国外软件定义卫星最新进展研究
近年来，地球静止轨道（GEO）通信卫星面临着越来越严重的成本冲击，通信卫星在轨工作期间如何更加高效地服务不同区域、不同时域的不同应用需求，提升通信资源利用效率成为了各运营商面临的主要问题。在全球通信需求日益增长和不断复杂化的驱动下，软件定义卫星（SDS）逐渐成为卫星通信系统的重要组成部分，受到全球范围内的广泛关注和研究。软件定义卫星是一种以计算为中心、以软件为手段的卫星技术，通过软件定义无线电、软件定义载荷、软件定义数据处理计算机等手段，将传统上基于专用模拟硬件实现的卫星功能，转变为通过数字软件灵活定义和重构的方式来实现。传统卫星在硬件设计和系统架构上具有较高的固定性，通常在发射后无法更改其功能和配置，限制了其在复杂、多变的通信环境中的适应性。而软件定义卫星则通过灵活的软件配置和可编程硬件，实现了在轨道上进行功能更新和任务重组的能力，从而在降低成本的同时大幅提升了卫星的适应能力和运营效率。卫星的灵活性包括将卫星移动到不同的位置，可以在轨道上完全重新配置；可以在轨调整其覆盖区域、容量和频率，实现卫星的波束灵活、容量灵活；可以满足不断变化的任务场景，例如将卫星的功能从电视广播切换到互联网连接、由互联网连接切换到单跳等，实现路由灵活。目前，国外软件定义卫星已进入实际应用阶段，极大地拓宽了卫星通信的应用场景。高通量卫星欧洲卫星-17（SES-17，图1）于2021年10月24日发射成功，是欧洲卫星公司（SES）第一颗纯Ka频段高通量卫星，搭载泰雷兹-阿莱尼亚公司（TAS）第五代数字透明处理器（DTP）。SES-17携带的DTP能够重新编程卫星的近200个波束，调整功率和频率分配，以响应不断变化的客户需求。所有波束通过DTP进行全连接，频率带宽与子带交换灵活，实现一定程度功率灵活，可处理的容量高达200Gbit/s，单波束速率最大可达2Gbit/s。订制的单馈源单波束+数字信道化+交换的固定波束+DTP载荷在覆盖区域明确时依然为用户的重要选择。卫讯-3（Viasat-3，图2）卫星于2023年5月1日发射成功。ViaSat-3由三颗独立的卫星组成高通量卫星（HTS）星座，每颗卫星都为选定的全球区域提供覆盖：ViaSat-3（美洲）覆盖美洲；ViaSat-3(EMEA)覆盖欧洲、中东和非洲，ViaSat-3(APAC)覆盖亚太地区，单星通量达到1Tbit/s，单星通信容量大幅提升。在高达1Tbit/s容量之外，ViaSat-3系统的另一个特点是能够做到容量的动态分配，哪个区域需要更多带宽，它就可以将容量和资源有限分配到哪个区域，即该卫星具有一定的灵活能力。休斯公司（Hughes）的木星三号卫星（Jupiter-3）于2023年7月发射。Jupiter-3（图3）采用休斯最新一代的高容量卫星通信系统，支持DVB-S2X标准，单主站出向载波速率高达235Msps，系统单机柜通信容量达10Gbit/s。为了给用户波束让出更多的Ka-band资源，Jupiter-3卫星的馈电波束采用Q/V-band，独特的SDN网络架构实现“休斯网络”（HughesNet）卫星宽带服务的高稳定性和高可靠性，总容量可以达到500Gbit/s。灵活载荷卫星欧洲通信卫星公司（Eutelsat）“量子”卫星（Quantum，图4）是一颗具有软件可重配置有效载荷的实验性通信卫星，是欧洲航天局（ESA）与欧洲通信卫星公司（Eutelsat）及卫星制造商空客公司共同开展的电信系统先进研究（ARTES）合作项目。卫星于2021年发射。量子卫星在技术上极具灵活性，是第一颗完全软件可定义的Ku频段GEO轨道的商业通信卫星，通过在轨卫星资源的可重构、可定义、可优化，包括功率、频谱、覆盖范围，可以满足不同的用户需求，在18年的设计寿命中，可以应对用户市场的不同需求。量子卫星下行配备Ku频段有源阵列馈电反射面天线，上行配备Ku频段的直接辐射阵列天线，上下行可分别形成8个独立点波束，波束的形状、大小灵活可调，而且位置灵活可动，在1s之内能在卫星可视范围内实现任意位置的移动。此外，卫星支持DVB-S2X协议，具备按照时隙配比进行跳波束的能力，针对航空线路上的业务需求时变特点，1个波束可以分解为多个覆盖范围更加集中、连续组合的子波束，以时分方式共享容量，实现更优服务性能。“太空灵感”（Inspire）为泰雷兹-阿莱尼亚公司在研的全灵活卫星，目前已经获得了多颗国际市场订单。对于Inspire全灵活卫星，其载荷天线系统配置了有源阵列天线，从而实现覆盖区域、波束形状、波束规模的灵活调配。其有源馈源阵列为双极化工作，其中Ku与Ka均为模块化、通用化、标准化产品，可以在需求配置上进行适当的扩展。该公司Inspire平台签订通信卫星合同如表1所示。空客防务和宇航公司（ADS）在欧洲通信系统先进研究计划下开展了多项灵活载荷的产品研究。“一星”（Onesat）（图5）为ADS在研的全灵活卫星，目前已经获得了多颗国际市场订单。对于Onesat全灵活卫星，其载荷天线系统配置了有源阵列天线。初步的调研可以看出，对于发射多波束天线，其采用了2.5m左右的赋形反射器配置80余个馈源构成的馈源阵列，从而实现覆盖区域内的波束灵活；对于接收多波束天线，其采用了2m左右的赋形反射器配置80余个馈源构成的馈源阵列，实现接收波束，通过数字载荷实现波束的带宽、形状灵活配置。空客公司OneSat平台签订通信卫星合同如表2所示。“欧米伽”（Omega）为美国Astranis公司推出的针对微小GEO平台的灵活载荷产品。2024年4月10日，推出了可支持50Gbit/s容量的Omega系列卫星。首发星计划于2025年完成总装测试。Omega单星容量为50Gbit/s，配备Ka频段3.5m左右环形天线，Q/V频段固面天线。载荷配置标准化批产化软件定义数字载荷，并且使用可提供更多灵活性且更便宜的公司自行设计的固态放大器（SSPA），具备频率灵活、覆盖灵活、波束聚合、共轨协同覆盖等能力。蜂鸟卫星（HummingSat）（图6）是瑞士航天产品制造商SWISSto12公司所开发的微小型GEO全电推卫星平台。SWISSto12公司与欧洲航天局签订了一项开发合同，该合同得到ARTES项目的支持，并于2023年9月从瑞士银行获得约2730万美元的信贷款，用于HummingSat平台的开发。该平台将采用SWISSto12公司开创性3D打印专利技术，具备灵活、高性能和低成本的研制特性，为全球卫星运营商提供关键通信服务。HummingSat平台计划于2025年发射研制的首颗GEO通信卫星。HummingSat平台目前已经获得了多颗国际市场订单，签订通信卫星合同如表3所示。随着全球通信需求的增长，软件定义卫星的有效载荷关键技术成为推动卫星通信领域创新的核心。传统卫星的有效载荷功能通常在设计之初就已确定，在轨期间难以调整，而软件定义卫星则利用高度可编程和灵活的有效载荷，支持在轨功能更新和动态配置，从而提升了卫星的适应性与任务执行效率。关键技术包括反射式空间波束合成，数字波束成形，子带化、子带聚合与子带交换，天线指向校准等。这些技术使卫星能够在空间环境中灵活分配频谱资源，实现动态波束调整和覆盖优化，以适应不同用户和区域的通信需求。尤其是在面对全新的应用需求时，SDS的可重构有效载荷可以通过智能化资源调度和频谱复用，实现高效的数据传输和快速任务切换。
空间波束合成反射式空间波束合成（PAFR）是复杂度很高的空间天线形式，工程化需要考虑诸多影响因素的耦合：射频前端性能、扫描角度、等效全向辐射功率（EIRP）、增益噪声温度比（G/T）、波束宽度、对平台资源消耗、收纳和部署大小，力学性能甚至成本等。诺格公司（NorthropGrumman）2015年的工作总结比较了可行的各类PAFR形式，涵盖了单反/双反、正馈/偏馈、正焦/散焦、模拟/数字等各类波束成形方式等。数字波束成形在某区域处于多个馈源有效方向图照射范围后，根据不同馈源位置与目标区域位置的几何关系，在数字域上进行波束成形，生成频率多色复用多波束，从而实现该区域的多波束覆盖。数字波束成形除了在海量波束场景下可有效降低所消耗资源外，还可以优化载荷各方面性能。SpaceX采用的是标准的加权密度法+遗传算法改进。子带化、子带聚合与子带交换为了减小子带滤波/信道化对于功率资源的大幅消耗，欧洲航天局在2013年提出一种用无限脉冲响应滤波器（IIR）代替有限脉冲响应滤波器（FIR）数字滤波器的方案，以小幅信号的相频特性恶化为代价实现了35%功耗降低。同时，不同数字滤波器所消耗的随机存取存储器（RAM）功耗与逻辑门功耗比例相差较大，说明可以通过优化RAM功耗来优化数字滤波器使用的功耗。模数混合集成化通常通信载荷均为模拟数字分离设计，通过模数/数模转换（AD/DA）将模拟信号数字化后，通过板间传输，将数字信号送往数字处理器。但最理想的模数混合集成化前端已由理论变为现实应用。欧洲航天局在2023年卫星载荷展望工作中，提到了美国已实现天线馈源+模数相互转换+数字信号处理的一体化集成载荷。相比传统单机互联载荷架构，数模混合集成化可大幅减小载荷重量、功耗热耗和布局面积。亚德诺半导体公司（ADI）于2023年发布宇航级产品AD9361S-CSH，将射频模拟器件与ADC/DAC均封装到单个芯片上，形成芯片式解决方案，同类产品已在美国射频定位卫星鹰眼360中应用。OneSat的Hyperion处理器将上/下变频器等射频模块与数字处理模块集成在专用芯片（ASIC），支持224×3GHz的处理带宽。天线指向校准随着卫星性能与容量提升，波束更窄，指向更灵活，对波束指向精度要求更高，对于发射灵活多波束天线，通常要求半锥角指向精度优于0.05°。指向精度指标论证与分解、指向误差控制以及指向校准等，是满足用户需求的重要保障。目前，多个航天强国已成功发射并持续推进软件定义卫星的研发进程，国际通信卫星市场需求正朝着高承载、大容量、软件定义（全灵活）的方向发展，通过全电推平台、有源多波束天线、软件定义数字通信载荷等技术应用，卫星有效载荷从传统定制化逐步向部分灵活、全灵活批产化方向发展，全球在研通信卫星中高承载比、灵活载荷通信卫星比重持续增加。图7给出了国外高轨宽带卫星呈现大星部分灵活+中小星全灵活的发展趋势图。截至2024年10月，已有50余颗高轨高通量卫星（HTS）订单，灵活卫星占比近80%。其中全灵活约占42%，高灵活约占37%。表4给出了国外灵活载荷架构分析表，根据不同细分需求（如大容量，抗干扰，高覆盖灵活等），可搭配最合适的载荷构架；数字传输处理器（DTP）+数字波束成形（DBF）成为灵活载荷市场“敲门砖”，固态放大器（SSPA）功率池概念正在灵活载荷领域逐渐抢占行波管放大器（TWTA）市场份额，标准化中型、标准化小型平台产品线正在加速研发。先进有效载荷技术成为下一代通信卫星必备技术目前，国外在研发软件定义卫星的基础上，已经培育出一套先进有效载荷技术体系。已经颠覆了传统的依靠“反射面天线+接收机+变频器+行波管放大器”等模拟器件进行设计的技术路线，取而代之的是“超大轻型反射面+稀疏馈源阵+DBF+DTP+阵列式行放/固体放大器”等以数字器件为主的技术路线。目前，国外已发展出超大型可折叠轻型反射面天线技术、稀疏阵馈源技术、第六代DTP技术、低功耗数字处理器技术等先进技术。Astranis将超大型可折叠轻型反射面天线技术应用于Omega卫星，极大地提高了天线增益，开创了小型化高容量GEO卫星的先河。波音公司将稀疏馈源阵技术应用于O3b卫星中，实现了波束灵活。先进载荷技术已成为下一代通信卫星必备的技术，并将逐步取代传统卫星技术路线。目前，先进的有效载荷系统可以动态调整频率和功率，满足特定波束和关键子系统的高需求。通过集成软件定义的功能，卫星可以在任务中途重新配置有效载荷，不仅能够执行其原始设计任务，还能扩展到新的应用领域。未来，卫星有效载荷将更加灵活、智能，集成度更高，并具备更高的自适应能力。这些技术进步将继续推动卫星通信系统的全面优化，满足全球各行业对卫星通信日益增长的需求。
高集成度模块化设计成为未来重点方向近年来，随着技术的成熟和创新的加速，越来越多的公司发现，与定制设计相比，使用模块化有效载荷更具成本效益和可扩展性。模块化有效载荷能够实现更高的灵活性，不仅降低了研发和部署成本，还提高了卫星的质量、容量和性能。模块化设计的有效载荷在多个方面体现出了技术的突破。标准化的有效载荷简化了卫星制造流程，推动了批量生产和快速部署。无论是初创公司还是大型卫星运营商，采用标准化有效载荷都能够显著减少开发周期，优化资源配置，并大幅降低进入市场的门槛。通过这种方式，卫星制造商可以专注于其他技术和功能的提升，进一步推动整个行业的发展。目前，越来越多软件定义卫星通过标准化DTP组件实现信号数字透明转发，采用标准化天线馈源阵和DBF芯片实现波束灵活指向功能。高性能高集成度的模块化先进有效载荷，包括天线、星上处理器等极大地降低了通信卫星的制造成本。同时，由于有效载荷本身具有灵活性，卫星仍可以实现传统定制卫星的功能。大中小型全谱系卫星协同发展目前，国外已发展出以Viasat-3为代表的大型甚高通量（VHTS）卫星、以Inspire和Onesat为代表的中型卫星和以Omega为代表的小型卫星，以应对不同的市场需求。VHTS卫星广域覆盖，容量达1Tbit/s，可用于更多业务场景，由传统的广播、窄带移动通信向宽带通信、卫星互联网等领域突破。VHTS通过显著提升GEO卫星网络的强度和吞吐量，帮助服务提供商应对数据密集型应用。这类卫星依赖于跳波束+DTP技术，能够以每秒数百Gbit甚至Tbit的速度传输数据。卫星通过波束跳跃专门针对高容量区域等方式适应变化的市场需求，从而极大地提高了系统的整体效率。小型卫星以较低的门槛，帮助国土面积较小国家、地区，企业等搭建专用卫星互联网，容量在50Gbit/s以下，帮助这类用户快速接入网络；中型卫星介于大型甚高通量卫星和小型卫星之间，服务区域用户，容量在100Gbit/s左右，中型和小型卫星依赖于DBF+DTP技术，通过改变波束覆盖范围形状等适应变化的市场需求，提升系统效率，并通过标准化模块生产和组批发射，有效降低成本。高集成度模块化设计成为未来重点方向近年来，随着技术的成熟和创新的加速，越来越多的公司发现，与定制设计相比，使用模块化有效载荷更具成本效益和可扩展性。模块化有效载荷能够实现更高的灵活性，不仅降低了研发和部署成本，还提高了卫星的质量、容量和性能。模块化设计的有效载荷在多个方面体现出了技术的突破。标准化的有效载荷简化了卫星制造流程，推动了批量生产和快速部署。无论是初创公司还是大型卫星运营商，采用标准化有效载荷都能够显著减少开发周期，优化资源配置，并大幅降低进入市场的门槛。通过这种方式，卫星制造商可以专注于其他技术和功能的提升，进一步推动整个行业的发展。目前，越来越多软件定义卫星通过标准化DTP组件实现信号数字透明转发，采用标准化天线馈源阵和DBF芯片实现波束灵活指向功能。高性能高集成度的模块化先进有效载荷，包括天线、星上处理器等极大地降低了通信卫星的制造成本。同时，由于有效载荷本身具有灵活性，卫星仍可以实现传统定制卫星的功能。大中小型全谱系卫星协同发展目前，国外已发展出以Viasat-3为代表的大型甚高通量（VHTS）卫星、以Inspire和Onesat为代表的中型卫星和以Omega为代表的小型卫星，以应对不同的市场需求。VHTS卫星广域覆盖，容量达1Tbit/s，可用于更多业务场景，由传统的广播、窄带移动通信向宽带通信、卫星互联网等领域突破。VHTS通过显著提升GEO卫星网络的强度和吞吐量，帮助服务提供商应对数据密集型应用。这类卫星依赖于跳波束+DTP技术，能够以每秒数百Gbit甚至Tbit的速度传输数据。卫星通过波束跳跃专门针对高容量区域等方式适应变化的市场需求，从而极大地提高了系统的整体效率。小型卫星以较低的门槛，帮助国土面积较小国家、地区，企业等搭建专用卫星互联网，容量在50Gbit/s以下，帮助这类用户快速接入网络；中型卫星介于大型甚高通量卫星和小型卫星之间，服务区域用户，容量在100Gbit/s左右，中型和小型卫星依赖于DBF+DTP技术，通过改变波束覆盖范围形状等适应变化的市场需求，提升系统效率，并通过标准化模块生产和组批发射，有效降低成本。
