国外软件定义卫星技术进展

+ 陈建光，王聪＊，梁晓莉 （. 中国航天系统科学与工程研究院）

现有各类应用卫星已具备较强的性能，一方面，通信、遥感、导航等载荷能力大幅提升，基本满足军事活动和民用领域的需求，另一方面，卫星在轨寿命不断延长，地球静止轨道卫星可超过15年。但是这些卫星一旦发射入轨，其载荷的性能参数在整个寿命期间无法改变，在一定程度上制约了卫星的有效应用。欧洲在2015年7月启动研制“量子”通信卫星，利用软件定义无线电（Software-Defined Radio，SDR）技术实现在全Ku频段的通信能力“定义”，即卫星工作频率、带宽、信号强度、覆盖范围等性能参数的灵活更新。

从20世纪90年代提出软件定义无线电的概念以来，美国国防部和国家航空航天局（NASA）根据各自需求分别进行了长期研究，并形成相应的标准规范，有力支持了软件定义无线电技术的应用。NASA开展的一系列天基软件定义载荷试验成功验证了基于相同硬件的功能定义能力，欧洲研制“量子”通信卫星也受到美欧主要卫星运营商和制造商的高度关注和跟进。相关试验和应用也将推动天基软件定义无线电关键技术的进一步发展，在提高卫星在轨灵活性的同时，也为未来构建综合一体化天基信息系统奠定坚实基础。

1 软件定义卫星发展概述

1.1 相关概念

软件定义无线电的概念最早由美国麦特公司约瑟夫·密特拉（Joseph Mitola III）博士在1992年5月的美国全国电信系统会议上提出，将其作为美国国防部开展“易话通”（SPEAKeasy）计划的技术途径之一，解决美军及其盟军不同无线电设备之间互联互通的难题。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。软件定义无线电可以使整个系统（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，即相同的硬件可以通过“软件定义”来完成不同的功能。

软件定义卫星是软件定义无线电技术在天基领域的应用，与软件定义无线电类似，即相同的载荷硬件设备通过“软件定义”实现不同的功能。其本质是射频部分的数字化，以实现可编程或者软件定义。为适用多种工作频率，软件定义卫星须采用宽带接收天线，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。

通过对相同硬件的“软件定义”，软件定义卫星具备多方面的优点：一是使卫星通过功能更新适应不断发展的用户需求；二是通过加载不同的软件，实现不同技术体制的多功能卫星；三是改变目前以有效载荷为核心的卫星设计理念，使卫星具备功能的可重构能力和灵活性。

1.2 软件定义卫星技术已开展多次天基试验和应用

美国NASA在20世纪90年代已开展天基软件定义无线电技术研究，相继研制了Blackjack可编程GPS接收机、低功耗收发机等设备，通过航天飞机任务和其他卫星进行在轨演示验证。“火星勘测轨道器”、“月球勘测轨道器”等航天器也分别搭载了基于软件定义无线电的通信中继／辅助导航载荷。在此基础上，NASA制定一套开放的体系结构标准，即“空间通信无线电系统”（STRS），成为首个天基软件定义无线电技术标准。随后，NASA联合通用动力公司、哈里斯公司开展“空间通信与导航”（SCaN）试验平台项目，分别研制了三台软件定义无线电载荷。2012年，“空间通信与导航”试验平台由HTV-3货运飞船运送到国际空间站，并开展相关技术试验。

1.3 软件定义的商业通信卫星处于研制阶段

欧洲航天局（ESA）与欧洲通信卫星公司（Eutelsat）在2015年7月启动研制新型的“量子”软件定义通信卫星，计划在2018年发射首颗卫星。该卫星可实现全Ku频段通信载荷的软件定义设计，即卫星工作频率、带宽、信号强度、覆盖范围等性能参数的灵活“更新”。“量子”卫星项目的提出和研制，推动天基软件定义无线电技术进入应用阶段，也是软件定义卫星发展的重要一步。此外，欧洲通信卫星公司在2017年表示计划增加采购2颗“量子”卫星，利用3颗卫星实现全球覆盖。军事用户将是该系统的主要潜在客户。

除欧洲通信卫星公司外，国际通信卫星公司（Intelsat）也计划在其“下一代史诗”（EpicNG）高吞吐量卫星上分阶段采用新型数字载荷，希望在卫星入轨后可以“定义”卫星的通信性能，包括形成和改变覆盖区及其功率分配等能力。该公司在2016年部署了首颗“下一代史诗”卫星，即“国际通信卫星”-29e，后续卫星将具备根据变化的需求在覆盖区域内移动功率的能力，实现由地面控制覆盖区的最终形成。

世界主要卫星制造商如美国的波音公司、洛克希德·马丁公司、劳拉空间系统公司、轨道阿连特公司，以及欧洲的空客防务与航天公司和泰勒斯·阿莱尼亚航天公司等均计划将软件定义无线电技术融入到其现有的卫星之中。

2 国外软件定义卫星技术典型项目

2.1 美国重点验证软件定义卫星载荷的可行性

NASA目前已开展多项基于软件定义无线电技术的天基试验，实现了雷达成像和通信集成、通信和导航集成以及高速Ka频段通信等。此外美国正在部署可提供飞机位置信息的商用天基系统。

2.1.1 “迷你射频”载荷试验雷达成像和通信一体化能力

“迷你射频”载荷是NASA研制的新型微型射频雷达，验证基于相同硬件的新型轻质合成孔径雷达成像技术和通信技术。作为“月球勘探轨道器”（LRO）的技术试验载荷于2009年6月发射，运行在距离月表的50千米的极地轨道。印度在2008年发射的“月船一号”月球探测器也携带了与“迷你射频”载荷类似的“迷你合成孔径雷达”（Mini-SAR）载荷。

表1 美国“空间通信与导航”试验平台的载荷比较

“迷你射频”载荷的质量为14千克，天线面积为1.1平方米，具有雷达成像和通信两种工作模式。雷达成像模式采用S频段（2.38吉赫）和X频段（7.14吉赫）条带成像，分辨率为30米，幅宽为8千米。通信模式采用S频段（2.38吉赫）半双工模式，最大数据传输率为500千比特/秒，已试验的数据传输率达到220千比特/秒。

2.1.2 “空间通信与导航”试验平台验证天基软件定义无线电技术成熟度

“空间通信与导航”试验平台是NASA在2008年启动的天基软件无线电技术试验，2012年安装在国际空间站。该平台搭载了喷气推进实验室、通用动力公司、哈里斯公司研制的3个软件无线电载荷模块。表1列出了3个软件定义无线电载荷模块的基本情况。其中，喷气推进实验室的载荷具有S频段通信和L频段GPS信号接收能力；通用动力公司的载荷具有S频段通信能力；哈里斯公司的载荷是基于其AppSTAR软件定义体系结构研制的Ka频段通信系统，最大通信速率可达到1.2吉比特/秒。

图1 美国“下一代铱星”搭载的ADS-B载荷

图2 欧洲通信卫星公司的“量子”卫星在轨示意

2.1.3 天基广播式自动相关监视系统提供全球飞机跟踪

美国Aireon公司在2014年提出建设基于广播式自动相关监视系统（ADS-B）的全球飞机跟踪系统。该系统利用搭载在“铱星下一代”卫星的Aireon载荷（如图1所示），可实时跟踪装有频率为1090兆赫ADS-B设备的飞机并实时显示，以便准确获取飞机的详细位置信息。其覆盖有效性不低于99.9%，达到国际民航组织的黄金标准；服务响应时间不超过1.5秒；对大多数区域的数据更新频率不超过8秒。在首批10颗“铱星下一代”卫星在2017年1月部署后，ADS-B全球飞机跟踪系统在3月由加拿大导航公司、美国北极星飞行系统公司、美国联邦航空管理局（FAA）分别进行了独立的数据采集试验。试验数据经分析表明，Aireon公司ADS-B系统的信息接收和编码效果与地基基站相当。

2.2 欧洲航天局率先研制软件定义卫星

欧洲航天局联合欧洲通信卫星公司、空客防务与航天公司，提出研制全球首颗采用软件定义载荷的“量子”卫星（如图2所示），实现覆盖区域、频段、带宽和功率的在轨重新配置。

卫星载荷为Ku频段转发器，下行频率为10.7吉赫～12.75吉赫，上行频率为12.75吉赫～14.80吉赫，覆盖了国际电信联盟（ITU）的3个卫星固定通信业务频段。其有源阵列天线系统可根据需要如飞机或船只的航线通信需求改变覆盖区域形状。图3（a）给出了“量子”卫星对一条欧洲至巴西飞机航线的区域覆盖情况，利用跳变波束，飞机在整个飞行过程中始终处于同一个波束覆盖之下，可以有效增加信号增益，而在图3（b）显示的不采用跳变波束技术情况下，飞机需要经过4个重叠的波束覆盖区。

图3 欧洲“量子”卫星飞行航线覆盖情况对比

3 软件定义卫星技术应用前景分析

3.1 显著提升通信卫星运行和制造灵活性

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，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，软件定义卫星将改变目前的通信卫星制造模式，制造商不必等待获得订单之后再进行制造，可按照一定的规格实现通信卫星的批量制造和预先制造，用户（军方或商业运营商）可在卫星发射入轨后进行能力配置，从而缩短卫星研制周期和降低研制成本。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，实现卫星制造商和用户的“双赢”。

3.2 未来一星多能的“软件星”可提供快速响应能力，但也存在一定局限性

基于软件定义无线电的设计理念，研制具有通用硬件平台，可通过软件定义的方式实现多种功能的“软件星”，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，可达到一星多能、一星多用的目的。

软件定义卫星的局限性主要有两方面。一方面，工作频段仅限于射频谱段，因此无法实现工作在可见光、红外、激光等光学谱段的卫星装备的能力，如光学成像侦察卫星的高分辨率、易辨识的图像情报，导弹预警卫星对短波红外、中波红外事件的早期预警探测，激光雷达探测卫星的三维高精度成像和环境探测等。另一方面，一星多能也会增加其研制成本和发射质量，如全频段天线需要搭载多个子频段天线阵，而且功能的复杂性必然会影响其性能，并可能降低其可靠性。

4 小结

结合美国“空间通信与导航”试验平台、欧洲“量子”卫星等项目的经验，我们应当注意以下三点：一是技术探索和标准制定并重，利用研究机构和企业的联合优势，共同推动软件定义卫星发展；二是加强高性能通用硬件设备的研制生产能力，减少对国外产品的依赖；三是重视地面系统的开发应用，加强天地统筹发展，充分利用卫星能力。

[1] Mini-RF: NASA's Next Leap in Lunar Exploration [EB/OL]．http://www.nasa.gov．

[2] Space Telecommunications Radio System (STRS) Architecture Tutorial - Project Management [EB/OL]．http://www.nasa.gov．

[3] David Brooks, et al.．In-Space Networking On NASA's SCaN Testbed [C]．2016 ICSSC STB Networking

[4] Thomas J. Kacpura, et al.．Software Defined Radio Architecture Contributions to Next Generation Space Communications [R]．National Aeronautics and Space Administration John H. Glenn Research Center．

[5] Aireon Technical Overview［EB/OL］．http://www.aireon.com

[6] Hector Fenech, Sonya Amos．Eutelsat Quantum: A Game Changer [C]．International Communications Satellite Systems Conferences (ICSSC) / 33rd AIAA International Communications Satellite Systems Conference and Exhibition．Queensland, Australia,September 7-10, 2015

[7] H. Fenech, S. Amos, T. Waterfield．The Role of Array Antennas in Commercial Telecommunication Satellites [C]．January 2016