国外通信卫星灵活有效载荷技术与趋势研究（下）

朱贵伟 李博（北京空间科技信息研究所）

（续上期）

2 灵活有效载荷关键技术

灵活的处理技术

传统通信卫星采用透明转发式有效载荷，卫星不对用户信号进行处理，星上信号在不同波束之间的交换通过模拟滤波器和中频交换矩阵完成。由于星上微波交换矩阵都是硬连接，其路由选择方式是固定的，无法适应业务量的变化，而且信号交换带宽通常为1个转发器的带宽，如36MHz、54MHz或者72MHz等，甚至以波束为单位进行信号星上铰链。如果要进行较细粒度的交换，则交换矩阵的复杂度会显著提高，往往超出了微波开关矩阵的能力。

因此，为了实现波束间、子信道甚至单个用户之间互联互通的灵活性，提高卫星网络的运行效率，国外主要提出了两种技术方案，一是数字透明转发技术，二是可再生处理技术，对应了不同的信号处理级别，同时在成本、性能方面也各有优劣，部分成果已得到应用。

（1）数字透明处理

数字透明（Digital Transparent）处理技术最早由美军在其“宽带全球卫星通信”（WGS）卫星上采用，随后也应用于法、日、以等国的个别军用/政府民用卫星上，是一种具有星上处理能力的半透明转发技术，使用该技术的转发器也叫半再生式转发器。此类转发器一般由分路器/合路器、微波交换矩阵和星载交换控制器三部分组成，分路器对每个接收信号执行数字信道化处理，星载交换控制器根据来自地面网络控制中心的指令，对交换矩阵进行设置，实现信道之间的自由交换。网络控制中心根据地面站用户的请求情况，为每个用户分配带宽和信道资源，同时配置星载交换控制器，完成信号交换。该技术兼具传统透明转发器和再生式转发器的优点，既具有灵活可靠的特点，又可以支持较小粒度的交换，还规避了物理层信号体制的约束，增加了系统容量，满足可变带宽业务、网络拓扑灵活调整的需求。

欧洲泰雷兹-阿莱尼亚航天公司(TAS)为以色列阿莫斯－4（Amos－4）卫星成功研制了Ku频段灵活微波交换矩阵设备，该设备可实现任意单个信道输入输出之间的切换，支持多个输入信道合成为1个输入，同样也可以支持1个信道向多个信道广播。泰雷兹-阿莱尼亚航天公司共研制了2个版本的产品，设备质量分别为9.5kg、8.7kg，工作频率13～14.5GHz，噪声系数17dB，工作温度-10～65℃。

泰雷兹-阿莱尼亚航天公司研制的灵活微波交换矩阵产品

欧洲泰雷兹-阿莱尼亚航天公司在欧洲航天局(ESA)的“通信系统预先研究”(ARTES)计划下开展了灵活数字透明处理器（DTP）的研制工作，该产品具备数字滤波、信道路由与增益控制能力，支持20×20输入/输出端口之间任意互联互通、实现多播和广播功能，单个端口信号带宽250MHz，可按照地面控制指令，实现信道带宽、信道中心频点、网络互联结构等灵活调整。目前，该产品已经过试验鉴定和最终评审，支持空间客车－4000（Spacebus－4000）和“阿尔法”（Alphabus）等新一代卫星平台。

日本三菱电机公司（Melco）结合未来多波束、高通量卫星的灵活应用需求，2013年也研制出一种应用于DS-2000卫星平台的新型数字透明处理器，该产品质量约40kg，功耗300W，8×8输入/输出端口配置，单个端口信号带宽40MHz，子信道带宽2.5MHz，保护间隔0.25MHz，可以实现子信道之间灵活路由、频率带宽的灵活调节，具备较高的频谱利用率。

印度空间研究组织（ISRO）的航天应用中心也在2015年研制出一款数字透明处理器，支持8×8输入/输出端口，每个端口带宽31.25MHz，对应2个波束，子信道带宽的调整步长为976kHz，因此，单个端口可最多支持32路子信道，内置的微波交换矩阵最大可以完成输入/输出256×256种子信道之间的灵活交换方案，支持单播、多播和广播网络通信功能，该处理器已经通过测试鉴定，将为印度新一代的多波束高通量卫星研制提供支持。

泰雷兹-阿莱尼亚航天公司研制的数字透明处理器主要性能

综合来看，由于数字透明处理器虽然灵活度只能做到信道/子信道级别，但在技术实现难度、质量和功率消耗等方面相对可再生处理器较低，因而，国外主流制造商和运营商都比较看好此类产品在未来成本效益要求极高的高通量卫星中应用，加紧了相应数字透明处理器的研制步伐，但总体而言，美欧制造商由于起步较早，产品性能（支持的灵活端口数、子信道颗粒度、交换能力等）领先于亚洲的新兴制造商。

（2）可再生处理

可再生处理技术主要指通过解调、译码将下变频后的接收信号变为基带信号，经过路由交换再对基带信号编码、调制的一种具备星上信号完全处理能力的技术。与单纯完成转发任务的透明式转发器相比，采用可再生处理技术的转发器能够实现数据的分组交换，减少传输差错率，提高卫星网络效率，降低传输时延，改善交换性能等，充分发挥卫星通信的优点。与数字透明转发技术相比，可再生处理技术能够将卫星网络的路由交换颗粒度降低至单个用户级别，实现最大限度的灵活互联互通和资源分配能力，支持网状通信在内的各类拓扑结构，有效提升了卫星容量。

目前，国外可再生处理式有效载荷研究集中在美、欧、日等国家和地区，在一些典型的卫星系统中已经实现了应用，但在技术体制略有差别。

美国波音公司在其研制的太空之路－3（Spaceway－3）通信卫星上，采用了灵活的分组交换式可再生处理转发器。具体来看，该处理器的设计出发点，是将一个地面路由交换机的功能分解到卫星终端、星载交换机和地面网络控制设备共同完成，即从地面IP网络用户的角度看，终端相当于路由器接口线卡，卫星相当于路由器核心交换背板，地面网控设备相当于路由器协议控制软件。地面IP用户与终端之间是IP数据包交互，IP数据包进入卫星网络后，则转换成了卫星网内部数据包（相当于IP包进入一个IP路由器后，路由器内部对IP包进行分段、封装等处理，转换为内部交换信元），并在星上进行交换，到达出口终端（接口卡）再恢复为IP包，传输给用户。

Spaceway－3卫星可再生式卫星网络示意图

欧洲泰雷兹-阿莱尼亚航天公司在研制的热鸟－6（Hotbird－6）通信卫星上搭载有一个Ka频段有效载荷Skyplex，该载荷是一类特殊的灵活可再生处理式有效载荷，主要目的是在星上就能实现对业务数据的分类再生处理和混合复用，简化传统多媒体通信卫星需要将业务数据在地面业务数据中心复用为一路单独高速数据流再发至星上转发的流程。Skyplex可通过解调、星载Turbo解码器解码后，对话音、数据、视频等不同的上行业务数据流（包含6.111Mbit/s、6.875Mbit/s、7.333Mbit/s和 2.291Mbit/s数 据速率）进行复用，成为符合DVB-S标准的55Mbit/s统一下行业务数据流，减少了用户终端成本，传输延时仅为原来的1/2。

泰雷兹-阿莱尼亚航天公司为2017年1月发射的西班牙卫星－36W－1（Hispasat－36W－1）研制了一款名为“红星”（Redsat）的可再生处理式载荷。该载荷可同时处理4条36MHz Ku频段信道，对上行接收的DVB-RCS制式信号进行去复用、解调、解码等处理操作后，再转为下行4路DVB-S2制式信号。同时，该处理器具备先进的分路/合路能力，可合并以重新配置上行4路信道资源，支持16APSK、32APSK等多种高阶调制方案以及自适应调制编码（ACM）等技术，可显著增加转发器的频谱利用率，按照服务等级协议中规定的不同服务质量（QoS）要求为用户交付差异化、灵活的宽带服务。

Redsat载荷部件图（左至右依次为接收处理器、发射处理器、下变频器和滤波器组）

总体来看，星上可再生处理式载荷在支持灵活的网络拓扑结构构建、灵活的业务数据处理、用户资源调度等方面，具备其他处理或透明转发载荷所无法相比的优势。但由于进行星上处理会大大增加载荷质量和功率消耗，而且技术复杂度较高导致成本和研制周期也受影响，因此，目前来看，国外更多地是进行相应的技术试验，还未实现大规模商业化应用。

软件无线电技术①

① 王巍，张春磊.软件定义有效载荷——通信卫星未来发展方向.天地一体化信息网络微信公众号,2017-05-31.

软件定义无线电（简称软件无线电）是指在一个开放、标准化、模块化的通用硬件平台上，通过软件加载实现各种无线电通信功能（如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式和通信协议等）。其核心设计理念是：集中使用宽带A/D、D/A转换器并尽可能地靠近天线，使无线电功能具备软件可编程能力。与前述的三大类技术领域不同，软件无线电属于一种新型、综合性的通信技术，其应用需要卫星通信链路从射频到基带各个环节的配合，因而无法单一归属至某一个技术领域。针对传统通信卫星载荷在有效寿命期内无法升级硬件和软件的问题，软件无线电技术具备高灵活性及对更先进数字化标准的扩展性和适应性，提供了一种全新的解决思路。

近年来，随着数字信号处理技术的发展，利用软件无线电实现卫星通信应用，已经逐步克服太空环境（如单粒子效应）和尺寸、质量和功率（SWaP）的限制等因素的影响，国外主要在欧洲和美国大力投入下取得了一些研究成果，但两国在关注的重点上有所差别。

（1）欧洲“软件定义有效载荷”

欧洲航天局是较早开展软件无线电技术在卫星通信领域应用的机构。2008年，该机构提出“软件定义有效载荷”（SDP）的概念，“软件定义有效载荷”由星载硬件和软件技术组成，可以在飞行中针对多种不同的通信场景重构载荷功能，降低刚性配置载荷的运行风险，同时提高有效载荷的可再生能力。其硬件组成包括可重构综合宽带天线、天线开关阵、软件无线电处理平台。

支持软件定义有效载荷的通信载荷结构功能组成框图

其中，①可重构发射/接收天线前端可实现波束形状和覆盖区域的重构，由覆盖各频段的单副或多副天线组成的天线阵构成，其中，发射天线需要多端口放大器的支持。②天线开关阵作为辅助设备来完成射频信号的分配，把各频段天线接收到的信号，根据任务要求馈入到软件无线电处理平台的射频输入端，以进行后续处理。③软件无线电处理平台作为“软件定义有效载荷”的核心，采用混合工作模式：在数字透明转发体制下，采用专用集成电路（ASIC）实现数字信道化和波束成形的部分重构功能，嵌入到ASIC元器件中的数字信号处理软件能够根据地面指令，控制数字波束成形系数和分频器设置，从而改变波束构型、频率复用方案以及波形频率分配；在可再生处理体制，主要依赖基于抗辐射现场可编程门阵列（FPGA）的软件平台，处理信号的调制解调/编码译码/多址接入体制等，可通过在轨重新加载部分软件，就能支持最新的波形和协议标准，从而实现相应的技术能力更新。

在欧洲航天局的ARTES 3.4计划支持下，加拿大通信设备公司（COM DEV）欧洲分公司基于上述理念，研制出了基于软件无线电的S频段测控通信转发器。该转发器采用了基于FPGA的软件无线电设计，支持不同的调制方案和数据传输速率，能够适应不同任务类型和任务阶段的需求。

（2）美国哈里斯公司AppSTAR体系结构

哈里斯公司（Harris）在美国国家航空航天局（NASA）的“空间通信与导航网络”（SCaN）计划下开发出一种称为“AppSTAR”的软件无线电有效载荷体系结构，支持处理单元的完全或部分重构。AppSTAR基于高性能的FPGA处理器和数字信号处理器（DSP），利用灵活的软件实现可重构能力，使载荷的任务性能可随着未来的需求改变而升级。该体系结构的关键部分是一个高度灵活的信号处理系统和一套通用的软件基础单元，通过为通用的软件应用接口（API）开发可移植的应用和波形，与硬件完全分离，实现第三方的可重复编程。AppSTAR体系结构由通用处理器子系统、信号处理子系统和射频前端电子系统三部分组成。

哈里斯公司研制的软件定义ADS-B系统相控阵天线

目前，该公司已研制出2个版本处理器产品，分别为V4可重构空间处理器（V4 RSM）和空间集成处理器－100（SiP－100）。前者集成了抗辐射的FPGA、通用数字信号处理、256Mbit的内存和灵活的输入输出接口等，特别适用于空间环境。在NASA的SCaN计划中，哈里斯公司承制的Ka频段软件无线电台就集成了V4 RSM处理器，具有在轨重复编程、抗辐射信号处理能力，通信速率可超过100Mbit/s。2012年，该设备成功开展了测试和演示验证任务。

此外，在“下一代铱星”（Iridium NEXT）系统上搭载了艾瑞恩公司（Aireon）的天基广播式自动相关监视（ADS-B）接收机，该接收机即采用AppSTAR体系结构设计，可接收来自飞机的ADS-B数据，并经由ADS-B地面站提供给空中导航服务供应商，服务响应时间可缩减至2s以内，从而实现完整覆盖全球的近实时、高频率、高精度的飞机位置监视。2015年，哈里斯公司为安瑞恩公司（Aireon）制造了用于ADS-B系统的软件定义相控阵天线，体式安装于载荷表面。该天线具备灵活的功能：天线方向图可以完全由软件定义，只需从地面向其加载相应软件即可；在执行任务过程中，天线波束可随时进行优化。

总结来看，软件无线电技术的可重构性特征，使其得到越来越广泛的应用，国外近年来开发并验证了多类航天任务的软件定义有效载荷，在相关技术上取得了巨大的进步。但由于空间环境约束，通信卫星软件定义载荷的发展落后于地面的通信系统，要实现真正意义上的星载软件无线电还有诸多工作要做。

3 主要趋势特点分析

多波束天线助推覆盖灵活性，有源相控阵发展潜力巨大

从星载天线技术的发展趋势来看，随着高通量卫星系统的快速发展，采用多波束天线技术实现多次频率和极化复用从而成倍地提高卫星容量，已经成为重点的技术方向。而多波束天线在天基/地基波束形成、波束重构、波束扫描以及波束跳变等方面具备很强的技术应用潜力，对不规则区域的覆盖具有明显优势，使其成为促进未来通信卫星系统实现波束覆盖灵活性的关键。在目前的多波束天线方案中，馈电阵列反射面和有源相控阵都获得了应用，相对而言，有源相控阵天线可以实现大范围内的高增益跳变覆盖，性能更加灵活，技术实现难度也较大。但近年来随着微波集成、低温共烧陶瓷等基础工艺以及一些关键器件和先进技术的发展，此类天线的研制成本已在逐步降低，随着低轨通信星座建设热潮的推进，在更适合相控阵应用的低轨系统中实现规模化的生产，将进一步削减成本，推动更广泛的应用。

星上信号处理向数字域迁移，推动灵活性效果不断提升

如前所述，通信卫星在模拟和数字波束成形网络选择上的不同，对载荷的灵活性产生较大影响。事实上，从地面通信系统的发展情况来看，数字化技术在信号传输、处理方面的兼容性、灵活性和经济性都要明显优于模拟系统，而在生产制造方面，数字系统的重复生产要比模拟系统容易的多。对于卫星而言，传统的透明转发式载荷由于仅对信号进行滤波、变频、放大等操作，采用数字化方案的优势并不明显，但随着星上处理要求的不断增加，如调制解调、编码译码、变频和滤波等功能也都可以通过数字信号处理器完成，这样原来需要用多个硬件设备实现的功能模块就可以集成在一个硬件平台上实现，大幅减少硬件规模，节约星上质量消耗，提升系统效率。此外，数字信号处理芯片的处理能力也更强，下一代星载数字处理器将能支持数百吉赫兹的通信容量，也将支持载荷实现更好的灵活效果。

星载器件抗辐射性稳步提升，SDP恐颠覆载荷研制方式

随着软件无线电支持性能灵活升级的作用和效果在地面通信系统中日益显现，国外针对空间辐射环境（特别是单粒子效应）中此类载荷应用的研究也不断加深，目前已有一些对抗单粒子反转的成熟技术手段，包括擦洗/重写、硬件/软件冗余、纠错编码/电路以及硬件动态重构等方法，研制出了一些专门适应于太空环境的FPGA产品，未来在通信卫星中的应用将进一步加深。软件无线电技术为通信卫星载荷带来的不仅仅是服务能力上的灵活性，在卫星研制方面也将产生巨大效益。对制造商来说，随着技术的进步，由于基于软件无线电的载荷硬件的通用性更好，产品更易实现标准化，有利于通过生产线的方式进行批量化的研制生产，可以大大降低投资风险。因此，一旦得到成熟应用，将在一定程度上颠覆现有的针对一个部件建立单一生产线的模式，极大地提升制造商的制造水平。

传统微波载荷瓶颈逐步显现，微波光子技术或成新趋向

前述的所有灵活性都集中在传统的微波领域，而近年来国外甚至国内开始关注通过星上光域的载荷技术实现一定的灵活性。究其原因，主要是随着通信卫星载荷小型化、轻量化、大容量、高速处理转发等趋势发展，传统电域微波信号处理与传输技术在有效载荷系统中的局限日益凸显，如微波变频载荷的多级结构复杂、隔离度低，高频微波信号传输载荷的损耗高、质量重，微波交换与处理载荷的电磁干扰等。因此，通过引入微波光子技术克服传统电域微波信号处理与传输的局限，可以在完成相同功能的基础上节省大量空间，还可以升级卫星容量（至数十波束），而光域波分复用（WDM）技术也可以应用于载荷中，进一步提高灵活的交叉连接能力，使载荷通信容量和性能更优于传统微波载荷。目前，在欧洲航天局的支持下，泰雷兹-阿莱尼亚航天公司已经在该领域开展了大量工作，开发了一整套灵活的微波光子产品，并进行了地面演示验证；美国国防高级研究计划局（DARPA）以及哈里斯公司也进行了相应研究。未来，该技术在构建灵活转发器方面将具备更大的发展空间。(续完)