朱贵伟(北京空间科技信息研究所)

欧洲灵活有效载荷发展研究

朱贵伟(北京空间科技信息研究所)

近年来,国外兴起了针对通信卫星灵活性的研究,以欧洲为主要典型代表.所谓灵活卫星,主要是指采用了灵活有效载荷技术的卫星,其关键在于载荷的灵活性.

1 概述

2013年,国际商业通信卫星制造市场依然以美欧为主,从年内发射的和签订的订单情况来看,美国占据的份额都是最多,欧洲位列第二.随着俄罗斯、中国、日本等国航天制造企业进入国际市场,为提升产业竞争力,欧洲航天局(ESA)推出了在欧洲范围内的"通信系统先进研究"(ARTES)计划,涵盖了包括"阿尔法平台"(Alphabus)和"新卫星"(Neosat)平台在内的多项平台研发计划.除卫星平台技术以外,欧航局还主导通信有效载荷技术的发展,开展了一系列关于灵活有效载荷的研究.

采用传统透明转发器的通信卫星在入轨以后,其技术状态基本上就是固定的,难以针对市场变化及时做出动态调整.因此,产业界萌发了"灵活卫星"的概念,即卫星在轨服役期间,可以针对商业模式或市场需求变化动态调整星上资源,持续提供卫星通信服务,实现卫星的灵活性.

"灵活有效载荷"是一个笼统的整体的概念,包括很多内涵.根据泰雷兹-阿莱尼亚公司(TAS)的定义,灵活性包括7个方面:

1) 轨道灵活性:轨道灵活性并不是指卫星的轨位可以随意移动,而是指可以在多个轨道位置上提供相同的覆盖,完成相同的任务;

2) 覆盖灵活性:主要针对天线波束而言,指波束的形状、等效全向辐射功率(EIRP)的轮廓、波束中心、波束数量和大小都可以根据需求变化;

3) 频率规划灵活性:主要是指信道的数量、带宽和保护间隔都是可变的,也指频率转换和本地晶振设计也是灵活的;

4) 发射功率灵活性:是指根据业务传输需要,改变信道或波束分得的发射功率;

5) 路由灵活性:包括路由的颗粒度和路由的定义,与卫星覆盖范围和频率规划的灵活性密切相关.卫星可改变信道或子信道的滤波特性,对所有或部分信道进行路由;

6) 波形及媒体接入控制层(MAC)协议的灵活性:针对再生转发器而言,可包括调制解调方案以及编码方案的灵活性,要求星上调制器解调器具备适应新型波形的能力,例如从数字视频广播-卫星(DVB-S)升级到DVB-S2;

7) 交换层次的灵活性:它是指在物理层之上的更高级的灵活性,包括数据结构(数据包大小、包头)和通信协议等方面的灵活性.

有许多技术可以在不同层次上支持灵活载荷,例如数字波束成形天线、灵活行波管放大器(TWTA)和多端口放大器(MPA)、数字半透明载荷、再生载荷等等.从通信有效载荷组成的角度来看,可以分为天线和转发器两部分.其中,天线部分的典型代表技术为可重构天线技术,分无源和有源两大类,在无源天线中又包括机械和电子的无源天线.转发器领域的技术则包括光学互联、中频处理器、数字透明处理器等多项技术.

2 欧洲灵活有效载荷相关研究

为提升欧洲卫星通信产业的实力,保护其在国际市场的竞争力,欧航局在"通信系统先进研究"计划下开展多项技术研发和应用实践项目.其中,通信系统先进研究-3-4是专门针对通信平台和有效载荷的单机产品的研发计划.泰雷兹-阿莱尼亚公司与空客防务和宇航公司(Airbus Defense&Space)在这个计划下开展了多项针对灵活载荷的产品研究.

此外,欧航局还设置了先进灵活通信载荷工作组,自2008年起先后举办了两届工作组研讨会,与产业界一起,共同推进灵活载荷的发展.下面选取部分研究计划进行简单介绍,以期获得对欧洲灵活有效载荷发展现状的初步认识.

泰雷兹-阿莱尼亚公司的敏捷/灵活有效载荷部件研究

泰雷兹-阿莱尼亚公司公司自2008年6月起,开始在通信系统先进研究-3-4计划下开展敏捷/灵活有效载荷部件研究.该项研究主要针对宽带通信卫星,关键的灵活载荷技术包括多波束天线、高频段部件、星上再生或交换等等.泰雷兹-阿莱尼亚公司公司在此计划下研制了多个工程样机,包括敏捷/灵活频率变换器、频率生成单元、集成微波交换矩阵、敏捷/灵活指令接收机等等.所有设备均面向Ku和K频段开发,同时也可以经过少量改进适应其他频段.

敏捷/灵活频率变换器采用两次变换的策略,输入频率为Ku频段(13~14.5GHz),输出频率为K频段单信道(19~21.2GHz),输入输出的频率都是灵活可选的,此外,通过对中频的信道滤波器进行设置也可以灵活改变信道的带宽.

频率生成单元能够产生多个参考频率,且能够实现较好的相位噪声性能,支持有效载荷在较宽的频率范围内实现复杂的频率变换方案.

集成微波交换矩阵可实现任意单个信道在输入与输出之间的切换,支持多个输入信道合成为一个输入,同样也可以支持一个信道向多个信道广播.

敏捷/灵活指令接收机主要针对遥控信号,可在轨设置接收频率,频率在整个Ku频段可调.

敏捷/灵活载荷在单机级、载荷分系统级以及卫星通信市场都有许多好处.单机级的模块化设计使得产品很容易针对不同配置进行改进,例如频率变换器就成功应用于以色列的阿莫斯-4(AMOS-4)卫星上.

目前所有的工程鉴定样机均已成功开发出来,并且经过了鉴定试验.

空客防务和宇航公司的通用灵活载荷泰雷兹-阿莱尼亚公司的面向先进移动通信的大型空间可展开天线

空客防务和宇航公司英国公司在通信系统先进研究-3-4计划下开展了通用灵活载荷的研究,部分研究成果也以成功应用于英国阿凡蒂(Avanti)公司的宽带通信卫星"高适应性卫星"(Hylas)上.

通用灵活载荷定位于固定通信、电视直播和宽带通信卫星,频率范围包括C、Ku和Ka.最突出的特点是可以在轨调整输入与输出间的信道路由.该计划的目标是开发工程签订样机,并完成冲击、震动、热真空和电磁兼容性(EMC)等环境试验.该计划利用陶瓷材料(Hi-MMHT)支持新型分组技术.

灵活行波管电性能目标

泰雷兹-阿莱尼亚公司"通信系统先进研究"计划的目标是开发口径至少在12m的大型空间可展开反射器,涵盖12m反射器的电气、热机械和技术方面的设计,以及工程鉴定样机的制造、集成与试验.试验内容包括全尺寸电气(包括无源交调测试)、热机械和展开等项目,完成鉴定试验后可参与商业卫星的竞标.此外,该项目的另一个更深远的目标是在不对技术概念进行较大改动且不需要太多额外鉴定试验的条件下,天线反射器可以扩展到25m的口径.

泰雷兹-阿莱尼亚公司的新一代Ku频段可调行波管

该计划由泰雷兹-阿莱尼亚公司电子部承担,目标是改进150W的Ku频段行波管(TWT)的灵活性,使输出功率有3dB或4dB灵活可调范围,同时优化整个系统的功率预算.

3 部分灵活有效载荷产品及应用

英国高适应卫星-1上的应用

高适应卫星-1是欧洲第一颗提供低成本互联网接入的卫星,该卫星采用了许多先进的通信载荷技术,其设计、研制和试验都是有欧航局的项目资助的.

高适应卫星-1采用的灵活行波管功率放大器由Tesat公司研制的

高适应卫星-1干质量1120kg,整星功率3.2kW,有效载荷质量261kg,载荷功率2kW,设计寿命15年.其卫星平台由印度空间研究组织(ISRO)提供,载荷由空客防务和宇航公司公司提供.卫星形成8个Ka频段点波束(0.6°),8个120W信道,最高等效全向辐射功率为60.0dBW.另有1个Ku频段区域波束覆盖欧洲,配有2个150W信道,等效全向辐射功率为52dBW.

卫星采用空客防务和宇航公司英国公司的通用灵活载荷技术,使得每路转发器的带宽、频率计划和功率分配都可以在轨设置.Ka频段转发器在108~250MHz之间可随意设置,步长为500kHz.Ku频段转发器可以在18~120MHz之间均匀设置.采用Tesat公司的灵活行波管功率放大器技术实现了在轨功率灵活分配,行波管功率放大器在3dB范围内调整时,功放的效率维持稳定.核心有效载荷设备均在英国朴茨茅斯工厂内设计、研制和试验.

以色列阿莫斯-4卫星上的应用

以色列的阿莫斯-4卫星上成功应用了泰雷兹-阿莱尼亚公司公司面向灵活载荷研制了Ku频段微波交换矩阵设备,支持射频输入和输出连接的在轨编程.

该设备的两个版本均经过正样鉴定.整个设备质量分别为9.5kg、8.7kg.工作频率13~14.5GHz,噪声系数17dB,工作温度范围-10~+65℃.

Ku频段微波交换矩形产品实拍图

"阿尔法卫星"应用指向优化系统示意图

欧洲航天局"阿尔法卫星"上的应用

欧洲航天局开展了一项名为"天线指向优化系统"的研究计划,该计划的目标是在国际移动卫星-4 (Inmarsat-4)的成功经验基础上,引入电子波束指向补偿等技术,改进天线指向系统的性能,使其能够满足大型空间可展开天线的更加严格的指向要求.该指向系统的首个应用即是"阿尔法卫星"(AlphaSat).

该指向优化系统的射频敏感器方案由通过射频敏感系统产生的射频测量值和电子操纵错误纠正组成,后者是针对载荷波束权重进行更新,从而实现各个波束的电子重新指向.射频测量是对以固定地面信标为中心的多个专用波束进行测量的,而指向误差则来自于地面对测量值的处理,经计算后再上传到卫星进行调整.

此外,该指向优化系统还可直接应用于地球静止轨道L和S频段的移动通信天线,具有节省质量、指向性能高(≤0.05°)、模块化等特点.

4 总结

在21世纪初互联网泡沫破裂以后,卫星通信产业经历了一段阵痛,通信卫星运营商在面临商业模式转变和地面运营商竞争的背景下,被迫进行兼并、重组、公开募股,努力通过在轨卫星舰队优化、降低卫星成本、增强卫星在轨灵活性等手段来不断适应卫星通信服务市场的发展与变化.

灵活有效载荷为通信卫星带来两大优点,对运营商来说,最直接的优点就是一颗卫星可以根据需求提供多种服务,可以及时应对市场动态变化;对制造商来说,逐步提升有效载荷的"公用"程度,开发出"通用" (或者"标准"、"公用")的有效载荷,在一定程度上满足多种业务要求,从而改变以往一颗卫星一种载荷设计的情况,缩短有效载荷的研制周期和成本,提升在国际卫星制造商业的竞争力.

从整体发展情况来看,灵活有效载荷处于起步阶段,欧洲仍有多项研究计划处在进行之中.此外,美国卫星制造商也通过先进的数字化处理技术开展了灵活有效载荷的尝试.未来,要想在国际商业通信卫星市场赢得订单,不仅需要有成本效益高的成熟公用平台,还需要在有效载荷方面做文章,提供灵活可变的服务.我国也应当抓住这一发展有效载荷技术的良机,从载荷总体设计、单机产品研发等多角度入手,夯实通信卫星制造产业基础,提升国际竞争力.