歐洲靈活有效載荷發(fā)展研究

朱貴偉(北京空間科技信息研究所)

歐洲靈活有效載荷發(fā)展研究

朱貴偉(北京空間科技信息研究所)

近年來,國外興起了針對通信衛(wèi)星靈活性的研究,以歐洲為主要典型代表.所謂靈活衛(wèi)星,主要是指采用了靈活有效載荷技術(shù)的衛(wèi)星,其關(guān)鍵在于載荷的靈活性.

1 概述

2013年,國際商業(yè)通信衛(wèi)星制造市場依然以美歐為主,從年內(nèi)發(fā)射的和簽訂的訂單情況來看,美國占據(jù)的份額都是最多,歐洲位列第二.隨著俄羅斯、中國、日本等國航天制造企業(yè)進(jìn)入國際市場,為提升產(chǎn)業(yè)競爭力,歐洲航天局(ESA)推出了在歐洲范圍內(nèi)的"通信系統(tǒng)先進(jìn)研究"(ARTES)計劃,涵蓋了包括"阿爾法平臺"(Alphabus)和"新衛(wèi)星"(Neosat)平臺在內(nèi)的多項平臺研發(fā)計劃.除衛(wèi)星平臺技術(shù)以外,歐航局還主導(dǎo)通信有效載荷技術(shù)的發(fā)展,開展了一系列關(guān)于靈活有效載荷的研究.

采用傳統(tǒng)透明轉(zhuǎn)發(fā)器的通信衛(wèi)星在入軌以后,其技術(shù)狀態(tài)基本上就是固定的,難以針對市場變化及時做出動態(tài)調(diào)整.因此,產(chǎn)業(yè)界萌發(fā)了"靈活衛(wèi)星"的概念,即衛(wèi)星在軌服役期間,可以針對商業(yè)模式或市場需求變化動態(tài)調(diào)整星上資源,持續(xù)提供衛(wèi)星通信服務(wù),實現(xiàn)衛(wèi)星的靈活性.

"靈活有效載荷"是一個籠統(tǒng)的整體的概念,包括很多內(nèi)涵.根據(jù)泰雷茲-阿萊尼亞公司(TAS)的定義,靈活性包括7個方面:

1) 軌道靈活性:軌道靈活性并不是指衛(wèi)星的軌位可以隨意移動,而是指可以在多個軌道位置上提供相同的覆蓋,完成相同的任務(wù);

2) 覆蓋靈活性:主要針對天線波束而言,指波束的形狀、等效全向輻射功率(EIRP)的輪廓、波束中心、波束數(shù)量和大小都可以根據(jù)需求變化;

3) 頻率規(guī)劃靈活性:主要是指信道的數(shù)量、帶寬和保護(hù)間隔都是可變的,也指頻率轉(zhuǎn)換和本地晶振設(shè)計也是靈活的;

4) 發(fā)射功率靈活性:是指根據(jù)業(yè)務(wù)傳輸需要,改變信道或波束分得的發(fā)射功率;

5) 路由靈活性:包括路由的顆粒度和路由的定義,與衛(wèi)星覆蓋范圍和頻率規(guī)劃的靈活性密切相關(guān).衛(wèi)星可改變信道或子信道的濾波特性,對所有或部分信道進(jìn)行路由;

6) 波形及媒體接入控制層(MAC)協(xié)議的靈活性:針對再生轉(zhuǎn)發(fā)器而言,可包括調(diào)制解調(diào)方案以及編碼方案的靈活性,要求星上調(diào)制器解調(diào)器具備適應(yīng)新型波形的能力,例如從數(shù)字視頻廣播-衛(wèi)星(DVB-S)升級到DVB-S2;

7) 交換層次的靈活性:它是指在物理層之上的更高級的靈活性,包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(數(shù)據(jù)包大小、包頭)和通信協(xié)議等方面的靈活性.

有許多技術(shù)可以在不同層次上支持靈活載荷,例如數(shù)字波束成形天線、靈活行波管放大器(TWTA)和多端口放大器(MPA)、數(shù)字半透明載荷、再生載荷等等.從通信有效載荷組成的角度來看,可以分為天線和轉(zhuǎn)發(fā)器兩部分.其中,天線部分的典型代表技術(shù)為可重構(gòu)天線技術(shù),分無源和有源兩大類,在無源天線中又包括機(jī)械和電子的無源天線.轉(zhuǎn)發(fā)器領(lǐng)域的技術(shù)則包括光學(xué)互聯(lián)、中頻處理器、數(shù)字透明處理器等多項技術(shù).

2 歐洲靈活有效載荷相關(guān)研究

為提升歐洲衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)的實力,保護(hù)其在國際市場的競爭力,歐航局在"通信系統(tǒng)先進(jìn)研究"計劃下開展多項技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用實踐項目.其中,通信系統(tǒng)先進(jìn)研究-3-4是專門針對通信平臺和有效載荷的單機(jī)產(chǎn)品的研發(fā)計劃.泰雷茲-阿萊尼亞公司與空客防務(wù)和宇航公司(Airbus Defense&Space)在這個計劃下開展了多項針對靈活載荷的產(chǎn)品研究.

此外,歐航局還設(shè)置了先進(jìn)靈活通信載荷工作組,自2008年起先后舉辦了兩屆工作組研討會,與產(chǎn)業(yè)界一起,共同推進(jìn)靈活載荷的發(fā)展.下面選取部分研究計劃進(jìn)行簡單介紹,以期獲得對歐洲靈活有效載荷發(fā)展現(xiàn)狀的初步認(rèn)識.

泰雷茲-阿萊尼亞公司的敏捷/靈活有效載荷部件研究

泰雷茲-阿萊尼亞公司公司自2008年6月起,開始在通信系統(tǒng)先進(jìn)研究-3-4計劃下開展敏捷/靈活有效載荷部件研究.該項研究主要針對寬帶通信衛(wèi)星,關(guān)鍵的靈活載荷技術(shù)包括多波束天線、高頻段部件、星上再生或交換等等.泰雷茲-阿萊尼亞公司公司在此計劃下研制了多個工程樣機(jī),包括敏捷/靈活頻率變換器、頻率生成單元、集成微波交換矩陣、敏捷/靈活指令接收機(jī)等等.所有設(shè)備均面向Ku和K頻段開發(fā),同時也可以經(jīng)過少量改進(jìn)適應(yīng)其他頻段.

敏捷/靈活頻率變換器采用兩次變換的策略,輸入頻率為Ku頻段(13~14.5GHz),輸出頻率為K頻段單信道(19~21.2GHz),輸入輸出的頻率都是靈活可選的,此外,通過對中頻的信道濾波器進(jìn)行設(shè)置也可以靈活改變信道的帶寬.

頻率生成單元能夠產(chǎn)生多個參考頻率,且能夠?qū)崿F(xiàn)較好的相位噪聲性能,支持有效載荷在較寬的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)復(fù)雜的頻率變換方案.

集成微波交換矩陣可實現(xiàn)任意單個信道在輸入與輸出之間的切換,支持多個輸入信道合成為一個輸入,同樣也可以支持一個信道向多個信道廣播.

敏捷/靈活指令接收機(jī)主要針對遙控信號,可在軌設(shè)置接收頻率,頻率在整個Ku頻段可調(diào).

敏捷/靈活載荷在單機(jī)級、載荷分系統(tǒng)級以及衛(wèi)星通信市場都有許多好處.單機(jī)級的模塊化設(shè)計使得產(chǎn)品很容易針對不同配置進(jìn)行改進(jìn),例如頻率變換器就成功應(yīng)用于以色列的阿莫斯-4(AMOS-4)衛(wèi)星上.

目前所有的工程鑒定樣機(jī)均已成功開發(fā)出來,并且經(jīng)過了鑒定試驗.

空客防務(wù)和宇航公司的通用靈活載荷泰雷茲-阿萊尼亞公司的面向先進(jìn)移動通信的大型空間可展開天線

空客防務(wù)和宇航公司英國公司在通信系統(tǒng)先進(jìn)研究-3-4計劃下開展了通用靈活載荷的研究,部分研究成果也以成功應(yīng)用于英國阿凡蒂(Avanti)公司的寬帶通信衛(wèi)星"高適應(yīng)性衛(wèi)星"(Hylas)上.

通用靈活載荷定位于固定通信、電視直播和寬帶通信衛(wèi)星,頻率范圍包括C、Ku和Ka.最突出的特點是可以在軌調(diào)整輸入與輸出間的信道路由.該計劃的目標(biāo)是開發(fā)工程簽訂樣機(jī),并完成沖擊、震動、熱真空和電磁兼容性(EMC)等環(huán)境試驗.該計劃利用陶瓷材料(Hi-MMHT)支持新型分組技術(shù).

靈活行波管電性能目標(biāo)

泰雷茲-阿萊尼亞公司"通信系統(tǒng)先進(jìn)研究"計劃的目標(biāo)是開發(fā)口徑至少在12m的大型空間可展開反射器,涵蓋12m反射器的電氣、熱機(jī)械和技術(shù)方面的設(shè)計,以及工程鑒定樣機(jī)的制造、集成與試驗.試驗內(nèi)容包括全尺寸電氣(包括無源交調(diào)測試)、熱機(jī)械和展開等項目,完成鑒定試驗后可參與商業(yè)衛(wèi)星的競標(biāo).此外,該項目的另一個更深遠(yuǎn)的目標(biāo)是在不對技術(shù)概念進(jìn)行較大改動且不需要太多額外鑒定試驗的條件下,天線反射器可以擴(kuò)展到25m的口徑.

泰雷茲-阿萊尼亞公司的新一代Ku頻段可調(diào)行波管

該計劃由泰雷茲-阿萊尼亞公司電子部承擔(dān),目標(biāo)是改進(jìn)150W的Ku頻段行波管(TWT)的靈活性,使輸出功率有3dB或4dB靈活可調(diào)范圍,同時優(yōu)化整個系統(tǒng)的功率預(yù)算.

3 部分靈活有效載荷產(chǎn)品及應(yīng)用

英國高適應(yīng)衛(wèi)星-1上的應(yīng)用

高適應(yīng)衛(wèi)星-1是歐洲第一顆提供低成本互聯(lián)網(wǎng)接入的衛(wèi)星,該衛(wèi)星采用了許多先進(jìn)的通信載荷技術(shù),其設(shè)計、研制和試驗都是有歐航局的項目資助的.

高適應(yīng)衛(wèi)星-1采用的靈活行波管功率放大器由Tesat公司研制的

高適應(yīng)衛(wèi)星-1干質(zhì)量1120kg,整星功率3.2kW,有效載荷質(zhì)量261kg,載荷功率2kW,設(shè)計壽命15年.其衛(wèi)星平臺由印度空間研究組織(ISRO)提供,載荷由空客防務(wù)和宇航公司公司提供.衛(wèi)星形成8個Ka頻段點波束(0.6°),8個120W信道,最高等效全向輻射功率為60.0dBW.另有1個Ku頻段區(qū)域波束覆蓋歐洲,配有2個150W信道,等效全向輻射功率為52dBW.

衛(wèi)星采用空客防務(wù)和宇航公司英國公司的通用靈活載荷技術(shù),使得每路轉(zhuǎn)發(fā)器的帶寬、頻率計劃和功率分配都可以在軌設(shè)置.Ka頻段轉(zhuǎn)發(fā)器在108~250MHz之間可隨意設(shè)置,步長為500kHz.Ku頻段轉(zhuǎn)發(fā)器可以在18~120MHz之間均勻設(shè)置.采用Tesat公司的靈活行波管功率放大器技術(shù)實現(xiàn)了在軌功率靈活分配,行波管功率放大器在3dB范圍內(nèi)調(diào)整時,功放的效率維持穩(wěn)定.核心有效載荷設(shè)備均在英國樸茨茅斯工廠內(nèi)設(shè)計、研制和試驗.

以色列阿莫斯-4衛(wèi)星上的應(yīng)用

以色列的阿莫斯-4衛(wèi)星上成功應(yīng)用了泰雷茲-阿萊尼亞公司公司面向靈活載荷研制了Ku頻段微波交換矩陣設(shè)備,支持射頻輸入和輸出連接的在軌編程.

該設(shè)備的兩個版本均經(jīng)過正樣鑒定.整個設(shè)備質(zhì)量分別為9.5kg、8.7kg.工作頻率13~14.5GHz,噪聲系數(shù)17dB,工作溫度范圍-10~+65℃.

Ku頻段微波交換矩形產(chǎn)品實拍圖

"阿爾法衛(wèi)星"應(yīng)用指向優(yōu)化系統(tǒng)示意圖

歐洲航天局"阿爾法衛(wèi)星"上的應(yīng)用

歐洲航天局開展了一項名為"天線指向優(yōu)化系統(tǒng)"的研究計劃,該計劃的目標(biāo)是在國際移動衛(wèi)星-4 (Inmarsat-4)的成功經(jīng)驗基礎(chǔ)上,引入電子波束指向補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù),改進(jìn)天線指向系統(tǒng)的性能,使其能夠滿足大型空間可展開天線的更加嚴(yán)格的指向要求.該指向系統(tǒng)的首個應(yīng)用即是"阿爾法衛(wèi)星"(AlphaSat).

該指向優(yōu)化系統(tǒng)的射頻敏感器方案由通過射頻敏感系統(tǒng)產(chǎn)生的射頻測量值和電子操縱錯誤糾正組成,后者是針對載荷波束權(quán)重進(jìn)行更新,從而實現(xiàn)各個波束的電子重新指向.射頻測量是對以固定地面信標(biāo)為中心的多個專用波束進(jìn)行測量的,而指向誤差則來自于地面對測量值的處理,經(jīng)計算后再上傳到衛(wèi)星進(jìn)行調(diào)整.

此外,該指向優(yōu)化系統(tǒng)還可直接應(yīng)用于地球靜止軌道L和S頻段的移動通信天線,具有節(jié)省質(zhì)量、指向性能高(≤0.05°)、模塊化等特點.

4 總結(jié)

在21世紀(jì)初互聯(lián)網(wǎng)泡沫破裂以后,衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了一段陣痛,通信衛(wèi)星運(yùn)營商在面臨商業(yè)模式轉(zhuǎn)變和地面運(yùn)營商競爭的背景下,被迫進(jìn)行兼并、重組、公開募股,努力通過在軌衛(wèi)星艦隊優(yōu)化、降低衛(wèi)星成本、增強(qiáng)衛(wèi)星在軌靈活性等手段來不斷適應(yīng)衛(wèi)星通信服務(wù)市場的發(fā)展與變化.

靈活有效載荷為通信衛(wèi)星帶來兩大優(yōu)點,對運(yùn)營商來說,最直接的優(yōu)點就是一顆衛(wèi)星可以根據(jù)需求提供多種服務(wù),可以及時應(yīng)對市場動態(tài)變化;對制造商來說,逐步提升有效載荷的"公用"程度,開發(fā)出"通用" (或者"標(biāo)準(zhǔn)"、"公用")的有效載荷,在一定程度上滿足多種業(yè)務(wù)要求,從而改變以往一顆衛(wèi)星一種載荷設(shè)計的情況,縮短有效載荷的研制周期和成本,提升在國際衛(wèi)星制造商業(yè)的競爭力.

從整體發(fā)展情況來看,靈活有效載荷處于起步階段,歐洲仍有多項研究計劃處在進(jìn)行之中.此外,美國衛(wèi)星制造商也通過先進(jìn)的數(shù)字化處理技術(shù)開展了靈活有效載荷的嘗試.未來,要想在國際商業(yè)通信衛(wèi)星市場贏得訂單,不僅需要有成本效益高的成熟公用平臺,還需要在有效載荷方面做文章,提供靈活可變的服務(wù).我國也應(yīng)當(dāng)抓住這一發(fā)展有效載荷技術(shù)的良機(jī),從載荷總體設(shè)計、單機(jī)產(chǎn)品研發(fā)等多角度入手,夯實通信衛(wèi)星制造產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ),提升國際競爭力.