欧美软件定义卫星项目最新进展

李薇濛 陈建光 （中国航天系统科学与工程研究院）

2019年，欧洲研制的全球首颗软件定义商业通信卫星“量子”（Quantum）卫星先后完成平台建造、平台与载荷的集成以及整星热真空环境测试等关键节点，计划2020年下半年发射升空，表明软件定义卫星即将进入实用化阶段。本文以欧洲“量子”卫星和洛马公司（LM）“智能卫星”（SmartSat）为代表，介绍欧美软件定义卫星项目的最新进展。

1 软件定义卫星简介

软件定义卫星是通过软件升级实现有效载荷功能或性能参数重新配置的一类新型卫星。这类卫星可以改变载荷的用途，例如，将通信载荷重新定义为一台导航接收机，或者改变载荷的工作特性，包括卫星通信的频率、覆盖区域、信号强度等。

软件定义卫星的核心是软件定义无线电技术。软件定义无线电是一种新型的无线电体系结构，通过硬件和软件的结合使无线网络和用户终端具有可重新配置的能力。软件定义无线电提供了一种建立多模式、多频段、多功能无线设备的有效且相当经济的解决方案，可通过软件升级实现功能的提高。软件定义无线电可使整个系统（包括用户终端和网络）采用动态的软件编程对设备特性进行重新配置。

软件定义卫星即是软件定义无线电技术的天基应用。传统的卫星信号设计思路是将高频射频信号经天线接收后下变频成为中频信号，以保证放大器稳定工作并减小干扰；中频信号进一步经过模数转换器将模拟信号转换为便于星上处理的数字信号，并作为信号处理器输入。软件定义卫星的本质是射频部分信号的数字化，以实现可编程或软件定义。与传统卫星的不同之处还在于，软件定义卫星为适用多种工作频率，采用宽带接收天线，实现多个频点的信号接收和发射；而传统卫星仅能接收和发射经设计的特定频点信号。

软件定义卫星具备多方面的优点：第一，可使卫星通过功能更新，适应不断发展的用户需求；第二，通过加载不同的软件，实现多功能卫星；第三，改变目前以有效载荷为核心的卫星设计理念，使卫星具备功能可重构能力和灵活性。

2 欧洲“量子”卫星项目发展情况

“量子”卫星简介

“量子”卫星是欧洲通信卫星公司（Eutelsat）的新型通信卫星，由欧洲航天局（ESA）和欧洲通信卫星公司于2015年启动研制，主承包商空客防务与航天公司（ADS）负责研制有效载荷以及卫星总装测试，英国萨瑞卫星技术有限公司（SSTL）负责提供卫星平台，即“静地轨道迷你卫星平台”（GMP）。该卫星可实现覆盖区域、频段、带宽和功率的重新配置，根据需要开展不同的卫星通信业务，也可通过调整覆盖区域，减少有意或无意的信号干扰。

“量子”卫星质量3.5t，功率为7kW，设计寿命15年，采用全Ku频段通信，通信容量可达6～7Gbit/s，首星研制成本为1.98亿美元。“量子”卫星可通过软件驱动，实现多种性能的在轨调整，一是卫星覆盖范围的调整：利用电子调节、波束成形、跳变波束等技术，根据需要调节波束覆盖区域形状，单个波束既可以覆盖任意形状的一个区域，也可以覆盖多个独立的区域；二是工作频率的调整：利用可编程信道在上/下行链路频段（12.75～14.80GHz和10.7～12.75GHz）范围内动态调整工作频段，频谱使用率从86%提高到98%以上；三是信号功率可进行动态协调，减少覆盖区域内外界噪音对信号的干扰。

欧洲“量子”通信卫星示意图

后续进展

2017年5月，欧洲通信卫星公司计划加购至少两颗“量子”卫星，利用3颗卫星实现全球覆盖，将军事用户作为主要服务对象。2018年12月，第一颗卫星的有效载荷运至法国图卢兹工厂并开始测试；2019年1月，卫星平台完成建造；2019年5月完成有效载荷与卫星平台的集成；2019年9月完成热真空测试，最后卫星将被运至法属圭亚那库鲁航天发射场，计划于2020年下半年搭乘阿里安－5（Ariane－5）火箭发射。第2颗卫星计划于2020－2021年间发射，主要覆盖亚洲地区。

“量子”卫星项目的提出和研制，推动了天基软件定义无线电技术进入应用阶段，标志着软件定义卫星迈出了重要一步。

3 洛马“智能卫星”项目发展情况

“智能卫星”简介

2019年3月，洛马公司宣布正在研制“智能卫星”软件定义卫星。该卫星通过软件的在轨更新改变或增加卫星功能，不仅带宽可调、波束可变、还可自主监测和防御网络威胁。“智能卫星”具有独特的技术优势，体现在以下四个方面：

1）架构方面。该卫星采用柔性架构，其基于洛马公司的LM－50微小型平台研制，但也可将立方星、LM－2100大型卫星平台等各种尺寸的平台作为开发基础。

2）制造方面。卫星使用洛马公司的标准化系列平台和增材制造技术建造。

3）网络安全方面。卫星采用自主检测和网络威胁防御技术，可定期更新星载网络防御软件，具有自我诊断和快速重置能力。

4）数据处理能力方面。智能卫星的星载计算机由美国国家科学基金会下属太空、高性能和弹性计算中心（SHREC）研制，具备高功率、抗辐射等特点。该计算机采用虚拟机技术，充分利用星载多核处理器，可在同一台计算机中同时运行多个服务器，最大限度地提高内存利用率、星上处理能力和网络带宽。

后续演示验证计划

洛马公司计划利用10个微小卫星项目开展在轨试验。该系列项目均由洛马公司使用内部资金作为支撑。目前仅公开了首批发射的两个项目，分别是“莱纳斯”（Linus）和“小马速递”（Pony Express）。“莱纳斯”项目由两颗12U的立方星组成，将验证“智能卫星”和卫星部件的3D打印技术。“小马速递”项目包括多颗6U立方星，计划部署在低地球轨道，验证卫星网络通信技术。其首颗试验卫星用于测试云计算基础设施，后续卫星将验证基于射频网络的集群编队和星间通信网络。

洛马公司“智能卫星”变革了卫星的设计、建造和交付方式。该系列卫星将实现快速批量生产，通过软件在轨更新，快速响应新的任务需求，提升性能，缩短全寿命周期成本。卫星强大的在轨数据处理能力可减少带宽需求，为未来的天基数据中心奠定技术基础。

洛马公司“智能卫星”示意图

4 软件定义卫星技术的应用前景

卫星通信是最早应用软件定义卫星技术的领域，软件定义卫星技术可极大提升通信卫星有效载荷的灵活性。一方面，该技术可以改变传统地球静止轨道通信卫星在工作期内无法及时更新通信技术的劣势；另一方面将改变目前的通信卫星制造模式，可按照一定的规格实现通信卫星的批量、预先制造，从而缩短卫星研制周期，降低研制成本。同时用户也可根据业务需要和卫星的健康状态，最大程度地利用卫星能力。

未来，一星多能的软件定义卫星还可提供快速响应能力。通过软件定义的方式，可将多种功能集成于一颗卫星上，如多频段卫星通信、卫星导航、雷达成像侦察，甚至针对雷达/通信信号的电子侦察或电子对抗，从而达到一星多能、一星多用的目的。在平时，该卫星可定义为普通的通信卫星，满足日常通信需求；在战时则可定义为雷达成像侦察卫星和电子侦察卫星，实现对敌方军事行动的侦察监视，并在完成对目标的打击后实施打击效果评估。