日本计划2019年发射“激光数据中继卫星”

王存恩 （北京空间科技信息研究所）

2014年9月16日，日本航天政策委员会召开第17次会议，会上，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）理事山本静夫和第一卫星应用任务本部先进技术卫星开发室主任中川敬三向参加会议的科学技术学术审议会、研究计划评价分会和航天开发应用部会的专家们汇报了JAXA拟启动的“激光数据中继卫星”计划。 2014年12月，内阁府批准并将这一项目列入2015年1月9日公布的新版航天开发基本计划中，2015财年航天开发预算中给“激光数据中继卫星”下拨了32.08亿日元的启动经费。

1 启动“激光数据中继卫星”计划的目的

2002年9月10日，日本成功发射了“数据中继试验卫星”（DRTS），为“先进陆地观测卫星”（ALOS）、“国际空间站”（ISS）及其日本希望号实验舱（JEM）等提供了数据中继服务，取得了重要成果。“数据中继试验卫星”的设计寿命为7年，在其超额完成设计寿命任务后不久（2009年11月），JAXA做出了停止对其进行南北轨道控制，仅继续进行东西轨道控制的决定，目的是尽量节省燃料消耗，延长卫星的应用寿命，以便为在轨运行的卫星、“国际空间站”及其日本希望号实验舱提供更长时间的必要服务。到2015年3月10日，“数据中继试验卫星”已在轨运行12.5年，仍在提供中继服务。不过，JAXA的控制专家和“数据中继试验卫星”平台的设计者—三菱电机公司的工程师们都认为：到2015年4月底，卫星所携带用于轨道控制的燃料很可能会被耗尽，即无法继续提供中继服务了，但目前尚无其停止工作的报道。

对此，日本内阁府宇宙战略室曾多次向JAXA及相关部门的负责人下达尽快与美国航空航天局（NASA）联系，在日本这颗“激光数据中继卫星”能够提供服务前，寻求由NASA在轨的“跟踪与数据中继卫星”（TDRS）为日本在轨运行的卫星和日本希望号实验舱等提供必要的数据中继服务的指令，JAXA与NASA已就此达成协议。此外，宇宙战略室还要求JAXA尽快启动“数据中继试验卫星”后继星的开发计划。

其实，早在2009年初，宇宙开发委员会（2013年7月起由宇宙政策委员会取代了宇宙开发委员会）、JAXA和国家灾害对策委员会，以及广大用户就呼吁国家尽快启动数据中继卫星计划，尽早发射新的数据中继卫星，不过在究竟发射一颗什么样的数据中继卫星问题上一直举棋不定。若发射一颗与在轨运行的“数据中继试验卫星”形状、功能和性能大体一致，配备Ka频段通信载荷的数据中继卫星难度并不太大，开发周期最长也仅需2年时间，如果稍加努力，1.5年足矣。不过，面对美国、欧洲相继研究并决定在2017年前发射激光数据中继卫星，如果日本依然还研制和发射一颗Ka频段的数据中继卫星，虽然基本可保证在15年左右时间会有数据中继卫星可用，但在技术上起码就要落后美欧10多年，且很难满足越来越多的数据中继服务需求。

“激光数据中继卫星”的主要用户、对卫星的主要要求和期待达到的性能

JAXA首先认真听取了各方用户的意见，并进行了多轮商讨后提出：从发展的角度考虑，也为保证日本在数据中继卫星技术领域的先进性，同时满足日益增多的数据中继技术卫星用户之需求，应放弃开发与“数据中继试验卫星”基本相同、采用Ka频段的数据中继卫星，同时立即启动“激光数据中继卫星”计划。

JAXA同时还指出：全面吸收“数据中继试验卫星”和“轨道间光通信工程试验卫星”（OICETS）的研制、应用经验，以及在应用过程中所积累的跟踪、捕获、定向控制等技术和应用成果，更好地利用“轨道间光通信工程试验卫星”进行卫星间、卫星与地面间激光通信实验的经验，并表示只要资金到位，按计划设计、研制，2019年前把日本的“激光数据中继卫星”送入轨道不存在多大困难。

JAXA还特别强调：日本作为世界上首个利用在610km高的低地球轨道（LEO）上运行的“轨道间光通信工程试验卫星”与地面进行光通信实验的国家，还利用“轨道间光通信工程试验卫星”与欧洲的“阿蒂米斯”（ARTEMIS，全称为“先进中继和技术试验任务卫星”）成功地进行了100多次卫星间光通信实验，取得了当时其他国家无法取得的成果和经验，这些是启动“激光数据中继卫星”并能够取得成功的保障。因此，内阁府宇宙战略室决心开发“激光数据中继卫星”的底气倍增，并决定上报内阁府申请立即启动“激光数据中继卫星”计划，并得到内阁批准。

2015年1月9日，日本公布了“新版国家航天开发基本计划”，把“激光数据中继卫星”正式列入其中， 2015财年下拨了32.08亿日元作为“激光数据中继卫星”启动经费，要求利用三菱电机公司提供的DS－2000平台，用4年多时间研发，并于2019财年前用H-2A火箭将其发射到36000km高的地球静止轨道上。

2 其他国家的激光数据中继卫星计划

NASA的“激光通信演示验证”计划路线图

激光数据中继卫星是以激光作为通信方式，在卫星间或卫星与地面站间构成激光通信链路。在卫星间或卫星与地球站间进行激光通信的中继卫星不仅可以大幅度地增加中继通信容量、加快通信速度，而且还可以使通信仪器进一步实现小型化、轻型化和低功耗，提高接收灵敏度。其实，在1颗数据中继卫星上就可以配置多个激光通信用有效载荷，为若干个用户卫星提供通信链路。因此，国际上许多国家和空间组织都在研究激光数据中继卫星用的关键技术和部件，并在此基础上开发和试验激光数据中继卫星，确认其在技术上的可实现性。美国、欧洲还制定了激光通信卫星计划，取得了阶段性的实验成果。2014年日本也制定了“激光数据中继卫星”计划。

NASA的“激光通信演示验证”计划

早在2012年，NASA就曾宣布：空间技术任务委员会和戈达德空间飞行中心已筹措了2.3亿美元用于赞助激光通信项目，其中包括由戈达德空间飞行中心研制激光通信用的核心部件—“激光通信演示验证”（LCRD）终端，以及将该终端搭载在以劳拉空间系统公司为主承包商研制并计划于2017年发射的地球静止轨道（GEO）卫星上，目的是验证这种终端的功能和性能，同时决定在美国现役“跟踪与数据中继卫星”的后继星上搭载这种经演示验证过的激光通信终端，使之能够尽快形成系列化，为开发系列化的激光数据中继卫星做好技术储备。采用激光通信方式的数据中继卫星要比传统的卫星系统，在进行卫星（空间）-卫星（空间）、数据中继卫星（空间）-地面（地球站）通信时的数据传输速度快得多，可由兆比特每秒量级提升到吉比特每秒量级。“跟踪与数据中继卫星”的后继星将全面采用这些技术。

欧洲航天局的“欧洲数据中继卫星”计划

“欧洲数据中继卫星”（EDRS）是欧盟“全球环境与安全监视”（GMES）计划（现已更名为“哥白尼”计划）的一个主要组成部分，不仅通过了相关部门的一系列审核并获得欧洲航天局（ESA）批准，而且其设计阶段工作已基本结束，正式步入了研制阶段。欧盟“全球环境与安全检测”计划是“欧洲数据中继卫星”的首个用户。

ESA的“欧洲数据中继卫星”及其搭载的主要光学通信仪器

ESA的激光数据中继卫星系统验证和发展计划

“欧洲数据中继卫星”的主要特点是：利用2颗GEO卫星上所搭载的有效载荷（即激光通信终端）与被服务对象[即低地球轨道（LEO）卫星上所配备的通信设施]组成一个无缝链接的通信网络，这个无缝链接的通信网络不仅具备高可靠性、快速（可达吉比特每秒级）、实时地向用户传输各种信息，而且还能够把LEO卫星的数据实时地传送到“欧洲数据中继卫星”上，然后再传送到地面。

阿斯特留姆公司作为这一系统的主承包商，负责“欧洲数据中继卫星”的研制，该卫星将成为首个以商业运营模式为用户提供数据中继服务的系统。“欧洲数据中继卫星”通过在ESA和阿斯特留姆公司间建立起的“公-私合作”（PPP）关系，实现以1.8Gbit/s的速率向“欧洲数据中继卫星”的激光通信终端（德国TESAT公司开发）传送中继数据，该终端继续采用“阿尔发卫星”验证过的激光通信仪器。

3 日本启动“激光数据中继卫星”计划的必要性

尽快研制和发射高性能数据中继卫星迫在眉睫

日本2002年9月发射的首颗“数据中继试验卫星”已处于一种超期服役状态，按推算很可能就要停止提供数据中继服务，实际上，日本已无在轨运行的数据中继卫星可用，只能租用美国的卫星。因此，研制和发射采用国际上最先进技术的高性能数据中继卫星迫在眉睫。

“激光数据中继卫星”既可加快通信速率，又可大幅度地增加有效载荷比

伴随以大规模集成电路工艺为核心的微电子、微机构、微光学、微电感、微执行器等微技术的革新与发展，以及轻型复合材料和超精密加工等新技术、新工艺、新材料在航天领域的应用，航天器的许多功能都可以实现软件化。以氙、微波放电式离子发动机等电推进系统代替以肼为燃料的液体发动机，作为新型的姿态和轨道控制用执行机构，使包括数据中继卫星在内的各种卫星公用舱占整星的比例在不断减小，使有效载荷部分所占的比例不断增加。尽管这样，仍无法满足用户提出的进一步加快数据中继卫星的通信速率和增加有效载荷比的需要。大量的调研结果表明：要进一步加快通信速率，不仅存在着会使采用电波通信的数据中继卫星公用舱更加大型化的问题，同时也存在着卫星天线更加大型化且实现大功率输出等一系列问题，随之也就出现了诸如必须大幅度加大发射卫星的运载工具推力等一系列问题，显然，在短时间内要解决这么多的问题是不可能的，而“激光数据中继卫星”恰恰可有效地解决这些难题。

日美欧的激光数据中继卫星与传统数据中继卫星的性能比较

采用激光通信的数据中继卫星可大幅度提高通信性能，增加有效载荷比和降低功耗

1）与电信号通信相比，“激光数据中继卫星”较容易实现快速通信，满足数据量不断增大的需求。采用高频（～200THz）、快速激光通信方式是加快通信速率的有效途径，其通信速率最快可达1.8Gbit/s；而电信号通信（Ka频段）的频率仅为20GHz（仅是高频激光通信的1/10000），通信速率最快也只能达到240Mbit/s。

2）传统的G E O数据中继卫星的天线直径为3.6m，质量达260kg，最大功耗高达590W。与传统的GEO数据中继卫星相比，“激光数据中继卫星”进行激光通信，不仅可以使LEO卫星天线实现小型化（直径仅为10cm）、轻型化（整个通信仪器才50cm左右，质量80kg），还可大幅度地降低功耗（仅为180W），从而降低有效载荷本身的质量。

3）设计“激光数据中继卫星”时全部采用国际标准，不仅可与本国的其他卫星频率都保持一致，而且还可与采用国际标准开发的国际上任何一颗卫星的频率都保持一致。无论实际应用还是开展协作时，都不需要再进行特别协调和频率调整。

当然，激光通信的波束非常窄，对指向精度要求也非常高，实现难度大，还必须解决波束干扰等一系列问题。

4 “激光数据中继卫星”的开发体制

“激光数据中继卫星”的开发体制

内阁府宇宙战略室为“激光数据中继卫星”制定了“以官为主，官民结合，产学研相结合”的方针。为强化对“激光数据中继卫星”开发的领导，经内阁府宇宙战略室批准，还成立了“激光数据中继卫星”计划团队，决定以该团队为主，依靠提供公用平台的三菱电机公司和运载火箭的三菱重工业公司，以及实力雄厚的日本国家信息通信技术研究所（NICT）等，认真倾听用户意见，调动参研单位的积极性，发挥各自的特常，确保在计划时段内好、快、省地开发出具有国际领先水平的“激光数据中继卫星”。

5 “激光数据中继卫星”概况

日本“激光数据中继卫星”继承了开发“数据中继试验卫星”和“轨道间光通信工程试验卫星”的成功经验，采用三菱电机公司的DS－2000平台进行开发。

日本“激光数据中继卫星”的主要性能

日本“激光数据中继卫星”的主要任务

日本“激光数据中继卫星”及其公用舱、观测仪器、发射用火箭、地面设施等的开发进度计划

6 “激光数据中继卫星”的开发进度

面对日本“数据中继试验卫星”即将退役这一现实，日本宇宙战略室和内阁府紧急磋商，在采取借用美国数据中继卫星的同时，还要求JAXA拿出对开发数据中继卫星的具体意见。JAXA经大量的调研，于2014年6月向内阁府宇宙战略室提交了一份“关于宁可轨道上暂无自己的数据中继卫星也要研制和发射激光数据中继卫星”的报告，在得到内阁府和宇宙战略室的批复后，于9月16日提交了一份由山本静夫和中川敬三撰写的“激光数据中继卫星研究现状”的报告，并在有科学技术学术审议会、研究计划评价分会和航天开发应用部会的专家们参加的报告会上展示了研究成果，公开了这一计划方案，得到与会专家们的肯定。内阁府宇宙战略室不仅批准了这一计划，还在2015财政年下拨了32.08亿日元的启动资金：自2015财年初正式开始了卫星公用舱和有效载荷初样（工程样机）的研制，并于年底完成初样；2016年下半年开始公用舱和有效载荷正样（飞行样机）的设计、开发，政府要求日本NICT等在研究和开发激光通信技术与核心部件等方面与JAXA通力合作，务必于2019年9月前完成卫星公用舱和有效载荷等的研制，并完善所需的各种地面设施，确保按计划于2019财年用H-2A火箭将“激光数据中继卫星”送入轨道。据JAXA粗算，整个卫星系统开发需投入约500亿日元。

7 结束语

JAXA计划利用“激光数据中继卫星”完成以下3种试验：

1）利用“国际空间站”、日本希望号实验舱、计划于2019年发射的先进光学卫星上搭载的卫星间激光中继通信终端，以及多颗LEO卫星进行激光通信试验；

2）利用日本N I C T的激光通信用地球站与LEO、GEO卫星进行激光通信试验；

3）利用“激光数据中继卫星”完成激光通信终端与配置在日本本土的筑波、鸠山地面站等进行激光通信试验。

上述3项试验若获得成功，“激光数据中继卫星”若能按设计要求在轨工作15年，则可说明日本激光数据卫星的研发和应用水平已接近美国和欧洲，即达到国际先进水平。笔者认为：日本有“数据中继试验卫星”和“轨道间光通信工程试验卫星”的设计、研制及其应用管理经验，有三菱电机公司、三菱重工业公司等有雄厚实力的航天开发厂家，以及在研究与开发激光通信技术、仪器和设备等方面有丰富经验的日本NICT、日本电气公司等机构和企业的强力支持，在预定时间内研制并发射激光数据中继技术卫星是可能的。