歐美軟件定義衛(wèi)星項(xiàng)目最新進(jìn)展

李薇濛 陳建光 （中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院）

2019年，歐洲研制的全球首顆軟件定義商業(yè)通信衛(wèi)星“量子”（Quantum）衛(wèi)星先后完成平臺建造、平臺與載荷的集成以及整星熱真空環(huán)境測試等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，計(jì)劃2020年下半年發(fā)射升空，表明軟件定義衛(wèi)星即將進(jìn)入實(shí)用化階段。本文以歐洲“量子”衛(wèi)星和洛馬公司（LM）“智能衛(wèi)星”（SmartSat）為代表，介紹歐美軟件定義衛(wèi)星項(xiàng)目的最新進(jìn)展。

1 軟件定義衛(wèi)星簡介

軟件定義衛(wèi)星是通過軟件升級實(shí)現(xiàn)有效載荷功能或性能參數(shù)重新配置的一類新型衛(wèi)星。這類衛(wèi)星可以改變載荷的用途，例如，將通信載荷重新定義為一臺導(dǎo)航接收機(jī)，或者改變載荷的工作特性，包括衛(wèi)星通信的頻率、覆蓋區(qū)域、信號強(qiáng)度等。

軟件定義衛(wèi)星的核心是軟件定義無線電技術(shù)。軟件定義無線電是一種新型的無線電體系結(jié)構(gòu)，通過硬件和軟件的結(jié)合使無線網(wǎng)絡(luò)和用戶終端具有可重新配置的能力。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(jì)的解決方案，可通過軟件升級實(shí)現(xiàn)功能的提高。軟件定義無線電可使整個系統(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(jìn)行重新配置。

軟件定義衛(wèi)星即是軟件定義無線電技術(shù)的天基應(yīng)用。傳統(tǒng)的衛(wèi)星信號設(shè)計(jì)思路是將高頻射頻信號經(jīng)天線接收后下變頻成為中頻信號，以保證放大器穩(wěn)定工作并減小干擾；中頻信號進(jìn)一步經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為便于星上處理的數(shù)字信號，并作為信號處理器輸入。軟件定義衛(wèi)星的本質(zhì)是射頻部分信號的數(shù)字化，以實(shí)現(xiàn)可編程或軟件定義。與傳統(tǒng)衛(wèi)星的不同之處還在于，軟件定義衛(wèi)星為適用多種工作頻率，采用寬帶接收天線，實(shí)現(xiàn)多個頻點(diǎn)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(jì)的特定頻點(diǎn)信號。

軟件定義衛(wèi)星具備多方面的優(yōu)點(diǎn)：第一，可使衛(wèi)星通過功能更新，適應(yīng)不斷發(fā)展的用戶需求；第二，通過加載不同的軟件，實(shí)現(xiàn)多功能衛(wèi)星；第三，改變目前以有效載荷為核心的衛(wèi)星設(shè)計(jì)理念，使衛(wèi)星具備功能可重構(gòu)能力和靈活性。

2 歐洲“量子”衛(wèi)星項(xiàng)目發(fā)展情況

“量子”衛(wèi)星簡介

“量子”衛(wèi)星是歐洲通信衛(wèi)星公司（Eutelsat）的新型通信衛(wèi)星，由歐洲航天局（ESA）和歐洲通信衛(wèi)星公司于2015年啟動研制，主承包商空客防務(wù)與航天公司（ADS）負(fù)責(zé)研制有效載荷以及衛(wèi)星總裝測試，英國薩瑞衛(wèi)星技術(shù)有限公司（SSTL）負(fù)責(zé)提供衛(wèi)星平臺，即“靜地軌道迷你衛(wèi)星平臺”（GMP）。該衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)覆蓋區(qū)域、頻段、帶寬和功率的重新配置，根據(jù)需要開展不同的衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)，也可通過調(diào)整覆蓋區(qū)域，減少有意或無意的信號干擾。

“量子”衛(wèi)星質(zhì)量3.5t，功率為7kW，設(shè)計(jì)壽命15年，采用全Ku頻段通信，通信容量可達(dá)6～7Gbit/s，首星研制成本為1.98億美元。“量子”衛(wèi)星可通過軟件驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)多種性能的在軌調(diào)整，一是衛(wèi)星覆蓋范圍的調(diào)整：利用電子調(diào)節(jié)、波束成形、跳變波束等技術(shù)，根據(jù)需要調(diào)節(jié)波束覆蓋區(qū)域形狀，單個波束既可以覆蓋任意形狀的一個區(qū)域，也可以覆蓋多個獨(dú)立的區(qū)域；二是工作頻率的調(diào)整：利用可編程信道在上/下行鏈路頻段（12.75～14.80GHz和10.7～12.75GHz）范圍內(nèi)動態(tài)調(diào)整工作頻段，頻譜使用率從86%提高到98%以上；三是信號功率可進(jìn)行動態(tài)協(xié)調(diào)，減少覆蓋區(qū)域內(nèi)外界噪音對信號的干擾。

歐洲“量子”通信衛(wèi)星示意圖

后續(xù)進(jìn)展

2017年5月，歐洲通信衛(wèi)星公司計(jì)劃加購至少兩顆“量子”衛(wèi)星，利用3顆衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，將軍事用戶作為主要服務(wù)對象。2018年12月，第一顆衛(wèi)星的有效載荷運(yùn)至法國圖盧茲工廠并開始測試；2019年1月，衛(wèi)星平臺完成建造；2019年5月完成有效載荷與衛(wèi)星平臺的集成；2019年9月完成熱真空測試，最后衛(wèi)星將被運(yùn)至法屬圭亞那庫魯航天發(fā)射場，計(jì)劃于2020年下半年搭乘阿里安－5（Ariane－5）火箭發(fā)射。第2顆衛(wèi)星計(jì)劃于2020－2021年間發(fā)射，主要覆蓋亞洲地區(qū)。

“量子”衛(wèi)星項(xiàng)目的提出和研制，推動了天基軟件定義無線電技術(shù)進(jìn)入應(yīng)用階段，標(biāo)志著軟件定義衛(wèi)星邁出了重要一步。

3 洛馬“智能衛(wèi)星”項(xiàng)目發(fā)展情況

“智能衛(wèi)星”簡介

2019年3月，洛馬公司宣布正在研制“智能衛(wèi)星”軟件定義衛(wèi)星。該衛(wèi)星通過軟件的在軌更新改變或增加衛(wèi)星功能，不僅帶寬可調(diào)、波束可變、還可自主監(jiān)測和防御網(wǎng)絡(luò)威脅?！爸悄苄l(wèi)星”具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，體現(xiàn)在以下四個方面：

1）架構(gòu)方面。該衛(wèi)星采用柔性架構(gòu)，其基于洛馬公司的LM－50微小型平臺研制，但也可將立方星、LM－2100大型衛(wèi)星平臺等各種尺寸的平臺作為開發(fā)基礎(chǔ)。

2）制造方面。衛(wèi)星使用洛馬公司的標(biāo)準(zhǔn)化系列平臺和增材制造技術(shù)建造。

3）網(wǎng)絡(luò)安全方面。衛(wèi)星采用自主檢測和網(wǎng)絡(luò)威脅防御技術(shù)，可定期更新星載網(wǎng)絡(luò)防御軟件，具有自我診斷和快速重置能力。

4）數(shù)據(jù)處理能力方面。智能衛(wèi)星的星載計(jì)算機(jī)由美國國家科學(xué)基金會下屬太空、高性能和彈性計(jì)算中心（SHREC）研制，具備高功率、抗輻射等特點(diǎn)。該計(jì)算機(jī)采用虛擬機(jī)技術(shù)，充分利用星載多核處理器，可在同一臺計(jì)算機(jī)中同時運(yùn)行多個服務(wù)器，最大限度地提高內(nèi)存利用率、星上處理能力和網(wǎng)絡(luò)帶寬。

后續(xù)演示驗(yàn)證計(jì)劃

洛馬公司計(jì)劃利用10個微小衛(wèi)星項(xiàng)目開展在軌試驗(yàn)。該系列項(xiàng)目均由洛馬公司使用內(nèi)部資金作為支撐。目前僅公開了首批發(fā)射的兩個項(xiàng)目，分別是“萊納斯”（Linus）和“小馬速遞”（Pony Express）?！叭R納斯”項(xiàng)目由兩顆12U的立方星組成，將驗(yàn)證“智能衛(wèi)星”和衛(wèi)星部件的3D打印技術(shù)。“小馬速遞”項(xiàng)目包括多顆6U立方星，計(jì)劃部署在低地球軌道，驗(yàn)證衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。其首顆試驗(yàn)衛(wèi)星用于測試云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施，后續(xù)衛(wèi)星將驗(yàn)證基于射頻網(wǎng)絡(luò)的集群編隊(duì)和星間通信網(wǎng)絡(luò)。

洛馬公司“智能衛(wèi)星”變革了衛(wèi)星的設(shè)計(jì)、建造和交付方式。該系列衛(wèi)星將實(shí)現(xiàn)快速批量生產(chǎn)，通過軟件在軌更新，快速響應(yīng)新的任務(wù)需求，提升性能，縮短全壽命周期成本。衛(wèi)星強(qiáng)大的在軌數(shù)據(jù)處理能力可減少帶寬需求，為未來的天基數(shù)據(jù)中心奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

洛馬公司“智能衛(wèi)星”示意圖

4 軟件定義衛(wèi)星技術(shù)的應(yīng)用前景

衛(wèi)星通信是最早應(yīng)用軟件定義衛(wèi)星技術(shù)的領(lǐng)域，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，該技術(shù)可以改變傳統(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；另一方面將改變目前的通信衛(wèi)星制造模式，可按照一定的規(guī)格實(shí)現(xiàn)通信衛(wèi)星的批量、預(yù)先制造，從而縮短衛(wèi)星研制周期，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。

未來，一星多能的軟件定義衛(wèi)星還可提供快速響應(yīng)能力。通過軟件定義的方式，可將多種功能集成于一顆衛(wèi)星上，如多頻段衛(wèi)星通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、雷達(dá)成像偵察，甚至針對雷達(dá)/通信信號的電子偵察或電子對抗，從而達(dá)到一星多能、一星多用的目的。在平時，該衛(wèi)星可定義為普通的通信衛(wèi)星，滿足日常通信需求；在戰(zhàn)時則可定義為雷達(dá)成像偵察衛(wèi)星和電子偵察衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)對敵方軍事行動的偵察監(jiān)視，并在完成對目標(biāo)的打擊后實(shí)施打擊效果評估。