航天器组成与类型及天线工程设计技术

1957年10月4日，苏联发射了世界第一颗人造卫星Sputnik-1（图1-2），其轨道高度为900 km，倾角为65°。此卫星为直径58 cm的球体，其重量为83.6 kg，其内载有20 MHz与40 MHz的信号机。从此，航天器研制的新产业得以产生。

图1-2　世界第一颗人造卫星Sputnik-1备份星

（注：中间分开部分是为了展示其内部）

航天器中，围绕地球运转的一般被称为卫星，远离地球的一般被称为探测器，如我国探测月球的嫦娥系列探测器、火星探测器。这些航天器全部是靠无线电波（主要是微波）与地面站、用户终端或轨道上其他航天器进行信息交换，以达到对航天器状态的监控、测量与控制、用户使用等目的，因此航天器可以说是轨道上的无线电台。实际上，航天器在发射之前，必须得到国际电信联盟的空间无线电台执照。

通常，航天器可分为有效载荷和航天器公用平台两部分，由不同功能的若干分系统组成，包括专用的有效载荷、姿态与轨道控制（含推进）、结构与机构、热控制、测控（遥测、遥控与轨道测量）、数据管理、电源等分系统。对于返回式航天器还包括返回着陆分系统，对于载人航天器还包括环境控制与生命保障、应急救生和返回着陆等分系统。随着航天器获取的数据量不断增大，中低轨道中的许多应用卫星建立了独立遥感信息的无线电传输系统，又称数据传输分系统，简称数传分系统。

有效载荷是完成特定航天任务的仪器设备，是航天器重要的组成部分。有效载荷技术包括航天器对地通信、导航、成像遥感（可见光、红外、微波等）、电子遥感（侦收地面雷达或通信信号）、测绘、航天器探测（地球物理、空间环境、天文和行星）等技术。航天器公用平台的功能可概括为：支撑有效载荷；使有效载荷处于预定轨道；保持有效载荷要求的指向；维持有效载荷的工作温度；向有效载荷提供遥测和遥控指令；向有效载荷提供数据存储和传输功能；向有效载荷提供电源等。

航天器的基本组成如图1-3所示。从图中可看出，与天线有关的分系统包括测控、数据传输、载荷等三个分系统。

图1-3　航天器的基本组成

航天器的功能，从最初美国与苏联等国为了显示空间能力、展示国家实力，逐渐发展到为人类服务与科学探索等方面上来，目前世界上已形成了应用卫星与科学卫星这两大类卫星。1964年10月第18届奥运会在日本东京举行，首次利用美国通信卫星“辛科姆”（Syncom-3）向美国转播奥运会实况。1972年美国总统尼克松首次访华，带来（实际是中国购买）两套地面站（邮电1号与2号），它们被分别安装在北京、上海，通过Intelsat-Ⅲ卫星进行尼克松访华的实况转播，开创了通信卫星中国使用的先例。据不完全统计，到2017年，全球共发射各类卫星2 000多颗，其中绝大部分为美国与俄罗斯（苏联）发射的，中国发射了300多颗。图1-4所示为几种典型卫星的外形。从图中可看出，提供电能的太阳翼与天线构成了卫星主要外部设备。显然，天线在航天器中占有重要位置。

图1-4　国内外典型航天器外形(www.xing528.com)

（a）Intelsat-10通信卫星；（b）美国GOES气象卫星；（c）加拿大RADARSAT-2雷达成像卫星；
（d）中国东方红四号通信卫星；（e）中国风云二号气象卫星；（f）中国高分三号雷达成像卫星

图1-4　国内外典型航天器外形（续）

（g）中国资源一号遥感卫星；（h）中国海洋二号微波遥感卫星；（i）中国高分二号对地遥感卫星；
（j）中国神舟飞船；（k）中国北斗导航卫星；（1）中国嫦娥三号月球探测器

航天器可分为应用航天器和科学探索航天器两大类，根据有效载荷功能的不同，可进一步按用途细分种类。航天器的分类如表1-1所示。

表1-1　航天器的主要分类

我国的卫星研制是从1965年中国科学院成立的651设计部（即现在的航天五院总体设计部，对外名称为北京空间飞行器总体设计部，简称总体部）开始的，以东方红一号卫星（图1-5）的研制为标志。东方红一号装载了20 MHz的短波测控天线、5 cm和10 cm微波雷达应答天线。目前，作为航天器研制总体单位，总体部也是卫星平台天线的主要研制单位，并较早开展了星载Ka频段相控阵天线技术研究工作。五院西安分院从东方红二号卫星天线研制开始，现在已发展成为国内最大微波载荷研制基地，也是世界上仅有的几个可以研制星载大型展开式天线的单位之一。

图1-5　中国的第一颗人造卫星——东方红一号（1970年4月发射）

经过50多年的发展，国内航天器（卫星）的种类、数量已在世界上名列前茅，其性能指标与质量（在轨使用寿命）已接近欧美发达国家水平，而且卫星上所有单机设备全部是自主研发的，天线的研制能力也从最初线型、面型单个天线，发展到复杂的相控阵、大型可展开反射面（直径在10 m以上）、多波束等天线，频率覆盖了20 MHz～200 GHz，完全可以满足国内民用、军用、科学航天器的需求。

在空间科学中的宇宙背景微波探测领域，目前国内所具备的技术与产品能力与欧美存在一定差距，特别是在100 GHz以上的频段，差距更加明显。