衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)已經(jīng)經(jīng)歷了從傳統(tǒng)的數(shù)億美元的大型衛(wèi)星（>5000千克）的制造向數(shù)百萬美元的小衛(wèi)星的制造的巨大轉(zhuǎn)變。在2016年，該行業(yè)共進(jìn)行了126次發(fā)射，其中的55次（幾近44％）為立方體衛(wèi)星（CubeSat）。此外，過去5年的衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量增加了53％，其主要原因在于低地球軌道衛(wèi)星（LEO）當(dāng)中的小衛(wèi)星（<1200kg）^[1]。近年來，高地球軌道衛(wèi)星訂單數(shù)量從原來的每年平均20~25個(gè)大幅下降到2016年的僅17個(gè)。由于近半數(shù)的在軌衛(wèi)星用于商業(yè)通信（35％）或軍事通信（14％），而且80％以上的衛(wèi)星服務(wù)用于消費(fèi)用途（衛(wèi)星電視，衛(wèi)星廣播和衛(wèi)星寬帶），采用Ka波段技術(shù)（由于該波段具有可用帶寬）的高速低延遲衛(wèi)星通信市場逐步興起。目前，通信衛(wèi)星的服役壽命通常為15年以上，在此期間可能發(fā)生數(shù)種需要對(duì)凈荷操作要求進(jìn)行調(diào)整的情形，這包括瞬息萬變的商業(yè)和政治環(huán)境，以及新技術(shù)和新用途。因此，允許對(duì)頻率、覆蓋范圍和功率分配進(jìn)行重新配置的靈活凈荷成為一種應(yīng)對(duì)飛速發(fā)展的商業(yè)、政治及技術(shù)環(huán)境的解決方案。

針對(duì)5G規(guī)劃的多無線接入技術(shù)（Multi-RAT）將增大對(duì)帶寬的需求，該技術(shù)依賴WiGig、4G、100G以太網(wǎng)及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)等各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)其99%以上的帶寬有效性。高吞吐量衛(wèi)星（HTS）在吞吐量方面幾乎為固定業(yè)務(wù)衛(wèi)星（FSS）20倍，因此成為一種可大幅降低單位比特成本的理想回程替代方案。這進(jìn)一步產(chǎn)生了對(duì)可實(shí)現(xiàn)靈活性的含固態(tài)功率放大器（SSPA）的高效發(fā)射機(jī)，高靈敏度接收機(jī)及可重新配置相控陣天線的需求。

靈活凈荷

雖然為了有效降低服役壽命長達(dá)15年的衛(wèi)星的制造和部署所伴隨的風(fēng)險(xiǎn)，衛(wèi)星通信行業(yè)普遍不愿意以新的尖端技術(shù)代替已得到驗(yàn)證的極其成熟的設(shè)備，但是其也同時(shí)正在向在衛(wèi)星制造、設(shè)計(jì)和發(fā)射上允許更大靈活性的技術(shù)的方向轉(zhuǎn)變。2010年發(fā)射的高適應(yīng)性衛(wèi)星（HYLAS-1）有助于證實(shí)靈活凈荷技術(shù)的可行性，該技術(shù)將凈荷設(shè)計(jì)難點(diǎn)從如何滿足對(duì)多址接入、連接性和速度的要求轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;透明”的凈荷技術(shù)^[3]。為了降低單位比特成本，需要實(shí)現(xiàn)以下三項(xiàng)功能：

·    靈活的覆蓋范圍
·    靈活的波束功率分配
·    靈活的波束頻譜分配

靈活的覆蓋范圍

相控陣天線等有源電子掃描陣列（AESA）已經(jīng)在之前的X波段雷達(dá)^[4]以及最近的毫米波5G和WiGig應(yīng)用中顯示出高度的實(shí)用性。由于高頻微波電路尺寸更小，因此在上行鏈路和下行鏈路中采用更高頻段（Ku和Ka）的轉(zhuǎn)發(fā)器這一趨勢還帶來縮減部件尺寸及提高集成度等益處。

雖然相控陣天線的成本和功耗高于無源電子掃描陣列（PESA）和機(jī)械掃描天線，但是其具有高度的重新配置能力。相控陣天線的輻射元件陣列與含有移相器的收發(fā)（T/R）模塊分別連接，從而可通過在目標(biāo)方向上建設(shè)性或破壞性地添加相位的方式，實(shí)現(xiàn)高度適應(yīng)性和定向性的光束。此外，天線元件僅在至少達(dá)到Ka波段時(shí)才能實(shí)現(xiàn)小型化，以允許制成可適用于專用集成電路（ASIC）的更加多功能的設(shè)計(jì)——隨著立方體衛(wèi)星被越來越多地使用，這一點(diǎn)無論對(duì)于地面設(shè)備或是衛(wèi)星，均是一種理想的選擇。

圖1：預(yù)定于2019年發(fā)射的歐洲通信衛(wèi)星公司全Ku波段“量子”衛(wèi)星（Eutelsat Quantum）通過將軟件定義平臺(tái)與相控陣天線相結(jié)合，預(yù)計(jì)可達(dá)到6~7Gbps的吞吐量，并且可在不移動(dòng)衛(wèi)星的前提下為移動(dòng)目標(biāo)提供衛(wèi)星連接

來源：http://space.airbus.com/portfolio/telecommunications-satellites/flexible-payloads/

根據(jù)美國北方天空研究所（Northern Sky Research）的分析，到2026年，平板天線（FPA）的銷售額將達(dá)到91億美元。這些“智能”平板天線不僅限于相控陣天線，舉例而言，切換波束陣列（通常用于77GHz車載應(yīng)用）及無源電子掃描陣列可在實(shí)現(xiàn)一定程度的波束適應(yīng)性的同時(shí)，避免數(shù)百個(gè)收發(fā)模塊（每個(gè)模塊均具有移相器、功率放大器、低噪聲放大器等耗電器件）所帶來的巨大功耗。“新太空”（New Space）行業(yè)的各公司旨在通過低地球軌道和中地球軌道衛(wèi)星網(wǎng)以滿足全球的高寬帶低延遲需求，因此將產(chǎn)生對(duì)具有高波束捷變性能的衛(wèi)星和地面終端的需求。OneWeb便是其中的一家懷有遠(yuǎn)大抱負(fù)的公司，其目標(biāo)為初步組建由648顆衛(wèi)星構(gòu)成的低地球軌道衛(wèi)星網(wǎng)，以覆蓋500多萬個(gè)地面終端^[5],[6]。以高地球軌道衛(wèi)星制造能力聞名的波音公司正在考慮組建屬于其自己的低地球軌道衛(wèi)星寬帶網(wǎng)^[8]。此外，SpaceX公司去年向美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）提交了組建能實(shí)現(xiàn)全球互聯(lián)網(wǎng)覆蓋的4.425衛(wèi)星網(wǎng)的申請(qǐng)[19]。從地球靜止軌道（高地球軌道衛(wèi)星）的固定衛(wèi)星服務(wù)（FSS）向低地球軌道衛(wèi)星的高吞吐量移動(dòng)衛(wèi)星服務(wù)（MSS）的過渡需要高波束捷變性衛(wèi)星之間能夠無縫切換。這一要求同樣適用于與地面終端的通信鏈路的完整性，這是因?yàn)殡S著Ku波段在衛(wèi)星下行鏈路中越來越普及，地面終端存在發(fā)生干擾的可能性。

靈活帶寬和功率分配

與軟件定義無線電（SDR）平臺(tái)為Wi-Fi、4G、5G及WiGig的研發(fā)提供了靈活性一樣，軟件定義凈荷是邁向衛(wèi)星靈活性的革命性一步。智能天線與含有模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換及數(shù)字信號(hào)處理（DSP）功能的軟件定義平臺(tái)共同提供了一種通用射頻前端，其中，不同的復(fù)雜軟件可在通用的硬件模塊上運(yùn)行。這一趨勢不局限于商業(yè)無線領(lǐng)域，甚至也不局限于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）。例如，太空電信無線電系統(tǒng)（STRS）項(xiàng)目旨在為NASA的太空和地面SDR平臺(tái)定義一種開放式架構(gòu)^[9]。其目標(biāo)在于提供一個(gè)可從物理層中抽象出應(yīng)用層的通用框架，以允許波形和服務(wù)在SDR平臺(tái)上被更為靈活地重復(fù)使用。應(yīng)用程序高度依賴于硬件的高度定制化供應(yīng)商專用設(shè)計(jì)成為一項(xiàng)越來越過時(shí)的技術(shù)趨勢。通過簡單的固件升級(jí)便可實(shí)現(xiàn)功能更新的這一能力可大幅延長衛(wèi)星的使用壽命，其使得運(yùn)營商再也不用拘泥于固定的覆蓋范圍和固定的帶寬。

傳統(tǒng)上，衛(wèi)星所裝的若干轉(zhuǎn)發(fā)器具有不允許精細(xì)調(diào)節(jié)的固定帶寬。當(dāng)客戶所需的帶寬超出其已購買的轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬時(shí)，即使超出部分不夠一個(gè)帶寬段的寬度，其也只能再購買一個(gè)新的帶寬段，從而造成浪費(fèi)。相反，數(shù)字凈荷可以模擬模擬轉(zhuǎn)發(fā)器的功能，并且既可不做任何修改地重復(fù)從地面站接收的信號(hào)，也可通過解調(diào)，解碼，轉(zhuǎn)換，編碼及調(diào)制“再生”上行鏈路信號(hào)。如此，通過對(duì)帶寬和功率分配進(jìn)行精細(xì)劃分、控制及監(jiān)測，可確立靈活的覆蓋范圍，從而實(shí)現(xiàn)更靈活的頻譜重復(fù)使用及降低此類昂貴“商品”的價(jià)格。特別地，針對(duì)再生凈荷，還通過單板處理器對(duì)解調(diào)數(shù)據(jù)實(shí)施錯(cuò)誤檢測和糾正，從而使得該技術(shù)總體上比對(duì)應(yīng)的透明轉(zhuǎn)發(fā)器具有更好的鏈路性能^[10]。數(shù)字透明處理器（DTP）可將每個(gè)輸入信道分成可變寬度子通道（寬度為數(shù)百kHz至數(shù)MHz），同時(shí)不對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行任何修改。

雖然透明和再生技術(shù)均具有靈活的信道化、頻率轉(zhuǎn)換及路由等主要功能，其也只是通往多波束衛(wèi)星所用先進(jìn)數(shù)字波束成形（DBF）和波束跳頻技術(shù)的一種過渡。采用帶智能天線的數(shù)字波束成形技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于，其可使得衛(wèi)星能夠向高流量需求的波束分配更多的功率或帶寬，而且甚至能夠根據(jù)流量需求在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)對(duì)若干波束進(jìn)行加強(qiáng)^[11]。數(shù)字凈荷技術(shù)還促進(jìn)了凈荷測試的發(fā)展——波音公司最近獲得了一項(xiàng)關(guān)于內(nèi)置測試的專利，其中，所有測試部件構(gòu)建于被測系統(tǒng)之內(nèi)，從而可實(shí)現(xiàn)使數(shù)字凈荷能夠回送特定信號(hào)，無需外部測試設(shè)備以及縮短交貨時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)^[12]。

高地球軌道衛(wèi)星當(dāng)中的高吞吐量衛(wèi)星

目前，用于移動(dòng)解決方案（用于飛機(jī)、船舶和車輛的連接）的高帶寬占用量視頻串流業(yè)務(wù)占衛(wèi)星電信業(yè)務(wù)量的50%。鑒于高吞吐量衛(wèi)星使得單位衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)價(jià)格從2010年以來每年平均以2~3%的速度遞降，上述狀況必將在未來十年內(nèi)發(fā)生變化^[13]。如圖2所示，根據(jù)美國北方天空研究所的分析，在2015年之前，固定業(yè)務(wù)衛(wèi)星視頻需求將平穩(wěn)發(fā)展，而高吞吐量衛(wèi)星視頻需求預(yù)計(jì)將以約70億美元的銷售收入急劇上升。

全球衛(wèi)星容量需求的歷史沿革及預(yù)測圖

圖2：全球衛(wèi)星回程市場預(yù)計(jì)將從2012年至2021年拓展至原來的3倍（達(dá)23億），其中，高吞吐量衛(wèi)星預(yù)計(jì)可在2020年前提供約1.34TBps的容量，并可能將在2025年前躍升至拍字節(jié)每秒（PBps）數(shù)量級(jí)范圍^[13]。

與傳統(tǒng)衛(wèi)星技術(shù)相比，高吞吐量衛(wèi)星一般具有如下兩項(xiàng)主要優(yōu)勢：

· 采用頻率更高的Ka波段轉(zhuǎn)發(fā)器
· 通過點(diǎn)波束架構(gòu)實(shí)現(xiàn)廣泛的頻率重復(fù)使用

與利用單一波束覆蓋盡可能多的用戶的方案不同，高吞吐量衛(wèi)星利用多個(gè)小波束（點(diǎn)波束）實(shí)現(xiàn)大量的頻率重復(fù)使用——這一點(diǎn)可通過改變信號(hào)頻率和極化實(shí)現(xiàn)。自第一顆高吞吐量衛(wèi)星在2004年被發(fā)射以來，該技術(shù)已經(jīng)獲得了長足發(fā)展。例如，通信公司ViaSat迄今為止已發(fā)射了Anik-F2（2004年），WildBlue-1（2006年），ViaSat-1（2011年）和ViaSat-2（2017年）四顆衛(wèi)星，其總吞吐量分別為2Gbps，7Gbps，130Gbps和300Gbps。此外，計(jì)劃在2019年或2020年發(fā)射的ViaSat-3將具有1000Gbps以上的吞吐量。根據(jù)ViaSat的說法，這種指數(shù)式增長是通過盡一切可能措施優(yōu)化頻譜的重復(fù)使用以使得衛(wèi)星獲得最大帶寬的方式實(shí)現(xiàn)的^[15]。這些措施當(dāng)中的一種為增加地面網(wǎng)關(guān)的數(shù)目，其中，ViaSat-2的網(wǎng)關(guān)數(shù)為ViaSat-1的兩倍，而為了實(shí)現(xiàn)兆兆位（TB）每秒級(jí)的吞吐量，ViaSat-3進(jìn)一步增加了數(shù)百個(gè)網(wǎng)關(guān)（比ViaSat-2多10倍）。此外，地面設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步還使得成本獲得了相應(yīng)的縮減——ViaSat-1所使用的天線尺寸為7米，而ViaSat-2天線的尺寸略大于4米。ViaSat-2網(wǎng)關(guān)的成本為ViaSat-1網(wǎng)關(guān)的一半以下。另外，ViaSat-3的網(wǎng)關(guān)天線尺寸預(yù)計(jì)將在2米以下 ^[16]。

低地球軌道衛(wèi)星當(dāng)中的高吞吐量衛(wèi)星

雖然大型地球靜止軌道高吞吐量衛(wèi)星將在上述未來數(shù)十年內(nèi)獲得高于固定業(yè)務(wù)衛(wèi)星的實(shí)用性，但是小型高吞吐量低地球軌道衛(wèi)星的前期成本更低，而且組網(wǎng)后的延遲連接性也更低。小型低地球軌道衛(wèi)星網(wǎng)具有以生產(chǎn)流水線制造的潛力，這可降低單位衛(wèi)星成本及前期資本性支出（CAPEX）。此外，小衛(wèi)星的發(fā)射成本不但在過去十年中已獲得大幅下降，而且在未來數(shù)十年中隨著可回收火箭的普及，還將進(jìn)一步下降（圖3）

甚小型運(yùn)載火箭及其已公布的投資情況

圖3：中型衛(wèi)星的發(fā)射成本在過去數(shù)年中已從2.5億美元下降到6500萬美元，而且還將因聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（ULA）和藍(lán)色起源（Blue Origin）等公司的降價(jià)計(jì)劃進(jìn)一步迅速下滑^[1]。

雖然立方體衛(wèi)星和小衛(wèi)星的功能提升為航天領(lǐng)域中最受關(guān)注的一些發(fā)展成果，但是這項(xiàng)技術(shù)還需克服一些重大技術(shù)瓶頸才能實(shí)現(xiàn)無縫連接性。為了將成熟的成像小衛(wèi)星轉(zhuǎn)換為通信衛(wèi)星，必須滿足相應(yīng)的大功率密度要求。由于只有在更高的高度下才能關(guān)閉與雙向地面終端的鏈路，因此通信應(yīng)用通常比成像應(yīng)用需要更大的功率。這就要求開發(fā)更大的電池組及太陽能電池板^[18]。早在21世紀(jì)初推出的銥星（Iridium），全球星（Globalstar），天空之橋（Skybridge）及泰利迪斯（Teledesic）等低地球軌道衛(wèi)星網(wǎng)均已以失敗破產(chǎn)告終。雖然通過數(shù)千顆低地球軌道衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，但是考慮在極地和相對(duì)荒蕪的地區(qū)所花費(fèi)的時(shí)間量，其效率可視為較為低下。此外，該技術(shù)還需要越來越復(fù)雜的地面終端及多衛(wèi)星之間的無縫切換——這正是相控陣天線的一項(xiàng)潛在應(yīng)用。雖然智能天線技術(shù)因其在眾多應(yīng)用中的實(shí)用性而同時(shí)正在被開發(fā)，但是考慮到需要在各種不同高度下使用，因此其在具有高服務(wù)可用性和可靠性的衛(wèi)星技術(shù)中應(yīng)用可能還需若干時(shí)日。

貴精不貴多

殊途同歸，衛(wèi)星技術(shù)的所有趨勢都可歸結(jié)為降低成本和優(yōu)化效率這兩點(diǎn)。全電推進(jìn)系統(tǒng)可大幅減小衛(wèi)星的發(fā)射重量。日前，空中客車公司制造的高吞吐量衛(wèi)星Eutelsat-172B打破了最快電動(dòng)軌道提升（EOR）衛(wèi)星的記錄。Eutelsat-172B的重量僅為3550公斤，如果使用傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)方案，這一重量將至少為6000公斤[17]。可回收火箭可進(jìn)一步降低衛(wèi)星的部署成本，并可能成為未來發(fā)射的主要形式。為了滿足不斷增長的數(shù)據(jù)需求，無論是高地球軌道衛(wèi)星當(dāng)中的大型高吞吐量衛(wèi)星，還是低地球軌道衛(wèi)星/中地球軌道衛(wèi)星當(dāng)中的小型低價(jià)位立方體，均需在功率極度受限環(huán)境中最大限度地利用資源。低功率附加效率氮化鎵（GaN）功率放大器（PA）及GaAs pHEMT/mHEMT技術(shù)極低噪聲放大器（LNA）等微波集成電路的發(fā)展成果可實(shí)現(xiàn)高功率密度及高靈敏度接收器。地球同步衛(wèi)星具有航天器使用壽命長且無需大規(guī)模生產(chǎn)整個(gè)航天器系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，而由立方體衛(wèi)星/小衛(wèi)星組成的低地球軌道衛(wèi)星網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的低延遲通信。

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19. http://time.com/4638470/spacex-internet-elon-musk/

本文原載于Microwave Engineering Europe雜志

翻譯技術(shù)校對(duì)：Pasternack中國 技術(shù)銷售經(jīng)理 徐麒麟

本文刊登于微波射頻網(wǎng)旗下《微波射頻技術(shù)》雜志 2018微波技術(shù)專刊，未經(jīng)允許謝絕轉(zhuǎn)載。

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