國外軟件定義衛(wèi)星技術(shù)進展

+ 陳建光，王聰＊，梁曉莉 （. 中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院）

現(xiàn)有各類應(yīng)用衛(wèi)星已具備較強的性能，一方面，通信、遙感、導(dǎo)航等載荷能力大幅提升，基本滿足軍事活動和民用領(lǐng)域的需求，另一方面，衛(wèi)星在軌壽命不斷延長，地球靜止軌道衛(wèi)星可超過15年。但是這些衛(wèi)星一旦發(fā)射入軌，其載荷的性能參數(shù)在整個壽命期間無法改變，在一定程度上制約了衛(wèi)星的有效應(yīng)用。歐洲在2015年7月啟動研制“量子”通信衛(wèi)星，利用軟件定義無線電（Software-Defined Radio，SDR）技術(shù)實現(xiàn)在全Ku頻段的通信能力“定義”，即衛(wèi)星工作頻率、帶寬、信號強度、覆蓋范圍等性能參數(shù)的靈活更新。

從20世紀90年代提出軟件定義無線電的概念以來，美國國防部和國家航空航天局（NASA）根據(jù)各自需求分別進行了長期研究，并形成相應(yīng)的標準規(guī)范，有力支持了軟件定義無線電技術(shù)的應(yīng)用。NASA開展的一系列天基軟件定義載荷試驗成功驗證了基于相同硬件的功能定義能力，歐洲研制“量子”通信衛(wèi)星也受到美歐主要衛(wèi)星運營商和制造商的高度關(guān)注和跟進。相關(guān)試驗和應(yīng)用也將推動天基軟件定義無線電關(guān)鍵技術(shù)的進一步發(fā)展，在提高衛(wèi)星在軌靈活性的同時，也為未來構(gòu)建綜合一體化天基信息系統(tǒng)奠定堅實基礎(chǔ)。

1 軟件定義衛(wèi)星發(fā)展概述

1.1 相關(guān)概念

軟件定義無線電的概念最早由美國麥特公司約瑟夫·密特拉（Joseph Mitola III）博士在1992年5月的美國全國電信系統(tǒng)會議上提出，將其作為美國國防部開展“易話通”（SPEAKeasy）計劃的技術(shù)途徑之一，解決美軍及其盟軍不同無線電設(shè)備之間互聯(lián)互通的難題。軟件定義無線電提供了一種建立多模式、多頻段、多功能無線設(shè)備的有效且相當(dāng)經(jīng)濟的解決方案，可通過軟件升級實現(xiàn)功能的提高。軟件定義無線電可以使整個系統(tǒng)（包括用戶終端和網(wǎng)絡(luò)）采用動態(tài)的軟件編程對設(shè)備特性進行重新配置，即相同的硬件可以通過“軟件定義”來完成不同的功能。

軟件定義衛(wèi)星是軟件定義無線電技術(shù)在天基領(lǐng)域的應(yīng)用，與軟件定義無線電類似，即相同的載荷硬件設(shè)備通過“軟件定義”實現(xiàn)不同的功能。其本質(zhì)是射頻部分的數(shù)字化，以實現(xiàn)可編程或者軟件定義。為適用多種工作頻率，軟件定義衛(wèi)星須采用寬帶接收天線，實現(xiàn)多個頻點的信號接收和發(fā)射，而傳統(tǒng)衛(wèi)星僅能接收和發(fā)射經(jīng)設(shè)計的特定頻點信號。

通過對相同硬件的“軟件定義”，軟件定義衛(wèi)星具備多方面的優(yōu)點：一是使衛(wèi)星通過功能更新適應(yīng)不斷發(fā)展的用戶需求；二是通過加載不同的軟件，實現(xiàn)不同技術(shù)體制的多功能衛(wèi)星；三是改變目前以有效載荷為核心的衛(wèi)星設(shè)計理念，使衛(wèi)星具備功能的可重構(gòu)能力和靈活性。

1.2 軟件定義衛(wèi)星技術(shù)已開展多次天基試驗和應(yīng)用

美國NASA在20世紀90年代已開展天基軟件定義無線電技術(shù)研究，相繼研制了Blackjack可編程GPS接收機、低功耗收發(fā)機等設(shè)備，通過航天飛機任務(wù)和其他衛(wèi)星進行在軌演示驗證。“火星勘測軌道器”、“月球勘測軌道器”等航天器也分別搭載了基于軟件定義無線電的通信中繼／輔助導(dǎo)航載荷。在此基礎(chǔ)上，NASA制定一套開放的體系結(jié)構(gòu)標準，即“空間通信無線電系統(tǒng)”（STRS），成為首個天基軟件定義無線電技術(shù)標準。隨后，NASA聯(lián)合通用動力公司、哈里斯公司開展“空間通信與導(dǎo)航”（SCaN）試驗平臺項目，分別研制了三臺軟件定義無線電載荷。2012年，“空間通信與導(dǎo)航”試驗平臺由HTV-3貨運飛船運送到國際空間站，并開展相關(guān)技術(shù)試驗。

1.3 軟件定義的商業(yè)通信衛(wèi)星處于研制階段

歐洲航天局（ESA）與歐洲通信衛(wèi)星公司（Eutelsat）在2015年7月啟動研制新型的“量子”軟件定義通信衛(wèi)星，計劃在2018年發(fā)射首顆衛(wèi)星。該衛(wèi)星可實現(xiàn)全Ku頻段通信載荷的軟件定義設(shè)計，即衛(wèi)星工作頻率、帶寬、信號強度、覆蓋范圍等性能參數(shù)的靈活“更新”。“量子”衛(wèi)星項目的提出和研制，推動天基軟件定義無線電技術(shù)進入應(yīng)用階段，也是軟件定義衛(wèi)星發(fā)展的重要一步。此外，歐洲通信衛(wèi)星公司在2017年表示計劃增加采購2顆“量子”衛(wèi)星，利用3顆衛(wèi)星實現(xiàn)全球覆蓋。軍事用戶將是該系統(tǒng)的主要潛在客戶。

除歐洲通信衛(wèi)星公司外，國際通信衛(wèi)星公司（Intelsat）也計劃在其“下一代史詩”（EpicNG）高吞吐量衛(wèi)星上分階段采用新型數(shù)字載荷，希望在衛(wèi)星入軌后可以“定義”衛(wèi)星的通信性能，包括形成和改變覆蓋區(qū)及其功率分配等能力。該公司在2016年部署了首顆“下一代史詩”衛(wèi)星，即“國際通信衛(wèi)星”-29e，后續(xù)衛(wèi)星將具備根據(jù)變化的需求在覆蓋區(qū)域內(nèi)移動功率的能力，實現(xiàn)由地面控制覆蓋區(qū)的最終形成。

世界主要衛(wèi)星制造商如美國的波音公司、洛克希德·馬丁公司、勞拉空間系統(tǒng)公司、軌道阿連特公司，以及歐洲的空客防務(wù)與航天公司和泰勒斯·阿萊尼亞航天公司等均計劃將軟件定義無線電技術(shù)融入到其現(xiàn)有的衛(wèi)星之中。

2 國外軟件定義衛(wèi)星技術(shù)典型項目

2.1 美國重點驗證軟件定義衛(wèi)星載荷的可行性

NASA目前已開展多項基于軟件定義無線電技術(shù)的天基試驗，實現(xiàn)了雷達成像和通信集成、通信和導(dǎo)航集成以及高速Ka頻段通信等。此外美國正在部署可提供飛機位置信息的商用天基系統(tǒng)。

2.1.1 “迷你射頻”載荷試驗雷達成像和通信一體化能力

“迷你射頻”載荷是NASA研制的新型微型射頻雷達，驗證基于相同硬件的新型輕質(zhì)合成孔徑雷達成像技術(shù)和通信技術(shù)。作為“月球勘探軌道器”（LRO）的技術(shù)試驗載荷于2009年6月發(fā)射，運行在距離月表的50千米的極地軌道。印度在2008年發(fā)射的“月船一號”月球探測器也攜帶了與“迷你射頻”載荷類似的“迷你合成孔徑雷達”（Mini-SAR）載荷。

表1 美國“空間通信與導(dǎo)航”試驗平臺的載荷比較

“迷你射頻”載荷的質(zhì)量為14千克，天線面積為1.1平方米，具有雷達成像和通信兩種工作模式。雷達成像模式采用S頻段（2.38吉赫）和X頻段（7.14吉赫）條帶成像，分辨率為30米，幅寬為8千米。通信模式采用S頻段（2.38吉赫）半雙工模式，最大數(shù)據(jù)傳輸率為500千比特/秒，已試驗的數(shù)據(jù)傳輸率達到220千比特/秒。

2.1.2 “空間通信與導(dǎo)航”試驗平臺驗證天基軟件定義無線電技術(shù)成熟度

“空間通信與導(dǎo)航”試驗平臺是NASA在2008年啟動的天基軟件無線電技術(shù)試驗，2012年安裝在國際空間站。該平臺搭載了噴氣推進實驗室、通用動力公司、哈里斯公司研制的3個軟件無線電載荷模塊。表1列出了3個軟件定義無線電載荷模塊的基本情況。其中，噴氣推進實驗室的載荷具有S頻段通信和L頻段GPS信號接收能力；通用動力公司的載荷具有S頻段通信能力；哈里斯公司的載荷是基于其AppSTAR軟件定義體系結(jié)構(gòu)研制的Ka頻段通信系統(tǒng)，最大通信速率可達到1.2吉比特/秒。

圖1 美國“下一代銥星”搭載的ADS-B載荷

圖2 歐洲通信衛(wèi)星公司的“量子”衛(wèi)星在軌示意

2.1.3 天基廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)提供全球飛機跟蹤

美國Aireon公司在2014年提出建設(shè)基于廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)（ADS-B）的全球飛機跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用搭載在“銥星下一代”衛(wèi)星的Aireon載荷（如圖1所示），可實時跟蹤裝有頻率為1090兆赫ADS-B設(shè)備的飛機并實時顯示，以便準確獲取飛機的詳細位置信息。其覆蓋有效性不低于99.9%，達到國際民航組織的黃金標準；服務(wù)響應(yīng)時間不超過1.5秒；對大多數(shù)區(qū)域的數(shù)據(jù)更新頻率不超過8秒。在首批10顆“銥星下一代”衛(wèi)星在2017年1月部署后，ADS-B全球飛機跟蹤系統(tǒng)在3月由加拿大導(dǎo)航公司、美國北極星飛行系統(tǒng)公司、美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）分別進行了獨立的數(shù)據(jù)采集試驗。試驗數(shù)據(jù)經(jīng)分析表明，Aireon公司ADS-B系統(tǒng)的信息接收和編碼效果與地基基站相當(dāng)。

2.2 歐洲航天局率先研制軟件定義衛(wèi)星

歐洲航天局聯(lián)合歐洲通信衛(wèi)星公司、空客防務(wù)與航天公司，提出研制全球首顆采用軟件定義載荷的“量子”衛(wèi)星（如圖2所示），實現(xiàn)覆蓋區(qū)域、頻段、帶寬和功率的在軌重新配置。

衛(wèi)星載荷為Ku頻段轉(zhuǎn)發(fā)器，下行頻率為10.7吉赫～12.75吉赫，上行頻率為12.75吉赫～14.80吉赫，覆蓋了國際電信聯(lián)盟（ITU）的3個衛(wèi)星固定通信業(yè)務(wù)頻段。其有源陣列天線系統(tǒng)可根據(jù)需要如飛機或船只的航線通信需求改變覆蓋區(qū)域形狀。圖3（a）給出了“量子”衛(wèi)星對一條歐洲至巴西飛機航線的區(qū)域覆蓋情況，利用跳變波束，飛機在整個飛行過程中始終處于同一個波束覆蓋之下，可以有效增加信號增益，而在圖3（b）顯示的不采用跳變波束技術(shù)情況下，飛機需要經(jīng)過4個重疊的波束覆蓋區(qū)。

圖3 歐洲“量子”衛(wèi)星飛行航線覆蓋情況對比

3 軟件定義衛(wèi)星技術(shù)應(yīng)用前景分析

3.1 顯著提升通信衛(wèi)星運行和制造靈活性

軟件定義衛(wèi)星技術(shù)可極大提升通信衛(wèi)星有效載荷的靈活性。一方面，改變傳統(tǒng)地球靜止軌道通信衛(wèi)星在工作期內(nèi)無法及時更新通信技術(shù)的劣勢。另一方面，軟件定義衛(wèi)星將改變目前的通信衛(wèi)星制造模式，制造商不必等待獲得訂單之后再進行制造，可按照一定的規(guī)格實現(xiàn)通信衛(wèi)星的批量制造和預(yù)先制造，用戶（軍方或商業(yè)運營商）可在衛(wèi)星發(fā)射入軌后進行能力配置，從而縮短衛(wèi)星研制周期和降低研制成本。同時用戶也可根據(jù)業(yè)務(wù)需要和衛(wèi)星的健康狀態(tài)，最大程度地利用衛(wèi)星能力，實現(xiàn)衛(wèi)星制造商和用戶的“雙贏”。

3.2 未來一星多能的“軟件星”可提供快速響應(yīng)能力，但也存在一定局限性

基于軟件定義無線電的設(shè)計理念，研制具有通用硬件平臺，可通過軟件定義的方式實現(xiàn)多種功能的“軟件星”，如多頻段衛(wèi)星通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、雷達成像偵察，甚至針對雷達／通信信號的電子偵察或電子對抗，可達到一星多能、一星多用的目的。

軟件定義衛(wèi)星的局限性主要有兩方面。一方面，工作頻段僅限于射頻譜段，因此無法實現(xiàn)工作在可見光、紅外、激光等光學(xué)譜段的衛(wèi)星裝備的能力，如光學(xué)成像偵察衛(wèi)星的高分辨率、易辨識的圖像情報，導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星對短波紅外、中波紅外事件的早期預(yù)警探測，激光雷達探測衛(wèi)星的三維高精度成像和環(huán)境探測等。另一方面，一星多能也會增加其研制成本和發(fā)射質(zhì)量，如全頻段天線需要搭載多個子頻段天線陣，而且功能的復(fù)雜性必然會影響其性能，并可能降低其可靠性。

4 小結(jié)

結(jié)合美國“空間通信與導(dǎo)航”試驗平臺、歐洲“量子”衛(wèi)星等項目的經(jīng)驗，我們應(yīng)當(dāng)注意以下三點：一是技術(shù)探索和標準制定并重，利用研究機構(gòu)和企業(yè)的聯(lián)合優(yōu)勢，共同推動軟件定義衛(wèi)星發(fā)展；二是加強高性能通用硬件設(shè)備的研制生產(chǎn)能力，減少對國外產(chǎn)品的依賴；三是重視地面系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，加強天地統(tǒng)籌發(fā)展，充分利用衛(wèi)星能力。

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