國(guó)外軟件定義衛(wèi)星技術(shù)進(jìn)展

+ 陳建光，王聰＊，梁曉莉 （. 中國(guó)航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院）

現(xiàn)有各類應(yīng)用衛(wèi)星已具備較強(qiáng)的性能，一方面，通信、遙感、導(dǎo)航等載荷能力大幅提升，基本滿足軍事活動(dòng)和民用領(lǐng)域的需求，另一方面，衛(wèi)星在軌壽命不斷延長(zhǎng)，地球靜止軌道衛(wèi)星可超過(guò)15年。但是這些衛(wèi)星一旦發(fā)射入軌，其載荷的性能參數(shù)在整個(gè)壽命期間無(wú)法改變，在一定程度上制約了衛(wèi)星的有效應(yīng)用。歐洲在2015年7月啟動(dòng)研制“量子”通信衛(wèi)星，利用軟件定義無(wú)線電（Software-Defined Radio，SDR）技術(shù)實(shí)現(xiàn)在全Ku頻段的通信能力“定義”，即衛(wèi)星工作頻率、帶寬、信號(hào)強(qiáng)度、覆蓋范圍等性能參數(shù)的靈活更新。

從20世紀(jì)90年代提出軟件定義無(wú)線電的概念以來(lái)，美國(guó)國(guó)防部和國(guó)家航空航天局（NASA）根據(jù)各自需求分別進(jìn)行了長(zhǎng)期研究，并形成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，有力支持了軟件定義無(wú)線電技術(shù)的應(yīng)用。NASA開展的一系列天基軟件定義載荷試驗(yàn)成功驗(yàn)證了基于相同硬件的功能定義能力，歐洲研制“量子”通信衛(wèi)星也受到美歐主要衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商和制造商的高度關(guān)注和跟進(jìn)。相關(guān)試驗(yàn)和應(yīng)用也將推動(dòng)天基軟件定義無(wú)線電關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，在提高衛(wèi)星在軌靈活性的同時(shí)，也為未來(lái)構(gòu)建綜合一體化天基信息系統(tǒng)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 軟件定義衛(wèi)星發(fā)展概述

1.1 相關(guān)概念

軟件定義無(wú)線電的概念最早由美國(guó)麥特公司約瑟夫·密特拉（Joseph Mitola III）博士在1992年5月的美國(guó)全國(guó)電信系統(tǒng)會(huì)議上提出，將其作為美國(guó)國(guó)防部開展“易話通”（SPEAKeasy）計(jì)劃的技術(shù)途徑之一，解決美軍及其盟軍不同無(wú)線電設(shè)備之間互聯(lián)互通的難題。軟件定義無(wú)線電提供了一種建立多模式、多頻段、多功能無(wú)線設(shè)備的有效且相當(dāng)經(jīng)濟(jì)的解決方案，可通過(guò)軟件升級(jí)實(shí)現(xiàn)功能的提高。軟件定義無(wú)線電可以使整個(gè)系統(tǒng)（包括用戶終端和網(wǎng)絡(luò)）采用動(dòng)態(tài)的軟件編程對(duì)設(shè)備特性進(jìn)行重新配置，即相同的硬件可以通過(guò)“軟件定義”來(lái)完成不同的功能。

軟件定義衛(wèi)星是軟件定義無(wú)線電技術(shù)在天基領(lǐng)域的應(yīng)用，與軟件定義無(wú)線電類似，即相同的載荷硬件設(shè)備通過(guò)“軟件定義”實(shí)現(xiàn)不同的功能。其本質(zhì)是射頻部分的數(shù)字化，以實(shí)現(xiàn)可編程或者軟件定義。為適用多種工作頻率，軟件定義衛(wèi)星須采用寬帶接收天線，實(shí)現(xiàn)多個(gè)頻點(diǎn)的信號(hào)接收和發(fā)射，而傳統(tǒng)衛(wèi)星僅能接收和發(fā)射經(jīng)設(shè)計(jì)的特定頻點(diǎn)信號(hào)。

通過(guò)對(duì)相同硬件的“軟件定義”，軟件定義衛(wèi)星具備多方面的優(yōu)點(diǎn)：一是使衛(wèi)星通過(guò)功能更新適應(yīng)不斷發(fā)展的用戶需求；二是通過(guò)加載不同的軟件，實(shí)現(xiàn)不同技術(shù)體制的多功能衛(wèi)星；三是改變目前以有效載荷為核心的衛(wèi)星設(shè)計(jì)理念，使衛(wèi)星具備功能的可重構(gòu)能力和靈活性。

1.2 軟件定義衛(wèi)星技術(shù)已開展多次天基試驗(yàn)和應(yīng)用

美國(guó)NASA在20世紀(jì)90年代已開展天基軟件定義無(wú)線電技術(shù)研究，相繼研制了Blackjack可編程GPS接收機(jī)、低功耗收發(fā)機(jī)等設(shè)備，通過(guò)航天飛機(jī)任務(wù)和其他衛(wèi)星進(jìn)行在軌演示驗(yàn)證?！盎鹦强睖y(cè)軌道器”、“月球勘測(cè)軌道器”等航天器也分別搭載了基于軟件定義無(wú)線電的通信中繼／輔助導(dǎo)航載荷。在此基礎(chǔ)上，NASA制定一套開放的體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，即“空間通信無(wú)線電系統(tǒng)”（STRS），成為首個(gè)天基軟件定義無(wú)線電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。隨后，NASA聯(lián)合通用動(dòng)力公司、哈里斯公司開展“空間通信與導(dǎo)航”（SCaN）試驗(yàn)平臺(tái)項(xiàng)目，分別研制了三臺(tái)軟件定義無(wú)線電載荷。2012年，“空間通信與導(dǎo)航”試驗(yàn)平臺(tái)由HTV-3貨運(yùn)飛船運(yùn)送到國(guó)際空間站，并開展相關(guān)技術(shù)試驗(yàn)。

1.3 軟件定義的商業(yè)通信衛(wèi)星處于研制階段

歐洲航天局（ESA）與歐洲通信衛(wèi)星公司（Eutelsat）在2015年7月啟動(dòng)研制新型的“量子”軟件定義通信衛(wèi)星，計(jì)劃在2018年發(fā)射首顆衛(wèi)星。該衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)全Ku頻段通信載荷的軟件定義設(shè)計(jì)，即衛(wèi)星工作頻率、帶寬、信號(hào)強(qiáng)度、覆蓋范圍等性能參數(shù)的靈活“更新”?！傲孔印毙l(wèi)星項(xiàng)目的提出和研制，推動(dòng)天基軟件定義無(wú)線電技術(shù)進(jìn)入應(yīng)用階段，也是軟件定義衛(wèi)星發(fā)展的重要一步。此外，歐洲通信衛(wèi)星公司在2017年表示計(jì)劃增加采購(gòu)2顆“量子”衛(wèi)星，利用3顆衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。軍事用戶將是該系統(tǒng)的主要潛在客戶。

除歐洲通信衛(wèi)星公司外，國(guó)際通信衛(wèi)星公司（Intelsat）也計(jì)劃在其“下一代史詩(shī)”（EpicNG）高吞吐量衛(wèi)星上分階段采用新型數(shù)字載荷，希望在衛(wèi)星入軌后可以“定義”衛(wèi)星的通信性能，包括形成和改變覆蓋區(qū)及其功率分配等能力。該公司在2016年部署了首顆“下一代史詩(shī)”衛(wèi)星，即“國(guó)際通信衛(wèi)星”-29e，后續(xù)衛(wèi)星將具備根據(jù)變化的需求在覆蓋區(qū)域內(nèi)移動(dòng)功率的能力，實(shí)現(xiàn)由地面控制覆蓋區(qū)的最終形成。

世界主要衛(wèi)星制造商如美國(guó)的波音公司、洛克希德·馬丁公司、勞拉空間系統(tǒng)公司、軌道阿連特公司，以及歐洲的空客防務(wù)與航天公司和泰勒斯·阿萊尼亞航天公司等均計(jì)劃將軟件定義無(wú)線電技術(shù)融入到其現(xiàn)有的衛(wèi)星之中。

2 國(guó)外軟件定義衛(wèi)星技術(shù)典型項(xiàng)目

2.1 美國(guó)重點(diǎn)驗(yàn)證軟件定義衛(wèi)星載荷的可行性

NASA目前已開展多項(xiàng)基于軟件定義無(wú)線電技術(shù)的天基試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)成像和通信集成、通信和導(dǎo)航集成以及高速Ka頻段通信等。此外美國(guó)正在部署可提供飛機(jī)位置信息的商用天基系統(tǒng)。

2.1.1 “迷你射頻”載荷試驗(yàn)雷達(dá)成像和通信一體化能力

“迷你射頻”載荷是NASA研制的新型微型射頻雷達(dá)，驗(yàn)證基于相同硬件的新型輕質(zhì)合成孔徑雷達(dá)成像技術(shù)和通信技術(shù)。作為“月球勘探軌道器”（LRO）的技術(shù)試驗(yàn)載荷于2009年6月發(fā)射，運(yùn)行在距離月表的50千米的極地軌道。印度在2008年發(fā)射的“月船一號(hào)”月球探測(cè)器也攜帶了與“迷你射頻”載荷類似的“迷你合成孔徑雷達(dá)”（Mini-SAR）載荷。

表1 美國(guó)“空間通信與導(dǎo)航”試驗(yàn)平臺(tái)的載荷比較

“迷你射頻”載荷的質(zhì)量為14千克，天線面積為1.1平方米，具有雷達(dá)成像和通信兩種工作模式。雷達(dá)成像模式采用S頻段（2.38吉赫）和X頻段（7.14吉赫）條帶成像，分辨率為30米，幅寬為8千米。通信模式采用S頻段（2.38吉赫）半雙工模式，最大數(shù)據(jù)傳輸率為500千比特/秒，已試驗(yàn)的數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到220千比特/秒。

2.1.2 “空間通信與導(dǎo)航”試驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證天基軟件定義無(wú)線電技術(shù)成熟度

“空間通信與導(dǎo)航”試驗(yàn)平臺(tái)是NASA在2008年啟動(dòng)的天基軟件無(wú)線電技術(shù)試驗(yàn)，2012年安裝在國(guó)際空間站。該平臺(tái)搭載了噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、通用動(dòng)力公司、哈里斯公司研制的3個(gè)軟件無(wú)線電載荷模塊。表1列出了3個(gè)軟件定義無(wú)線電載荷模塊的基本情況。其中，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的載荷具有S頻段通信和L頻段GPS信號(hào)接收能力；通用動(dòng)力公司的載荷具有S頻段通信能力；哈里斯公司的載荷是基于其AppSTAR軟件定義體系結(jié)構(gòu)研制的Ka頻段通信系統(tǒng)，最大通信速率可達(dá)到1.2吉比特/秒。

圖1 美國(guó)“下一代銥星”搭載的ADS-B載荷

圖2 歐洲通信衛(wèi)星公司的“量子”衛(wèi)星在軌示意

2.1.3 天基廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)提供全球飛機(jī)跟蹤

美國(guó)Aireon公司在2014年提出建設(shè)基于廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)（ADS-B）的全球飛機(jī)跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用搭載在“銥星下一代”衛(wèi)星的Aireon載荷（如圖1所示），可實(shí)時(shí)跟蹤裝有頻率為1090兆赫ADS-B設(shè)備的飛機(jī)并實(shí)時(shí)顯示，以便準(zhǔn)確獲取飛機(jī)的詳細(xì)位置信息。其覆蓋有效性不低于99.9%，達(dá)到國(guó)際民航組織的黃金標(biāo)準(zhǔn)；服務(wù)響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)1.5秒；對(duì)大多數(shù)區(qū)域的數(shù)據(jù)更新頻率不超過(guò)8秒。在首批10顆“銥星下一代”衛(wèi)星在2017年1月部署后，ADS-B全球飛機(jī)跟蹤系統(tǒng)在3月由加拿大導(dǎo)航公司、美國(guó)北極星飛行系統(tǒng)公司、美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）分別進(jìn)行了獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)分析表明，Aireon公司ADS-B系統(tǒng)的信息接收和編碼效果與地基基站相當(dāng)。

2.2 歐洲航天局率先研制軟件定義衛(wèi)星

歐洲航天局聯(lián)合歐洲通信衛(wèi)星公司、空客防務(wù)與航天公司，提出研制全球首顆采用軟件定義載荷的“量子”衛(wèi)星（如圖2所示），實(shí)現(xiàn)覆蓋區(qū)域、頻段、帶寬和功率的在軌重新配置。

衛(wèi)星載荷為Ku頻段轉(zhuǎn)發(fā)器，下行頻率為10.7吉赫～12.75吉赫，上行頻率為12.75吉赫～14.80吉赫，覆蓋了國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）的3個(gè)衛(wèi)星固定通信業(yè)務(wù)頻段。其有源陣列天線系統(tǒng)可根據(jù)需要如飛機(jī)或船只的航線通信需求改變覆蓋區(qū)域形狀。圖3（a）給出了“量子”衛(wèi)星對(duì)一條歐洲至巴西飛機(jī)航線的區(qū)域覆蓋情況，利用跳變波束，飛機(jī)在整個(gè)飛行過(guò)程中始終處于同一個(gè)波束覆蓋之下，可以有效增加信號(hào)增益，而在圖3（b）顯示的不采用跳變波束技術(shù)情況下，飛機(jī)需要經(jīng)過(guò)4個(gè)重疊的波束覆蓋區(qū)。

圖3 歐洲“量子”衛(wèi)星飛行航線覆蓋情況對(duì)比

3 軟件定義衛(wèi)星技術(shù)應(yīng)用前景分析

3.1 顯著提升通信衛(wèi)星運(yùn)行和制造靈活性

軟件定義衛(wèi)星技術(shù)可極大提升通信衛(wèi)星有效載荷的靈活性。一方面，改變傳統(tǒng)地球靜止軌道通信衛(wèi)星在工作期內(nèi)無(wú)法及時(shí)更新通信技術(shù)的劣勢(shì)。另一方面，軟件定義衛(wèi)星將改變目前的通信衛(wèi)星制造模式，制造商不必等待獲得訂單之后再進(jìn)行制造，可按照一定的規(guī)格實(shí)現(xiàn)通信衛(wèi)星的批量制造和預(yù)先制造，用戶（軍方或商業(yè)運(yùn)營(yíng)商）可在衛(wèi)星發(fā)射入軌后進(jìn)行能力配置，從而縮短衛(wèi)星研制周期和降低研制成本。同時(shí)用戶也可根據(jù)業(yè)務(wù)需要和衛(wèi)星的健康狀態(tài)，最大程度地利用衛(wèi)星能力，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星制造商和用戶的“雙贏”。

3.2 未來(lái)一星多能的“軟件星”可提供快速響應(yīng)能力，但也存在一定局限性

基于軟件定義無(wú)線電的設(shè)計(jì)理念，研制具有通用硬件平臺(tái)，可通過(guò)軟件定義的方式實(shí)現(xiàn)多種功能的“軟件星”，如多頻段衛(wèi)星通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、雷達(dá)成像偵察，甚至針對(duì)雷達(dá)／通信信號(hào)的電子偵察或電子對(duì)抗，可達(dá)到一星多能、一星多用的目的。

軟件定義衛(wèi)星的局限性主要有兩方面。一方面，工作頻段僅限于射頻譜段，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)工作在可見光、紅外、激光等光學(xué)譜段的衛(wèi)星裝備的能力，如光學(xué)成像偵察衛(wèi)星的高分辨率、易辨識(shí)的圖像情報(bào)，導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星對(duì)短波紅外、中波紅外事件的早期預(yù)警探測(cè)，激光雷達(dá)探測(cè)衛(wèi)星的三維高精度成像和環(huán)境探測(cè)等。另一方面，一星多能也會(huì)增加其研制成本和發(fā)射質(zhì)量，如全頻段天線需要搭載多個(gè)子頻段天線陣，而且功能的復(fù)雜性必然會(huì)影響其性能，并可能降低其可靠性。

4 小結(jié)

結(jié)合美國(guó)“空間通信與導(dǎo)航”試驗(yàn)平臺(tái)、歐洲“量子”衛(wèi)星等項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，我們應(yīng)當(dāng)注意以下三點(diǎn)：一是技術(shù)探索和標(biāo)準(zhǔn)制定并重，利用研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的聯(lián)合優(yōu)勢(shì)，共同推動(dòng)軟件定義衛(wèi)星發(fā)展；二是加強(qiáng)高性能通用硬件設(shè)備的研制生產(chǎn)能力，減少對(duì)國(guó)外產(chǎn)品的依賴；三是重視地面系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，加強(qiáng)天地統(tǒng)籌發(fā)展，充分利用衛(wèi)星能力。

[1] Mini-RF: NASA's Next Leap in Lunar Exploration [EB/OL]．http://www.nasa.gov．

[2] Space Telecommunications Radio System (STRS) Architecture Tutorial - Project Management [EB/OL]．http://www.nasa.gov．

[3] David Brooks, et al.．In-Space Networking On NASA's SCaN Testbed [C]．2016 ICSSC STB Networking

[4] Thomas J. Kacpura, et al.．Software Defined Radio Architecture Contributions to Next Generation Space Communications [R]．National Aeronautics and Space Administration John H. Glenn Research Center．

[5] Aireon Technical Overview［EB/OL］．http://www.aireon.com

[6] Hector Fenech, Sonya Amos．Eutelsat Quantum: A Game Changer [C]．International Communications Satellite Systems Conferences (ICSSC) / 33rd AIAA International Communications Satellite Systems Conference and Exhibition．Queensland, Australia,September 7-10, 2015

[7] H. Fenech, S. Amos, T. Waterfield．The Role of Array Antennas in Commercial Telecommunication Satellites [C]．January 2016