★通信天地Space International 国际太空 · 2018·8Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ

26随着容量性能、设计寿命的不断提升，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，提升转发器利用效率，提高收入回报，是通信卫星运营商近年来关注的焦点问题，灵活有效载荷的概念应运而生。2008年，欧洲航天局（ESA）组织召开第一届先进灵活通信载荷工作会后，工业界开始大规模重视该领域的发展，并取得了较多进展。

1 灵活有效载荷技术体系通信卫星质量、功率和结构空间是载荷灵活性的最大约束条件，传统的卫星灵活性设计主要通过星上关键通信设备的冗余配置实现，这样就会产生额外的星上资源开销，从而导致灵活性和整星通信容量之间的矛盾。因此，随着技术的演进，卫星灵活性在实现途径上一个很重要的原则就是不过度增加载荷负担。灵活有效载荷关键技术体系

Research on Technologies and Trends of Flexible Payload on Foreign Communication Satellites（Ⅰ）

国外通信卫星灵活有效载荷技术与趋势研究（上）

朱贵伟 李博（北京空间科技信息研究所）

《国际太空》2018年8月（公开）.indd 262018/8/17 9:17:26Space International 国际太空·总第476期

27目前来看，根据任务类型和需求的不同，国外对通信卫星载荷各层级的灵活性，主要依靠对传统星上通信链路所涉及各个单机/元器件环节的技术改进，而非增加冗余度的方式实现，可分为天线、射频前端、中频/基带处理单元三大部分，本文据此对灵活有效载荷涉及的关键技术进行了梳理。总体来看，目前各技术领域的发展水平和成熟度差别较大，而且这些灵活度的作用和效果各不相同。1）天线部分侧重波束覆盖能力的灵活性，主要利用传统无源反射面天线的机械/电调节，实现波束移动与尺寸缩放，利用有源阵列天线和波束成形网络，实现波束位移、形变及数量调节等。2）射频前端部分对应频谱管理和功率分配的灵活性，主要利用灵活变频器以及带宽、中心频点可调滤波器，改变单个信道的频谱特性，而可步进式调整的功率放大器与上述设备配合，能够对业务数据的传输速率等进行按需调节。3）中频/基带处理单元部分对应链路互联互通与协议体制调节方面的灵活性，分别利用数字信道化器在中频进行精细分路和交换，利用完全再生式的星载处理器进行解调、译码后进行数据处理和分组交换路由等，支持相应的网络协议等。从当前的系统应用情况来看，天线与射频部分实现的灵活效果直接、可见，而且在各类系统中已得到一些初步的应用，实现途径也相对成熟，因此更受传统运营商的重视。互联互通与协议体制灵活度则依赖于不同程度的星上处理能力，代表了更高层次的载荷要求，是未来地球静止轨道（GEO）通信卫星的主要发展方向。此外，国外近年来也在基于软件无线电的灵活载荷方面投入了较多的研究。本文主要结合各国在相应技术方向的发展情况和典型产品进行分析。

2 灵活有效载荷关键技术灵活的天线技术可调节的天线系统主要用于实现灵活的波束覆盖能力。此类灵活天线既可以是无源天线，也可以是有源天线。无源天线定义为单个辐射单元，对应单通道单功率放大器。无源天线既可以是机械可重构，也可以是电控重构模式。而有源天线定义为多个辐射单元且每个辐射单元使用相应的功率放大装置。（1）传统无源反射面天线天线指向调节是控制覆盖位置灵活性的重要途径，但传统的通信卫星对应宽波束或赋球波束。天线指向调节主要用于校正实际覆盖区域与设计目标的吻合度，因此调节机构的幅度限制较大，波束位置可在小范围移动。针对高机动性用户（如军用侦察无人机等）的需求，一些卫星设计有可移动点波束，波束位置可以在卫星的视场范围内任意移动。

美国劳拉空间系统公司（SS/L）设计出一种双反射面机械可重构天线，能产生一个圆形或者椭圆形波束，其波束中心不仅可以通过控制主反射面沿轴的转动达到不同指向的功能，而且如果波束是椭圆形波束要求，还可以通过旋转副反射面来实现椭圆波束旋转的目的。另一方面，该公司设计的上述天线还可通过位于调节轴（反射面焦点与反射面中心连线）上的机械控制装置，调整馈源与反射面距离，从而改变焦

劳拉空间系统公司机械灵活天线在1倍（左）、1.3倍（右）焦距对应波束覆盖情况

《国际太空》2018年8月（公开）.indd 272018/8/17 9:17:26★通信天地Space International 国际太空 · 2018·8Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ

28距，可以将天线的波束宽度从1°最大扩张至7°。但这种使用机械调整的可重构天线的灵活度相对较低，只能实现一定比例的缩放波束大小，但波束形状无法按照需要任意改变。（2）有源阵列天线依靠阵列天线配合波束形成器，可以实现更大灵活度波束形状和数量调节，有源阵列天线主要负责波束的产生和放大，波束成形器则主要通过控制辐射单元的幅度、相位与开关来改变波束。目前国外集中关注两类天线，即阵列馈电反射面天线（AFR）和直接辐射阵列天线（DRA）。1）阵列馈电反射面天线。该天线主要依赖位于反射器焦平面的前置/偏置馈源阵列来形成单个宽波束或多个点波束，其灵活性实现是通过与馈源阵列对应的波束形成网络来控制和改变波束形状与数量。在应用方面，对于单波束情况，可以利用多个横向偏焦馈源来获得符合特殊要求的天线方向图，从而改变波束的形状。目前，该技术已在工程实践中得到了较为成熟的应用。对于多波束覆盖情况下，最窄的点波束决定了天线的口径，目标覆盖区域的尺寸则决定了馈源阵的大小。设计时，必须考虑在馈源阵子数量和波束方向性、旁瓣控制和覆盖性能之间进行权衡。欧洲空客防务与航天公司（ADS）设计出一种有源灵活多波束反射面天线系统。该天线系统可以实现对每个波束辐射

指向失误情况下传统固定多波束覆盖（左）与灵活多波束校正覆盖（右）情况元的激励都是完全独立的，此外波束形成网络具备可重构能力。在反射器的指向发生偏移的情况下，传统固定式波束形成网络产生的边缘波束形状失真、信号强度显著降低的现象，而具备可重构能力的波束形成网络经过优化调整后，边缘的覆盖情况有了明显改善。总体而言，此类天线用于灵活覆盖的优势在于：①天线中所用的可变功分器（VPD）和可变相移器（VPS）等控制元件在通信卫星中已得到成熟应用，该方案风险相对较低；②相比传统模式下只能通过增加冗余天线来满足需求，灵活的在轨波束赋形能力可以大幅节省星上空间。但其弊端在于：①与传统天线配置模式相比，高功率波束成形网络存在不可忽略的损耗，因此需要更大的功率才能达到相同的等效全向辐射功率（EIRP），这也导致了效率上的折损；②虽然理论上有可能实现收发共用，但实际中，因为波束成形网络在与馈源、双工器封装时的复杂度较大，导致绝大多数天线必须采用收发分置。2）直接辐射阵列天线。该天线无需反射器，利用天线辐射元阵列和波束形成网络直接形成点波束和赋形波束，通过移相器改变相位、功率分配网络改变幅度后控制波束形状，形成连续或非连续性的覆盖。对于多波束情况，主要存在2种波束形成和调节机制，一是每个波束对应1个/多个阵元，具备相互独立的原阿斯特留姆公司研制的Ku频段DRA天线结构（左）和8×8天线辐射元阵列样机（右）

《国际太空》2018年8月（公开）.indd 282018/8/17 9:17:27Space International 国际太空·总第476期29波束形成和指向控制网络，这种情况下天线的质量和复杂程度正比于需要同时产生的波束数量，当需要同时产生的波束数较多时，就不太实用；二是所有波束共享1个公共的天线辐射元阵列，通过巴特勒矩阵在空间产生多个波束。从技术应用情况来看，国外目前仅在一些军用卫星和高复杂度的商业卫星上采用了此类天线，如“铱”（Iridium）卫星，造价昂贵。欧洲原阿斯特留姆公司（Astrium）研制的名为“直接辐射阵列电调天线”（DRA-ELSA）的Ku频

段（14.25～14.5GHz）接收天线，采取上述第一种灵活赋形机制，由约100个辐射元经过25:1的对应关系形成4个相互独立点波束，波束的标准配置宽度为0.75°。根据任务需求，通过地面指令控制辐射元阵列的相位/幅度激励配置，达到波束形状可变而且能够在卫星可见视场范围内任意调节指向，具备灵活的覆盖能力。整个天线系统质量约60kg，所需功耗低于60W，辐射元阵列先按照2×2结构制成子阵列块，然后再组装为整个阵列板。总体而言，直接辐射阵列天线用于灵活覆盖的

DRA-ELSA天线按照不同任务需求，在美洲区域形成不同形状和位置的灵活波束赋形示意图

优势在于：①可靠性高，所有的辐射元都可用于形成所有波束，在某个射频通道失效或者期间器件老化导致波束指向不准的情况下，重新校准、纠错能力较好；②抗干扰能力强，可精密控制天线辐射方向图，可以实现低副瓣、自适应调零等功能，抑制各种上行有意敌对和无意干扰；③具有空间功率合成能力，天线每个辐射单元对应1个功放，多个辐射单元功放在空间合成的总功率比单个发射机的功率大得多，可以实现更高的EIRP值。此类天线的主要弊端：①结构复杂、造价昂贵。

数字/模拟波束形成网络性能特点对比参数模拟波束形成网络数字波束形成网络波束数量典型波束少于32个可多达数百个

支持频率复用情况由于波束数量少，频率空分复用少，但可通过时分复用方式，如跳波束技术加以弥补在天线阵元数量足够大、指向足够精确的情况下，频率复用因子可做得很高

单个波束带宽多至数吉赫兹，可以支持宽带广域波束覆盖受限于处理器端口频率带宽，一般约500MHz，未来可增至1GHz

输入部分处理器端口数少，典型情况下每个波束端口对应1个转发器端口较多，与波束数量基本对应，典型情况下处理器端口与天线阵元匹配

波束指向与干扰管理支持支持波束跳变能力支持支持效率更高场景波束数＞阵元数波束数＜阵元数

未来应用前景近期，适用少量波束长期发展方向，但需要星上处理设备硬件等性能的同步升级

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