國外通信衛(wèi)星靈活有效載荷技術與趨勢研究（下）

朱貴偉 李博（北京空間科技信息研究所）

（續(xù)上期）

2 靈活有效載荷關鍵技術

靈活的處理技術

傳統(tǒng)通信衛(wèi)星采用透明轉發(fā)式有效載荷，衛(wèi)星不對用戶信號進行處理，星上信號在不同波束之間的交換通過模擬濾波器和中頻交換矩陣完成。由于星上微波交換矩陣都是硬連接，其路由選擇方式是固定的，無法適應業(yè)務量的變化，而且信號交換帶寬通常為1個轉發(fā)器的帶寬，如36MHz、54MHz或者72MHz等，甚至以波束為單位進行信號星上鉸鏈。如果要進行較細粒度的交換，則交換矩陣的復雜度會顯著提高，往往超出了微波開關矩陣的能力。

因此，為了實現(xiàn)波束間、子信道甚至單個用戶之間互聯(lián)互通的靈活性，提高衛(wèi)星網(wǎng)絡的運行效率，國外主要提出了兩種技術方案，一是數(shù)字透明轉發(fā)技術，二是可再生處理技術，對應了不同的信號處理級別，同時在成本、性能方面也各有優(yōu)劣，部分成果已得到應用。

（1）數(shù)字透明處理

數(shù)字透明（Digital Transparent）處理技術最早由美軍在其“寬帶全球衛(wèi)星通信”（WGS）衛(wèi)星上采用，隨后也應用于法、日、以等國的個別軍用/政府民用衛(wèi)星上，是一種具有星上處理能力的半透明轉發(fā)技術，使用該技術的轉發(fā)器也叫半再生式轉發(fā)器。此類轉發(fā)器一般由分路器/合路器、微波交換矩陣和星載交換控制器三部分組成，分路器對每個接收信號執(zhí)行數(shù)字信道化處理，星載交換控制器根據(jù)來自地面網(wǎng)絡控制中心的指令，對交換矩陣進行設置，實現(xiàn)信道之間的自由交換。網(wǎng)絡控制中心根據(jù)地面站用戶的請求情況，為每個用戶分配帶寬和信道資源，同時配置星載交換控制器，完成信號交換。該技術兼具傳統(tǒng)透明轉發(fā)器和再生式轉發(fā)器的優(yōu)點，既具有靈活可靠的特點，又可以支持較小粒度的交換，還規(guī)避了物理層信號體制的約束，增加了系統(tǒng)容量，滿足可變帶寬業(yè)務、網(wǎng)絡拓撲靈活調整的需求。

歐洲泰雷茲-阿萊尼亞航天公司(TAS)為以色列阿莫斯－4（Amos－4）衛(wèi)星成功研制了Ku頻段靈活微波交換矩陣設備，該設備可實現(xiàn)任意單個信道輸入輸出之間的切換，支持多個輸入信道合成為1個輸入，同樣也可以支持1個信道向多個信道廣播。泰雷茲-阿萊尼亞航天公司共研制了2個版本的產品，設備質量分別為9.5kg、8.7kg，工作頻率13～14.5GHz，噪聲系數(shù)17dB，工作溫度-10～65℃。

泰雷茲-阿萊尼亞航天公司研制的靈活微波交換矩陣產品

歐洲泰雷茲-阿萊尼亞航天公司在歐洲航天局(ESA)的“通信系統(tǒng)預先研究”(ARTES)計劃下開展了靈活數(shù)字透明處理器（DTP）的研制工作，該產品具備數(shù)字濾波、信道路由與增益控制能力，支持20×20輸入/輸出端口之間任意互聯(lián)互通、實現(xiàn)多播和廣播功能，單個端口信號帶寬250MHz，可按照地面控制指令，實現(xiàn)信道帶寬、信道中心頻點、網(wǎng)絡互聯(lián)結構等靈活調整。目前，該產品已經(jīng)過試驗鑒定和最終評審，支持空間客車－4000（Spacebus－4000）和“阿爾法”（Alphabus）等新一代衛(wèi)星平臺。

日本三菱電機公司（Melco）結合未來多波束、高通量衛(wèi)星的靈活應用需求，2013年也研制出一種應用于DS-2000衛(wèi)星平臺的新型數(shù)字透明處理器，該產品質量約40kg，功耗300W，8×8輸入/輸出端口配置，單個端口信號帶寬40MHz，子信道帶寬2.5MHz，保護間隔0.25MHz，可以實現(xiàn)子信道之間靈活路由、頻率帶寬的靈活調節(jié)，具備較高的頻譜利用率。

印度空間研究組織（ISRO）的航天應用中心也在2015年研制出一款數(shù)字透明處理器，支持8×8輸入/輸出端口，每個端口帶寬31.25MHz，對應2個波束，子信道帶寬的調整步長為976kHz，因此，單個端口可最多支持32路子信道，內置的微波交換矩陣最大可以完成輸入/輸出256×256種子信道之間的靈活交換方案，支持單播、多播和廣播網(wǎng)絡通信功能，該處理器已經(jīng)通過測試鑒定，將為印度新一代的多波束高通量衛(wèi)星研制提供支持。

泰雷茲-阿萊尼亞航天公司研制的數(shù)字透明處理器主要性能

綜合來看，由于數(shù)字透明處理器雖然靈活度只能做到信道/子信道級別，但在技術實現(xiàn)難度、質量和功率消耗等方面相對可再生處理器較低，因而，國外主流制造商和運營商都比較看好此類產品在未來成本效益要求極高的高通量衛(wèi)星中應用，加緊了相應數(shù)字透明處理器的研制步伐，但總體而言，美歐制造商由于起步較早，產品性能（支持的靈活端口數(shù)、子信道顆粒度、交換能力等）領先于亞洲的新興制造商。

（2）可再生處理

可再生處理技術主要指通過解調、譯碼將下變頻后的接收信號變?yōu)榛鶐盘?，?jīng)過路由交換再對基帶信號編碼、調制的一種具備星上信號完全處理能力的技術。與單純完成轉發(fā)任務的透明式轉發(fā)器相比，采用可再生處理技術的轉發(fā)器能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分組交換，減少傳輸差錯率，提高衛(wèi)星網(wǎng)絡效率，降低傳輸時延，改善交換性能等，充分發(fā)揮衛(wèi)星通信的優(yōu)點。與數(shù)字透明轉發(fā)技術相比，可再生處理技術能夠將衛(wèi)星網(wǎng)絡的路由交換顆粒度降低至單個用戶級別，實現(xiàn)最大限度的靈活互聯(lián)互通和資源分配能力，支持網(wǎng)狀通信在內的各類拓撲結構，有效提升了衛(wèi)星容量。

目前，國外可再生處理式有效載荷研究集中在美、歐、日等國家和地區(qū)，在一些典型的衛(wèi)星系統(tǒng)中已經(jīng)實現(xiàn)了應用，但在技術體制略有差別。

美國波音公司在其研制的太空之路－3（Spaceway－3）通信衛(wèi)星上，采用了靈活的分組交換式可再生處理轉發(fā)器。具體來看，該處理器的設計出發(fā)點，是將一個地面路由交換機的功能分解到衛(wèi)星終端、星載交換機和地面網(wǎng)絡控制設備共同完成，即從地面IP網(wǎng)絡用戶的角度看，終端相當于路由器接口線卡，衛(wèi)星相當于路由器核心交換背板，地面網(wǎng)控設備相當于路由器協(xié)議控制軟件。地面IP用戶與終端之間是IP數(shù)據(jù)包交互，IP數(shù)據(jù)包進入衛(wèi)星網(wǎng)絡后，則轉換成了衛(wèi)星網(wǎng)內部數(shù)據(jù)包（相當于IP包進入一個IP路由器后，路由器內部對IP包進行分段、封裝等處理，轉換為內部交換信元），并在星上進行交換，到達出口終端（接口卡）再恢復為IP包，傳輸給用戶。

Spaceway－3衛(wèi)星可再生式衛(wèi)星網(wǎng)絡示意圖

歐洲泰雷茲-阿萊尼亞航天公司在研制的熱鳥－6（Hotbird－6）通信衛(wèi)星上搭載有一個Ka頻段有效載荷Skyplex，該載荷是一類特殊的靈活可再生處理式有效載荷，主要目的是在星上就能實現(xiàn)對業(yè)務數(shù)據(jù)的分類再生處理和混合復用，簡化傳統(tǒng)多媒體通信衛(wèi)星需要將業(yè)務數(shù)據(jù)在地面業(yè)務數(shù)據(jù)中心復用為一路單獨高速數(shù)據(jù)流再發(fā)至星上轉發(fā)的流程。Skyplex可通過解調、星載Turbo解碼器解碼后，對話音、數(shù)據(jù)、視頻等不同的上行業(yè)務數(shù)據(jù)流（包含6.111Mbit/s、6.875Mbit/s、7.333Mbit/s和 2.291Mbit/s數(shù) 據(jù)速率）進行復用，成為符合DVB-S標準的55Mbit/s統(tǒng)一下行業(yè)務數(shù)據(jù)流，減少了用戶終端成本，傳輸延時僅為原來的1/2。

泰雷茲-阿萊尼亞航天公司為2017年1月發(fā)射的西班牙衛(wèi)星－36W－1（Hispasat－36W－1）研制了一款名為“紅星”（Redsat）的可再生處理式載荷。該載荷可同時處理4條36MHz Ku頻段信道，對上行接收的DVB-RCS制式信號進行去復用、解調、解碼等處理操作后，再轉為下行4路DVB-S2制式信號。同時，該處理器具備先進的分路/合路能力，可合并以重新配置上行4路信道資源，支持16APSK、32APSK等多種高階調制方案以及自適應調制編碼（ACM）等技術，可顯著增加轉發(fā)器的頻譜利用率，按照服務等級協(xié)議中規(guī)定的不同服務質量（QoS）要求為用戶交付差異化、靈活的寬帶服務。

Redsat載荷部件圖（左至右依次為接收處理器、發(fā)射處理器、下變頻器和濾波器組）

總體來看，星上可再生處理式載荷在支持靈活的網(wǎng)絡拓撲結構構建、靈活的業(yè)務數(shù)據(jù)處理、用戶資源調度等方面，具備其他處理或透明轉發(fā)載荷所無法相比的優(yōu)勢。但由于進行星上處理會大大增加載荷質量和功率消耗，而且技術復雜度較高導致成本和研制周期也受影響，因此，目前來看，國外更多地是進行相應的技術試驗，還未實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應用。

軟件無線電技術①

① 王巍，張春磊.軟件定義有效載荷——通信衛(wèi)星未來發(fā)展方向.天地一體化信息網(wǎng)絡微信公眾號,2017-05-31.

軟件定義無線電（簡稱軟件無線電）是指在一個開放、標準化、模塊化的通用硬件平臺上，通過軟件加載實現(xiàn)各種無線電通信功能（如工作頻段、調制解調類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式和通信協(xié)議等）。其核心設計理念是：集中使用寬帶A/D、D/A轉換器并盡可能地靠近天線，使無線電功能具備軟件可編程能力。與前述的三大類技術領域不同，軟件無線電屬于一種新型、綜合性的通信技術，其應用需要衛(wèi)星通信鏈路從射頻到基帶各個環(huán)節(jié)的配合，因而無法單一歸屬至某一個技術領域。針對傳統(tǒng)通信衛(wèi)星載荷在有效壽命期內無法升級硬件和軟件的問題，軟件無線電技術具備高靈活性及對更先進數(shù)字化標準的擴展性和適應性，提供了一種全新的解決思路。

近年來，隨著數(shù)字信號處理技術的發(fā)展，利用軟件無線電實現(xiàn)衛(wèi)星通信應用，已經(jīng)逐步克服太空環(huán)境（如單粒子效應）和尺寸、質量和功率（SWaP）的限制等因素的影響，國外主要在歐洲和美國大力投入下取得了一些研究成果，但兩國在關注的重點上有所差別。

（1）歐洲“軟件定義有效載荷”

歐洲航天局是較早開展軟件無線電技術在衛(wèi)星通信領域應用的機構。2008年，該機構提出“軟件定義有效載荷”（SDP）的概念，“軟件定義有效載荷”由星載硬件和軟件技術組成，可以在飛行中針對多種不同的通信場景重構載荷功能，降低剛性配置載荷的運行風險，同時提高有效載荷的可再生能力。其硬件組成包括可重構綜合寬帶天線、天線開關陣、軟件無線電處理平臺。

支持軟件定義有效載荷的通信載荷結構功能組成框圖

其中，①可重構發(fā)射/接收天線前端可實現(xiàn)波束形狀和覆蓋區(qū)域的重構，由覆蓋各頻段的單副或多副天線組成的天線陣構成，其中，發(fā)射天線需要多端口放大器的支持。②天線開關陣作為輔助設備來完成射頻信號的分配，把各頻段天線接收到的信號，根據(jù)任務要求饋入到軟件無線電處理平臺的射頻輸入端，以進行后續(xù)處理。③軟件無線電處理平臺作為“軟件定義有效載荷”的核心，采用混合工作模式：在數(shù)字透明轉發(fā)體制下，采用專用集成電路（ASIC）實現(xiàn)數(shù)字信道化和波束成形的部分重構功能，嵌入到ASIC元器件中的數(shù)字信號處理軟件能夠根據(jù)地面指令，控制數(shù)字波束成形系數(shù)和分頻器設置，從而改變波束構型、頻率復用方案以及波形頻率分配；在可再生處理體制，主要依賴基于抗輻射現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的軟件平臺，處理信號的調制解調/編碼譯碼/多址接入體制等，可通過在軌重新加載部分軟件，就能支持最新的波形和協(xié)議標準，從而實現(xiàn)相應的技術能力更新。

在歐洲航天局的ARTES 3.4計劃支持下，加拿大通信設備公司（COM DEV）歐洲分公司基于上述理念，研制出了基于軟件無線電的S頻段測控通信轉發(fā)器。該轉發(fā)器采用了基于FPGA的軟件無線電設計，支持不同的調制方案和數(shù)據(jù)傳輸速率，能夠適應不同任務類型和任務階段的需求。

（2）美國哈里斯公司AppSTAR體系結構

哈里斯公司（Harris）在美國國家航空航天局（NASA）的“空間通信與導航網(wǎng)絡”（SCaN）計劃下開發(fā)出一種稱為“AppSTAR”的軟件無線電有效載荷體系結構，支持處理單元的完全或部分重構。AppSTAR基于高性能的FPGA處理器和數(shù)字信號處理器（DSP），利用靈活的軟件實現(xiàn)可重構能力，使載荷的任務性能可隨著未來的需求改變而升級。該體系結構的關鍵部分是一個高度靈活的信號處理系統(tǒng)和一套通用的軟件基礎單元，通過為通用的軟件應用接口（API）開發(fā)可移植的應用和波形，與硬件完全分離，實現(xiàn)第三方的可重復編程。AppSTAR體系結構由通用處理器子系統(tǒng)、信號處理子系統(tǒng)和射頻前端電子系統(tǒng)三部分組成。

哈里斯公司研制的軟件定義ADS-B系統(tǒng)相控陣天線

目前，該公司已研制出2個版本處理器產品，分別為V4可重構空間處理器（V4 RSM）和空間集成處理器－100（SiP－100）。前者集成了抗輻射的FPGA、通用數(shù)字信號處理、256Mbit的內存和靈活的輸入輸出接口等，特別適用于空間環(huán)境。在NASA的SCaN計劃中，哈里斯公司承制的Ka頻段軟件無線電臺就集成了V4 RSM處理器，具有在軌重復編程、抗輻射信號處理能力，通信速率可超過100Mbit/s。2012年，該設備成功開展了測試和演示驗證任務。

此外，在“下一代銥星”（Iridium NEXT）系統(tǒng)上搭載了艾瑞恩公司（Aireon）的天基廣播式自動相關監(jiān)視（ADS-B）接收機，該接收機即采用AppSTAR體系結構設計，可接收來自飛機的ADS-B數(shù)據(jù)，并經(jīng)由ADS-B地面站提供給空中導航服務供應商，服務響應時間可縮減至2s以內，從而實現(xiàn)完整覆蓋全球的近實時、高頻率、高精度的飛機位置監(jiān)視。2015年，哈里斯公司為安瑞恩公司（Aireon）制造了用于ADS-B系統(tǒng)的軟件定義相控陣天線，體式安裝于載荷表面。該天線具備靈活的功能：天線方向圖可以完全由軟件定義，只需從地面向其加載相應軟件即可；在執(zhí)行任務過程中，天線波束可隨時進行優(yōu)化。

總結來看，軟件無線電技術的可重構性特征，使其得到越來越廣泛的應用，國外近年來開發(fā)并驗證了多類航天任務的軟件定義有效載荷，在相關技術上取得了巨大的進步。但由于空間環(huán)境約束，通信衛(wèi)星軟件定義載荷的發(fā)展落后于地面的通信系統(tǒng)，要實現(xiàn)真正意義上的星載軟件無線電還有諸多工作要做。

3 主要趨勢特點分析

多波束天線助推覆蓋靈活性，有源相控陣發(fā)展?jié)摿薮?/h3>

從星載天線技術的發(fā)展趨勢來看，隨著高通量衛(wèi)星系統(tǒng)的快速發(fā)展，采用多波束天線技術實現(xiàn)多次頻率和極化復用從而成倍地提高衛(wèi)星容量，已經(jīng)成為重點的技術方向。而多波束天線在天基/地基波束形成、波束重構、波束掃描以及波束跳變等方面具備很強的技術應用潛力，對不規(guī)則區(qū)域的覆蓋具有明顯優(yōu)勢，使其成為促進未來通信衛(wèi)星系統(tǒng)實現(xiàn)波束覆蓋靈活性的關鍵。在目前的多波束天線方案中，饋電陣列反射面和有源相控陣都獲得了應用，相對而言，有源相控陣天線可以實現(xiàn)大范圍內的高增益跳變覆蓋，性能更加靈活，技術實現(xiàn)難度也較大。但近年來隨著微波集成、低溫共燒陶瓷等基礎工藝以及一些關鍵器件和先進技術的發(fā)展，此類天線的研制成本已在逐步降低，隨著低軌通信星座建設熱潮的推進，在更適合相控陣應用的低軌系統(tǒng)中實現(xiàn)規(guī)模化的生產，將進一步削減成本，推動更廣泛的應用。

星上信號處理向數(shù)字域遷移，推動靈活性效果不斷提升

如前所述，通信衛(wèi)星在模擬和數(shù)字波束成形網(wǎng)絡選擇上的不同，對載荷的靈活性產生較大影響。事實上，從地面通信系統(tǒng)的發(fā)展情況來看，數(shù)字化技術在信號傳輸、處理方面的兼容性、靈活性和經(jīng)濟性都要明顯優(yōu)于模擬系統(tǒng)，而在生產制造方面，數(shù)字系統(tǒng)的重復生產要比模擬系統(tǒng)容易的多。對于衛(wèi)星而言，傳統(tǒng)的透明轉發(fā)式載荷由于僅對信號進行濾波、變頻、放大等操作，采用數(shù)字化方案的優(yōu)勢并不明顯，但隨著星上處理要求的不斷增加，如調制解調、編碼譯碼、變頻和濾波等功能也都可以通過數(shù)字信號處理器完成，這樣原來需要用多個硬件設備實現(xiàn)的功能模塊就可以集成在一個硬件平臺上實現(xiàn)，大幅減少硬件規(guī)模，節(jié)約星上質量消耗，提升系統(tǒng)效率。此外，數(shù)字信號處理芯片的處理能力也更強，下一代星載數(shù)字處理器將能支持數(shù)百吉赫茲的通信容量，也將支持載荷實現(xiàn)更好的靈活效果。

星載器件抗輻射性穩(wěn)步提升，SDP恐顛覆載荷研制方式

隨著軟件無線電支持性能靈活升級的作用和效果在地面通信系統(tǒng)中日益顯現(xiàn)，國外針對空間輻射環(huán)境（特別是單粒子效應）中此類載荷應用的研究也不斷加深，目前已有一些對抗單粒子反轉的成熟技術手段，包括擦洗/重寫、硬件/軟件冗余、糾錯編碼/電路以及硬件動態(tài)重構等方法，研制出了一些專門適應于太空環(huán)境的FPGA產品，未來在通信衛(wèi)星中的應用將進一步加深。軟件無線電技術為通信衛(wèi)星載荷帶來的不僅僅是服務能力上的靈活性，在衛(wèi)星研制方面也將產生巨大效益。對制造商來說，隨著技術的進步，由于基于軟件無線電的載荷硬件的通用性更好，產品更易實現(xiàn)標準化，有利于通過生產線的方式進行批量化的研制生產，可以大大降低投資風險。因此，一旦得到成熟應用，將在一定程度上顛覆現(xiàn)有的針對一個部件建立單一生產線的模式，極大地提升制造商的制造水平。

傳統(tǒng)微波載荷瓶頸逐步顯現(xiàn)，微波光子技術或成新趨向

前述的所有靈活性都集中在傳統(tǒng)的微波領域，而近年來國外甚至國內開始關注通過星上光域的載荷技術實現(xiàn)一定的靈活性。究其原因，主要是隨著通信衛(wèi)星載荷小型化、輕量化、大容量、高速處理轉發(fā)等趨勢發(fā)展，傳統(tǒng)電域微波信號處理與傳輸技術在有效載荷系統(tǒng)中的局限日益凸顯，如微波變頻載荷的多級結構復雜、隔離度低，高頻微波信號傳輸載荷的損耗高、質量重，微波交換與處理載荷的電磁干擾等。因此，通過引入微波光子技術克服傳統(tǒng)電域微波信號處理與傳輸?shù)木窒?，可以在完成相同功能的基礎上節(jié)省大量空間，還可以升級衛(wèi)星容量（至數(shù)十波束），而光域波分復用（WDM）技術也可以應用于載荷中，進一步提高靈活的交叉連接能力，使載荷通信容量和性能更優(yōu)于傳統(tǒng)微波載荷。目前，在歐洲航天局的支持下，泰雷茲-阿萊尼亞航天公司已經(jīng)在該領域開展了大量工作，開發(fā)了一整套靈活的微波光子產品，并進行了地面演示驗證；美國國防高級研究計劃局（DARPA）以及哈里斯公司也進行了相應研究。未來，該技術在構建靈活轉發(fā)器方面將具備更大的發(fā)展空間。(續(xù)完)