通信卫星平台及有效载荷技术简析PPT

Research · 公众号 · · 2019-12-19 17:18

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卫星系统包括空间段、地面段和用户段，其中，空间段由一个或多个卫星星座构成，作为通信中继站，提供网络用户与信关站之间的连接；地面段通常包括信关站、网络控制中心和卫星控制中心，用于控制整个通信网络的正常营运；用户段由各种用户终端组成，主要有两类终端：移动终端和手持终端。

据数据统计显示，截至2017年底，全球共有40余家主要的固定通信卫星运营商，卫星转发器带宽容量为902GHz，使用容量为458GHz，出租率为 50.76% ，同比下降6.5%，为41000宇哥广播电视评断提供传输服务。2017年实现总收入115亿美元；在过去的十余年间，全球固定通信卫星运营行业总收入由89亿美金增加到115亿美金,增长率相对平稳，尤其是近五年由于拉丁美洲、撒哈拉以南非洲等部分市场行业新锐逐渐进入，原有经营者区域扩张及价格竞争加大，导致近几年出现负增长情况。但是随着5G带动的万物互联，未来行业主要发展方向是通过更大的有效载荷、更低的发射成本和其他技术创新实现单位服务成本下降，将带动卫星产业的再一次发展，尤其在高清节目上星、机载、船载及高铁的应用。

—— 星载天线 是卫星系统的“眼睛”和“耳朵”，起着决定性的作用。由于距离远，卫星接收到的信号微弱，故要求星载天线具有较高的增益，此外，为满足多功能、多波段、大容量、高功率的需求，星载天线不可避免地趋于大口径化；通信卫星天线的发展，经历了从简单天线（标准圆或椭圆波束）、赋形无线（多馈源波束赋形和反射器赋形）到为支持个人移动通信而研制的多波束天线（MBA）；

—— 星载天线是 通信卫星的主体。负责将地面站发送的上行信号经输入滤波。下一步经过接收机中的低噪声放大器进行宽带放大，利用接收机中的变频器将信号频率转变为下行信号。然后经过分路滤波实现通道控制，使用一台或多台功率放大器对信号功率放大，最后利用输出多工器进行功率合成，重新合成后的下行信号通过发射天线发回地面，完成信号的中继转发任务。星上转发器要求具有可靠性高、功耗低和重量轻等特点；此外，由于星上交换特殊性，必需考虑星上增加容错能力和防止空间辐射损害等要求。系统一旦完成设置，软件升级将会很困难，硬件也无法改动。此外，信元丢失、时延、信道容量、缓存容量设计、交换结构选择都必需研究，因此转发器系统设计具有极大挑战性。

星载天线技术的发展趋势

未来各种天线技术在卫星中将不断得到应用，如图多点波束天线、有源相控阵天线、扫描点波束天线、可重构波束天线、发射面赋形天线多频共用天线、平板抛物面天线、大型可重构天线、柔性天线、充气天线、透镜天线等。天线技术在卫星载荷技术的发展占据重要地位，目前也受到各国重视，发展较快的天线技术主要是多波束天线、有源相控阵天线、星上波束形成技术、大型可展开天线技术等。

1、从单波束天线向多波束天线发展。多波束天线具有诸多优点，如可以使波束空间隔离和极化隔离，满足多次频率的复用要求，从而加大可用带宽，使通信容量大幅增加，频谱得以有效利用；另外，多波束天线，可以单个波束的大面积地球覆盖成为集中于几个窄波束内的几个较小区域的覆盖，从而增加卫星向地球的辐射功率通量密度。

2、天线波束形成技术由模拟形成向数字形成、由微波形成向光学形成发展。随着卫星技术的发展，星上天线得到了快速发展，从天线波束来分，现已研制了多种类型的卫星天线，如全球波束天线、点波束天线、成形波束天线、可重构波束天线、多波束天线、扫描点波束天线等。天线正从单波束向多波束天线发展，而天线的波束形成技术也是其中关键技术之一。目前，通信卫星星上天线波束形成技术已从赋形波束想多波束形成技术发展，从模拟波束向数字波束形成、从微波波束形成向光学波束形成发展。

3、天线结构技术由小型向大型、超大型可展开结构天线开展。随着移动通信卫星的发展，对大型空间天线的需求也越来越紧迫，天线尺寸要求也越来越大，大型空间发射面天线是当前大型空间天线结构技术发展重点，目前，天线直径达十几米的大型金属网面可展开天线的发展比较迅猛，受到了各国卫星制造商的广泛重视。

星载转发器技术的发展趋势

随着技术的进步和应用需求的变化，卫星通信载荷从采用透明转发器逐渐转向透明转发器和处理转发器共存的方向发展。但随着网络化需求的日益增加，采用全星上处理和交换方式的处理器在未来将会变得普通。通信速率向高速率大容量方向发展，频段向 Ka、EHF和激光方向发展，而交换由电路交换向IP/ATM交换方向发展。

1、宽带通信卫星转发器由透明模拟转发器向大容量数字转发器发展。未来高通量卫星和超高通量卫星等其容量不断增加，从Gb/s级向Tb/s级容量发展，包括开辟更高的Q/V频段，更多倍数的频率复用，使用时分多址和增加发射功率是当前卫星向宽带应用拓展所必需的的。而宽带通信卫星技术由于频带宽度和功率的特殊要求，需采用转接和处理转发器的技术，提供频率的利用效率，必须采购多波束大功率转发器；此外，由于现代宽带卫星对信息交换的特殊要求，用数字处理通信转发器系统代替模拟转发器系统将成为未来的趋势。

2、广播通信卫星选星上大功率及可变输出功率转发器发展。其投资少、见效快、频谱利用率高、信号质量高、可靠性搞、维护工作量小，运行成本低、接受系统简单成本低，广播通信卫星成为增长最快的应用卫星。转发器系统是个功率和带宽受限的中继器，提高频段、扩大频带能增加容量，采用数字压缩技术，提供发射功率也可以增加容量，未来广播电视卫星将普遍应用Ku和Ka频段，采供星上动态功率调节的可变输出功率转发器和多波束天线，采用数字化处理和传输，抓大气达数十个，行波管放大器输出功率在数百瓦以上,EIRP高达70bBW左右，寿命15年。

3、移动通信卫星转发器向大容量数字信号处理与交换及动态可调功率转发器发展。面对众多的个人手持机用户，对星上的通信载荷要求很高，星上必须完成处理和快速交换的工作，目前，移动通信卫星大多采用L、S频段，星链链路采用Ku、Ka频段，多址以码分多址为主，运行的卫星有静止轨道的大卫星和中低轨道组网运行的小卫星，静止小卫星今后发展趋势将采用大型可展开多波束天线、高ERIP值、转发器星上处理和交换技术及动态可调节功率放大器技术。