基于微波光子技術(shù)的高通量衛(wèi)星研究進展①

董洪建，蔣 煒

(1.中國空間技術(shù)研究院，北京 100094；2.中國空間技術(shù)研究院西安分院，空間微波技術(shù)重點實驗室，西安 710000)

0 引言

高通量衛(wèi)星也稱高吞吐量通信衛(wèi)星(HTS)，“高通量衛(wèi)星”一詞最早由北方天空研究公司(NSR)于2008年提出[1]，其最大的特點就是容量大，通過多點波束及頻率復用，每顆衛(wèi)星得到了同等軌道頻譜的常規(guī)衛(wèi)星數(shù)倍或數(shù)十倍的可用頻率資源，大大降低單位帶寬的成本[2]。

高通量衛(wèi)星的主要技術(shù)特征包括多點波束、頻率復用、高波束增益等。在高通量衛(wèi)星中，為更多地考慮衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)的用戶通信需求，多個點波束通過頻率復用完成區(qū)域覆蓋，每個關(guān)口站可管理數(shù)個點波束，衛(wèi)星的總?cè)萘靠蛇_數(shù)十、幾百Gbps甚至1 Tbps以上，進而通過靈活載荷設(shè)計、適應(yīng)靈活的通信體制、多維度資源調(diào)度算法設(shè)計等手段實現(xiàn)不同熱點區(qū)域、不同波束覆蓋、發(fā)揮大容量通信衛(wèi)星的潛能。自2004至今，全球高通量衛(wèi)星領(lǐng)域快速發(fā)展，在軌比例逐年增大，系統(tǒng)能力迅速提升，呈現(xiàn)指數(shù)型增長趨勢。2013年，全球在軌衛(wèi)星總?cè)萘渴状瓮黄屏? Tbps，而到2017年，這一指標已翻番達到2 Tbps[3-4]。北美衛(wèi)星寬帶服務(wù)商衛(wèi)訊(Viasat-1/-2)和休斯(Jupite-1/-2)引領(lǐng)全球高通量衛(wèi)星發(fā)展格局，典型衛(wèi)星配置近100個點波束，單星容量達數(shù)百Gbps，服務(wù)成本有望低至60萬美元/Gbps量級(Viasat-3)[5]。

隨著高通量衛(wèi)星的發(fā)展和軍民通信業(yè)務(wù)需求的急劇增加，寬帶高通量衛(wèi)星的大量部署迫在眉睫。為了提高通信速率，寬帶高通量衛(wèi)星的工作頻段向Ku、Ka甚至Q/V波段擴展，調(diào)制格式趨向更為高級(16QAM、32QAM、64QAM)，波束數(shù)和通道數(shù)變得更多。高速大容量及多種通信業(yè)務(wù)并存的需求，要求衛(wèi)星通信具備無阻塞的高速寬帶數(shù)據(jù)傳輸處理能力的同時，還需具備頻譜資源共享和抗多用戶干擾的能力，進而實現(xiàn)多節(jié)點鏈接，支持陸、海、空、天各類高速寬帶用戶或用戶群接入和互聯(lián)。這對衛(wèi)星高頻段、高速通信系統(tǒng)的工作頻段、工作瞬時帶寬和波束處理能力提出了進一步的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)電信號處理模式越來越受射頻信號處理帶寬和交換轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)模等瓶頸限制。隨著衛(wèi)星載荷規(guī)模的增加，需要抑制電磁干擾，降低衛(wèi)星載荷的體積、重量和功耗。

微波光子技術(shù)集成了無線通信的靈活性和光通信的大容量、大帶寬特性，具有低損耗、高速率及抗電磁干擾等特性。在高通量衛(wèi)星系統(tǒng)中采用微波光子技術(shù)，可實現(xiàn)星載寬帶信號光域窄帶處理、大規(guī)模交換轉(zhuǎn)發(fā)和光控波束形成，不僅能夠解決當前高通量衛(wèi)星及應(yīng)用中存在的問題，滿足各方客戶需求，還具有寬帶、高頻、高速、大容量、強抗干擾等諸多優(yōu)點，有助于推動衛(wèi)星載荷向?qū)拵Щ?、陣列化、一體化、小型化和通用化發(fā)展，具有重要的意義。

1 國外高通量衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外高通量衛(wèi)星載荷應(yīng)用實例

國外典型的高通量衛(wèi)星系統(tǒng)包括Ka-sat(Ka 頻段衛(wèi)星)、Inmarsat Global Xpress (國際移動衛(wèi)星)、Yahsat衛(wèi)星(亞賽特衛(wèi)星)、Spaceway衛(wèi)星(太空之路衛(wèi)星)系統(tǒng)和Viasat(衛(wèi)訊衛(wèi)星)系列。2011年，美國衛(wèi)訊公司勞拉空間系統(tǒng)公司建造的“衛(wèi)訊1號”(ViaSat-1)衛(wèi)星發(fā)射成功。ViaSat-1衛(wèi)星采用勞拉公司1300型衛(wèi)星平臺以及高容量的Ka波段點波束技術(shù)，實現(xiàn)了全Ka頻段高通量寬帶通信，其通信容量達到140 Gbps。2017年，ViaSat-2發(fā)射成功，其通信容量為300 Gbps，如下圖1所示。2021年預計發(fā)射的ViaSat-3通信容量將達到1 Tbps[5]。

圖1 ViaSat衛(wèi)星發(fā)射現(xiàn)場

在高通量衛(wèi)星中，為保證靈活的路由與交換能力，通常采用數(shù)字透明處理(Digital Transparent Processor，DTP)技術(shù)實現(xiàn)無需調(diào)制解調(diào)及譯碼的細粒度信道交換。國際上DTP的發(fā)展經(jīng)歷了從移動通信到高通量通信的發(fā)展，經(jīng)歷了從軍用向民商用轉(zhuǎn)移的過程，其技術(shù)指標的發(fā)展主要體現(xiàn)在處理帶寬的不斷增加，以及單位處理帶寬所需的重量、熱耗等星上資源不斷減少。

第一代：DTP 以Thuraya和Inmarsat-4[6-8]為代表，單通道處理帶寬30 MHz，通道個數(shù)120個；

第二代：DTP 以WGS衛(wèi)星[9-11]為代表，單通道處理帶寬125 MHz，通道數(shù)量20個；

第三代：DTP 以 Alphasat XL[12]為代表，單通道處理帶寬250 MHz，最大處理通道數(shù)量14個；

第四代：DTP 以TAS[13]產(chǎn)品為代表，單通道處理帶寬 500 MHz；

最新第五代產(chǎn)品：單通道處理帶寬達到GHz 量級。

下圖為WGS衛(wèi)星載荷的結(jié)構(gòu)示意圖[9]，其中DTP由Flexible digital channelizer實現(xiàn)。上行信號經(jīng)X頻段和Ka頻段接收天線后下變頻至中頻信號，之后送至DTP進行數(shù)字路由與交換。DTP對中頻輸入信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，在數(shù)字域進行信道化與交換，DTP在輸出前還要將數(shù)字信號經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換變換成中頻模擬信號，傳送至相應(yīng)上變頻器。上變頻器的輸出與各類發(fā)射天線相接，經(jīng)放大后下行傳送回地面。該衛(wèi)星可提供1.2 Gbps～3.6 Gbps的通信容量，其瞬時轉(zhuǎn)換帶寬可達4.875 GHz。其中DTP可實現(xiàn)Ka頻段(上行頻率：30 GHz～31 GHz，下行頻率：20.2 GHz～21.2 GHz)以及X頻段的信道化。

圖2 WGS衛(wèi)星載荷結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 國外微波光子載荷技術(shù)發(fā)展動態(tài)

歐洲、日本和美國等國家和地區(qū)開展了大量微波光子技術(shù)空間應(yīng)用方面的研究工作。研究內(nèi)容主要包括微波信號光域傳輸、微波信號光域交換、微波信號光域濾波、微波信號光域變頻以及空間微波光子通信系統(tǒng)構(gòu)建及性能分析。

在微波光子交換轉(zhuǎn)發(fā)方面，從2002年開始，ESA開展基于微波光子技術(shù)的星載交叉互聯(lián)技術(shù)研究，實現(xiàn)了微波光子變頻、本振饋送和交換轉(zhuǎn)發(fā)一體化設(shè)計。2012年ESA所搭建的光-微波交換轉(zhuǎn)發(fā)器演示系統(tǒng)主要對項目中的新型光-微波轉(zhuǎn)發(fā)器的概念和通道性能進行驗證。該演示系統(tǒng)的輸入微波信號頻率為Ka波段的信號(28 GHz～31 GHz)，輸出為C波段的微波信號(3 GHz～5 GHz)，此外，該系統(tǒng)實現(xiàn)了26 GHz范圍內(nèi)可調(diào)的本振產(chǎn)生和32×32無阻塞光射頻交換轉(zhuǎn)發(fā)。

2017年歐空局成功發(fā)射了Amazonas-5通信衛(wèi)星[14-15]，在該衛(wèi)星上搭載了Ka波段微波光子交換轉(zhuǎn)發(fā)器實驗載荷，實現(xiàn)了微波光子變頻、微波光子本振饋送、微波光子轉(zhuǎn)發(fā)等功能，大幅度降低了射頻前端的系統(tǒng)復雜度，大大提升射頻隔離度，有效降低衛(wèi)星載荷的體積、重量和功耗。

圖3 概念原理演示系統(tǒng)原理及實物

圖4 Amazonas-5通信衛(wèi)星發(fā)射現(xiàn)場

1.3 國外針對高通量衛(wèi)星的微波光子技術(shù)發(fā)展動態(tài)

微波光子技術(shù)作為新興技術(shù)，具有超寬帶、易于大規(guī)模交換、便于多波束頻率復用等優(yōu)點，特別適合高通量衛(wèi)星載荷應(yīng)用，并且能夠極大縮減載荷體積重量功耗。面向高通量衛(wèi)星大容量交換轉(zhuǎn)發(fā)的發(fā)展需求，Airbus[6]開展了一系列基于微波光子的衛(wèi)星載荷技術(shù)研究。所構(gòu)建的光有效載荷具有寬帶寬、大容量、高靈活性、強抗干擾性、可實現(xiàn)大規(guī)模路由及包括Ku、Ka和V波段在內(nèi)的多路信號的轉(zhuǎn)發(fā)處理。其熱耗與功耗降低15%以上，重量降低25%以上，采用集成化設(shè)計后預計降低50%以上。

圖5 Airbus 微波光子載荷架構(gòu)

針對高通量衛(wèi)星需提供超過Tbps通信容量的互聯(lián)網(wǎng)連接，覆蓋整個大陸地區(qū)的需求，DAS提出了基于微波光子技術(shù)的光有效載荷系統(tǒng)方案[7]。其工作頻段涵蓋適于用戶需求的Ka頻段，以及適于饋線鏈路的Q/V頻段和光波段。此外，該有效載荷還包括固定頻率規(guī)劃覆蓋路由以及可重構(gòu)頻率規(guī)劃覆蓋及路由部分，能夠滿足不同應(yīng)用場景的需求。整個載荷涉及光域多本振信號生成饋送、光域多路混頻、光路由及光電轉(zhuǎn)換與下變頻等。2019年6月21日，搭載著微波光子載荷的EUTELSAT 7C衛(wèi)星成功發(fā)射，該衛(wèi)星在軌有效壽命預計為15年。其本振信號頻率為9.8 GHz～10.2 GHz，Ka頻段輸入信號頻率為27.1 GHz～31 GHz，輸出信號頻率為17.3 GHz～21.2 GHz，Q/V頻段輸入信號頻率為47.2 GHz～52.4 GHz，輸出信號頻率為37.4 GHz～41.6 GHz。系統(tǒng)增益優(yōu)于-12.5 dB，噪聲系數(shù)優(yōu)于41.1 dB，三階交調(diào)抑制比優(yōu)于58 dB。

圖6 DAS 微波光子載荷主要部件

2 國內(nèi)高通量衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展動態(tài)

2.1 國內(nèi)高通量衛(wèi)星載荷應(yīng)用實例

2017年4 月12 日，我國首顆高通量通信衛(wèi)星——中星16號[17]，成功由長征-3B運載火箭發(fā)射入軌。衛(wèi)星的設(shè)計壽命15 年，起飛質(zhì)量4 600 kg，定點于110.5°(E)。

中星16號衛(wèi)星有26個用戶點波束，用戶終端可以方便快速地接入網(wǎng)絡(luò)，下載和回傳速率最高分別達到150 Mbps 和12 Mbps。衛(wèi)星首次搭載了Ka頻段通信載荷，使衛(wèi)星通信總?cè)萘窟_20 Gbps，超過了之前我國研制的所有通信衛(wèi)星容量的總和，是我國衛(wèi)星通信進入高通量時代的標志。衛(wèi)星每波束前向容量680 Mbps, 每波束返向容量200 Mbps，用戶波束發(fā)射頻率29.46 GHz～30 GHz，用戶波束接收頻率18.7 GHz～20.2 GHz。

中星16號衛(wèi)星在國內(nèi)高軌衛(wèi)星領(lǐng)域首次采用多口徑多波束天線、固面反射器高形面精度控制等一系列先進技術(shù)，并且首次將空間技術(shù)試驗和示范應(yīng)用相結(jié)合，提供雙向?qū)拵ㄐ攀痉痘\營服務(wù)。衛(wèi)星試驗應(yīng)用系統(tǒng)包括衛(wèi)星平臺試驗系統(tǒng)、激光通信試驗系統(tǒng)和Ka 頻段寬帶通信載荷系統(tǒng)三部分。

2020年7月9日20時11分，亞太6D通信衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心由長征三號乙運載火箭成功發(fā)射。亞太6D是我國首個Ku頻段全球高通量寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的首發(fā)星，同時也是我國目前通信容量最大、波束最多、輸出功率最大、設(shè)計程度最復雜的民商用通信衛(wèi)星。

圖7 中星16號運行原理圖

該衛(wèi)星主要面向亞太區(qū)域用戶提供優(yōu)質(zhì)、高效、經(jīng)濟的全地域、全天候的衛(wèi)星寬帶通信服務(wù)，用以滿足海事通信、航空機載通信、陸地車載通信以及固定衛(wèi)星寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入等多種應(yīng)用需求，通信總?cè)萘窟_到50 Gbps，單波束容量可達1 Gbps以上；采用90個用戶波束，實現(xiàn)可視范圍下全球覆蓋。

圖8 亞太6D衛(wèi)星發(fā)射現(xiàn)場

2.2 國內(nèi)微波光子技術(shù)發(fā)展動態(tài)

在國內(nèi)，清華大學、北京郵電大學、北京大學、浙江大學、華中科技大學、南京航天航空大學、電子科技大學、北京半導體研究所、中電集團34所、中電集團44所、中電集團38所、中電集團29所等重點從事微波光子技術(shù)研究。

其中，高校主要關(guān)注微波光子新技術(shù)、新方法等方面的理論研究、實現(xiàn)原理及性能指標驗證，對工程化考慮較少。研究所以產(chǎn)品為導向，在微波光子技術(shù)發(fā)展過程中考慮了工程應(yīng)用需求。以微波系統(tǒng)和光系統(tǒng)的融合、微波信號的光處理及微波信號光傳輸星上應(yīng)用的概念驗證為基本出發(fā)點，中國航天科技集團有限公司五院西安分院從“十一五”就開展星載微波光子技術(shù)研究，在微波光子技術(shù)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)用、基于微波光子技術(shù)的關(guān)鍵模塊研制及微波光子的通信系統(tǒng)地面演示驗證方面積累了豐富的經(jīng)驗?！笆濉逼陂g，中國航天科技集團有限公司五院西安分院緊密圍繞寬帶通信衛(wèi)星、高通量通信衛(wèi)星及航天器有效載荷技術(shù)的發(fā)展，瞄準國防科技和武器裝備發(fā)展需求，在微波光子相干雷達、微波光子射頻通道、星載混合數(shù)字柔性轉(zhuǎn)發(fā)和寬帶微波光子信道化等方面取得了多項技術(shù)創(chuàng)新，部分研究成果達到國際先進或國際領(lǐng)先水平。在微波光子相干雷達方面，提出光學高階倍頻和光域去斜方法，解決了傳統(tǒng)雷達帶寬受限的難題，研制出首臺雙DDS高分辨率微波光子相干雷達樣機，提高了雷達系統(tǒng)的探測能力，主要指標達國際先進水平。在微波光子射頻通道方面，結(jié)合射頻通道寬帶化、多波束、通用化應(yīng)用需求，從系統(tǒng)應(yīng)用的角度創(chuàng)新性提出基于Q/V陣列變頻架構(gòu)的微波光子射頻通道系統(tǒng)，研制出基于微波光子的射頻通道樣機，實現(xiàn)了頻率涵蓋Ku/K/Ka/Q/V多個微波頻段，變頻帶寬優(yōu)于2 GHz的高頻寬帶微波光子批量變頻。在星載混合數(shù)字柔性轉(zhuǎn)發(fā)方面，突破了寬帶光子信號處理、帶寬可靈活配置的分級數(shù)字信道化、小顆粒度信道路由交換等關(guān)鍵技術(shù)，有效提高星載系統(tǒng)的微波信號傳輸交換能力。在寬帶微波光子信道化方面，突破高線性微波/光轉(zhuǎn)換、高鏡頻抑制度變頻[18-19]、高矩形系數(shù)濾波等技術(shù)，攻克了跨頻段寬帶微波信號信道劃分及多路窄帶中頻信號輸出技術(shù)難題，實現(xiàn)了寬帶高頻微波信號的鏡像抑制信道化變頻，可將3 GHz寬帶信號信道劃分為6路帶寬為500 MHz的信號[18]，滿足全光透明交換轉(zhuǎn)發(fā)和數(shù)字柔性轉(zhuǎn)發(fā)的具體應(yīng)用需求。

2.3 微波光子技術(shù)在高通量衛(wèi)星中應(yīng)用情況國內(nèi)外分析對比

從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，高通量衛(wèi)星已成為衛(wèi)星通信的發(fā)展方向，它的典型應(yīng)用以寬帶接入、基站中繼、移動通信為代表。目前，在衛(wèi)星寬帶接入市場中歐美國家衛(wèi)星運營商仍占主導地位。我國目前在軌運營的Ka 頻段寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)僅在政府部門等專用領(lǐng)域有小規(guī)模的使用，在目前國際形勢和國內(nèi)需求的綜合推動下，我國商業(yè)衛(wèi)星運營公司也啟動了寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)的研制建設(shè)工作，國內(nèi)不少民營企業(yè)也已開始向國際電聯(lián)申報Ka 頻段衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料，并籌劃后續(xù)Ka 頻段寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)和運營工作。從總體上看，當前和今后一段時期內(nèi)是我國衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)跨越發(fā)展的機遇期。國外以解決現(xiàn)有高通量衛(wèi)星靈活載荷需求、大容量多業(yè)務(wù)處理需求和寬帶接入需求為契機，開展了相關(guān)的微波光子技術(shù)研究，并完成了地面試驗驗證和部分星載應(yīng)用。國內(nèi)目前還沒有微波光子技術(shù)在高通量衛(wèi)星中的應(yīng)用實例。

此外，國外以Airbus為代表，依托完備的多基底材料微波光子芯片及封裝平臺[20]，在微波光子芯片現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，率先開展了針對高通量衛(wèi)星的波束形成單元、陣列變頻及光放大等部件的集成芯片設(shè)計研制。國內(nèi)針對微波光子單元器件，開展了部分硅基微波光子波導等簡單芯片研制，國內(nèi)外在光子芯片研制及集成方面存在很大的差距。

3 基于微波光子技術(shù)的高通量衛(wèi)星系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)想

為了滿足高通量衛(wèi)星大容量、快速響應(yīng)、帶寬自主規(guī)劃、按需配置和重構(gòu)升級的需求，基于微波光子技術(shù)的高通量衛(wèi)星需支持寬頻譜覆蓋范圍、大帶寬的多頻寬帶微波信號處理，能實現(xiàn)多路微波信號的一次性陣列上/下變頻，可在不進行基帶解碼的情況下，實現(xiàn)粗細粒度相結(jié)合的信道劃分與交換。根據(jù)微波光子載荷技術(shù)發(fā)展水平，結(jié)合國外Airbus、DAS等高通量衛(wèi)星中微波光子技術(shù)的應(yīng)用情況，基于微波光子技術(shù)的高通量衛(wèi)星系統(tǒng)主要包括多波束形成、陣列變頻、大容量一體化交換轉(zhuǎn)發(fā)及寬帶信號處理幾部分，這幾部分相互協(xié)作，具備以下功能：

實現(xiàn)基于光子技術(shù)的大帶寬、高通量靈活通信；

光域?qū)崿F(xiàn)微波信號相位控制和寬帶光控相控陣波束成形；

實現(xiàn)多波束用戶粗粒度和細粒度一體化靈活交換；

實現(xiàn)微波光子大容量交換轉(zhuǎn)發(fā)；

實現(xiàn)包括微波光子信道化和光學模數(shù)轉(zhuǎn)換在內(nèi)的寬帶信號處理；

實現(xiàn)多路微波信號的陣列化傳輸、變頻及饋送。

圖9 基于微波光子技術(shù)的高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)想圖

主要工作原理為：接收天線陣列接收到的射頻信號由電光轉(zhuǎn)換陣列調(diào)制到光域并變頻，在光域完成光學信道劃分，隨后多路光學子信道經(jīng)微波光子變頻后進行分發(fā)，一部分進行光學大顆粒度交換，一部分進行窄帶數(shù)字信道化及電路交換。所涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括光控相控陣天線(主要實現(xiàn)光控波束形成)、調(diào)制與本振生成、陣列變頻、光交換、光子信道劃分及光電轉(zhuǎn)換等方面。

4 總結(jié)與展望

高通量衛(wèi)星已成為寬帶衛(wèi)星通信的發(fā)展方向，在基于微波技術(shù)的高通量衛(wèi)星系統(tǒng)方面，國外已完成了300 Gbps通信容量的星載驗證，正在開展1 Tbps通信容量的星上應(yīng)用研究。國內(nèi)目前高通量衛(wèi)星通信容量為50 Gbps。在基于微波光子技術(shù)的高通量衛(wèi)星系統(tǒng)方面，國外以Airbus、DAS為代表開展了相關(guān)研究工作，在光域?qū)崿F(xiàn)波束形成、陣列變頻及粗粒度的大規(guī)模交換路由等功能，大大降低載荷的重量功耗，提高載荷通信容量，同時預先開展相關(guān)的集成化設(shè)計研制工作。國內(nèi)目前還沒有相關(guān)針對性的系統(tǒng)研究。隨著微波光子器件、微波光子關(guān)鍵技術(shù)與微波光子系統(tǒng)技術(shù)的飛速發(fā)展和寬帶高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)用的深入研究，以星載應(yīng)用需求為牽引開展微波光子高通量衛(wèi)星系統(tǒng)的研制具有重要意義，該技術(shù)可望實現(xiàn)陣列化、小型化、一體化的衛(wèi)星載荷，同時具備頻譜效率高、寬帶大、吞吐量高等諸多優(yōu)點。