歐洲靈活有效載荷發展研究

朱貴偉(北京空間科技信息研究所)

歐洲靈活有效載荷發展研究

朱貴偉(北京空間科技信息研究所)

近年來,國外興起了針對通信衛星靈活性的研究,以歐洲為主要典型代表.所謂靈活衛星,主要是指采用了靈活有效載荷技術的衛星,其關鍵在于載荷的靈活性.

1 概述

2013年,國際商業通信衛星制造市場依然以美歐為主,從年內發射的和簽訂的訂單情況來看,美國占據的份額都是最多,歐洲位列第二.隨著俄羅斯、中國、日本等國航天制造企業進入國際市場,為提升產業競爭力,歐洲航天局(ESA)推出了在歐洲范圍內的"通信系統先進研究"(ARTES)計劃,涵蓋了包括"阿爾法平臺"(Alphabus)和"新衛星"(Neosat)平臺在內的多項平臺研發計劃.除衛星平臺技術以外,歐航局還主導通信有效載荷技術的發展,開展了一系列關于靈活有效載荷的研究.

采用傳統透明轉發器的通信衛星在入軌以后,其技術狀態基本上就是固定的,難以針對市場變化及時做出動態調整.因此,產業界萌發了"靈活衛星"的概念,即衛星在軌服役期間,可以針對商業模式或市場需求變化動態調整星上資源,持續提供衛星通信服務,實現衛星的靈活性.

"靈活有效載荷"是一個籠統的整體的概念,包括很多內涵.根據泰雷茲-阿萊尼亞公司(TAS)的定義,靈活性包括7個方面:

1) 軌道靈活性:軌道靈活性并不是指衛星的軌位可以隨意移動,而是指可以在多個軌道位置上提供相同的覆蓋,完成相同的任務;

2) 覆蓋靈活性:主要針對天線波束而言,指波束的形狀、等效全向輻射功率(EIRP)的輪廓、波束中心、波束數量和大小都可以根據需求變化;

3) 頻率規劃靈活性:主要是指信道的數量、帶寬和保護間隔都是可變的,也指頻率轉換和本地晶振設計也是靈活的;

4) 發射功率靈活性:是指根據業務傳輸需要,改變信道或波束分得的發射功率;

5) 路由靈活性:包括路由的顆粒度和路由的定義,與衛星覆蓋范圍和頻率規劃的靈活性密切相關.衛星可改變信道或子信道的濾波特性,對所有或部分信道進行路由;

6) 波形及媒體接入控制層(MAC)協議的靈活性:針對再生轉發器而言,可包括調制解調方案以及編碼方案的靈活性,要求星上調制器解調器具備適應新型波形的能力,例如從數字視頻廣播-衛星(DVB-S)升級到DVB-S2;

7) 交換層次的靈活性:它是指在物理層之上的更高級的靈活性,包括數據結構(數據包大小、包頭)和通信協議等方面的靈活性.

有許多技術可以在不同層次上支持靈活載荷,例如數字波束成形天線、靈活行波管放大器(TWTA)和多端口放大器(MPA)、數字半透明載荷、再生載荷等等.從通信有效載荷組成的角度來看,可以分為天線和轉發器兩部分.其中,天線部分的典型代表技術為可重構天線技術,分無源和有源兩大類,在無源天線中又包括機械和電子的無源天線.轉發器領域的技術則包括光學互聯、中頻處理器、數字透明處理器等多項技術.

2 歐洲靈活有效載荷相關研究

為提升歐洲衛星通信產業的實力,保護其在國際市場的競爭力,歐航局在"通信系統先進研究"計劃下開展多項技術研發和應用實踐項目.其中,通信系統先進研究-3-4是專門針對通信平臺和有效載荷的單機產品的研發計劃.泰雷茲-阿萊尼亞公司與空客防務和宇航公司(Airbus Defense&Space)在這個計劃下開展了多項針對靈活載荷的產品研究.

此外,歐航局還設置了先進靈活通信載荷工作組,自2008年起先后舉辦了兩屆工作組研討會,與產業界一起,共同推進靈活載荷的發展.下面選取部分研究計劃進行簡單介紹,以期獲得對歐洲靈活有效載荷發展現狀的初步認識.

泰雷茲-阿萊尼亞公司的敏捷/靈活有效載荷部件研究

泰雷茲-阿萊尼亞公司公司自2008年6月起,開始在通信系統先進研究-3-4計劃下開展敏捷/靈活有效載荷部件研究.該項研究主要針對寬帶通信衛星,關鍵的靈活載荷技術包括多波束天線、高頻段部件、星上再生或交換等等.泰雷茲-阿萊尼亞公司公司在此計劃下研制了多個工程樣機,包括敏捷/靈活頻率變換器、頻率生成單元、集成微波交換矩陣、敏捷/靈活指令接收機等等.所有設備均面向Ku和K頻段開發,同時也可以經過少量改進適應其他頻段.

敏捷/靈活頻率變換器采用兩次變換的策略,輸入頻率為Ku頻段(13~14.5GHz),輸出頻率為K頻段單信道(19~21.2GHz),輸入輸出的頻率都是靈活可選的,此外,通過對中頻的信道濾波器進行設置也可以靈活改變信道的帶寬.

頻率生成單元能夠產生多個參考頻率,且能夠實現較好的相位噪聲性能,支持有效載荷在較寬的頻率范圍內實現復雜的頻率變換方案.

集成微波交換矩陣可實現任意單個信道在輸入與輸出之間的切換,支持多個輸入信道合成為一個輸入,同樣也可以支持一個信道向多個信道廣播.

敏捷/靈活指令接收機主要針對遙控信號,可在軌設置接收頻率,頻率在整個Ku頻段可調.

敏捷/靈活載荷在單機級、載荷分系統級以及衛星通信市場都有許多好處.單機級的模塊化設計使得產品很容易針對不同配置進行改進,例如頻率變換器就成功應用于以色列的阿莫斯-4(AMOS-4)衛星上.

目前所有的工程鑒定樣機均已成功開發出來,并且經過了鑒定試驗.

空客防務和宇航公司的通用靈活載荷泰雷茲-阿萊尼亞公司的面向先進移動通信的大型空間可展開天線

空客防務和宇航公司英國公司在通信系統先進研究-3-4計劃下開展了通用靈活載荷的研究,部分研究成果也以成功應用于英國阿凡蒂(Avanti)公司的寬帶通信衛星"高適應性衛星"(Hylas)上.

通用靈活載荷定位于固定通信、電視直播和寬帶通信衛星,頻率范圍包括C、Ku和Ka.最突出的特點是可以在軌調整輸入與輸出間的信道路由.該計劃的目標是開發工程簽訂樣機,并完成沖擊、震動、熱真空和電磁兼容性(EMC)等環境試驗.該計劃利用陶瓷材料(Hi-MMHT)支持新型分組技術.

靈活行波管電性能目標

泰雷茲-阿萊尼亞公司"通信系統先進研究"計劃的目標是開發口徑至少在12m的大型空間可展開反射器,涵蓋12m反射器的電氣、熱機械和技術方面的設計,以及工程鑒定樣機的制造、集成與試驗.試驗內容包括全尺寸電氣(包括無源交調測試)、熱機械和展開等項目,完成鑒定試驗后可參與商業衛星的競標.此外,該項目的另一個更深遠的目標是在不對技術概念進行較大改動且不需要太多額外鑒定試驗的條件下,天線反射器可以擴展到25m的口徑.

泰雷茲-阿萊尼亞公司的新一代Ku頻段可調行波管

該計劃由泰雷茲-阿萊尼亞公司電子部承擔,目標是改進150W的Ku頻段行波管(TWT)的靈活性,使輸出功率有3dB或4dB靈活可調范圍,同時優化整個系統的功率預算.

3 部分靈活有效載荷產品及應用

英國高適應衛星-1上的應用

高適應衛星-1是歐洲第一顆提供低成本互聯網接入的衛星,該衛星采用了許多先進的通信載荷技術,其設計、研制和試驗都是有歐航局的項目資助的.

高適應衛星-1采用的靈活行波管功率放大器由Tesat公司研制的

高適應衛星-1干質量1120kg,整星功率3.2kW,有效載荷質量261kg,載荷功率2kW,設計壽命15年.其衛星平臺由印度空間研究組織(ISRO)提供,載荷由空客防務和宇航公司公司提供.衛星形成8個Ka頻段點波束(0.6°),8個120W信道,最高等效全向輻射功率為60.0dBW.另有1個Ku頻段區域波束覆蓋歐洲,配有2個150W信道,等效全向輻射功率為52dBW.

衛星采用空客防務和宇航公司英國公司的通用靈活載荷技術,使得每路轉發器的帶寬、頻率計劃和功率分配都可以在軌設置.Ka頻段轉發器在108~250MHz之間可隨意設置,步長為500kHz.Ku頻段轉發器可以在18~120MHz之間均勻設置.采用Tesat公司的靈活行波管功率放大器技術實現了在軌功率靈活分配,行波管功率放大器在3dB范圍內調整時,功放的效率維持穩定.核心有效載荷設備均在英國樸茨茅斯工廠內設計、研制和試驗.

以色列阿莫斯-4衛星上的應用

以色列的阿莫斯-4衛星上成功應用了泰雷茲-阿萊尼亞公司公司面向靈活載荷研制了Ku頻段微波交換矩陣設備,支持射頻輸入和輸出連接的在軌編程.

該設備的兩個版本均經過正樣鑒定.整個設備質量分別為9.5kg、8.7kg.工作頻率13~14.5GHz,噪聲系數17dB,工作溫度范圍-10~+65℃.

Ku頻段微波交換矩形產品實拍圖

"阿爾法衛星"應用指向優化系統示意圖

歐洲航天局"阿爾法衛星"上的應用

歐洲航天局開展了一項名為"天線指向優化系統"的研究計劃,該計劃的目標是在國際移動衛星-4 (Inmarsat-4)的成功經驗基礎上,引入電子波束指向補償等技術,改進天線指向系統的性能,使其能夠滿足大型空間可展開天線的更加嚴格的指向要求.該指向系統的首個應用即是"阿爾法衛星"(AlphaSat).

該指向優化系統的射頻敏感器方案由通過射頻敏感系統產生的射頻測量值和電子操縱錯誤糾正組成,后者是針對載荷波束權重進行更新,從而實現各個波束的電子重新指向.射頻測量是對以固定地面信標為中心的多個專用波束進行測量的,而指向誤差則來自于地面對測量值的處理,經計算后再上傳到衛星進行調整.

此外,該指向優化系統還可直接應用于地球靜止軌道L和S頻段的移動通信天線,具有節省質量、指向性能高(≤0.05°)、模塊化等特點.

4 總結

在21世紀初互聯網泡沫破裂以后,衛星通信產業經歷了一段陣痛,通信衛星運營商在面臨商業模式轉變和地面運營商競爭的背景下,被迫進行兼并、重組、公開募股,努力通過在軌衛星艦隊優化、降低衛星成本、增強衛星在軌靈活性等手段來不斷適應衛星通信服務市場的發展與變化.

靈活有效載荷為通信衛星帶來兩大優點,對運營商來說,最直接的優點就是一顆衛星可以根據需求提供多種服務,可以及時應對市場動態變化;對制造商來說,逐步提升有效載荷的"公用"程度,開發出"通用" (或者"標準"、"公用")的有效載荷,在一定程度上滿足多種業務要求,從而改變以往一顆衛星一種載荷設計的情況,縮短有效載荷的研制周期和成本,提升在國際衛星制造商業的競爭力.

從整體發展情況來看,靈活有效載荷處于起步階段,歐洲仍有多項研究計劃處在進行之中.此外,美國衛星制造商也通過先進的數字化處理技術開展了靈活有效載荷的嘗試.未來,要想在國際商業通信衛星市場贏得訂單,不僅需要有成本效益高的成熟公用平臺,還需要在有效載荷方面做文章,提供靈活可變的服務.我國也應當抓住這一發展有效載荷技術的良機,從載荷總體設計、單機產品研發等多角度入手,夯實通信衛星制造產業基礎,提升國際競爭力.