谈卫星天线（二）》一文中我们讲到了利用多普勒效应测量卫星速度，进而推算卫星轨道的案例。
图7.产生多普勒频移是波源和测量者之间的相对速度。
但要强调的是，产生多普勒频移，核心是波源和测量者之间的相对速度，产生的频偏是相对速度/波长。警车以固定速度行驶，迎面和背离两侧，警笛的跑调也就两个调子。
但如果相对速度是在变动，这个频偏就不一定了，比如装在飞机上的雷达探测地面目标，与地面目标的相对速度就一直在变动，如下图，可以根据高中物理，把相对速度按照L BAD、L ABD、L CBD进行分解，可以发现在B点，雷达和被测目标垂直，相对速度为0，频偏为0；而在A、C点，由于相对速度不一样，不仅出现正负，而且幅度不一的频偏。
图8.根据频偏可以测算出相对速度，进而确定方位。
事实上，给定雷达移动的速度、飞行的高度以及雷达照射的角度，是可以根据频偏算出被测试目标的方位。在立体几何中，这些方位，是以双曲线族形式呈现的。
接下去，就要切入提升分辨率的核心章节，这部分我将使出浑身解数，化繁为简。
（二）歪头斜脑定远近，
多普勒频偏定前后
Carl Wiley课题的难点是要从一段杂乱无章的回波电平中读取数据，建立坐标，并能读取高度信息。建立坐标，沿着雷达飞行的方向，叫做方位向（Azimuth）；垂直于雷达飞行的方向，被称为距离向（Range）。通过三步法可以建立起这个坐标系：
STEP1.雷达斜视实现“距离向”坐标
所谓“距离向”，就是离开雷达的远近坐标，这个很容易实现，其实就是靠雷达回波的时延来确定被测物体的远近，根据时延可以画出一圈一圈代表远近的等时线。其实如果你看了后面关于各种卫星的天线，或者各种机载SAR在一侧的安装位置，可以发现，他们都是歪头斜脑来确保“斜视”！为什么？因为正朝地面发射电波，两面反射，搞不清雷达左右谁回的波！只有斜视才能保证收到的回波，唯一反映了一侧的距离，见下图的等时线。
图9.如何才能把格子画的更小，将分辨率提高？
STEP2.多普勒频偏定前后
等时线确定了一维，第二维就是图上等多普勒线，他确定了“方位向”的坐标。其实Carl Wiley最突出的贡献是提出了多普勒波束锐化（DBS, Doppler Beam Sharpening）概念并付诸以工程实现。在1951年6月的报告中，他的结论是，对反射信号的频率分析可以实现比物理波束本身的长度轨道宽度所允许的更精细的沿轨道分辨率，这当中的核心思想，是设计一个滤波器，能够将细小的频偏区分。她把回波中的平淡乏味的电平变动，解读出频偏并归类，在图9的坐标上，画出一道道等多普勒线，这实现了对雷达回波信息的对号入座。
显然多普勒滤波器是雷达分辨率的重要指标，Carl Wiley测算，分辨率为天线孔径长度的一半，要获得高分辨力，仅需要天线小点，这个结论非常惊人！传统真实孔径雷达天线与之恰恰相反，要求大孔径，而且希望波长越长越好、距离越远越好。
STEP3.做比对，火眼金睛识高低
假设拍摄的对象广袤无垠，没有凹凸，那么接收到的雷达回波信号按照时延和频偏可以对号入座，洒在相应的格子上，作为标准模板；但如果地形有起伏，那么这些细微的高程变动，就会在这个格子的反射波（专业术语为后向散射波）的时延和相位上体现，通过和标准模板做比对，解读出比普通雷达更为细致丰富的数据。
在1952年，Carl Wiley利用超声波模拟了系统的工作过程，结果非常满意，6月4日公司副总阿恩斯坦博士发来祝贺信（事实上，合成孔径雷达成为固特异飞机公司航空公司后续30年的雷达主营业务）。
图10.合成孔径雷达成为固特异飞机公司航空公司后续30年的雷达主营业务
1953年7月8日在DC3飞机上的机载合成孔径雷达启动，地物的反射波接收后与发射载波作相干解调滤波，并按不同距离单元记录在录像带上，图像后续在地面上完成制作。但刚才STEP 3中提到的比对工作，事实上成为限制合成孔径雷达发展的瓶颈。一幅SAR图像的原始数据量通常是上亿位元组，而且SAR成像的算法复杂，每个像素(pixel)需要1,000次左右的浮点运算。在数字处理器成熟之前，其实是用傅立叶光学系统来完成。
1957年7月，美国密西根大学使用光学类比处理器处理出了X波段雷达的第一幅完全聚焦的正侧视条带(Stripmap)工作模式的合成孔径雷达图像，该系统用胶片记录，原始底片类似光学全息图像，通过光学系统处理后能成为雷达图像，但这是合成孔径雷达开天辟地的一件大事。
合成孔径雷达是非常复杂的，可以用不同的方法来介绍，上述用Carl Wiley提出的多普勒波束锐化（DBS）概念其实是合成孔径雷达（SAR）在频域的另一种解读，相对比较直观些，但结论是一致的。你也可以认为合成孔径雷达是“移行幻影大法”：SAR雷达在不同的点进行连拍，每次辐射相干信号并接收回波，将各次接收信号进行相位校正并作相干处理，得到了聚焦合成孔径天线信号，其效果等效于一个大天线各单元同时辐射和接收的长线阵。
图11.合成孔径雷达“移行幻影大法”
而作为本章节的主人公，1953年Carl Wiley从固特异跳槽，在亚利桑那州凤凰城成立了自己的公司Wiley Electronics；1954年8月13日，由于他比伊利诺斯大学和密西根大学这些学院派早几个月发现了SAR工作原理，他提交了SAR雷达专利申请，题为“脉冲多普勒雷达方法和装置”。不过，由于这个发明是为军方研制，1955年6月1日保密令禁止他为技术期刊撰写关于SAR的论文，禁令直至1964年11月18日才被废除。1985年IEEE（电气和电子工程师协会）授予他先驱奖（Pioneer Award）。
二、短命的初代SAR星“海卫-1”，开启新篇章
但随着电子计算机技术在70年代的迅速发展，为SAR的影像处理提供了硬件基础，SAR的信号处理由类比式转向数字式处理，SAR雷达获得了飞速发展。其实SAR雷达可以装在飞机、卫星等各种平台，1972年4月，美国NASA的喷气推进实验室（JPL）进行了机载L波段SAR的试验，获得了成功。但机载干涉SAR 的主要问题是由于空气扰动和飞机运动引起的平台的不规则运动，需要大数据量的运动补偿以提高准确性，而且飞机的飞行范围也非常有限（不怀好意的用途）。
因此对地观测，星载SAR技术获得了一些专业领域更多的青睐，首先是海洋学术界的兴趣，合成孔径雷达被列入NASA海洋观测卫星——“海卫-1”（Seasat-1）计划，其目的是用微波雷达研究全球的海洋状态。1978年6月28日，“海卫-1”卫星从范登堡空军基地发射，入轨10天后SAR系统启用。
图12. “海卫-1”卫星系统图
Seasat-1的轨道高度为795km，每秒钟大约发送1500次脉冲，每次脉冲时间为33.4微秒，脉冲间隔约为666微秒。1500次脉冲每秒，按照卫星在轨道上7公里/秒的速度，其实卫星也就隔了5米就拍摄一次照片，行话叫做stop and go模式，践行了移行幻影大法，长宽也就10.74米×2.16米的“长板凳”雷达天线，效果相当于约几公里孔径的大天线，实现了25×25米的分辨率，测绘带宽度为100千米。
终于到了读者关心的焦点了，也就是为什么合成孔径雷达的天线要长这么大个？而且都是长板凳形状？这重量、折叠，可都是个问题啊！
对于星载SAR来说，测试目标在近千公里之外，收发天线要达到系统工作要求，发射功率要大，接收天线灵敏度要高。但这何尝容易！
星载SAR是一台大功率的脉冲雷达，工作时，峰值发射功率2-5千瓦，高分辨率星载SAR的功耗会更大些，而近地轨道的太阳能电池帆板不能太大，不然阻力大、高度掉得快，一般大小只能在30平方米左右，所以很多早期的SAR星是依靠太阳能和星载蓄电池联合供电，弥补太阳能帆板单一供电的不足。而这样一来，SAR天线也只能干一会歇一会，歇的时候太阳能给蓄电池充电。卫星在非晨昏线的太阳同步轨道一圈1百多分钟，除去半个小时左右的地影，剔除充电时间，一般只有10～25分钟可以用来工作，蓄电池反复充放也限制了SAR星的工作寿命，近来锂离子电池技术的革新倒是很大程度缓解了这个问题。
电力有限的情况下，SAR星必须把天线的增益做得足够高，一般采用相控阵阵列天线技术，Seasat-1长达10.74米的天线将波束赋型，方位角的波束宽度仅为1.73°，同时控制副瓣电平，再次为波束扫描的要求打下基础。在接收方面，大型阵列天线的接收灵敏度也高。
图13.孔径较大的天线更易于实现高增益，具体体现在波束窄，能量集中
在天线距离波束设计上，其实更为复杂、难度更大，因为除了考虑波束宽带、形状、副瓣电平和增益外，还需要考虑距离向模糊度的要求。之前说了，必须歪头斜脑保证雷达斜视，依靠回波反射时间长短来画出等时线。而如果有距离向波束副瓣越界到了星下点的另一面，反射回干扰，导致成像模糊，就很麻烦。因此像Seasat-1的 2.16高米的天线，把距离向波束宽度控制在6.2°并尽量减少副瓣干扰。
天线大是必须的，那么问题又来了，怎么带上天？整流罩最大也就4～5米直径，这就要求天线必须可以折叠！Seasat-1天线由八块可折叠子阵列面板组成，相互铰链，依靠高可靠性的伸展机构实现在发射时的折叠和在空间的展开（由于空间温差大，铰链等伸展机构的活动间隙不能太小，后续日本的JERS-1就出现过机构抱死展不开的情况）。
图14. Seasat-1的天线伸展设计
工程师同时在减重上下功夫，面积20多平方米的天线被控制在100公斤，主要是采用了环氧树脂玻璃纤维做基板，Nomex（间位芳香族聚酞胺纤维，国内叫芳纶1313）制成的轻巧蜂巢结构，刚度好，实现了天线结构的轻量化，且耐温变（温变会导致天线变形，造成聚焦等问题，非常麻烦）。
图15. Seasat-1的天线轻薄但高强度，采用了微带天线
不过需要提醒的是，地球是球形！星载SAR会遇到了比机载SAR更为严重的现实，下图可以较为夸张的表示，需要对地球曲率引起的距离向时延进行补偿计算，早期的星载SAR，如Seasat-1是把星载SAR的时间灵敏度控制设计放在雷达系统中，后续的设计分工明确，天上就管发送和接收，数据处理集中放在了地面，给天上的设备减负。
图16.星载SAR系统工作的空间几何关系
作为第一颗SAR星，Seasat-1万事俱备，考虑充分，但由于电源系统短路，仅在天上运行了100天就挂了，英雄为之扼腕！不过，短短的这段时间，她对地球表面多达1亿平方千米的面积进行了全天候测绘，距离和方位分辨率达到25米，从Seasat-1获取的图像资料表明，SAR 卫星也可以用于海洋科研之外其他用途，例如农业、森林等等观测项目。
三、技术革新、不断迭代
Seasat-1不幸夭折，像是第一个吃螃蟹的——好吃，但肉难剥！针对传统合成孔径雷达的弱点，各国先后开展了各种改进，引发对地观测技术的巨大革新！
80年代初，航天飞机红极一时，1981年11月12日，哥伦比亚号(STS-2)航天飞机装载利用Seasat的备用天线制造的SIR-A 雷达上天，SIR是Spaceborne Imaging Radar的首字母缩写，由于发现了撒哈拉沙漠的地下古河道，引起了国际科技界的震动。1984年10月5日发射的挑战者号（STS-41G）航天飞机搭载了SIR-B，由于增加了天线机械扫描，对地观测入射角在15～60度可变，数据处理也由之前的胶片改为数字。但两个项目均为L波段HH极化。HH极化，前一个H表示发送水平极化波，后一个H表示接收为水平极化波，关于极化的知识，详见《看天线，识卫星——漫谈卫星天线（一）》。NASA感觉到，可以有更多革新可以实施。
（一）多波段，多极化
——美国一马当先
NASA通过对“海卫１”的图像研究提出，为最大限度地改进图像质量，并解决电磁波与地表相互作用方面的有关问题，需要多种频率和多极化方式进行比较，以找出各种不同应用情况的最佳频率范围和极化。同样入射角观测地物时，X 波段比C和L波段更能够精确地描述目标的细微形状。大量资料指出，星载SAR所观测的后向散射波不只是来自目标的表面，也有来自内部，即电磁波穿透得到的回波。波长越长，穿透力越强，这种作用在观察比较稠密的作物或树木生长情况时特别明显，而更短波长C/X波段在海冰、土地冲蚀、地质结构和构造等方面观测质量较好。
图17.各个波段对不同被观测物的效果
X波段特别适合于对冰的观察和分类，也特别适合对海面污染层的观察，对于海洋咸水，小于X波段的电磁波的穿透深度几乎是零，而对于淡水和穿透地下目标的观测来说，L波段特别适用。对旱涝灾害监视，采用L波段或C波段来观测土壤湿度是一种有效的空间遥感手段。观察海洋上的强目标，从信号相干性和灵敏度而言，C波段是最佳的选择。
在极化方面，不同的被观测物体对于入射的不同极化波，后向散射不同的极化波。因此空间遥感可以使用多波段来增加信息含量，也可以用不同的极化来增强，提高识别目标的准确度。经验表明，对于海洋应用，L波段的HH 极化较敏感，而C波段是VV 极化比较好；对于低散射率的草地和道路，水平极化使地物之间有较大的差异，所以，地形测绘用的星载SAR 都使用水平极化；对粗糙度大于波长的陆地，HH或VV无明显变化。下图所示，同一目标对于四种不同极化的成像，V表示垂直极化。
图18.同一目标对于四种不同极化的成像
经验表明，不同极化下同一地物的回波强弱不同，图像的色调也不一样，增加了识别地物目标的信息。相同极化（HH ，VV）和交叉极化（HV ，VH）的信息比较，可以显著地增加雷达图像信息，而且，植被和其他不同地物的极化回波之间的信息差别比不同波段之间的差别更敏感。所以，多极化工作是SAR 卫星发展方向之一。
1994年，STS59/68美国航天飞机两次搭载SIR-C / X-SAR雷达，其中X-SAR 由德国和意大利联合研制，这一系列SAR载荷从单一的L波段扩展到了L、C、X三个波段；从单纯的HH极化发展到HH、VV、HV和VV四种极化方式，并具有可变入射角和“聚束模式（凝视，SPOTLIGHT）”的能力，主要用于环境监测和资源勘探等方面。
图19. 1994年，STS59/68美国航天飞机两次搭载SIR-C / X-SAR雷达上天对地观测
（二）干涉SAR，弥补斜视盲区
第一章节提到的“歪头斜脑定远近，多普勒频偏定前后”理论表面上无懈可击，但在实际应用的时候，其实SAR雷达侧视成像也会看走眼，比如下图这个极端的例子，如下图B点为某高山顶峰，和山脚下A点离卫星距离一致，几乎同时到达SAR接收天线，信号混杂，在距离向上无法分辨，山坡坡面压缩，这种现象称为图像折叠。
图20. SAR雷达侧视成像也会看走眼
另外山背面也会让SAR感到很困惑，如下图， A、B两座高山，由于峰顶遮挡，在离SAR不同距离下，随着遮挡的产生，山背后一大片成像变为阴影，质量糟糕。而阴影是所有遥感影像中最不希望出现的。
图21.由于斜视，离SAR雷达越远，图像阴影越发严重
解决这个问题，干涉合成孔径雷达(Interferometric Synthetic Aperture Radar，简称InSAR)应运而生。他综合了SAR成像和干涉测量技术原理，通过对同一地区的两次观测成像，获取两幅单视复数图像，对两图像进行干涉处理，提取其相位信息，它主要应用于测地面点的高程及其动态变化，形成三维地表信息。
图22.通过对同一地区的两次观测成像，获取两幅单视复数图像干涉处理后恢复高程信息
这一技术其实美国军方早就秘密开发并使用，通过机载SAR干涉测量技术应用于地形测绘，利用相位差图像获取高程信息，并于1971年申请了相关专利。1972 年Zisk采用同样的方法来测量月球的地形，NASA的Graham在1974年利用机载合成孔径雷达数据获取了能满足1:25万比例地形图要求的高程数据，开创了InSAR 技术在对地观测中获取三维信息的先河。
1978年Seasat-1卫星在空间飞行100天获取地球表面雷达干涉测量数据，通过利用其重复轨道干涉模式，首次获得了地球表面的星载SAR干涉测量数据。1986年,NASA旗下喷气推进实验室(JPL)的Zebker和Goldstein等人在理论和实践上对干涉SAR进行了完善和发展，成功研制航空雷达干涉测量仪，并采用数字信号处理技术将获得的数据进行立体测图，取得了10m以下的高程测量精度。此后，各国科研人员都加入到干涉SAR的研究行列里来，在系统设计和算法处理上都取得了较显著的科研成果。以下图智利阿塔卡马沙漠数字高程模型（DEM）制作为例：
图（a）为星载单通道SAR干涉仪TanDEM-X采集的图，对应的两幅图像已进行图像配准，图像的配准精度至少应为1个像素，为了得到较好的干涉图, 一般需要1/10像素的精度，同时去除噪声；
图（b）是对干涉图去平地相位处理。由于基线的存在，导致两图下视角存在差异，即使高度不变的平地在干涉图中也表现出呈周期性变化的干涉条纹（主要为平行于方位向的条），这一现象称为平地效应。在进行相位解缠和滤波之前，需要去除平地相位，否则干涉相位图不能反映真实的地貌特征或者地表形变信息,并且条纹的密集化也增加了相位解缠和滤波的难度；
图（c）相位展开，根据基线参数，计算出高度值。
图23.三步法制作阿塔卡马沙漠（智利）数字高程模型（DEM）
InSAR有很多种类，按照SAR图像的获取方式，InSAR可分为单轨双天线干涉测量和重复轨道干涉测量两种。20世纪90年代是InSAR技术迅速发展的阶段，以SRTM(shuttle radar topography mission，航天飞机雷达测绘任务)系统为例，即为典型的单轨双天线干涉测量系统。
美国NASA和国家影像与测绘局合作，在“奋进号”航天飞机上装载了一单轨双天线系统用于获取全球三维地形信息。该系统同时拥有C波段（5.3 GHz）和X波段（9.6 GHz），两个波段的SAR系统均使用位于航天飞机敞开货舱中的主天线和分别安装在可展开的外侧桅杆上的第二接收天线来获取干涉图像，即在航天飞机上使用双天线实施干涉SAR（InSAR）地形测绘。主天线是目前最重的SAR天线，重达13.6吨，放在航天飞机的货舱中，另外60米长桅杆重360公斤，基线长度的精度测量要求达到2毫米。
图24.航天飞机带了一个长长的桅杆上天，形成双天线接收
图25.60米长的桅杆，仅重360公斤，而且可伸缩自如
图26.航天飞机“四脚朝天”，肚子向地面拍摄了11天
美国“奋进号”航天飞机于2000年2月11日到22日利用SRTM的SIR-C和X-SAR对全球地形进行测绘，耗资3.6亿美元，11天共计进行了222小时23分钟的数据采集工作，获取的雷达影像数据达9.8万亿字节，数据覆盖范围在北纬60°至南纬56°之间，覆盖面积超过1.19亿平方公里（约占地表总面积的80%），数据产品为间距30m和90m的数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）和三维地形图，绝对测高精度为水平20m，垂直16m，相对测高精度为水平15m，垂直4m。这也是全球首次获得如此丰富的数字高程模型数据。实现了基于InSAR技术真正意义上的全球地形三维测绘，这是目前InSAR应用最成功的例子。关于这个神奇的SRTM后续再开专题讲，包括60米长桅杆的伸缩。
图27. SRTM对厄瓜多尔科托帕希山（Mt. Cotopaxi in Ecuador）的成像
（三）不甘落后，奋起直追的欧空局
于此同时，欧洲也不甘示弱，SAR星技术发展迅猛。欧空局于1991年7月利用阿里亚娜4火箭发射了欧洲的地球资源卫星（ERS-1），卫星采用法国MK-1平台，装载了C 波段（5.3GHz）SAR ，VV极化获得了30m空间分辨率和100km 观测带宽的高质量图像。1995年，欧空局发射了性能类似的ERS-２卫星。
图28.欧空局第一代SAR星ERS-1/2
雄心勃勃的欧空局于2002年3月1日，在法属圭亚那库鲁的圭亚那航天中心利用阿丽亚娜5号发射了一个大件,重达8211公斤的巨无霸SAR星---Envisat，开发和运营的成本达到了23亿欧元（包括5年运营费用3亿欧元）。该卫星在774公里的太阳同步极轨道工作，倾角98.55度，重复周期35天。该卫星携带了5年工作寿命所需的319千克推进剂。2118千克有效载荷其实包含9台科学仪器，包括了一台发射峰值功率7.95千瓦的ASAR（高级合成孔径雷达），她以多种模式在C波段工作，多种极化，入射角范围可调，为15-45度。许多科学学科使用该卫星上不同传感器获得的数据来研究诸如大气化学、臭氧消耗、生物海洋学、海洋温度和颜色、风浪等水文（湿度，洪水）、农业和树木栽培、自然灾害、数字高程建模（使用干涉测量）、海上交通监测、大气扩散模拟（污染）、制图、雪研究和冰研究等。
图29.欧空局ERS、Envisat前后两代对地观测SAR卫星
图30.大胖子Envisat浑身上下装满了科学仪器
原本工作5年，实际工作了10年，在2012年4月8日与卫星失去联系后，欧空局于2012年5月9日正式宣布Envisat的任务结束，目前该卫星成为了最重的太空垃圾之一。接替Envisat任务的是Sentinel，哨兵系列卫星。其中第一个，Sentinel 1，自2014年4月3日发射成功，本篇开头的图片即为其SAR天线。
这里要好好介绍一下SAR的长板凳天线，SAR天线是一种星载大型天线系统，典型的有微带平面阵、波导缝隙阵和网状抛物面天线三种形式。前述Seasat-1为微带贴片天线阵，具有剖面低、体积小、轻便、便于馈电的特点，因此在星载SAR中有广泛应用，早期在L波段用的比较多，后续采用方形、方环形、圆形和圆环形等多种贴片，满足多频、多极化、高极化纯度等要求。
图31.大胖子Envisat的C波段微带贴片天线阵列，满足交叉极化。
另一种波导缝隙天线（Slotted Waveguides），其体积、重量和带宽都处于劣势，但其非常低的线阵馈电损耗使之适合用于较高频段，特别是X波段甚至更高频段的星载SAR天线，ERS-1/2、SIR-C/D、RadarSAT-1等都采用这种技术，哨兵也一样。哨兵1的天线由14块天线子阵列面板组成。
图32.哨兵-1的SAR天线由14块天线子阵列面板组成
每块子阵列面板有20个双极化子阵列，每个子阵列是具有两个平行缝隙谐振波导的双极化单元，垂直极化由脊形波导中的纵缝激发，而水平极化由横向窄边斜缝产生（讲的超纲了）。
图33. 带有H / V极化的波导缝隙天线子阵列面板
图34.在紧缩场测试的长板凳（部分折叠）
图35.哨兵1由联盟火箭发射上天，天线呈折叠状态。
图36.不过哨兵1在天上好像挺招人喜欢，他的太阳能板曾遭飞来横祸，被不明物体撞击
欧洲其实在SAR星研发上硕果累累，还有长的像万花筒的六边形德国TerrSar-X卫星，她有一个五米长的主体，六边形横截面，其主要有效载荷是工作在X波段的双极化有源相控阵波导缝隙天线（9.65GHz），雷达波束可以在垂直于飞行方向的20到60度的范围内电扫；另外天线阵采用了金属化碳纤微材料加工而成，质量轻、热稳定性优越。2007年6月15日，TerrSar-X卫星在哈萨克斯坦拜科努尔航天发射场成功发射，2008年1月7日投入使用。TerrSar-X侧边长杆，并不是用来做干涉双天线，是用来以300Mbit / s的速率向地面传输数据。其实TerraSAR-X是和TanDEM-X在做双星干涉SAR，两颗卫星编队飞行组成缠绕螺旋状轨道，据称生成了比SRTM数据更为准确的全球高精度DEM，高程定位精度优于2m，DEM网格间距为12m。
图37. TerrSar-X侧边长杆，并不是用来做干涉双天线，而是以300Mbit / s的速率回传数据
（四）多视角，另辟蹊径，
出道最早的加拿大商业SAR星
谈到SAR星技术，不得不提加拿大！枫叶国在SAR星研发方面，另辟蹊径，1995年11月4日, 加拿大RadarSAT-1卫星的成功发射与运行，是星载合成孔径雷达技术开始商业化运行的一个重要标志。
图38.工作在晨昏线上的RadarSAT-1，天线正装，卫星斜飞，帆板偏转正对太阳
RadarSAT-1的轨道高度为798km，为了给2100瓦的工作于5.3 GHz 的C波段大功率雷达供电，她运行在晨昏线上！晨昏线，也就是下图中黑白交界的轨道平面附近，卫星一侧（图中右侧）24小时始终受到稳定的太阳光直射，这就完美契合雷达观测卫星的工作需要，因此RadarSAT-1配置了双侧太阳能帆板，日以继夜、夜以继日地工作，透过云层、雨雪、沙尘获取独特地球写真！最高分辨率达到10m，其晨昏线轨道以及卫星热控等方面分析，具体可见《太阳同步轨道，倾角总在98度处》。
图39.晨昏线轨道一面始终朝阳，特别适合SAR星
RadarSAT-1工作模式多达7类25种，是目前工作模式最多的SAR卫星。其利用相控阵阵列实现可变视角的ScanSAR工作模式，提供最小105公里、最大520公里观测带宽度，满足不同商业需求，其最高分辨率达到10m。
图40.可变视角的ScanSAR工作模式，提供最小105公里、最大520公里观测带宽度
RadarSAT-1目前已退役，其继任者RadarSAT-2继承了RadarSAT-1的主要性能，并且采用了更为先进的微带固态有源相控阵天线，波束扫描能力更强，下视角在 20°～50°范围内可变，其分辨率最高可以达到3m，另外RadarSAT-2还支持全极化工作方式。RadarSAT系列最主要的应用是观测海冰、海洋现象等，是目前适用于海洋应用的性能最好的星载SAR系统。
未来，加拿大还计划构建Radarsat星座系统（Radarsat Constellation Mission，RCM），利用多颗小卫星形成星座，每颗卫星都搭载C波段SAR和船只自动识别系统（Automated Identification System，AIS）。这个星座将具备近乎实时的海冰监测、溢油检测、舰船监视和灾害控制等方面的能力。
图41.未来，加拿大还划计构建Radarsat星座系统
四、一些“难以启齿”的SAR星
在本文临近尾声时，把焦点转回到美国，美国把SAR技术用在了太空探索，比如用合成孔径雷达探测月球、金星的地质结构。1989年NASA开展了“麦哲伦”（Magellan）SAR观测金星计划，她在1989年5月4日由“亚特兰蒂斯”号发射升空，1990年9月15日开始测绘任务，1991年5月15日终止，期间测绘了金星的70%地表，分辨率不低于300米。Magellan的雷达工作于S波段，天线为其顶上的高增益抛物面天线，HH极化，距离向分辨率为120～360m，方位向分辨率为120～150m，入射角大于30°。
图42.由航天飞机发射的“麦哲伦”（Magellan）金星探测器
但美国更多地把SAR技术用在了军事上。1988年~2005年，美国陆续发射了5颗“长曲棍球（Lacrosse）”SAR卫星组成军用对地雷达图像侦查卫星星座，第一和第二颗于1997年、2011年3月26日失效，现有三颗在轨，其最高分辨率估计达到了0.3m左右，在海湾战争等局部冲突中发挥了巨大的作用。而美国国家侦查办公室NRO对于这些卫星的存在一直遮遮掩掩。
长曲棍球系统的开发于1983年获得批准，首星是在1988年12月3日用阿特兰斯号航天飞机发射，其分辨率为1m，用于全天候全球侦察；1991年3月用“大力神4”火箭从范登堡发射场发射了“长曲棍球2 ”SAR卫星，1997年10月23日用“大力神4”发射第三颗，据称前三颗属于BLOCK 1，卫星部署在57°和68°两个不同的轨道倾角中，高度约为650 km，但卫星偶尔会机动到不同的高度。从外泄的照片来看，体积惊人。
图43.在地面车间制造的长曲棍球卫星
根据观察人士的说法，该卫星设计的显着特征包括一个非常大的雷达天线和太阳能电池板。据报道，太阳能电池阵的翼展长度为42.5米左右，这表明雷达的可用功率可能在10到20千瓦的范围，比民用SAR雷达的功率高出10倍。而天线类型，采用了前述第三种SAR天线形态——网状抛物面天线，这种天线解决了刚性抛物面不便折叠、收藏的问题，一般要求网孔的直径小于几十分之一波长，如果工作在C波段，要求网孔大小在毫米量级，结合相控阵馈源，电扫能力更强。美国著名的航空航天研究员Charles P. Vick曾经画过长曲棍球1～3号的猜测图，硕大的网状抛物面天线着实让人吃惊。
图44. 长曲棍球1～3号的猜测图
2000年、2005年发射了“长曲棍球”系列第4和第5颗卫星，据称分辨率达到了0.3m。从Charles P. Vick画的猜测图来看，采用了两幅SAR天线，双侧视，一次成像的范围更大，供电的太阳能帆板面积也明显增加。
图45. 长曲棍球4～5号的猜测图
不过也有分析称，长曲棍球侦查卫星采用了平板聚焦反射面天线，也称平板抛物型天线（FLAPS，Flat Parabolic Surface）,配合微带贴片相控阵馈源工作。长曲棍球侦查卫星的继任者被称为未来图像架构（Future Imagery Architecture，FIA)。
五、结束语
目前星载合成孔径成像雷达已经在民用、军用方面得到了广泛的应用。在民用方面，主要用于灾害评估，如地震引起的山体、道路、桥梁的断裂程度评估，水灾、雪灾的面积评估， 海洋受污染程度评估等; 海洋特性研究，如根据雷达图像分析海流、内波特性等。在军事方面，主要用于侦察重要军事目标，如港口、机场等; 也可以对打击效果进行评估。
从星载SAR未来发展趋势来看，一是向着星座化方向发展，降低SAR星重访周期并实现干涉SAR处理。比如2006年~2008年间，德国成功发射了5颗X波段抛物面天线SAR卫星，组成了SARLupe卫星星座。这5颗卫星运行在3个轨道平面上，它们的轨道高度为500km，能够实现对南纬80度到北纬80度的覆盖，并且图像地距分辨率优于1m。
图46.SARLupe卫星星座
第二个趋势是向着小型化方向发展。2018年3月，美国国家海洋和大气管理局授予Capella Space公司许可证，同意其将两颗X波段SAR卫星送入450至600公里的极地轨道，倾角为97.5度。Capella Space公司计划在2019年，往两个轨道平面上发射其他六颗卫星。
这种小型SAR卫星，重量不到40公斤，柔性材料制成的天线展开后面积可以达到8平方米，提供分辨率为1米或更高的图像。美国国防部创新部实验室（DIUX）在2017年向Capella额外拨款1000万美元，支持商业SAR遥感项目，美国军方和情报机构渴望获得可靠且廉价的商业雷达卫星星座提供的全球观测资料。
图47.右侧二图为Capella Space公司定于今年发射的两颗超小型X波段SAR卫星
中国商业航天卫星计划中，也有SAR星规划！中科遥感SAR卫星8星星座首发星“深圳一号”也已启动。“深圳一号”是一颗X波段微小型SAR卫星，据称具备国内重点城市2天的的重访周期、具备单星干涉测量等能力、最高分辨率0.5米。希望全天候雷达星，在地表形变测量、地质灾害动态监测、交通设施养护动态监测、多云多云地区的高分辨率数据采集和海洋应用上，早日造福民众！
一眼望去，太阳能帆板都伸长了腿，大大小小的“锅”蔚为壮观……其实这些卫星每个都身价数亿美元，在3.6万公里之遥为人类广播、电视、上网、打电话辛勤工作！—— 在地球静止轨道工作的通信卫星。
二战刚刚结束没多久，英国科幻作家克拉克（C. Clarke）琢磨着如何能把当时最先进的德国火箭这个大杀器，变为可以造福人类的宝贝？他研究出地球静止轨道卫星的工作原理，他认为只用三颗地球静止卫星即可提供完整的全球覆盖。1945年10月，他在《无线电世界（Wireless World）》上发表了一篇文章——《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 Worldwide Radio Coverage?）》，第一次完整提出了“对地静止卫星”的概念，即航天器运行方向和周期与地球自转相同，都为24小时，因此位于天空上方，相对于地面静止，克拉克计算出所需的轨道特性以及发射机的功率水平，并大胆预测了可以使用太阳能发电。这些理论都超越了他所在的年代。
图1. 两颗在GEO轨道上的卫星
严格来讲，地球静止轨道（GEO，the geostationary orbit）是指地球同步定点轨道, 即轨道周期与地球旋转周期相同、轨道平面与地球赤道平面重合、倾角为0度的圆轨道。地球旋转周期为一恒星日=23小时56分秒4.1秒, 静止轨道至地心距离为42164.174公里, 相对赤道高度为35786.034公里，一般简称3.6万公里。
在地上看来，地球静止轨道上的卫星，就像被定住，一动不动，对于卫星接收天线来说最方便，省去摇头晃脑、旋转跟踪工作，非常适合天地通信。而在这个轨道工作的卫星，由于对准了地球的某一个区域，可持续观察，也非常适合进行可见光和近红外光观测的气象卫星、海洋监测。
一、辛康（Syncom）静星，
头回吃到GEO通信的甜头
休斯飞机公司的三位工程师（Harold Rosen，Thomas Hudspeth和Donald Williams）于1959年初，开始研究地球同步卫星的概念，提出了一种可行的地球同步卫星设计，三个人艰难地说服休斯公司、NASA和国防部，甚至自己掏腰包贴了一万美元搞工程样机，这在当时可是一笔巨款。功夫不负有心人，在一番努力下，1961年8月，美国宇航局与休斯飞机公司签订了第一个地球同步通信卫星合同，该卫星称为辛康（Syncom）。
图2.休斯公司Harold Rosen博士（右）和Thomas Hudspeth在62年巴黎航展展示Syncom卫星原型
（一）麻雀虽小、五脏俱全
Syncom系列通信卫星呈圆柱形，直径为71厘米，高度为39厘米，含推进器质量为68千克，和现在动辄数吨的通信卫星相比，仅为一个零头。麻雀虽小且其貌不扬，但五脏俱全！
卫星底部的远地点发动机为固体火箭，推力1000磅力，可提供1431米/秒的速度增量，用来轨道圆化和消倾角，由Thiokol（瑟奥科尔）公司生产。
图3.剥去体装式太阳能发电贴片后的Syncom
为了在天上能保证姿态稳定，卫星设计团队创新提出了类似陀螺的自旋稳定概念。不过这样一来天线也会跟着转，由此设计了简单可靠的全向辐射天线，也就是卫星顶部枪管一样的物体，叫做同轴缝隙阵列通信天线（Co-axial slotted array antenna），也有文献称之为“裙边圆环缝隙偶极子”（skirted collinear slot dipoles）。其实它和本系列《看天线，识卫星——漫谈卫星天线（一）》一文中讲到的半波阵子天线非常类似。其天线方向图就是一个甜甜圈，特别适用于这颗轻巧的自旋稳定验证卫星。如果让卫星的旋转轴（枪管射击方向）与地球的旋转轴（南北极）平行并保持，就能让地面获得最大的辐射场强。
图4.“枪管”并没有指向地球，而是和地球自转轴平行，“甜甜圈”仅有少量信号用于覆盖地球
天线共有三个同轴的裙边偶极子阵列发射下行信号，注意看下图天线中部三个开口，由环形波导馈电，波束宽度23°，由于频率越高衰减就明显，为了考虑给卫星省点事，下行信号频率选择较低的1.815GHz；下图天线结构的右侧单个带裙边的接收偶极子工作在相对较高的7.360GHz（地面卫星站供电充裕，工作频率高点问题不大），通过圆环缝隙偶极子天线的接收增益为2 dB。
图5. 天线由铝、玻璃纤维制成，表面喷涂特氟隆，重2千克（NASA老图有些模糊）
负责把卫星接收到的微弱信号放大并发射，需要转发器。Syncom携带了两个转发器，一个窄带，提供两个500 kHz信道，可以处理一个双向电话或16个单向电传信道；另一个宽带转发器，提供5 MHz信道用于电视传输。两个转发器使用2瓦行波管放大器进行信号放大。
在卫星尾巴上，还有四根和旋转轴成25度夹角的鞭状天线用于遥测和指令（TT&C）。四根长度为1/4波长的鞭状天线，也就是第一篇讲到的旋转场天线（turnstile antenna），通过圆极化波进行卫星指令上传下达，而无需考虑天线面是否对齐。
图6.艺术家笔下的Syncom系列卫星
Syncom的外表面覆盖着3840硅太阳能电池贴片，发电功率29瓦，星载镍镉电池用于地影期间的供电。在姿态控制上，双氧水催化反应进行姿态控制虽然高效，但缺少使用经验，该卫星采用了双氧水/氮气两套推进器提供姿态控制。
（二）令人满意的测试结果
Syncom 1于1963年2月14日在卡纳维拉尔角用Thor Delta B火箭成功发射，随后不幸因电气故障失联。失败乃成功之母，不行再来！
Syncom 2于1963年7月26日从卡纳维拉尔角成功发射！要把卫星送到3.6万公里高度，对60年代初期仍属于蹒跚学步时期的美国运载火箭来说，压力山大。由于Thor Delta B运载火箭的运力限制，Syncom 2卫星虽然被送入了一个地球同步轨道，但卫星轨道面存在33°的倾角，从地球看，这个卫星在天上跳8字舞，并非静止！
不过由于天线的波束较宽，没有影响到电话、电视直播等测试。1963年8月16日Syncom 2开始正式运行，测试非常成功，圆满达到了预期的目标！
1963年8月23日，总统约翰·肯尼迪通过Syncom 2，给尼日利亚总理阿巴巴卡尔·巴莱瓦打了一个电话，虽然只是象征性的两分钟唠唠嗑，简要提到了当年签署的核武器试验禁令条约，并谈到尼日利亚中量级拳击手迪克·泰格赢得了一场拳赛，但这是国家元首之间第一次通过卫星进行双向通话。
图7. 约翰·肯尼迪聊的挺开心
图8. Syncom 2还直播了一场华盛顿和洛杉矶对阵的棒球赛
（三）助力东京奥运会
在此基础上，Syncom 3于1964年8月19日发射，此次发射采用Thor Delta D火箭，推力更大的第三级火箭进行偏航机动，GTO轨道倾角下降到16°，随后卫星在远地点发力消除了剩余倾角，并正式进入35,670 km x 35,908 km的圆形同步轨道，并在180°经度定点。Syncom 3继续用于各种通信测试，远在菲律宾的美军USNS Kingsport卫星通信船通过该卫星和加州罗伯茨营起飞的飞机进行越洋通信传输。被载入史册的还有Syncom 3用于向美国直播1964年的东京夏季奥运会。
图9. Syncom 3用于向美国直播1964年的东京夏季奥运会
相比较美国海军和空军科学家利用月球进行远距离通信，麻省理工学院林肯实验室在太空“放针”的西福特计划，以及NASA利用气球卫星、低轨卫星（Telstar）进行通信实验，Syncom 2和3成功验证了GEO通信的技术，显示出巨大的优越性！在海底光缆还没有使用前，开辟了洲际通信的崭新篇章！后续地球静止轨道卫星继往开来，家族日益庞大！
关于第一颗静止轨道卫星，不妨看看这个视频科普（片长5分11秒）。
二、开公司，GEO通信生意做大，
定向天线首次实用
美国成功地发射了世界上第一颗地球静止轨道通信卫星，同时标志着庞大的全球通信市场即将到来。1962年的《美国通信卫星法》对国际卫星通信产生了深远的影响，通信卫星公司（COMSAT）在该法案要求下成立，它受美国政府监管，是一个私人融资和管理的组织。美国总统约翰·肯尼迪倡议成立国际卫星联盟，他说：“我邀请所有国家参与通信卫星系统以促进世界和平及世界各国人民之间的兄弟情谊。”
1964年8月，国际电信卫星联盟（Intelsat，International Telecommunications Satellite Consortium）在COMSAT公司协助下成立，它是第一个提供全球卫星覆盖和连接的组织，作为卫星通信能力的商业合作和批发商，Intelsat向其入会成员国提供服务。不过现在的Intelsat已私有化，也引发了频率帝国主义纷争。
拥有Intelsat 61%股份的COMSAT公司负责其卫星的选型，它选择了放大版的Syncom卫星，作为Intelsat的第一颗商用通信卫星，这颗卫星被称为早鸟（Intelsat I）， 于1965年4月6日由Delta D火箭发射，早鸟发射重量为149千克。
图10. 早鸟商业通信卫星是Syncom放大版本
该卫星提供了240路跨大西洋电话，而价格仅为海底电缆的十分之一。到1967年，第一代Intelsat卫星中的三颗卫星在大西洋和太平洋海域上空运行，提供清晰、价格亲民的越洋电话和电视，民众也迅速适应了250毫秒的时延，“早鸟”取得了巨大的商业成功！
图11.给奥地利亲戚打个电话说要去串门！——卫星越洋电话走入寻常百姓家
图12.GEO通信对使用体验最大的影响是时延
工作在C波段的“早鸟”GEO卫星，其下行信号(3.4 GHz-4.2 GHz)的链路衰减通常在200 dB左右，要求发射机的功率更大、天线波束更窄！它的天线基本和Syncom类似，发射单元增加到6个缝隙，波束宽度约束到20°，天线增益达到9 dB。接收单元为3组3叶草形振子，天线增益由之前0.5大幅增加到4 dB。
图13.早鸟的天线基本和Syncom类似
更多的太阳能电池提供了45瓦的电力供应，比Syncom的29瓦增加不少。两个6瓦转发器工作在C波段（6GHz上行链路 - 4GHz下行链路），每个具有50MHz带宽，可以承载240个语音电路或一个电视频道，但不能同时进行。
不过这些小修小改，以及后续换汤不换药的Intelsat II远远满足不了民众对于卫星通信容量的需求。
图14. 换汤不换药的Intelsat II的全向天线和为数不多的转发器，跟不上民众对于卫星通信容量的需求
Intelsat试图最大限度优化卫星参数，包括辐射方式和功率、可用带宽、容量和寿命。1966年，Intelsat与TRW公司签订了一份价值3200万美元的合同，用于制造六颗Intelsat III卫星。
Intelsat III重293公斤，是Intelsat I的两倍，但其容量增加了4倍，是第一颗专门设计用于商业盈利的卫星。并结合了多项性能改进，其中最重要的革新是使用高增益天线的技术。
如图14所示，为了自旋稳定，卫星不得已使用全向天线，以便在卫星体旋转时保持与地球的通信，因此卫星的大部分射频功率都被浪费在太空！这对于卫星和地面接收站都不是最佳选择，天线还需要改进，要把能量聚焦！
工程师首先采用了电磁喇叭电线。它的主要优点是结构简单，馈电简便，便于控制主面波束宽度和增益，频率特性好且损耗较小，它由波导逐渐张开形成，加强了方向性，这个和声学喇叭的原理极为相似。
图15.典型的角锥喇叭
Intelsat III使用了一个86厘米高的消旋定向喇叭天线，增益为15.6 dB，取代了之前9 dB增益的缝隙偶极子天线，增加了有效辐射功率。
其次为了使这种高增益定向天线始终保持指向地球的固定方向，采用了消旋技术，Intelsat III是第一个解决这个问题的通信卫星！虽然星体通过高速自旋保持姿态，但通过使用电机对天线进行反向旋转，使用于反射信号的铝制蜂窝板始终对准地球。同步开发了特殊的润滑剂和润滑技术，避免润滑剂在零G真空空间中冻结或蒸发造成的轴承卡死。
图16.使用电动机消旋，用于反射角锥喇叭的平板天线始终对准地球
Intelsat III的总可用带宽增加到450 MHz，由两个225 MHz带宽的转发器提供。消旋天线和6瓦行波管（TWT）放大器联袂，为每个转发器产生+22 dBW（158 W）的等效辐射功率，信噪比的提升让单颗卫星可承载1200路双向电话或4个电视频道。另外Intelsat III第一次使用肼推进剂进行位置保持，延长使用寿命到5年。
图17. Intelsat III第一次使用了喇叭加平板反射面的高增益定向天线
第一颗Intelsat III于1968年9月18日由更强大的Delta M火箭发射，由于制导系统出现故障，运载火箭被自毁。第二次发射于1968年12月18日进行，卫星成功定点在西经31°横跨大西洋的地方。另外三颗Intelsat III卫星定点在东经174°（太平洋）（已在轨道上），西经6°（大西洋）和东经62.5°（印度）。从而完成了第一个全球覆盖的卫星通信系统。这个由四颗卫星组成的系统最多可以处理4800个双向电话电路或16个电视传输。
三、为了跟上业务需求，
开始上“锅”
洲际通信的需求是如此旺盛，经过测算，Intelsat发现到1971年，当时已有的4颗Intelsat III将不再能满足大西洋和太平洋的使用需求，而且一旦任何卫星发生故障，系统将陷入严重困境。老板很焦虑，老板很着急！
图18.Intelsat公司对69年之后的5年业务发展测算表
Intelsat决定发展新的第四代名为Intelsat IV的卫星，由于运载火箭技术的提升，有了半人马上面级，设计质量达到1414 千克，入轨质量可以达到790千克，是三代的5倍多。这份生产四颗大容量卫星、价值7200万美元的合同授予了休斯公司，要求于1971年初（大西洋和太平洋地区）完成前两颗Intelsat IV卫星的发射，满足电话需求；第三颗卫星于1972年定点在印度洋上（在Intelsat III寿命结束时）；第四颗卫星作为备用。
图19.和前三代相比，Intelsat IV 确实是“大型”，容量也大了许多
前述Intelsat III卫星其实有一个系统性短板：受功率、重量限制，转发器只有两个，众多地面站上传信号时需要排队，排队的时候，还不能发出大功率的同频信号干扰别的地面站，协同性搞不好，系统效率低。解决的方案其实很简单，把可用带宽划分为许多小转发器频段，给每个地球站分配专用转发器，或者几个需求小的地面站搭伙。因此Intelsat IV系统采用12个转发器，40 MHz的带宽（剔除保护带宽，实际可用36MHz），行波管功率为8瓦，每个转发器可处理1800个电话或一个电视频道，Intelsat IV的最大容量达到万级双向电话或12个电视频道。
这其实是上下行信道频分复用(FDM，Frequency Division Multiplexing)的做法，原理简单，关键是实现的时候受到运载火箭GTO轨道投送能力，以及卫星平台的电源供给能力、行波管效能、重量等因素的共同制约。
增加转发器，这就需要增加系统供电等整体开销，而新的HS-312卫星平台完全可以满足，设计寿命为7年。
图20. Intelsat IV带了两个高增益锅，背后4个黑黑的是消旋定向天线，最高的天线是TT&C
Intelsat IV还应用了陀螺仪旋转稳定技术，使双自旋稳定卫星技术趋于成熟，从上图还可以看到，消旋平台上除4个黑黑的定向天线（两收两发）外，Intelsat IV还第一次带“锅”上天了，也就是高增益天线，意大利Selenia SpA公司生产，两个波束极窄的4.5°的点波束，可以摆动调整波束，应对美国东部或西欧局部高业务热点，全向辐射功率增加15倍。
图21.馈源发射的波束经过抛物面天线反射之后波束收敛
四、频率瓶颈，见招拆招
洲际通信业务仍然在飞速增长，尤其是大西洋两岸高密集区域，如何应对？事实上，对于Intelsat公司来说，每一次都是依靠天线技术的革新，使得卫星及其地面站能够承载更多的业务量。在Intelsat IV基础上，休斯公司建造了六颗改进型号被称为Intelsat IV- A的卫星，较Intelsat IV增加了8个转发器达到20个，可用频率带宽达到720MHz；Intelsat IV-A体表贴了1.7万个太阳能电池贴片，功率600瓦。但与其前身Intelsat IV相比，主要差异在于采用了新的天线技术，通过点波束实现频率充分使用，可提供大约两倍的容量。
具体在实现上，以下图为例，左边是本分做法，循规蹈矩，3个频点各用一次，老老实实；而右边，在点波束旁瓣控制到一定门限前提下，J波束在I波束和K波束左下角又用了一次，高！脑补一下已经求证的地图四色问题，如果有四种以上频率或不同的极化方式，频率可以实现“无限”复用，这就叫做空分复用技术。
图22.空分复用，让频率资源“无限”复用
Intelsat IV-A最顶上的“黑头”是遥测天线，下方是呈品字形的三块抛物面反射天线，其中上侧的是接收天线，下侧两个是由37个阵列单元馈电的方形C波段抛物面反射天线，面积1.2×1.3米，天线重51千克。
图23. 呈品字形的三块抛物面反射天线，右侧图中馈源用红圈标明
需要注意的是，这次的抛物面天线是偏置形式，前述Intelsat IV的馈源挡着天线了，而采用偏置形式，可以无遮挡。
图24.偏置反射面天线，馈源无遮挡
20个转发器的具体使用，以大西洋上的Intelsat IV-A为例，4个转发器覆盖业务密度稀疏的大西洋，其余16个转发器用于点波束模式；左右两个反射天线，左边负责南北美洲，右边负责欧洲和非洲，由于两个定向天线相互错开一定角度，相互不干扰，可以实现同一套频率两边分开使用，因此容量基本已经翻翻！而且点波束也明显提高了覆盖的辐射功率。
IntelsatIV-A系列中的第一颗卫星于1975年9月25日由Atlas-SLV3D/Centaur-D1AR从卡角发射升空，一共发射6颗，其中一颗由于运载火箭问题失败。最终所有五颗卫星平均运营了11年，超设计寿命4年。
五、这回是电不够用了
同时期，射频放大器件技术也有了突破，出现了效率更高的固态功率放大器（SSPA）或线性化行波管放大器（LTWTA），使这些卫星能够携带更多的转发器上天。但是再要多，可能就不行了，因为采用自旋稳定的卫星，太阳有效照射的电池贴片不超过三分之一，其余三分之二只能闲着，也不可能无限制让卫星变胖变长好多贴点太阳能电池贴片。另一方面，消旋平台上已经像插花一样装满了天线，难以容纳更大反射面的天线。
让卫星在轨道保持一定的姿态，并不是只有自旋稳定这一种方法，还有通过内部旋转的惯性轮保持稳定的方案，Intelsat认为这种方法对于紧迫的商业运营需求而言存在太多技术风险，选择继续使用保守的自旋稳定。
然而幕后的操盘手，NASA早就在卫星前沿新技术上开展验证试验，项目名称叫做ATS（Applications Technology Satellite），应用技术卫星。该项目不仅仅测试通信技术，还对地球同步轨道气象传感元件的开发、同步轨道空间环境测量等项目开展研究。在多次失败的重力梯度杆试验后，ATS-6任务对于后续地球静止轨道的众多新技术开展了极为重要的测试，大型可展开天线、3轴稳定姿态控制、电力推进等，成为目前仍在地球静止航天器上使用的许多技术的先锋！
ATS-6卫星设计非常前卫，那怕在今天的星迷看来也是石破天惊！
图25. ATS-6卫星，长长的衍架挑起两个弧形太阳能帆板，中间是硕大的抛物面天线
（一）ATS-6是第一颗具有三轴稳定能力的地球静止轨道卫星
ATS-6的主要进步是其三轴稳定（3-axis stabilization）系统，陀螺仪控制的三轴稳定性将卫星转变为一个稳定的固定平台，不再需要旋转，这种技术使许多新应用成为可能。三轴稳定的优势主要体现在：
1、使用了自旋稳定装置的卫星，体装式太阳能电池阵列做不大，发电效率低，无法提供更多的电能；而三轴稳定的卫星平台可以部署更大的平面太阳能电池阵列，通过控制太阳能电池板的方向与太阳辐射垂直，获得高效的太阳能发电。高功率的卫星平台可以让通信卫星携带更多、功率更大的转发器，地面上用更小的天线和灵敏度更低的接收机即可接收，天线甚至可以缩小到几十厘米，实现家庭观看卫星直播电视。
三轴稳定卫星的一个缺点是它受到不均匀的太阳光能加热，朝阳侧极高温，背阳侧极冷，在空间真空中，这种温差非常高，但自旋卫星均匀受热和辐射热量，不会遇到这个问题。为了解决这个问题，ATS-6采用了热管和相变材料来均衡卫星体上的温度分布。
2、大型高增益定向天线现在可以取代以前自旋稳定卫星所需的全向天线或复杂的消旋平台天线，将波束准确聚焦到地球上，增加了卫星的有效辐射功率，从而节省能源和复杂性。
3、它提供了更准确的姿态控制。第一次使用星载姿态控制数字计算机驱动执行器，执行器是三个动量轮和单推肼推进器，执行后确保滚转和俯仰精度优于0.2°，实现了精确的位置保持和指向。精确传感和三轴姿态控制的结合，使得ATS-6成为第一颗能够回转俯视跟踪其他S波段卫星的卫星，使用其GEO的有利位置，ATS-6可以为LEO卫星甚至飞机实现数据中继，这是NASA跟踪和数据中继卫星（TDRSS）计划的先驱，此举可以大幅减少地面站的工作压力。
（二）缠绕肋（WRAP-RIB）大型可展开天线测试
ATS-6卫星的另一个创新是测试了直径9.14米的缠绕肋大型可展开天线。为了简化大型可展开天线的结构和展开机构，提高收纳率，JPL（喷气推进实验室）与洛克希德公司于20世纪70年代联合研制了这款缠绕肋可展开天线。
图26. 壮观的9.14米直径缠绕肋大型可展开天线
该天线反射器主要由中心轮毂、48个铝制肋条、反射面网组成，反射面网采用了镀铜的编织涤纶，仅重83千克，收纳率很大。类似卷尺，中心轮毂把铝制肋条卷紧缠绕，收起后缩成直径仅为1.8米，高0.45米的环形空间。
图27.“伞骨”就像卷尺一样，被收紧缠在一起，到空间则展开，绷紧“伞面”
在空间展开时，由火工品切断缆线，3400NM扭矩的电机拉动铝制肋条背后的带子展开天线，部署时间约为2.5秒。不足之处是铝制肋条在空间受热之后变形，整个天线形面精度较低(0.5毫米)，刚度也较低，不过展开可靠性高。
图28.RedRipper24提供的ATS-6天线反射面，像豆荚壳的铝制肋条展开后有一定刚度，但形变大
口径为9.14米抛物面天线反射器在UHF至C波段范围内提供34 dB至46 dB的增益，再加上高功率的80瓦固态射频放大器在860 MHz的频率发射，它提供了直接电视广播的能力，等效全向辐射功率（EIRP）峰值达到51.0 dBW，地面仅需3米直径的小型天线接收。
天线馈电（C，S，L，UHF和VHF频段）单元安装在卫星主体上，整个卫星主体通过碳纤维增强塑料（CFRP）桁架连接到天线和太阳能电池板桅杆。
图29.太阳能电池板的设计基本就是劈开的一个辛康卫星
太阳能电池板安装在两个可展开的桅杆上。它们具有半圆柱形状，因此提供相对恒定的功率（开始为595 W），在地影期间两个30.5V、15安时镍镉电池负责供电。
尽管采用了复合材料等先进技术，但整个卫星大量桁架、展开机构给人的感觉还是弱不禁风，可展开天线又金贵，设计师也没往星体里面塞远地点发动机，而是完全靠大力神/半人马金牌组合推送到位！
（三）直送GEO，圆满完成任务，扫清技术障碍
1974年5月30日，Titan III-C运载火箭将ATS-6这颗重达1336公斤，当时最重的地球静止轨道通信卫星，直接送到GEO轨道（direct to GEO）！！！ ATS-6也不负众望，在轨道上徐徐展开天线投入工作，圆满！
图30.轨道上卫星顺利展开，尺寸为15.8米宽，8.2米高
除了铯离子电推发动机测试表现不太好之外，ATS-6任务顺利，进行了23次不同的实验，通过向印度、美国和其他国家传送远程教育节目，证明了直接到户（DTH）电视广播的可行性。
图31. 印度农村使用一个UHF天线接受远程教育
其他测试包括监测空间环境，并用于进行粒子物理实验和测量辐射对太阳能电池寿命的影响；携带高分辨率热辐射扫描测量计（辐射计），在红外线（10.5至12.5μm）和可见光（0.55至0.75μm）扫描地球，测量其红外辐射（温度）和云图，这些技术随后被使用在气象卫星上。ATS-6还被用于进行空中交通管制测试和实施卫星辅助搜索和救援技术，并于1975年在阿波罗/联盟对接中发挥了重要作用，负责将信号回传给休斯顿控制中心。1979年8月3日该卫星寿终正寝。
ATS-6也可能是“导师”（Mentor，中情局用于截获电子情报）等第四代大型电子侦察卫星的先驱。Mentor卫星是美国中央情报局的地球静止轨道电子侦察卫星，用于截获电子情报。在常年值守的电子侦察中，静止轨道电子侦察卫星有更多的优势。因为卫星轨道越高，在地面的覆盖面就越宽，不易错失良机，所以，美国很重视发展这种卫星。
由于其所接收的地面信号是低轨道卫星的1/ 5100 ，故需采用大型接收天线，口径约为150米，卫星质量4-6吨，定位在西太平洋、印度洋上空，能够用于侦收100MHz-20GHz之间的所有电磁信号。其实只要“悟通”ATS-6卫星“卷尺”式的伞肋收纳大法，就会明白Mentor的150多米直径“大伞”的展开原理也很简单！
图32. Charles P. Vick画的导师（Mentor）第四代大型电子侦察卫星猜测图
ATS-6也是最后一次ATS任务，一些国会议员担心NASA开发技术造福私营性质的COMSAT公司，于是国会于1973年以削减预算名义取消了ATS项目，让商业通信卫星行业自行承担研发开销，这标志着NASA实验通信卫星计划暂时性告一段落。
私营企业支持一些具有短期（例如几年）商业成功潜力的项目是可行的。然而，私营企业无法支持风险更高，潜力更高的发展，这类项目通常需要大约十年才能带来商业用途。正因为如此，以及来自多方面的呼吁，NASA在1978年恢复了对卫星通信技术研发的支持。这个案例非常值得思考，目前中国的航天操盘手、国家队、民营航天公司如何各司其职？
六、ATS-6指明发展方向，
GEO奇形怪状天线百花齐放
在ATS-6验证上述技术的可行性之后，三轴稳定+大功率星载电源+大型空间可展开天线技术彻底释放了各类应用需求！各种类型的静止轨道卫星如雨后春笋出现！他们的天线也是最吸引眼球！
（一）最快的受益者——Intelsat
Intelsat委托福特空间及通信有限公司（即现在如日中天的劳拉空间系统公司，SSL）制造了其第五代卫星——Intelsat V，这是通过采用ATS-6卫星首创的动量轮技术实现三轴稳定的卫星，姿态稳定在0.5°以内，也是第一颗商业直播电视卫星，1980年12月发射升空，发射质量1928千克，入轨质量967千克。
图33. 采用ATS-6卫星首创的动量轮技术实现三轴稳定的Intelsat V
卫星主体为1.65米x 2.01米 x 1.7米的长方体。终于在太空站稳了的卫星，从容地往南北伸出两块硕大的太阳能帆板，单块长7米，宽1.7米，由三块互相铰接，总面积是18.12平米，覆盖17580片太阳能电池，整个太阳能帆板的重量仅为64.1公斤，共提供1800瓦功率，是上一代的3倍！这为高灵敏度接收机、大功率发射器、射频变频器的按需配置打好了基础。卫星合计配置21个C波段和4个Ku波段转发器，提供12000路语音电话和2个电视频道。尤其是大功率行波管放大器，配合图33中2.44米直径（最大那个）的多波束高增益天线发射4GHz频段信号，让小锅看直播成为可能。
另外值得注意的是Intelsat V采用的几个新技术：
1、在原有拥挤不堪的4/6GHz（下行/上行频段，下同）的C波段频段外，使用了新的11/14GHz的Ku频段；
2、除空间分隔的频率复用之外，启用线极化的水平/垂直极化或者圆极化的左/右旋极化分隔技术；
3、应用“卫星转换时分多址”联接技术（SS/TDMA），这与空间分隔和极化分隔一起使用，进一步提升4/6GHz的频谱复用；
4、大规模使用点波束合成，形成特定的覆盖足迹覆盖指定的区域，如某国版图。不过这里需要提一下多馈源赋形技术，馈电损耗大和馈源复杂度，后续也有C波段和Ku波段采用单馈源收发共用偏置赋形反射面天线，可以说是用大量算法高科技制作的“哈哈镜”来化繁为简解决问题。因此如果见到天线表面坑坑洼洼，崎岖不平，千万别认为这是做工粗糙马虎的体现。
图34. 偏置赋形双反射面天线的制作过程
Intelsat V的配置成为后续许多卫星设计采用的模板，也就是题图浩浩荡荡的一长溜“撞脸”卫星的由来。但是，后来在Intelsat VI卫星上，Intelsat公司为什么又选择了休斯公司的自旋稳定方案呢？这其实并不是说三轴稳定不好，而是休斯公司投标时报了一个低价，再加上一些创新，比如用航天飞机宽大的货舱放大了卫星直径到3.6米，采用望远镜筒式的伸缩壳体，让太阳能发电能力增加了不少，然而这仅仅是回光返照，技术领先优势不是商业策略可以阻挡。Intelsat VI是休斯公司最后一款自旋稳定卫星，其研发的HS-702三轴稳定平台在被波音收购后收到了大量订单。
图35. Intelsat VI是休斯公司最后一款自旋稳定卫星
（二）伞状天线成就NASA赚钱的项目—TDRS
前述ATS-6卫星在GEO轨道居高临下，俯视地球，能够方便地在中低轨道卫星、空间站、飞机与地面接收站之间搭建桥梁，取代配置在世界各地由许多测控站构成的航天测控网！
跟踪与数据中继卫星，TDRS（Tracking and Data Relay Satellite)由此应运而生，由NASA负责运营，军民两用！第一颗TDRS卫星在1983年4月4日由挑战者号航天飞机发射升空，卫星重2吨多，太阳能电池帆板展开后翼展达到17.4米！在7副天线中，最醒目的是两把直径4.9米的“大伞”，也就是工作于S、C、Ku波段可转向收发天线的反射面！
图36. 发现号航天飞机发射的TDRS－3作为备用星，高倾角，也用于美国南极站的中继通信
美国Harris公司为NASA的TDRS卫星制造刚性肋可展开天线，为典型的卡塞格伦天线。肋条改为碳纤维增强塑料（CFPR），热形变较小，其主反射面采用直径0.03毫米的镀金钼丝编织成网，可以在100 GHz频率以下工作，结构简单，展开可靠性较高，质量仅为24千克，但收纳率较小，收拢直径0.9米、高度2.7米，且伞面绷直了非抛物面形，形面精度较低(0.56ram)，结构内应力分布不够均匀。
图37.这幅天线是典型的卡塞格论天线
图38. 直径0.03毫米的镀金钼丝编织成网
图39.展开时体型巨大，收拢后却小巧玲珑、含苞欲放，航天飞机货舱都显得宽松了
针对刚性肋伞形面精度较低的问题，TDRS发展到第二、三代的时候，又采用了柔性自回弹天线（SPRING-BACK ANTENNA）。柔性自回弹天线采用具有一定柔性和一定自回弹性能的薄膜材料形成天线反射面。由于不需要复杂的展开机构，其重量得以大幅度减小，可靠性得以大幅度提高。由于结构具有一定的刚性，反射器的形面精度也比网状天线更容易得到保证。但缺点是收纳率低，适用于口径小于6 米的天线。同时由于采用了更高的Ka星间波段，最大接收传输速率达到了800Mbps。
图40.第三代TDRS的柔性自回弹肋伞，其型面精度比较容易得到保证
（三）越来越密的高通量卫星天线波束
随着互联网的粘性增强，卫星通信开始作为传统接入网络（光纤接入、3G/4G无线）的有效补充，尤其在幅员广阔的国家以及空中航线上。2005年开始，以Ku波段应用为主的第一个高通量通信卫星（HTS，High Throughput Satellite）发射浪潮开始，到现在第四代最大的Viasat-2卫星已经实现了300Gbps的吞吐量（发射后出现天线故障，其真实容量可能要打8折），主力均为运行在GEO轨道的高通量通信卫星。
图41.基于劳拉LS-3000平台的Viasat-1通信卫星在紧缩场测试，天线直径普遍超2.5米
高通量通信卫星，虽然样子普普通通，主要是“招风耳”造型。由于在L、S、C、X、Ku波段上已经拥挤不堪，而高通量卫星的载波动不动就是500MHz的频宽，因此她迫不得已在频段高、雨衰严重，但大段频率资源相对富裕的K/Ka波段工作。
图42.仅有K/Ka波段还有大段的频率资源空闲
更高的频段使得下行和上行的衰耗更大，高通量卫星采用更高增益的天线，而且为了频率复用，她把多点波束技术发展到极限！波束极窄，小于0.1°的也已出现，点波束数量变多，如140Gbps吞吐量的ViaSat-1仅有72个点波束，300Gbps的ViaSat-2已经达到数百个，而1T容量ViaSat-3将有数千个点波束。因此HTS可提供比常规通信卫星高出数倍甚至数十倍的容量，能够支持超过100 Gbps的总容量！
图43.为了实现高吞吐量，点波束覆盖面积越小，数量越多，Viasat-3会达到数千个
高通量通信卫星的天线反射面，普遍在100英寸以上，其技术难关包括：第一，要求轻量化；第二，要求在极端高低温变化下，热膨胀系数小。因此，一般采用复合材料的三明治结构，上下外层采用碳纤维增强塑料，作为射频反射材料，中间的中空蜂窝层由铝、碳纤维、凯芙拉或Nomex等材料按需制成，三层材料最后胶合，目前最理想已经做到1公斤/平方米上下的水平。
图44.上天的抛物面天线采用了复合材料的“三明治”结构
而在点波束馈源的发展方向上，多口面多波束天线馈源笨重而复杂，未来会向MMIC（Monolithic Microwave Integrated Circuits，单片微波集成电路）直接辐射相控阵天线方向发展，基于MMIC的有源收发模块天线馈电是未来HTS的经济而高效的输出端解决方案。
图45.现有多口面多波束天线的波束馈源笨重而复杂
（四）没有最大，只有更大——环形可展开天线
在上世纪90年代，大哥大、行动电话、移动手机相继兴起，随着摩托罗拉铱星的示范效应，众多的电信运营商渴望能分一杯卫星移动电话的的羹！因为在偏远的山区、海岛、还有广阔的市场有待挖掘。对于区域运营商来说，选择静止轨道通信卫星，有针对性覆盖人口稠密、基础设施尚不完善的区域，投入相对较少，市场前景好。
亚洲蜂窝卫星( ACeS)系统是由印度尼西亚等国家建立起来的区域性个人卫星移动通信系统，覆盖东亚、东南亚和南亚地区30亿人口，是世界上第一颗面向个人、支持手机的区域性地球静止轨道移动通信卫星，基于GSM技术提供语音、传真、数据等通信服务。ACeS 系统利用一颗Garuda 1卫星，又名“鹰 1”，于2000年2月12日发射，由美国洛克希德马丁公司采用A2100平台制造。
要让发射功率也就1瓦的手机，和远在静止轨道的卫星通信，难度可想而知。Garuda 1卫星上装有两副12米直径的L波段收发大天线，每副天线有88个馈源，生成140个点波束，其等效全向辐射功率强度高达73dBW。该星可同时提供11000条电话信道，用户总容量可达200万，可在星上进行话路和路由的交换。但后来该星由于L波段系统故障，系统容量打了7折。
图46. Garuda 1卫星，世界上第一颗面向个人、支持手机的地球静止轨道移动通信卫星
由于Garuda 1的卫星天线反射面太像生活中的三折雨伞，如何展开可以请读者们琢磨琢磨。接下来我们把目光投向世界上第二颗支持手机的地球静止轨道移动通信卫星——图拉雅（Thuraya）卫星，介绍环形展开天线。
Thuraya卫星通信公司总部设在阿联酋阿布扎比，Thuraya系统的卫星网络覆盖包括欧洲、北非、中非、南非大部、中东、中亚、南亚等110个国家和地区, 约涵盖全球 1/3 的区域 , 可以为23亿人口提供基于GSM技术的语音、传真、数据等通信服务，并且终端整合了卫星、GSM 、GPS 三种功能。Thuraya1/2/3卫星分别于2000年10月20日、2003年6月10日、2008年1月15日发射，为美国波音卫星系统公司基于HS-702平台制造。
图47.目前Thuraya2/3卫星仍在运行中
Thuraya卫星发射重量5250 kg，在轨重量3200kg，太阳能电池提供11～13 kW的功率，星上载有12.25m口径卫星天线反射面，产生250～300个波束，频率复用30次。
图48. Thuraya卫星载有12.25m口径卫星天线反射面
Thuraya采用了TRW的Astro Aerospace公司（现为Northrop Grumman旗下）的环形可展开天线技术，该技术出现较晚，采用环形桁架展开结构和柔性网面成形技术，天线重量为56千克，或者0.37千克/平方米。
图49. 环形可展开天线的结构图
为使桁架能够折叠，在桁架的各杆件中间都设有铰链，利用弹簧机构将天线展开，其特点是可以单独完成每一个单元的调试后再进行总装配，大大降低了装配和测试的难度。与其它结构形式相比，具有较高的展开刚度和结构稳定性，天线口径可用于6米～150米范围，且结构形式简明，在一定范围内口径增大不改变结构形式，质量也不会成比例增长，是目前大型卫星天线理想的结构形式。
天线展开的关键是下图中用红色标注的对角支撑杆，在弹簧驱使下，它的收缩会让原本为平行四边形的桁架框变成长方形，整个天线圈面桁架都膨胀变圆，反射面的弧形在竖向拉索的控制下，达到设计的曲面！
图50.环形可展开天线的展开过程
图51.五个步骤让环形可展开天线在空间展开
12米、17米、20米口径的环形可展开天线已经在“MBSAT”、“INMARSAT”“ TerreStar-1”等系列卫星上得到应用。美国军方当然不会放过这样的技术，美国国家侦察局（National Reconnaissance Office，NRO）的“入侵者”系列就采用了此类环形可展开天线技术，据说直径达到惊人的150米。不过，这里要说明的是，根据2016年9月9日公布斯诺登文件，前述“导师”电子侦察卫星，MENTOR 4（USA-202），同在地球静止轨道，一度故意和Thuraya 2卫星凑得很近，伺机截取、窃听往来的电话，你拿他一点办法都没有，可以说这位导师，真是“为人师表”。
图52.“入侵者”系列电子侦察卫星猜想图
（五）六边形拼接——构架式可展开天线
工程测试卫星8（ETS-VIII）卫星由日本国家空间发展局（NASDA）在1996年开发，用于通信、原子钟、离子引擎等技术的验证。提供卫星与手持终端通信所需的大型反射器，以及相配套的高功率发射器等技术的验证环境。
ETS-VIII上有两个大型可展开反射器。一个用于发送，另一个用于接收。每个反射器由14个直径4.8m六边形模块组成。
图53. ETS-VIII一共有28个六边形模块组成，两个反射面天线一收一发
每个模块都有六个径向可折叠桁架构件撑起的反射面，桁架在弹簧力的驱动下展开，展开速度由马达控制。收、发天线的结构相同。桁架能折叠的关键是，下图中红色桁架中间设有铰链，弹簧机构驱使红色桁架收缩，绿色平行四边形变长方形，天线展开。各种环向绳索保持整个构型，竖向拉索保持反射面设计的曲面。
图54.能够折叠的关键是图中红色桁架在滑动铰链驱使下收缩，绿色平行四边形变长方形
该天线形面精度高，刚度强度大，装配和调试时间短，但质量较大，达到170千克，口径为19米×17米。
图55.在地面测试的状态是一个大反射面
图56.收拢后直径为l米，高度为3.4米
ETS-VIII还很超前地使用了31个单元组成的MMIC相控阵馈源，合成三个波束指向日本的不同区域。
图57. 31个单元组成的MMIC相控阵馈源
2006年12月18日，日本国家空间发展局成功发射了5.8吨重的ETS-Ⅷ卫星，两个大型可展开反射器在静止轨道成功展开，并进行了各种技术测试！
图58. 两个大型可展开反射器成功展开！
七、结束语
自1964年Syncom3通讯卫星发射升空以来，在60年代还空荡荡的地球静止轨道，现如今已众多卫星济济一堂，甚至是拥挤不堪，这是因为两颗卫星之间必须保持1000公里以上的距离，以避免出现碰撞和干扰。
图59.注意美洲、欧洲区域，卫星都要“叠罗汉”了
在这有限的静止轨道空间里，各大电信运营商之间的竞争仍在持续上演，特别是覆盖市场热点上空的轨道空间，例如美洲、欧洲等热点区域。
通信卫星在现代生活中发挥着越来重要的作用，她们让沉船能发出求救信号，让居住在偏远山区、荒漠、海岛的民众能连接到互联网，让乘客能在飞机上微信聊天、排遣孤寂……
图60.通信卫星在静止轨道，瞄准地球的热点地区发射电波！！！
在整个静止轨道通信卫星及其天线的发展过程中，各种创意，各种绝妙的解决方案，让人拍案叫绝！很多技术，我国也已经掌握，比如今年5月21日发射升空嫦娥四号中继星——鹊桥，采用了类似于一代TDRS所采用的刚性肋可展开天线，主天线展开直径达4.2米，是人类深空探测史上口径最大的通信天线；2016年8月6日我国发射的天通1号01星采用了12.5米S波段环形可展开天线，实现110个点波束并数字成形，满足6千路电话，上网速率最高可达384kbps。
图61. 嫦娥四号中继星——鹊桥
图62.我国发射的天通1号01星采用了12.5米S波段环形可展开天线，注意电视截屏中它带了一捆天线上天
其实伞是中国发明的，根据《史记·五帝本纪》中的记载，我国早在炎黄时代就有了关于伞的记述，迄今已有近四千年的历史。真心希望更多的新技术能够在中国原创，中国能成为这个行业的技术领头羊，因为中国从来不缺创意！（笔者以为，缺的是激励一线创新的制度和相关的投入）
深空探测器，一旦踏上漫漫星际征途，就一去不返，渐行渐远，飞得最远的旅行者1号探测器距离地球已经有144个地日距离（AU，1个地日距离约1.5亿公里）。然而依靠特殊的天线技术，地球至今仍能够和这些无畏的使者保持联系。——深空探测器的“大锅”及其测控网。
“……小时候我一直有个梦/有一天我要飞上外太空/就像夏夜繁星闪烁……”五月天演绎这首《小时候》表达了人类一直渴望摆脱地球摇篮奔向外太空的愿望。戏剧性的是，上世纪50年代中后期在冷战铁幕的阴影之下，苏联于1957年10月4日发射了人类第一颗卫星，宣布了美苏两个超级大国太空竞赛的开始，从而加速了这个梦想的实现。
美苏两国互不相让，均试图拿下更多的“第一次”！他们的想法无疑是前卫和无惧的，从下表可以看出，人造地球卫星发射后不到1年时间里，他们就争相迈出了各类太空探索的第一步，步伐和手笔之大令人感慨！
图1.1958年～1965年的10个“首次”探测项目
好比是蹒跚学步的婴儿就试图飞奔，这些初次尝试的结果，无一例外均为失败。据统计，从1958年～1965年，美苏两个大国发射的66个深空探测器，成功的仅有11个。失败的原因，包含多次运载火箭的故障，但也有不少是因为深空探测特性所增加的难度。我们先分享一下苏联在深空探测起步阶段的一些故事。
一、深空探测的先驱
——苏联的月神（LUNA）计划
科罗廖夫和他的同事在1956年即开始讨论探月任务的设想，1958年1月苏联著名的科学家马斯蒂斯拉夫·克尔德什（Mstislav Keldysh）给科罗廖夫写信，提出了探测器撞击月球并拍摄图像传输到地球的设想，在两人的说服下，苏联政府于1958年3月20日对探月项目予以立项。
图2.科罗廖夫和克尔德什都是功勋卓著的苏联科学院院士
（一）差之毫厘，谬之千里的苏联Luna 1探月尝试
探月的难度可想而知，苏联的初次尝试选择了撞月，因为万一没射中，变成绕月、环月飞行，这事也算是“首次”！为了达到11千米/秒的逃逸速度，R-7火箭加装Block-E第三级，Block-E干重1.12吨，在一对环形罐中贮存7吨煤油和液氧驱动RD-0105火箭发动机。从洲际弹道导弹衍生而来的R-7可以使用自主惯性制导系统飞行，虽然开发了更精确的制导和控制系统，但其精度仅为10公里左右。通过使用拜科努尔发射场两侧250公里处的一对无线电测控站组成地面无线电三边测量和制导系统，测距精度提高到2公里，测角精确达到1/12度，结合使用多普勒频移分析技术测速精确达到2米/秒。这种精确度对于太空探测任务至关重要！
图3.增加了第三级的R7火箭
撞月的探测器主体为一个直径80厘米的球形舱，由铝镁合金制成，重170千克，由银锌和氧化汞电池供电。和Sputnik-1卫星一样，两个半球形部分用螺栓和橡胶垫圈连接，充1.3个大气压的氮气。
图4.Luna 1探测器
科学舱带了一些苏联国旗等纪念品，还包含了一对由五角形奖章和苏联徽章组成的不锈钢球体（直径7.5和12厘米），球体内还装了Zha药，在撞击时爆裂并把徽章洒向月球！（不过3.3千米/秒的撞月速度，Zha药明显多余，而且纪念品应该都汽化了）
图5.撞击月球的两个不锈钢球体，7.5和12厘米直径，内有Zha药，撞击月球放烟花
月神计划无疑是命运多舛的！前三次发射，分别因为燃烧不稳定、火箭燃料管线中9至13Hz的共振问题、一级发动机的过氧化氢泵故障而失败！1959年1月2日Luna 1终于成功发射，奔月速度达到11.17千米/秒。理论上撞击月球的精度可以控制在100-200公里范围，但由于地面导航系统中预设R7火箭无线电导航参数时出现了2°的偏差，导致Block-E多燃烧了几秒，Luna 1错过月球，飞行34小时后从月球身边5995公里擦肩而过，进入日心轨道。
这次“投石问路”的壮举真可谓“差之毫厘，谬之千里”！不过即便在阴差阳错下，Luna 1测量到月球没有磁场，还测量到太阳发射的等离子流——“太阳风”，并获得“第一颗人造行星”称号。
纠正了导航错误，1959年9月12日，苏联的Luna 2号精确地撞击到月球上两座环形山之间，这是人类文明史上第一次将人造物体降落（砸）在月球上。
（二）轨道设计成就“月之暗面”的第一个探测器——Luna 3
Luna 2号的成功撞击对于美国人来说无疑是一种刺激，但还没等他们缓过神来，三个星期后，Luna 3号又从发射场起飞，它重约434千克，不但成为人类近距离拍摄月球照片的首枚探测器，而且向人类传回了首张月球背面的图片。
拍照并回传，在当时来说是高难度动作，摆在面前的难题有：
1、胶片时代，没有数码相机，探测器上需要能冲洗照片并扫描成电信号回传。
2、照相机需要对准月球。
3、没有成熟的定向天线，发射机功率又有限，如何把照片信号可靠的回传地球？要知道苏联在1957年建成的第一代测控网，一共13个站点，但均集中在北半球，只能实现部分区域的测控。
图6.苏联在1957年建成的第一代测控网，13个站点均集中在北半球
针对第一个问题，列宁格勒电视科学研究所（NII-380）开发了一个光电摄像单元，结构紧凑，f / 5.6光圈的200毫米镜头和带有f / 9.5光圈的500毫米镜头可同时拍摄两张照片。耐温和抗辐射的35毫米胶片技术，是通过对缴获的美国Genetrix气球进行逆向工程研发。40个胶片存储在铅衬仓中，胶片拍摄完之后显影、定影、干燥，来自阴极发光管的光束扫描胶片，图像由光电倍增管读取并输出成像，实现了1000 x 1000的分辨率。让探测器变成了一个太空照相冲洗店。
图7.小巧紧凑的太空冲洗扫描店
针对第二个问题，苏联科学家Boris Raushenbakh首次研制出探测器的三轴稳定系统，称为Chaike（Seagull）“查克”控制系统。前后8个广角光电管测量太阳光，下图中（S）和（B）标注，一个窄角月光传感器（m）通过摄像窗口探测月光，三个陀螺仪（d）测量角速度，由继电器构成的专用计算机控制8个微型喷嘴，它们可以发出1/10秒的脉冲，由压力为150大气压的氮气罐提供动力。这套系统能够让相机稳定对准月球拍摄。
图8.Luna 3的三轴稳定系统，右为太阳传感器和氮气喷嘴
第三个问题其实最难！受到卫星条件限制，“冲洗”完的照片数据只能使用3瓦的功率在183.6 MHz载波上发送图片信号。地月距离在36～40万公里范围，是上期《GEO通信卫星的秘密 | 看天线，识卫星——漫谈卫星天线（四）》讲的GEO轨道的十倍，探测器发回的信号与发射同样功率的地球同步轨道卫星信号相比，强度只有后者的1/127！当时苏联的地球站还不具备远距离接收这么微弱信号的能力，怎么办？
图9.照片信号通过Luna 3头部四根鞭状旋转场天线发射（183.6 MHz），功率仅3瓦
LUNA计划发起者，苏联著名的科学家马斯蒂斯拉夫·克尔德什想了个率性、大胆也是高风险的解决方案——飞回来再接收！探测器借月球引力，辅助机动折返地球，靠近北半球之后再传送信号！这在当时是最复杂的航天器太空机动。
首先必须精确控制好R7火箭第三级的速度，Block-E关机后的速度必须比地球逃逸速度低60-90米/秒，不能超，否则回不来！
图10.从北面出发，从北面回来，月球引力辅助机动完美解决当时苏联深空探测的短板
其次，要控制好方向，苏联跟踪和制导系统现状只能向北发射，但发射后必须偏转，瞄准月球南极附近，在距离其表面几千公里绕行，受月球引力影响后绕回地球北面，也就是苏联领土上方的无线电测控区域回传数据。在Steklov数学研究所的Strela-1计算机模拟了地球、月球和太阳的引力，精确计算了轨道，并为苏联远东堪察加半岛的耶利佐沃遥测站和西端克里米亚南部的卡什卡山站两个无线电测控提供了建议。
作为向人造地球卫星发射两周年纪念的致敬，1959年10月4日，Luna 3探测器成功发射，获得了10.855公里/秒的亚地球逃逸速度。在长途奔袭中失去测控，主要依靠定时器按照设定的时序自动开展各项工作，因此Luna 3的另一个称谓是“The Automatic Interplanetary Station”（自动行星际站）。
图11.在太空Luna 3尾部弹出两根钢带天线构成V型偶极子测控天线（39.986 MHz）
令人佩服的是Luna 3首次成功的拍摄到了月球背面的照片。在返程中，由于回传的信号实在太微弱，当探测器靠近地球至4万公里时照片传输才得以有效进行！本次拍摄并成功洗出17张照片，其图像需要8个小时传输，体装式太阳能发电贴片的供电却跟不上，Luna 3的无线电发射器只能传一个小时，然后在待机模式等着用太阳能给电池充电两小时再继续……最终花了25小时传送了十多张照片。
说实话，千辛万苦传回的照片质量相当糟糕，但却是人类第一次见到神秘的月之暗面（The Hidden Side Of The Moon），这是首次从太空视角向人们展现月球，以至于在世界各地出版时，引起了广泛的兴奋和兴趣。
图12.月之暗面——左图为1959年Luna 3拍摄，右图为2009年月球勘测轨道飞行器拍摄
二、深空探测的难关和解决策略
苏联月神计划中，地面仅有为数不多的10kW发射机测控站，探测器是区区数瓦的全向发射天线，这些低增益天线系统着实增加了深空探测任务的难度！而测控精度上的细微纰漏又直接影响到任务成功与否。
再来看看美国，作为Pioneer / Able计划的一部分，美国也试图向月球发送简陋的探测器，而所有这些任务都失败了，Pioneer-4是1959年3月3日第一个达到地球逃逸速度的美国航天器，执行的月球飞越任务却偏离了月球有6万公里之多。
月球其实是地球人进行深空探测时家门口的第一站，都遇到了这么多麻烦，后续怎么办！细细分析并归纳起来，难题可以分为三类，而通过几十年的努力也有了一些解决策略。
（一）深空探测的测控难
国际上对于测控定义为Tracking，Telemetry&Command，即前几期经常提到的TT&C，中文通常称之为“跟踪、遥测及遥控”。对航天测控的跟踪通常包含测距、测速及测角三种操作，对于深空探测来说，用雷达回波时延测试超长距离会面临回波微弱，难以和噪声区别、检测困难的问题，必须采用比特位长特别长的伪随机码才能满足超长距离测距的需要；对于测角来说，传统采用方向性极强的天线波束对准目标航天器，实现对其偏离轴向的方向和大小的测量，该方法对木星以远的深空探测存在精度不足的问题，70年代后期采用了VLBI（甚长基线干涉测量法）。
简单来说，VLBI就是把几个小望远镜联合起来，多个测控站相隔几千公里组成基线很长的天线阵干涉测量，分别在同一时刻接收同一射电源的信号，对各自的数据记录并进行相关运算，求出观测值，达到一架大望远镜的观测效果，从而极大地提高了分辨率，满足精度要求。一个地日距离下，目前精度已经可以小于1nrad，相当于误差低于150米；实时性要求高的还可以采用NASA 1990年代开发的CEI（Contiguous Elements Interferometer），连接元干涉仪技术实现实时测角。
遥测通常是指通过遥测系统来获取航天器各系统的工作及环境状态等信息，为航天器的运行或故障处理等提供依据，遥控是指对空间中的航天器进行远距离控制，主要用于对航天器进行数据注入、各种开关控制、载荷控制、轨道控制和姿态控制等。遥测和遥控在数据传输上数量不大，一般而言实时性要求极高，然而对于深空探测来说，30万公里/秒的光速都嫌慢，从下表中可以发现到月球还是秒级的时延，但对于7535～4297百万公里以外的冥王星，单程时延已经长达4～7小时，如果有操作人员按下“发动机点火”的开关，传递到冥王星探测器上，黄花菜也凉了！即便是大家津津乐道的火星，单程时延也达到3.31～22.294分钟，打电话给移民火星的地球人基本不可能，发个短信估计要吃上一顿饭才能收到回复，未来要打星际电话，恐怕只能指望星球大战里的原力成真，实现全息视频通信。
图13.与各个行星之间的超长距离，带来了测控和通信的大难题
因此，对于月球探测通信，还勉强可以采用准实时的遥控方式控制航天器平台和有效载荷；对于其他更遥远的行星，需要探测器在不同飞行阶段具备一定的自主导航和制导控制能力。
（二）深空探测的通信难
深空探测器采集到的任务相关数据，比如照片、科学数据，往往数据量比较大，然而长距离造成了极大的信号路径损失，降低了接收信号的信噪比，限制了传输速率的提高。因此，增大天线口径，缩小波束宽度，能量尽可能集中而不浪费在空间，采用抛物面定向天线是较好的办法，这也是题图各式探测器大多“头顶一口锅”的由来。但由于受到航天器安装尺寸、重量的限制，天线口径受限，对于木星及以外的外行星探测还必须采用其他的办法来提高天线增益：
1、尽可能增大天线口径，使用更高的频段
天线增益和天线口径成正比，和波长的平方成反比，理论指导实践，主要的几个航天大国地球站口径从一开始的26米、32米、34米，向64米、70米、100米进军，相当于用大喇叭喊话和大耳廓聆听；也有通过几个天线组阵方式增加天线口径，如在卡西尼造访土星的时候，每天发回的数据量达到4Gb，为了解决这个问题，34米和70米口径天线组阵满足任务需求。
探测器上的天线口径也一样，阿波罗计划探测月球使用的天线口径仅0.6～1.5米，旅行者号增加到3.66米，1989年发射的伽利略号土星探测器增加到4.8米，几乎达到运载火箭整流罩的容纳极限。深空探测的通信频段也在不断提高，1960年代广泛使用S波段作为上下行，1970年代开始启用X波段，1990年代卡西尼号探测器甚至启用Ka波段作为下行。更高的频段，波长更小、天线增益更高，同时也不易受到电离层和太阳等离子区中带电粒子的影响，不过短波长对于天线的加工精度、变形等要求增加，对地球站的热变形、阵风变形、重力下垂变形等考验极大。
图14. 国际上对于深空通信上下行链路的频率分配
2、增加发射功率
为了提高发射功率，深空探测地球站使用数百千瓦到一千千瓦的信号放大器；对于航天器来说，采用高性能太阳能发电帆板供电，木星距离以远的行星，采用同位素热电偶（RTG）发电，以达到最低几十瓦级别的发射功率。
3、采用信道编码、信源压缩技术
由于信号微弱、干扰等原因，地球站接收的数据难免有错，如果采用重传的方式，在大时延的情况下，一来一去，会非常的痛苦。因此纠错编码是一种有效的办法，现有的深空探测器都无一例外地采用了有效的纠错编码方案，典型方案是以卷积码作为内码、里德一所罗门(R-S)码作为外码的级联码。随着计算处理能力的发展，也逐步采用具有优异性能的Toubo码和LDPC码等长码进行信道编码。
另外日常办公使用的数据压缩技术也当仁不让地应用在深空探测上，在相同的传输能力下，能够将更多的数据传回地球，缓解对数据通信的压力。只不过对于耗资巨大、千辛万苦获得的原始图像和科学数据，必须采用无损压缩，一般做到3：1的压缩率。
5、降低地面接收系统的噪声温度
深空探测任务中返回的信号十分微弱，信噪比极低，为了努力降低地面接收系统的噪声水平，普遍在地球站采用低温制冷超低噪声温度放大器。
（三）深空探测的通信保持难
地球在不停地旋转，要和天上的探测器保持7×24小时不间断的通信，要求在地球表面间布下全球性的陆基深空网，理论上在地心角相距120度的地方各建一座地球测控站，即可对巡航期间的航天器进行全天时连续观测。
深空探测虽难，但只要思想不滑坡，办法总比困难多！两个超级大国为了在太空竞赛中拿到更多的第一，在深空探测上可谓拿出了举国之力，然而结局却截然不同……
三、赢在起跑线，却未能笑到终点
——苏联深空探测辛酸史
拿到了撞月、探月的多个第一，也深刻认识到测控网的重要性，工欲善其事，必先利其器，苏联下定决心克服地球测控站的短板！
在科罗廖夫和克尔德什的提议下，1959年作为金星探测计划的一部分，代号为“冥王星”的深空测控网项目启动，在不到一年的时间里，在克里米亚半岛的叶夫帕托里亚建成了一座深空通信中心。
“冥王星”深空测控网由三个ADU-1000天线组成。每个天线有8个直径16米的铝制卡塞格伦天线，由退役柴电潜艇的原型耐压壳体作为支撑结构，支撑结构的旋转基座安装在铁路桥桁架上，而为了承受天线和基座1500吨的巨大重量，天线的旋转底座甚至采用了重型巡洋舰三联装305毫米主炮塔的炮塔座圈，带有浓浓的北极熊后现代粗旷风格。不过这些七拼八凑，其实是在和时间赛跑！
图15. 8个直径16米天线组阵，达到更大的天线孔径
在北场，建造了两个接收天线，用液氮冷却的低噪声参数MASER放大器接收信号，灵敏度提高了六倍，最高数据接收能力达到4Mbps/秒；距离北站8.5公里处的南站建造了一个发射机，最大发射功率80kW。“冥王星”深空测控网支持了所有苏联太空计划，直到1978年Yevpatoria RT-70射电望远镜建成后才转为备用系统。他是1966年美国金石（Goldstone）64米深空站之前世界上最大的深空通信系统。说实话，三体迷最担心的事情，其实他早干了！1962年11月19日和24日，它朝天秤座星座HD131336的方向发送了“MIR”、“LENIN”和“CCCP”！这些信息（分别为和平、列宁、苏联）是人类历史上第一个向地外文明的无线电广播，而令人感慨的是，如今，发这些信息的政体已经不复存在……
图16. RT-70项目中P-2500天线，直径70米，发射功率200kW
为了弥补陆基测控站的不足，苏联自1967年开始改装和建造航天测量船，数量达到十多艘。其中“尤里·加加林”（Kosmonaut Yuri Gagarin）级（1909型）是世界上最著名、也是吨位最大的航天测控船，满载排水量53500吨。另外还建造了核动力的“泰坦”（Titan）级（1941型）核动力大型情报/指挥/测控船（北约代号“白菜”）。
图17. “加加林”号装有最大25米直径的天线，能同时跟踪2个航天器
有了深空探测的装备，苏联马不停蹄地进行了金星、火星探测……
（一）实为地狱——残酷而痛苦的金星探测史
金星半径为6051公里，和地球的6378公里非常接近，这意味着在金星地面上的重力加速度可能和地球差不多（8.87m/s²），行走跑步体感舒适，属于星际移民加分项；其明亮的云层反射了70％的辐射，厚厚的云层通常被解释为金星是一个潮湿的热带世界的标志，使得金星可能具有适宜居住的气候（尽管对金星地表水的光谱检测产生了相互矛盾的结果）。金星比地球离太阳更近，在20世纪50年代早期，美国诺贝尔奖获得者Harold Urey计算出金星的表面温度为53°C（127°F）。但在20世纪50年代后期，通过观察到一个不寻常的无线电频谱，表明金星同时存在高温和低温两种情况。科学家提出各种理论进行假设，但专业意见各不相同。看来，只有探测器降落金星实测，才能揭开厚厚云层下的真实面目！
1960年代起，苏联发射了大量的金星探测器！其中有16艘航天器被命名为Venera（Venera是俄语中金星的意思，Венера），以及许多未被起名的失败任务（主要是苏联喜欢报喜不报忧），为了拿第一，苏联硬着头皮，失败了再发射，这些造型千奇百怪的探测器前赴后继，从开始发射直到第一次成功的探测经历了6年和11次发射！
图18.博物馆展出的Venera-1模型，2米直径的可折叠伞状抛物面天线无奈的耷拉着
Venera-1金星探测器重643.5千克，携带三组天线与地球通信。2.4米长的全向天线在近地轨道作为TT&C天线；在离开地球附近之后安装在太阳能电池板上的T形天线以每秒1.6比特的数据速率在分米无线电波段上传输TT&C信号；配置了一个2米直径的可折叠伞状抛物面天线，用于在922.8 MHz的频率从金星向地球发送科学数据，这是同类天线的第三次出场和第一次成功使用（前两次是苏联的Mars-1960A/B，不过两次都没能顺利上天）！Venera-1于1961年2月发射，同年5月19日飞越金星。然而，在距离金星10万公里左右，地面与探测器的无线电失联，导致她没有传回任何数据，出师未捷身先死！不幸的事件后续接二连三出现，这里简要列出苏联金星探测的几个里程碑：
1、Venera-4终于进入金星大气层：1967年6月12日发射后，同年10月18日着陆舱终于进入金星大气层，展开降落伞后徐徐降落，过程中将金星大气成分数据传回地球，但设计极限压强为25个大气压的舱体在下降到距离金星表面为24.96公里处受不了了被压瘪，信号停止发射！Venera-5号命运类似。Venera-6号着陆舱下降到距离金星表面10〜12公里。
2、Venera-7终于在金星表面着陆：Venera-7于1970年8月17日发射，同年12月15日到达金星，这次战斗民族发了点狠，着陆舱能承受180个大气压，没有在下降过程中夭折，但降落伞受损，以每秒17米的速度撞击地面并翻倒，幸免于难后虽工作了23分钟，但偏离预定着陆区域且天线未对准，探测效果大打折扣，艰难地回传了大气温度。
3、Venera-8在金星表面首次成功登陆，工作了50多分钟，发回了关于压力、温度等数据，证实了金星地狱般的恶劣大气条件。
图19. Venera-8着陆舱顶部是一个锥形螺旋天线
4、Venera-9发回金星表面的第一张图片：1975年，Venera-9的摄像机拍摄的照片被成功发回地球，坚持工作53分钟后香消玉殒。
图20. Venera-9发回金星表面的第一张图片
5、Venera-13发回金星地表第一张彩色图像：Venera-13于1981年抵达金星地表，并坚持工作了127分钟。
图21. Venera-13发回的金星地表第一张彩色全景图
不能把苏联金星探测史当成励志故事，作为探测器天线的专题，终于要回归本期主题了。其实苏联探测器中可以学到很多螺旋天线的知识。螺旋天线除了在《看天线，识卫星——漫谈卫星天线（二）》上讲到组阵作为L波段定相天线外，其变种，锥形螺旋天线（Conical Spiral Antennas）由于圆极化、频带宽、增益相对较高、天线尺寸小等优点，被广泛地用作TT&C天线，并可以通过改型满足不同场景的需要。
锥形螺旋天线可以产生各种辐射方向图，螺旋的切线与圆锥母线间的夹角称螺旋角，螺旋角的大小在确定天线方位角上起到主要作用（另一个因素是锥体的锥角），螺旋角的角度越小，即绕线越陡，波束宽度越宽，其范围从沿着轴发射的梨形波束到以较宽角度辐射的漏斗形波束。
图22.螺旋角的大小确定辐射图案，会产生两种不同应用场景的天线
通常在苏联的一些卫星和探测器上能看到2~3个不同形状的锥形天线，飞行途中通过调用不同天线波束特性的锥形螺旋天线发射和接收信号，保持和地球的联系，确保测控正常。
图23. Venera-4两种不同的锥形螺旋天线，同时也可以看到其伞状可折叠抛物面天线
那么对于金星着陆任务来说，一个新问题出现了，如何把着陆器收集到的科学数据和照片回传地球？方法有两种，一种是直发，将遥测信号直接发射到地球。这种方案看似简单，但需要着陆器的半定向天线对准地球，卯足了劲发射信号！另一种是转发，以金星探测器轨道舱作为中继，将着陆舱的信号转发回地球，这个方案看上去更靠谱，但如何让着陆舱的天线瞄准不停绕圈的轨道舱是个难题。
苏联科学家并没有采用会摇头跟踪的定向天线锅，而是对锥形螺旋天线挖潜，充分使用其嬗变的特性，简化着陆舱天线设计，提高可靠性（美国在后续的火星车上，采用了两轴旋转的定向天线）。另外考虑到着陆舱在金星也就工作几十分钟，但金星到地球双向需要几十分钟左右的时延，着陆舱干脆就只发送，不接收了！战斗民族就是这么实在！
Venera-7金星着陆舱采用了直发的方案，天线（下图左）的锥形螺旋天线被设计用于产生梨形天线方向图。她本计划降落在金星的背阳面中间，头顶地球传送信号。不幸的是，Venera-7以大约17米/秒的速度硬着陆在金星侧面，导致信号降至正常强度的3％左右，仅发送了温度信息，就马上被高温和高压吞噬了。
图24.Venera-7～9三个金星着陆舱配置了三种不同的锥形螺旋天线
Venera-8金星着陆舱也采用了直发的方案，由于降落地点是在金星新月形区域，探测器从金星看地球，地球是在高出地平线30°左右的侧面。因此她的双线螺旋天线（上图中）被设计成产生漏斗形辐射方向图，这次成功了！Venera-8的着陆舱在分米波频带上以1比特/秒的速度，成功传回了关于温度和气压的科学数据。
Venera-9的着陆舱（上图右）的天线设计采用了转发模式，其天线为四臂螺旋天线，通过调节四个相隔90°的发射单元的相位偏移，控制天线辐射方位图，生成可变的波束跟踪仍在绕金星飞行的探测器轨道舱，并将图像和科学数据在两个频段上传。
作为中继的轨道舱的接收天线，苏联也喜欢使用朴实无华、简简单单的螺旋天线。比如Vega金星/哈雷彗星探测器，“Vega”是俄语金星Venera和俄语哈雷彗星Gallei的字母组合，她的太阳能电池板的背面可以看到大型米波段螺旋天线，是用于轨道舱和着陆舱之间的工作在186 MHz频点上的数据链路天线。
图25.Vega金星/哈雷彗星探测器头顶着陆舱，伸出两个“弹簧手”
直到今天，Venera/Vega系列探测器的着陆舱仍是绝无仅有的能够触及金星表面的航天器！但对金星的探测可以说是赴汤蹈火却一场空，因为最终发现金星表面的气体主要是二氧化碳（96.5%）和氮气，根本无法呼吸，气压超过90个大气压，表面温度更是平均超过了400摄氏度。
金星可以说是太阳系内行星中最神圣的地方，每次都在2小时内干掉了触碰到其表面的苏联探测器。金星成为了苏联探测器的地狱！
图26.金星，苏联探测器的地狱（效果图）
（二）火星——苏联深空探测科学家的梦魇
火星是自然环境最接近地球的行星，被认为是最适合人类移民的星球，是世界各国组织实施深空探测活动的重点。1957年第一颗人造地球卫星成功发射后3年，苏联率先起征火星，1960年10月10日和14日发射的Mars-1960A/B均为Mars 1M型号，与Venera-1探测器一样，均为科罗廖夫的OKB-1设计局设计，结构几乎完全相同。
图27. Mars 1M与Venera-1设计几乎完全相同（像不像I am your father!）
Mars 1M在天线方面值得一提的是采用直径为2.80米的高增益抛物面天线，由7平方米的两个太阳能电池供电；两个低增益圆锥螺旋天线用作TT&C。
图28. 找到直径为2.80米的高增益抛物面天线和两个低增益圆锥螺旋天线了吗？
上节讲到苏联金星探测计划跌跌撞撞的历程，统计从1961年到1984年超过23年的时间里、23个Venera/Vega探测器的结果，其中有15次成功地从金星大气层传输数据，而仅有11个探测器幸存到达金星地面并发回信息（数据可能由于不同的源头和口径有偏差），成功率不高。但苏联/俄罗斯的火星探测更糟糕！下表中罗列了全部20次发射任务，完全成功仅2次，部分成功2次。你可以体会到苏联/俄罗斯火星探测科学家和工程师的苦闷！
图29. 苏联的火星探测中了“失败”的魔咒，直至俄罗斯也怎么样都甩不掉
火星探测有一个窗口期，此时路程最短，一旦错过这个窗口，就必须等待下一个，而这一等就将是漫长的26个月。
图30.火星探测路程最短的窗口，每26个月才有一次
为了提高探测的成功率，苏联采取了双保险的方案，每次发射一对，甚至把月神计划中的撞击大法也拿出来，试图提高成功率！到了后期，1973年那个窗口，简直是梭哈，一个批次发射四个，两个环绕，两个着陆，终于有了寥寥几个成功，然而探测器着陆之后也是相当短命，4个“成功”和“部分成功”的含金量太低！和同时期美国的大获全胜形成鲜明的对比，苏联不仅仅输掉了载人登月，也在深空探测上完全败下阵来。甚至在1996年和2011年，改朝换代之后的俄罗斯也再次犯下低级错误，由于火箭的故障，火星探测又遭遇两连败。
匪夷所思的是，俄罗斯于2003年6月2日在拜科努尔发射场用联盟号/ Fregat运载火箭替欧空局发射其第一个火星快车探测器，居然一次成功！而且到目前为止，火星快车依旧工作正常。似乎火星真的不欢迎北极熊！
所有失败的火星任务中，剔除明确的8次运载器、上面级故障，另有异常失联8次，这当中固然有战斗民族作风胆大粗糙，技术基础不扎实，以及在太空竞赛中巨大的政治压力下赶进度、动作变形的缘故，也有相当证据表明俄罗斯深空测控网不给力，比如Phobos-2在进入环绕火星轨道后失联前最后发出的消息其实是美国人收到的。
不管怎么说，要感谢苏联这位值得尊敬的参赛选手，因为他着实引领了一个时代，并让竞争对手美国在深空探测上卯足了劲地追逐、赶超并取得全人类引以自豪的成就！
四、全球布局打好深空测控网基础
美国9大行星探测大满贯
在深空探测竞赛中，苏联在起跑阶段的领先着实刺痛了美国！美国决定兵分两路，在准备阿波罗登月项目的同时，拿出一部分人力和财力进行深空探测。1962年7月22日，NASA发射了第一颗金星探测器——水手1号（Mariner-1），未成功。1964年11月，NASA发射了第一颗火星探测器——水手3号，仍未成功，但紧急进行整流罩改造后，同月成功发射了水手4号，并于次年7月14日抵达距离火星表面不到9800千米的地方，拍摄了21张火星照片，同时探测到火星大气压还不到地球的1%，终结了所有“火星人”的科幻情节。
水手4号取得了前所未有的成功！但当时美国的深空测控网还比较简陋，数据传输限制在8.33比特/秒，这意味着来自水手4号的256×256像素的火星图像需要数周才能传输完。美国下定决心要建设一张更扎实的深空测控网，作为深空探测的千里眼和顺风耳！
美国深空测控通信网简称深空网，即DSN(Deep Space Network)。由于地球的自转，单个测控站的连续跟踪能力有限(8h〜10.5h)，在一个国家或组织的地域内难以做到不间断连续跟踪测量。美国财大气粗，霸气侧漏，从1966年到1972年在美国加州的金石(Goldstone)、西班牙的马德里和澳大利亚的堪培拉分别建造了64米天线，比原有26米天线灵敏度提高了六倍以上，跟踪范围增加了一倍多。1966年3月，金石站新装备的64米DSS-14天线重新建立了与水手4的联系，把上次没传送的16和17两张照片成功断点下传，创造奇迹！
图31.金石金石，石破天惊！
它们以接近120°的经度间隔均匀地分布在地球上，通过这三个深空联合体的交互配合，可以将无覆盖区域压制到南大西洋等个别区域。
图32.距地球3万公里，波束即可以实现无缝覆盖
（一）水手系列探测器小试牛刀初露锋芒
水手任务是1960年代和70年代的太空计划，其目的是访问内太阳系和地球以外的三个行星：水星、金星和火星。
图33.水手1/2号是美版金星探测器
水手1号因为运载器问题发射失败，作为其备用星，水手2号在1962年8月27日发射升空，当年12月成功飞掠金星，用红外线和微波辐射仪，证实了金星表面被厚厚的二氧化碳云层覆盖及其高温地表，反驳了之前认为金星上存在海洋的理论。
图34.水手1/2号的天线和科学仪器结构图
水手1/2号的天线系统很大程度上是从突击者（Ranger）探测器继承而来，采用四个天线来满足各种飞行中的通信要求。
1、指令天线系统由安装在太阳能电池板背面的旋转场天线和安装在太阳能电池板前侧的偶极天线组成，用作入轨前后的通信，工作频段890MHz。
2、探测器在中途机动之前，由位于探测器顶端的全向天线负责和地面站进行通信，工作频段960MHz。
3、在中途机动后并且在航天器的姿态得到纠正之后，位于探测器六角形结构底部的1.2米直径抛物面高增益定向天线开始工作，由金属丝网作为反射面，整个天线重量控制在5公斤以下；和Ranger 6/7一样，采用旋转场天线馈源发射960 MHz右旋圆极化波。
在有了初步探测结果之后，美国并没有像苏联一样死磕价值不大的金星，而是迅速研发了水手3/4号转战火星探测任务，抢夺另一个“第一”。
由于火星的距离比金星远了近一倍，水手3/4号的天线较上一代探测器有两个方面的改动：
一是高增益定向天线出现了一张新面孔，反射器是一个椭圆形抛物面，长轴为1.17米，短轴为0.53米，馈源由两个旋转场天线构成，由玻璃纤维支撑桁架进行固定，发射右旋圆极化，但频段提升到S波段提高增益。
图35.在洁净室测试的水手3号探测器上可以看到顶部的全向天线、定向天线有改动
二是启用S波段低增益天线替代之前的全向L波段天线，该天线为长2.1米、直径0.10米的铝制圆波导棍，在末端是一个带反射器的十字形波导缝隙右旋极化波发射天线。
图36.水手3/4号的低增益天线在进行测试
水手3号的太阳能帆板因整流罩缘故未能打开，导致探测器失效，NASA在3周内对该问题作了紧急处理，水手4号作为其姐妹探测器于1964年11月28日成功发射，到达火星后第一次拍摄了火星写真。
搞定火星之后，NASA腾出手用水手探测器再次造访了金星（水手5）、火星（水手6/7/8/9），赋予其更多的科学探测任务。
要完成内行星探测大满贯，只剩下最难啃的水星，由于减速需要巨大的ΔV，做了大量隔热改造的水手10号第一次使用一颗行星（金星）引力辅助减速到达另一颗行星（水星），顺便又观测了一次金星，成为第一个探测两颗行星的探测器。同时她也是第一个使用太阳风作用在太阳能电池板上，积少成多辅助航向修正的航天器。
图37.带了双摄像头的水手10古灵精怪，为了防止被太阳烤焦，穿了厚厚隔热衣
排除掉中间个别小问题，如水手7号电池气体泄漏导致的短暂遥测信号丢失、水手10号掉油漆导致姿态失稳、水手10号星载计算机偶尔无故重启之外，项目整体如果和苏联比起来，可以说是顺风顺水，拿下多个“第一”。没有比较，真没有伤害。
（二）旅行者号的外行星探测历程
美国人下一步的雄心是把木星、土星、天王星、海王星这4颗外行星一网打尽，恰好在这个时候遇到了176年一遇的机会，这4颗行星的几何排列会帮助深空探测器一路“化缘”借天体引力加速，完成不可能在这么短时间内完成的探测任务。NASA设计了旅行者号两姐妹：姐姐旅行者1号定位为“快”，主要探测木星及土星，因此比她的妹妹还要晚发射，利用更快速的轨道到达木星及土星；妹妹旅行者2号，求“稳”，被设计可以利用一个不寻常的路线来探测4颗外行星，完成史诗般的“行星之旅计划（Planetary Grand Tour，它是NASA在60年代末、70年代初所发展的计划）”。现在要解决的问题是超远距离的深空测控和通信，这个距离比内行星要大一个数量级以上。
铺垫工作其实在之前提到的水手10号上已经启动，1973年的水手10号进行了X波段试验。采用8GHz的X波段，同样的收、发天线尺寸和S波段相比可以增加11.32dB的增益，换句话讲可以让10米直径的天线发挥出36.8米的效果，优势显著。
水手10号探测器采用X波段与普通S波段相干下行链路把测距误差下降了80%，同时还利用X波段进行更高精度的空间科学探测试验，证明了X波段链路的可行性。因此旅行者号的主天线采用了S/X双频天线，而且是大锅顶小锅，一个顶三个。
图38.远看一口锅，近看是S/X双频大锅顶了个S频段的小天线
旅行者号的抛物面主天线直径3.66米，引入了一个频率选择副反射面（A frequency selective subreflector，FSS），这个副反射面反射高频段X频段信号，但对低频段S波段畅通无阻，因此是同时作为X波段的卡塞格伦天线和S波段的正馈抛物面天线，S波段的馈源安装在副反射面后。其中X波段的主天线增益为47dB，兼有12和22瓦两档功率的发射模式。另外设计者又巧妙的在副反射面上装上了一个S波段的低增益天线，一举三得。低增益天线直接向地球发射圆极化波，波束宽度90度，在初始飞行阶段不需要精确对准，降低探测器姿态控制要求。
图39. 旅行者号的抛物面主天线的结构
神奇的频率选择副反射面是Nomex蜂窝芯夹层为结构，两面包覆Kevlar材料，铝制偶极子无源谐振单元整齐排列，镶嵌在内外表面，形成对X频段电波的反射，原理就像你家微波炉的面板，网孔形状就能把2.4G的微波予以反射隔绝。测量数据显示，旅行者号的这款FSS在S波段透射损耗<0.1 dB，在X波段反射损耗在0.1和0.2 dB之间。
图40. 频率选择副反射面的表面贴满十字形的阵子反射X频段电波
随着旅途不断的延伸，NASA的科学家使出了各种招数，旅行者号和地面的DSN不断接受硬件和软件的改造以适应渐行渐远的距离，保持通信并高速下载获取的照片和科学数据：
1、采用天线组阵技术：
1974年9月，金石使用两个26米天线和64米天线进行组阵接收水手10号的信号，达到了117 kbps的速度，验证了天线组阵技术的可行性，为旅行者号的地面信号接收能力拓展做好了技术储备。
1980年8月中旬，64米和34米的天线组阵应用于旅行者1号，阵列增益与单独的64米天线相比增加了0.62dB（约15％）；当旅行者2号于1981年8月到达土星时，阵列增益与单独的64米天线相比增加了0.8dB（约20％），这是双天线组阵迄今为止最好的工作成绩。
2、天线改造：
在1982年〜1988年期间，DSN将64米天线的直径扩展为70米，而且同时支持X波段以及S波段来作为上行和下行传输的载波，大大增加了探测能力，从而可以支持旅行者2号与海王星相遇活动中的跟踪与控制任务。
图41.DSN金石64米站改造成为70米
3、采用压缩技术：
为了更高效的传送数据，1986年“旅行者”号探测器遭遇天王星时，NASA首次将数据压缩技术用于深空应用中，压缩率为2.5：1。
4、启用新的编码技术：
旅行者2号在探测天王星时，启用(7，1/2)卷积码和(275，223)RS码级连，信噪比门限下降至2.53dB，比无编码的PSK调制改善增益7.97 dB。
5、采用异地天线组阵技术：
旅行者2号在抵近海王星时，位于美国加州金石的70米天线及2个34米天线，与相距1000多公里、位于新墨西哥州国家射电天文台（National Radio Astronomy Observatory，NRAO）的27个直径25米超大规模阵列天线实现组阵，完成了高质量的信号接收任务。
图42.位于新墨西哥州国家射电天文台豪华的天线阵列
五、后旅行者号的深空探测器时代
水手系列、先驱者系列、海盗1/2号的火星登陆以及旅行者号在冷战的太空竞赛中拿下了无数第一，完成了对太阳及各大行星的“泛读”，求得了深空探测的极限，随后发达国家独立或者合作开启了对各大行星的“精读”模式，不过美国依然是领头羊。
1989年5月5日美国发射“麦哲伦”号金星探测器。拥有直径为3.66米的主天线，是旅行者者项目3/4号取消遗留下来的，不过在此次任务中既用做深空通信用天线，也当成雷达，而且是合成孔径雷达的天线，以不低于300米的分辨率测绘金星，这样高的精度是以往探测金星的航天器所未曾达到的。
图43. “麦哲伦”号金星探测器。直径为3.7米的主天线一物两用
1989年发射的伽利略号木星探测器是美国和联邦德国合作的项目，也采用了旅行者号同样的三合一天线设计，只不过抛物面改为了可展开的伞面，直径达到了惊人的4.8米，由2台放射性同位素热电偶发电，可提供0～480瓦的电力。不过，阴差阳错，这个伞在太空因为润滑剂干燥没有正常打开，只能靠顶部的低增益天线临时替补，传输功率仅为高增益天线的万分之一。怎么办？项目团队依靠DSN的天线组阵技术，临时启用更强自纠错能力的卷积码和R-S码级联降低信噪比门限，以整数余弦变换（ICT）压缩算法实现高达20：1的图像压缩比（有损，也是无奈之举），挽救了整个探测任务。
伽利略号木星探测器在1994年7月近距离观察到了苏梅克-列维九号彗星罕见的撞击木星现象，这是人们首次直接观测太阳系的天体撞击事件。另外传回的数据表明，在木卫二的表层下可能有海洋。“木卫二上有水”的猜想期待着进一步的探索！
图44.伽利略号借鉴了旅行者号的三合一天线设计，抛物面天线改为了可展开的伞面（实际未展开）
受到伽利略号成功的鼓舞，美国和欧洲等17国进一步合作，又研制了一个飞向土星的太空探测器，并且为了纪念法国天文学家多米尼克·卡西尼当年发现土星光环的环缝，就把这颗太空探测器取名为“卡西尼号”。“卡西尼号”还携带了一个专门用于探测土星最大卫星土卫六的探测器，取名为“惠更斯号”。S波段演进到X波段通信的效果是非常显著的，科学家从1980年开始研究和开发启用更高的Ka波段（32 GHz），可以较S波段提升22.9dB增益，卡西尼号是这个研究的受益者，她的高增益主天线可以在S/X/Ku/Ka四个无线电频段进行信号收发。卡西尼号同样是核能驱动，2017年，任务结束之后进入土星大气成为一颗亮丽的流星！
图45.卡西尼号的主天线可以在S/X/Ku/Ka四个无线电频段进行信号收发
另外值得注意的是在天线下方的主馈源边上，还有一些小喇叭，这其实是卡西尼号携带的Ku波段合成孔径雷达的馈源，一共分为4组20个小喇叭，专门用来探测不少人提出的“最合适人类移居的星球”——“泰坦”（土卫六），确认了泰坦有一个由纯液态甲烷组成的巨大“海洋”。
图46.卡西尼号的“多用途”天线
惠更斯号探测仪原本通过卡西尼号做中继，向地球回传信息，但欧洲工程师犯下低级错误，卡西尼和惠更斯号探测器之间出现通讯障碍，这次又是深空测控网救场，做了调整直接捕捉惠更斯号发出的微弱信号，获得了50%的照片，再一次挽救了任务。
NASA另外于2006年1月19日发射了“新视野”号探测器，其主要任务是探测冥王星及其最大的卫星“卡戎”（冥卫一）和探测位于柯伊柏带的小行星群。但该探测器还在赶路时，国际天文学联合会就开除了冥王星的“行星”资格，此次探测任务的意义无形中也被“降级”。
“新视野”重478.4公斤，整个外形有点像三角钢琴顶了一口大锅。此次去冥王星的路途非常遥远，天线设计也颇为讲究。高增益天线抛物面盘的直径为2.1米，高增益波束仅0.3度宽，即便在遥远的36倍日地距离下也可以达到600bit / s的回传速率，但要求航天器准确地指向地球，这对于姿态调整来说是件辛苦的工作，要不断地跟踪、指令控制和指令引导，而且往往要消耗宝贵的推进剂。因此“新视野”号带了中增益和低增益天线分别在不同阶段使用。其中低增益全向天线在大约1倍日地距离下工作，为初始任务阶段调试提供通信；30厘米碟形天线的中增益天线波束宽度4度，只要探测器粗粗指向地球都能满足通信需求，简化了任务。
图47.新视野号的结构图
图48.目前新视野号正在奔往柯伊柏带小行星群
六、结束语
本期在介绍深空探测器天线的同时，顺道对人类深空探测史进行了简要介绍。事实上，目前的深空探测已经由行星延伸到小行星，科学任务由着陆、地表漫游取样分析拓展到将样品带回地球，这方面美国、日本、欧洲暂时领先。
飞向深空的探测器取得令全人类自豪的成绩，但不能忘了在地面默默无闻工作的深空测控网，可以说深空测控网能看到多远、听的多清、算到多准，决定了深空探测器能够走到多远！唯有他给力的测控，搭建起与探测器天线之间可靠的信息桥梁，才能让我们获知更多地外的奥秘！
视线转到中国，我国的深空探测起步较晚，投入不多，也尝到过俄罗斯火箭不靠谱的痛苦，但还是步履扎实往前走。新增了上海65米射电望远镜和佳木斯66米、喀什35米、阿根廷35米三个深空测控站。其中最大的佳木斯深空站波束宽度为0.04度，其深空探测作用距离达到4亿公里，为嫦娥1～3号探月任务保驾护航，协助攻克了“绕、落、回”前两个难关！
图49.佳木斯深空站的工作人员
（来源 | 科学大院）
据悉嫦娥四号将在2018年12月8日凌晨发射，此次任务将实现人类首次在月球背面登陆，任务相关的“鹊桥”中继星也已发射成功。衷心祝愿此次任务成功，让我国在深空探测上能够越走越远！
近年来，在航天技术、信息技术、互联网应用和资本市场等力量的共同推动下，全球卫星通信又迎来一个新的发展高潮。与2000年时期的卫星通信高潮相比，这次高潮具有卫星高通量化、制造批量化、发射多星化、网络融合化、载荷灵活化、终端移动化、天线平板化、业务数据化、内容高清化等特征。
在商业航天、新基建计划、数字经济等因素的加持下，我国卫星通信迎来了高速发展阶段，表现出与国外同行齐头并进的发展态势。总体上，2021年是全球新一代低轨卫星互联网走向商用化、下一代高通量卫星蓄势待发的一年，也是我国国家力量与民间活力在卫星互联网发展上交相辉映的一年。
一、国际卫星通信发展
1、高中低轨高通量卫星并驾齐驱
高通量卫星和星座系统是卫星通信的两大发展方向，也是卫星互联网的主体技术与结构。近年来，高通量卫星沿着高中低轨三个发展方向齐头并进，2021年，这一趋势也并未改变。Viasat、O3b和SpaceX等就是其中最典型的卫星运营商代表。
2021年6月7日，全球高轨高通量卫星先锋Viasat宣布，ViaSat-3星座首颗卫星的有效载荷集成和性能测试已经完成。随后，ViaSat-3将进行一系列完整的环境测试，以模拟太空严苛环境下的发射和运行。每颗ViaSat-3卫星具有超过20千瓦的有效功率和1TBps的容量。首颗ViaSat-3卫星为美洲和周边海洋提供服务，将于2022年初发射。
2021年12月22日，Inmarsat发射了下一代卫星I-6F1。I-6F1是Inmarsat7颗新卫星中的第一颗，被称为世界上最先进的通信卫星，它首次同时拥有L（ELERA）和Ka频段（GlobalXpress）有效载荷。L频段有效载荷将支持面向移动和物联网用户的ELERA网络，Ka频段有效载荷将支持面向政府客户的GlobalXpress网络。
SES全资子公司O3bMEO星座由20颗Ka频段卫星组成，于2019年4月完成最后一次卫星发射。随后，O3b启动了下一代mPOWER星座建设计划，其数据速率从原有的1Gbps提高到10Gbps。尽管O3bmPOWER2021年发射计划没有如期完成，但它的低延时和大带宽还是吸引了法国电信运营商Orange、邮轮运营商Carnival等客户，以及亚马逊AWS和微软Azure等云服务商。
从2019年5月23日首批发射60颗小卫星开始至2021年底，SpaceX共进行33次一箭多星发射。目前其Starlink星座卫星总数已接近2000颗。自2020年10月开始提供互联网服务以来，Starlink星座每月大约增加1.1万新用户，目前在25个国家拥有超过14.5万名用户。
经过破产重组后，OneWeb稳步推进星座建设和市场布局。2021年5月，OneWeb宣布收购美国德州TrustComm公司，以新组建一个政府业务子公司。同期，OneWeb签署美国空军研究实验室（AFRL）一项合同，以验证向北极地区提供卫星通信服务。伴随着2021年底第12批卫星的发射，OneWeb卫星总数增加到394颗，2021年底前在北半球提供服务的目标基本实现。预计，2022年底前，OneWeb将完成第一阶段所有648颗卫星的部署。
亚马逊公司Kuiper低轨星座由3236颗卫星组成，总投资超100亿美元。2021年11月1日，亚马逊向美国FCC提交了2022年第4季发射和运行两颗原型卫星（KuiperSat-1和KuiperSat-2）的申请。在此之前，亚马逊宣布和美国运营商Verizon合作，为该国农村及偏远地区提供基于基站回传的宽带互联网服务。
2021年2月9日，加拿大Telesat公司宣布选定由泰雷兹•阿莱尼亚空间公司来承造其低轨宽带系统Lightspeed的298颗卫星，并计划于2023年开通服务。Lightspeed星座系统中的78颗卫星将部署到高度为1015公里的6个极地轨道面，其余220颗部署到高1325公里的20个倾斜轨道，这种架构设计是为了实现两极间的全球覆盖。
2021年6月，韩国宣布将在10年内建设100颗微小卫星组成的星座。更早之前，韩国三星公司也提出一个由4600颗微小卫星组成的互联网星座计划。此外，美国波音公司由147颗构成的NGSO卫星互联网项目也于2021年11月初获得FCC批准。该项目中的132颗卫星位于高度为1056公里的低地球轨道，另外15颗卫星将被发射到高度为27355至44221公里的非地球静止轨道。所有147颗卫星都将在V波段进行广播，以便提供更大的传输容量。
如果说2021年是低轨卫星互联网高歌猛进的一年，那么2022年则将是高轨、中轨卫星互联网的高光时刻。ViaSat的首颗ViaSat-3、休斯的Jupiter-3、Eutelsat的KONNECTVHTS、O3b的6颗O3bmPOWER等下一代高通量卫星（VHTS）将集体登台亮相。
图1 ViaSat-3星座示意图
2、高低轨卫星互联网相辅相成
高轨卫星互联网系统结构简单、地域覆盖针对性较强，但延时较大，而低轨卫星互联网系统复杂，但可以全球覆盖，且延时较低。因此，高低轨卫星互联网相互补充将是卫星通信行业发展的必然趋势。
2021年4月28日，Eutelsat斥资5.5亿美元收购了OneWeb24%的股份，从而获得与英国政府和印度BhartiGlobal公司类似的治理权。上一年，OneWeb被英国政府和印度BhartiGlobal公司用10亿美元从破产状态中解救出来。Eutelsat也有自己的ELO物联网建设计划，其第一颗卫星预定于2021年4月用织女星火箭发射，该发射因2020年11月的发射失败被推迟。Eutelsat收购OneWeb是为了应对IPTV和流媒体服务对传统卫星电视业务的侵蚀，希望GEO和LEO两类卫星互联网产生协同效用，OneWeb能够成为新的增长引擎。此前，加拿大Telesat公司一直在探讨这种发展路径，该公司打算2022年启动其Lightspeed低轨宽带星座的组网发射工作，并在2023年开通服务，
3、软件定义卫星水到渠成
软件定义卫星又叫灵活卫星，与软件定义网络异曲同工。软件定义卫星可以使卫星的带宽、频率、功率等资源得到充分利用，从而有效降低卫星系统运营成本，延长使用寿命。虽然软件定义卫星的应用已有多年，但真正意义上的商业软件定义卫星当属Eutelsat公司的EutelsatQuantum（量子通信卫星）。该卫星于2021年7月31日在法属圭亚那库鲁成功发射，并于当年11月通过在轨验收审查，正式交付使用。EutelsatQuantum是商业卫星的革命性进步，是全球首颗软件定义商业通信卫星，其覆盖范围、频率、带宽、功率等性能可在轨重构。它的波束可以重新塑形，从而为移动载体或热点用户提供充足的带宽。同时，该卫星可以探测和定位任何干扰信号，并进行有效规避。
4、高轨卫星运营商未雨绸缪
面对以SpaceX为代表的低轨卫星互联网星座的迅猛发展，高轨卫星运营商除了技术和业务创新外，也在通过强强联合，以建立护城河，巩固竞争优势。2021年11月8日，Viasat与Inmarsat宣布达成最终协议，Viasat将以73亿美元的交易价值收购Inmarsat。两家公司具有互补的频谱和网络资源，以及兼容的业务领域。合并后，其业务范围和市场规模将得到进一步扩大，可以更经济、安全和可靠的方式，为用户提供卫星宽带、窄带和物联网等服务。Viasat兼并Inmarsat表明，广覆盖、多频段、多业务是卫星通信的一个重要发展趋势，同时也可能是全球卫星行业重新洗牌的先兆。
图2 Viasat 和Inmarsat两家公司卫星资源
5、卫星激光通信开疆拓土
带宽是衡量网络性能、满足应用需求的最基本性能指标。多点波束、频分复用是扩大卫星网络带宽的一个主要路径，而开发新频段则是另一个重要路径。与微波、毫米波相比，卫星激光通信的容量更大、安全性更高。
当前，星间激光通信技术已经实现商用，星地激光通信技术仍在试验阶段。多年来，欧美、日本等国都在积极发展卫星激光通信技术，其中美国一直走在前列。美国太空发展局于2021年发射了4颗“下一代太空体系架构”关键技术试验卫星，包括2颗“曼德拉”2卫星和2颗“激光互联和组网通信系统”卫星，主要用于验证星间及卫星与MQ-9无人机之间的激光通信技术，传输距离约2400～5000km，通信速率5Gbps。激光星间链路也是SpaceX公司Starlink星座的关键技术。2020年9月的测试中，该星座的星间激光通信速率已超过100Mbps。2021年1月发射的Starlink卫星均搭载激光通信载荷，以进一步测试载荷性能，并提高传输速率。未来，Starlink卫星链路间将通过1.5kg的激光通信载荷进行通信。同样，每个Telesat星座卫星都带有4台激光通信终端用于构建星际链路。
6、电调平板天线厚积薄发
在高中低轨卫星互联网并行工作环境下，小尺寸、低轮廓、快响应、多连接的电调平板天线不可或缺。2021年9月22日，美国Kymeta公司宣布，美国专利和商标局授予该公司一项多波束天线配置的美国专利，使冗余、同步、多轨道卫星连接成为可能。Kymeta的创新专利技术可以实现对多个星座的两颗卫星的跟踪，并实现从第一颗卫星到第二颗卫星的无缝切换。自2012年以来，Kymeta已经获得了140多项美国和国际专利和许可，另有178项正在申请中。2021年9月，Kymeta和OneWeb在法国图卢兹进行了一系列低轨道卫星采集、跟踪和吞吐量测量，所使用的Kymetau8平板天线可与LEO和GEO卫星互操作，支持固定和移动服务。
2021年9月8日，日本松下航空电子公司宣布推出新一代Ku频段天线，该天线与美国ThinKom公司合作开发。这种基于ThinKom公司VICTS技术的新型高效、低轮廓天线可支持LEO和GEO卫星网络连接，提供更高的吞吐量，更大的空气动力学效率。2021年11月2日，英国IsotropicSystems公司宣布，成功地通过其平板天线同时与SES公司GEOHEMEO卫星进行了连接测试，而SES也是IsotropicSystems的投资方。2021年11月，SpaceX公布了第二代卫星终端天线和配套的Wi-Fi路由器。该公司表明，新设备已经接受预购。SpaceX第二代卫星终端天线采用了和第一代天线圆盘造型完全不同的矩形天线板设计。这种矩形的第二代卫星终端天线可能有助于帮助公司扩大生产规模，降低制作成本。
图3 SpaceX的两款蝶形卫星终端天线
7、商业在轨服务大显身手
卫星通信行业是个重资产、高风险的行业。燃料耗尽、故障和碎片碰撞等因素都可能影响卫星的寿命，进而影响卫星通信运营的收入，而具有救援、维修、离轨、加注燃料等功能的在轨服务有望让卫星通信行业焕然一新。事实上，商业化的卫星在轨服务已经开始。近年来，美国劳拉空间系统、空客、诺格等公司都在提供此类服务。2021年4月12日，诺格公司的“任务延寿飞行器”（MEV-2）成功地与Intelsat公司的IS-10-02在轨卫星实现了对接。这是首次有在轨服务飞行器在静地轨道上同一颗现役商业卫星对接。
未来5年，两者将保持对接状态，以延长IS-10-02的使用寿命。作为MEV-2的前身，MEV-1于2020年成功对接到Intelsat公司另一颗卫星IS-901上，把那颗暂时退出使用的卫星带离了静地轨道上方的坟墓轨道，并最终在2020年4月2日使其重新投入使用。商业化的卫星在轨服务不仅深刻地改变卫星通信行业的面貌，其自身也将成为一个崭新的空间服务产业。
二、国内卫星通信发展
1、卫星互联网建设众志成城
卫星互联网是与5G、北斗和高分等同样重要的国家基础设施，其建设事关国家网络强国、航天强国战略的实施以及数字经济的发展。近年来，我国航天、电子等部门分别启动了鸿雁、虹云和天象等低轨星座卫星互联网工程建设计划。为有序推进卫星互联网建设，国家先后出台了多项相关政策和指导意见。在2020年启动的新基建计划中，卫星互联网首次被纳入通信网络基础设施范畴。
2021年3月，我国“十四五规划和2035远景目标”再次明确提出了要建设高速泛在、天地一体、集成互联、安全高效的信息基础设施。为集中力量，快速突破低轨卫星互联网建设中的关键技术和频轨资源等瓶颈问题，2021年4月28日，中国卫星网络集团有限公司正式揭牌，成为我国第五家电信运营商。中国星网的成立具有服务国家重大战略、保障安全通信、深化军民应用结合、促进经济社会发展、带动卫星产业发展等多方面的意义。新基建计划实施以来，北京、上海、广东、四川、湖南等地纷纷出台相关产业政策，支持卫星通信等空基信息产业发展。2021年1月，北京市出台《北京市支持卫星网络产业发展的若干措施》，提出打造科技创新新高地等8个方面26项任务和3项工作保障措施。
2、天地网络融合群策群力
卫星互联网与地面互联网具有天然的互补性，空天地海一体化是信息网络发展的必然趋势。近年来，国际相关标准化机构一直在制定卫星互联网与地面5G、6G移动互联网的融合标准和模式。国内相关产学研机构也在积极探索，以实现我国天地一体化信息网络的跨越式发展。
2021年7月25日，中国信通院、北京邮电大学与银河航天等单位联合开展的我国首次低轨宽带卫星与5G专网融合试验在北京和济南完成。该试验利用低轨宽带卫星，构建起北京、济南两地5G专网间的骨干网络，测试时延约20-30毫秒。未来，这种应用模式可为偏远地区和应急通信场景提供无线通信保障。2021年7月，中国信通院与中国卫通联合开展了高轨高通量卫星通信体制技术试验。
该试验依托中国卫通的中星16高通量卫星和信关站、终端等配套设备，以及中国信通院研制开发的专用基带处理平台和仪表，试验中采用的通信信号体制以3GPP制定的5GNTN（非地面网络）技术为基础，重点开展了OFDM信号波形、调制方式和信道编码等方面的技术试验和验证，初步测试了高轨卫星通信同步信道、随机接入信道的设计方案，积累了高轨卫星通信系统信道传播特性等关键特性数据，为后续进一步开展技术体制研究奠定了基础。
中国工程院陆军院士科研团队在《中国工程科学》2021年第2期撰文认为，在我国陆海空天一体化信息网络建设过程中，应着重强化网络架构、技术体制、应用服务支撑体系方面的深度融合，兼顾通信、导航、遥感系统的功能融合，推动天基网络技术自主可控和高端产业升级，同步加强相关系统的安全防护能力建设。
中国工程院院士周志成研究团队在《中国工程科学》2021年第4期撰文认为，在我国空间互联网星座系统建设过程中，应着重加强国家顶层统筹规划，加速抢占空间频率资源，加快卫星互联网标准制定，加大关键技术攻关力度，促进融合创新应用并构建安全防护体系。
电子科技大学等单位联合团队在《电信科学》2021年第6期发表论文，对6G网络中的卫星通信接入和移动性管理技术进行了分析和展望，提出了基于云通道技术的海量终端跨星跨波束批量柔性切换的移动性管理方案建议。
电子科技大学等单位联合团队在《电信科学》2021年第7期发表文章，提出了AI 赋能的6G卫星通信网络总体架构、接入网架构及核心网架构的设想，同时提出了分阶段演进和分步骤实现的建设思路。
3、中星9B直播卫星继往开来
尽管基于高通量卫星互联网的数据业务发展迅速，但是在相当长的时间内，视频广播业务仍然是卫星通信行业的主要收入来源。在地域广阔、人口众多的我国，卫星电视直播普遍服务的社会意义巨大。2021年9月9日，中国卫通公司中星9B广播卫星在西昌卫星发射中心成功发射。接替中星9A的中星9B由航天科技集团公司五院基于东方红四号增强型平台DFH-4E设计建造，总重约5500kg，采用电推进与化学推进的混合动力模式。中星9B支持4K和8K高清视频传输，并与中星9号一起构成我国卫星直播电视领域的双子星座和两驾马车，沟通为千家万户和大型活动提供高质量的卫星电视直播和视频传输服务。
4、天通一号移动通信卫星三足鼎立
移动通信卫星可提供全天候、全天时、稳定可靠的话音、短消息和数据等移动通信服务，在应急通信保障等领域具有独特的作用。2021年1月20日，天通一号03星在西昌卫星发射中心成功发射。天通一号03星发射入轨后与天通一号01星、02星在轨组网，成为我国自主可控的卫星移动通信系统，可覆盖中国及周边、中东、非洲等相关地区，以及太平洋、印度洋大部分海域。
5、卫星宽带网络崭露头角
卫星通信系统由空间段卫星和地面段网络与终端组成，它们共同决定整个系统的性能。尽管国内卫星网络市场主要被国外设备厂商所主导，但国产系统也取得了重大突破。在航天恒星公司推出我国首套具有自主知识产权的VSAT系统Anovo，并正式应用于我国首颗出口高通量卫星的系统之后，在2021年10月第23届中国卫星应用大会上，成都星联芯通公司也发布了其天路卫星通信系统。
天路卫星通信系统采用MF-TDMA+SCPC混合体制和DVB-S2/S2X卫星广播标准，支持多星、多波束、多频段，可实现灵活的组网以及便捷的网路扩展。目前，该系统已应用于应急、海洋、林草、政企专网等领域，其大容量、高速率、灵活组网、终端小型化、支持多星多波束以及自主可控等特点，得到了用户和合作伙伴的认可。2021年6月，南京天际易达通公司申报的“南京市高通量卫星通信工程技术研究中心”建设项目获得南京市科学技术局批复认定。
6、卫星物联网服务风生水起
物联网是工业互联网、智慧城市等应用的基础，而卫星物联网在交通、能源、环境、生态等方面具有独特的支撑作用。与卫星互联网相比，低轨卫星物联网的投资和政策门槛相对较低，使民营企业在这一领域得到优先发展。国电高科天启卫星物联网是国内第一个民营卫星物联网系统。2019年9月8日，国电高科天启卫星物联网系统正式上线提供服务。2021年7月19日天启物联网星座15星发射成功。至此，在轨卫星达到14颗，表明中国首个组网提供数据运营的低轨物联网星座第一阶段正式组网完成。
此后，天启星座的重返时间达到1.5小时，即对地球中低纬度任意地点的信息采集能够做到1.5小时一次。同时，卫星地面终端的运行功率降低到100毫瓦，量产后成本将低于百元，满足了相关行业物联网终端小型化、低功耗和低成本应用要求。2022年底前，天启卫星物联网将完成全部38颗卫星的组网，届时将实现物联网星座系统的全球覆盖，时间分辨率达到实时，地面终端的功耗低至0.05瓦。2021年，航天科工按如期推进低轨卫星物联网“行云工程”第二阶段首批6颗卫星的研制工作，计划在2022年完成第二阶段共12颗卫星的发射任务，实现小规模组网。届时，中国和周边地区卫星重返时间将达到30分钟。
7、卫星终端天线行业生机勃勃
卫星通信终端的价格、尺寸、性能等指标对于卫星通信市场的开拓至关重要。由于没有卫星制造资本投入、卫星网络技术体制和兼容性等因素的限制，我国成都、西安、合肥等地涌现出一批富有活力的民营企业。
在2021年10月中国卫星应用大会上，成都迅翼卫通公司展示了其自主研发的Ka／Ku频段电扫相控阵卫星互联网终端、FL30P超轻型便携平板终端、FL60P-E自动便携平板终端以及V9-OTM5动中通终端及两辆室外“动中通”卫星互联网终端等产品，这些产品大都打入了国际主流市场。成都天锐星通公司展示了高效率低噪声Ka&Ku频段CMOS芯片、Ka频段全可拼接阵面、5G毫米波双极化阵面、Ku频段圆形阵面、K频段双波束接收阵面、K频段高性能接收阵面等产品，这些天线产品在性能上与国际主流产品相当，可广泛应用于车载、船载、机载和便携等应用场景。合肥若森公司展示了基于龙伯透镜相控阵技术的RUV-900/900H系列产品，这些产品累计进行了5万多公里的路测。在2021年9月第十三届中国国际航空航天博览会上，西安星展测控公司展示了机载卫星通信系统、时空数据服务平台、便携式垂直起降固定翼无人机三大类产品。这些产品围绕海、陆、空卫星宽带接入需求，可提供多种增值服务。
8、通导遥结合相得益彰
通信、导航、遥感是卫星应用产业的三大领域，它们不仅共享制造和发射资源，而且在应用环节高度关联。同时，通导遥结合也是卫星应用的一大特色。广连接卫星通信、高精度卫星导航、高清晰遥感的有机结合是智能交通等融合基础设施建设的必要条件。
在2021年11月第七届中国（国际）商业航天高峰论坛上，航天科工三院发布航天星云即时遥感星座（简称“星云星座”）计划。该星座将成为目前我国乃至世界最大的规模化、系统化的即时遥感星座，可满足全球快速覆盖，围绕灾害应急、生态环保、交通监管、自然资源管理等场景的全天候、全天时信息获取需求，提供分钟级高分辨率可见光、高光谱、红外和微波遥感等多种卫星数据，并基于航天星云•卫星资源共享服务平台，实现分钟级（快速）和小时级（常规）的信息提取、分发与共享，为各行业快速现场信息获取与更新提供重要数据支撑。
2021年12月，浙江时空道宇公司在珠海开展天地一体化高精时空信息系统的路测工作，挑战因地理位置靠南而受电离层干扰严重的复杂城市环境，验证地基PPP-RTK时空信息网络厘米级精准定位的准确性与可靠性。时空道宇天地一体化高精时空信息服务，由自主研发的低轨天基星座系统，以及自有地基PPP-RTK时空信息网络构成，可以为用户提供高可靠、高可用、高精度、安全专业的PPP-RTK定位服务，可支撑汽车安全驾驶辅助、自动驾驶、互联互通、远程监管等诸多应用，同时还能深度融合物联网、大数据、人工智能等技术，助力车辆云管理、车路协同、自动驾驶、低空出行等智慧出行应用升级发展。
三、结语
2021年是全球卫星通信行业高歌猛进的一年，也是我国卫星通信行业发展具有里程碑意义的一年。2022年，全球低轨卫星互联网将进一步商用化，下一代中轨和高轨高通量卫星将集中登上历史舞台，中国卫通容量达百兆级的中星26也将在年底前后登台亮相，届时可为机载通信等应用提供强大的支撑。经过最近几年的政策宣传和市场孵化，卫星互联网、天地一体化信息网络的重要性已经深入人心，并落实到国家行动计划和企业经营活动之中。
今后几年，我国卫星通信行业最大的命题将是产业化，网络架构、关键技术、频轨资源、标准体制、应用服务、通导遥结合、安全防护无疑是其中的关键词。考察美国这个全球卫星通信领头羊的卫星通信产业发展经验，我国卫星互联网产业要走上良性循环的发展轨道，还需要做到产业政策与市场机制并重、技术攻关与需求释放并举、天地网络并行。从全球市场来看，卫星大波束通信的最大市场是视频广播，高通量卫星互联网的最大市场在消费者宽带。在国内，前者被限定在公益服务，后者被地面宽带网络所主导。因此，相对技术攻关、系统建设，基于经营机制和商业模式创新的应用开发将是我国卫星通信发展中最重要的工作。
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