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SinoSatelliteCommunicationsCompanyLimited
21世纪通信卫星的发展和新技术
鑫诺卫星通信有限公司
总工程师 闵长宁
21世纪通信卫星的发展和新技术
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21世纪通信卫星的发展和新技术
摘要:本文概要介绍了目前通信卫星发展的概况和相关技术,包括卫星平台技术和卫星有效载荷技术,尤其是对21世纪通信卫星发展将起到巨大作用的大天线技术、多波束技术、星上处理技术及氙粒子发动机技术等。
主题词 卫星 ,卫星技术
自从1963年发射第一颗“辛康”(Syncom)通信卫星以来,随着卫星通信、广播业务的不断发展,尤其是信息产业、多媒体、IP网络产业的兴起和突飞猛进的发展,卫星通信业务所涉及的领域和频段不断拓宽,极大地推动了通信卫星技术的发展,通信卫星技术正在兴起一场新的、革命性的突破。卫星通信技术的发展,直接推动了通信卫星产业,包括常规通信卫星、高级移动通信卫星和数字直播卫星的发展,真正实现了在任何时候,任何地点都能方便地交流信息、获得信息、使用信息的目标。并将间接地影响和改变着人们的通信方式、工作方式和生活方式。
1通信卫星的发展前景和趋势
1卫星设计将朝着大功率、多频段和长寿命方向发展
综观国外各主要卫星公司的卫星研制、生产状况可以看出:中、高轨道通信卫星正向着大功率、多频段和长寿命方向发展,而低轨道卫星则向着星座和多频段的方向迈进。目前,各国都已向国际电联登记了大量的Ka频段的卫星资料。日本、美国也已进行了大量的Ka通信转发器的通信试验,并已开始投入使用。除目前常用的C、Ku频段外,Ka频段也将是21世纪头几十年卫星通信的主要频段之一。表1列出了国际上几个卫星研制大公司卫星平台的技术参数。
这种发展趋势的形成,主要是由于:
个人通信和宽带通信的需求及其激烈竞争,对通信卫星提出了更高的要求;
轨道位置和频率资源的日益紧张和弥足宝贵。大容量和长寿命不仅仅获得更大的经济效益,而且使轨道位置和频率资源得到最大利用。
表1 国外主要卫星平台的主要性能
波音公司(原休斯公司)
具有HS-376、HS-393、HS-601、HS-601HP和HS-702卫星等系列卫星平台。卫星寿命大于15年以上,卫星的功率和重量分别达15KW和5200Kg;有效载荷功率和质量分别为9000W和1200Kg。代表性的卫星如GALAXY-Ⅺ和THURYU卫星。
洛克希德-马丁公司
具有A2100AX系列卫星平台。卫星寿命大于15年以上,卫星的功率和重量分别达3500-13500W和1000-4000Kg;有效载荷功率和质量分别为8100W和
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~1000Kg。代表性的卫星有ACES亚洲蜂窝卫星和GE系列的卫星。
劳拉公司
具有FS-1300、。FS-1300用于常规通信广播卫星,卫星的功率为5000-15000W;401S用于低轨小卫星星座或小功率的常规通信广播,卫星的功率为3KW;,卫星的功率可达到15-20KW。代表性的卫星有GLOBALSTAR和INTELSAT-Ⅳ卫星。
ALCATEL公司
具有SB-2000,SB-3000和SB-4000系列卫星平台。其中SB-4000分为高、中低三种卫星平台,卫星寿命为15年,卫星的功率和重量分别达10-16KW和4800Kg,有效载荷功率和质量分别为9000W和1000Kg。代表性的卫星有SKYBRIDGE宽带通信卫星星座系统和ASTRA-1K卫星。
市场和行业的竞争,使卫星的设计变的越来越复杂,功能是越来越强,对卫星平台的需求日趋苛刻。相反,地面的设备和设施将越来越小,越来越简单。
各种卫星高新技术的出现,如氙粒子发动机、卫星处理器、高能太阳电池和锂粒子蓄电池等技术,极大地提高了推进和电源效率,节省了质量,使这种发展期望变为现实。
2卫星研制的“准生产流水线”将成为现实
让卫星的制造、生产从作坊式的操作模式进入到现代化的、规模化的“准生产流水线”生产方式已成为现实。这主要归功于目前卫星的研制已开始实现高度模块化、集成化、系列化的生产方式。
模块化
目前,世界各主要卫星制造公司在研制卫星的过程中,不论是桁架式结构平台,还是中心承力筒结构平台。无一例外地采用了模块化设计的方法。例如,HUGHES公司的HUGHES-702平台的卫星,由于采用模块化设计方法,仅用4颗螺栓和6组电子联接件就可以将有效载荷和卫星平台连接起来。同时,变串行生产为并行生产,大大提高了卫星研制的进度,这是卫星由作坊式研制、生产向现代化、规模化的生产的最重要途径之一。
2)集成化
集成化设计是卫星实现平台系列化,卫星轻型化的重要途径之一。如A2100AX卫星平台代替以往的GE系列卫星平台,卫星平台和有效载荷舱的核心结构都是由铝蜂窝型石墨环氧树肢夹层平面板构成,以替代以往通常采用的铝质圆芯复合材料。这种简单的符合材料不仅容易制造,具有同样的强度和钢度,更节省40%的质量。
A2100平台与早期的7000系列平台相比,结构部件数量大大减少。如贮箱的设计可根据有效载荷的需要,仅仅改变贮箱的长度而已,以此来适应各种不同卫星平台的变化。大大提高了卫星的单位通信能力比,大大降低了卫星的费用。
同时,为满足卫星重量和星上处理器等方面的要求,卫星轻型材料和超大规模集成技术在卫星上的应用,尤其是应用型专用集成电路(ASIC)在卫星有效载荷中的应用,对于节省卫星的质量,提高卫星的功能和应用前景,将起到重要作用。
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系列化
卫星平台的系列化是缩短研制周期,使卫星制造实现产业化、规模化的重要途径。不论是美国的HUGHES、LORAL/SS、LOCKHEED-MARTIN公司,还是法国的ALCATEL公司,每个公司都完全实现了卫星平台的系列化,以满足不同用户、不同业务的需求,或不同功能的业务需求。
目前,作为常规通信卫星、广播卫星或是数据跟踪中继卫星,5000瓦~10000瓦的卫星平台基本可满足其业务要求。对于支持个人通信的通信卫星和支持宽带通信业务的固定或移动通信卫星,10000瓦~15000瓦的卫星平台基本可满足要求。
3宽带卫星通信系统的出现和应用
除目前常用的常规通信广播卫星(含DTH业务)、直播卫星(DBS)以及正在兴起的移动卫星星座系统业务之外,一些新的宽带卫星通信系统也应运而生。这些卫星系统包括SPACEWAY系统、ASTROLINK系统、SKYBRIDGE系统以及VIRGO星座系统和TELEDESIC星座系统。这些卫星系统业务传输采用的频段不仅有移动卫星系统的S、L频段,目前更趋向使用与静止同步轨道通信卫星相同的Ku和Ka频段,如SKYBRIDGE、ASTROLINK和SPACEWAY系统。从技术的角度分析,上述系统均是可行的,只要市场定位准确,操作得当,这些系统在未来的卫星通信中,将占有重要的位置。
2卫星通信新技术
在目前的通信卫星中,已开始采用许多代表当今世界通信卫星最先进的技术,如氙粒子发动机技术、高能太阳电池技术、大天线和多点波束技术以及卫星星上处理器技术等等。这些技术代表了21世纪通信卫星技术的发展方向,这些技术的发展、移植和全面的利用,将对未来的通信卫星和卫星通信发生深刻的影响。
氙粒子发动机的出现,可以称得上是卫星研制历史上一次革命性的突破。
氙粒子发动机的作用主要用于卫星的轨道位置保持和机动控制。目前,卫星采用的几种不同的发动机比冲的性能如下:
双组元发动机(BIPROPELLENT) 285秒
弧度噴汽发动机(ARCJET) 550秒
稳态等粒子发动机(STATTONARYPLASMA) 1500秒
氙粒子发动机(XENONIONPROPULTION)
25厘米,160mN氙粒子发动机 3800秒,(功耗4500W)
20-30厘米,25mN氙粒子发动机 2900秒,(功耗620W)
由上可看出:氙粒子发动机的比冲是双组元发动机的12倍。比冲是推进效能的衡量指标,对于相同的卫星来说,采用氙粒子发动机只需比双组元推进系统少得多的燃料即可完成卫星的姿、轨控。通常,一颗卫星的氙粒子发动机是由4个氙气罐(2:2备份)和2个功率处理器组成,来完成卫星的轨道位置保持。每个氙粒子发动机每年仅消耗2
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.5Kg燃料,每年卫星轨道保持仅消耗5Kg燃料。对于一颗15年寿命的卫星,采用氙粒子发动机将节省90%的推进剂质量,约280Kg~350Kg。由此,可大大节省卫星的发射价格,或可用于增加更多的卫星转发器,或用来延长卫星的寿命,从而带来巨大的经济效益。
氙粒子发动机虽然功耗大,但完全不影响卫星有效载荷的工作,而且功率大,意味着氙粒子运动速度更快,因而产生更高的推力,发动机产生的比冲更大。当使用25厘米的160mN的氙粒子发动机时,每天仅工作30分钟,,从而可以有效地用于多星共位工作的卫星轨位的保持和控制。
氙粒子发动机的研制源于80年代中期,通过研究发现在所有的惰性气体中,氙粒子可产生更大的推力,且由于他的惰性特点,使得它既不易腐蚀,又安全。90年代中期已开始使用在各种不同的卫星上,如日本的ETS-3、ETS-6、COMETS卫星及XM-1、GALAXY和PANAMSAT等卫星,已是经过多次飞行验证的完全成熟、可靠的卫星产品。
2高效率太阳电池和蓄电池技术
卫星平台技术得以突飞猛进的发展,同样得益于卫星电源技术的发展。
硅太阳电池一直在卫星太阳能电池的设计和使用中占有主要地位,但随着用户对卫星使用要求的不断提高,尤其是对中、高轨道移动通信、卫星直播电视以及多频段、多功能综合卫星的要求,目前一种新的高效电池正在越来越多的卫星投入使用。这就是***化镓太阳电池,包括常规的***化镓太阳电池,双节***化镓太阳电池和多节***化镓太阳电池。硅太阳电池的转换效率为14%,而***化镓太阳电池、双节***化镓太阳电池和多节***%、23%和30%以上。同时,在两太阳电池翼的两边,都安装有角状太阳能反光板,从而使阳光更多地聚集在太阳电池板上,利用相同面积的太阳翼,便可得到高得多的能源功率。从而为大功率卫星平台(10000瓦-15000瓦)的实现奠定了基础。
同时,为保证卫星在地影中的高效工作,一种效率高、体积小、重量轻,。锂粒子蓄电池与镍氢蓄电池相比,功率能力密度将提高1倍。
3大天线和多点波束技术
通信卫星通信天线的发展,经历了从简单天线(标准圆或椭圆波束)、赋形天线(多馈源波束赋形到反射器赋形)和为支持个人移动通信而研制的多波束成型大天线。
目前,全球波束仍采用圆波束;区域通信大多采用双栅、正交、单馈源、反射器赋形的天线设计。这种天线技术不仅已用于大多数通信卫星,同时也被世界上各主要的卫星天线制造商所掌握。
而支持个人移动通信而研制的多波束成型大天线,目前也已开始在研制、使用。主要的卫星有THURYA卫星ASES卫星。
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THURYU卫星天线
该天线由HUGHES公司研制。该天线收拢状态及天线展开方式及天线的形状见图1。´16米,投影直径12米,128个馈源,收发合一。该天线尤如一个由若干支撑杆支撑的双环形,上环有一透明的抛物面支撑面,下环有一透明的抛物面反射器,两抛物面之间由许多细绳拉紧。展开和收拢简易可靠,每个支撑杆结点处由齿轮连接、控制。
天线设计具有下列特点:
--收发合一。对于任何一个点波束,发射波束和接收波束将完全重叠;同时,不需要第二副天线,因而极大地降低了天线分系统的重量;
--新颖的结构设计,达到收拢状态的小型化和简易、可靠展开的目的;
--反射面采用介质薄膜上镀有金属环的频率选择面,它只对工作频率产生谐振而产生反射,其余则全部通穿过,消除了金属对金属之间的接触,可使无源交调达到最小;
--介质薄膜采用非完全绝缘材料——氧化铟,其电阻在108W左右,从而既保证了静电完全卸载,又保持电磁波的穿透不受影响;
--128个馈源同星上数字信号处理器的完美结合,有效地保证了覆盖区点波束的要求。利用偏馈技术,每8个或20个,甚至更多的馈源形成一个波束,总共可形成200~300个点波束;
--多点波束,14分贝的波束隔离,大大提高了频率复用的次数(波束数/7),有效地节省了卫星的频率和频带;
--点波束的设计,保证了天线的高增益,有效地支持了个人通信的需求。
ACES卫星天线
该天线由位于美国奥兰多、具有100多年历史的哈里斯(HARRIS)公司研制。哈里斯公司的天线设计采用传统的可展开桁架式结构。该公司已具有20年研制展开式大天线的经验,包括L、S、X和KU频段的天线,如美国的数据跟踪中继卫星(TDRSS),已经过飞行验证,具有很强的实力和信誉。
TDRSS卫星天线
--,总重52磅;
--反射器由18个石墨环氧树脂桁架、反射面、中心枢纽控制机构及马达驱动展开系统组成;
--中心支撑构件由6个石墨翼支架、石英环氧树脂屏蔽罩、锋窝子反射器和顶端的锥型体组成;
--馈源部件包括旁瓣跟踪和5个KU频段馈源。
GALILEO卫星天线
--,总重76磅;
--18个钢性的增强型碳纤维环氧树脂桁架;
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--利用可调整的铍支撑杆系统支撑馈源;
--钼镀金的网状抛物面反射面;
--双赋形卡塞格伦反射面和顶点馈电(APEX-FEED)反射器。
ACES卫星采用两个12米的可展开桁架式结构天线,分别用于发射和接收。偏置网状透明反射器,其结构、反射器及展开驱动机构完全继承了原有天线的特点,具有较高的精度和可靠性。该天线的形状及展开示意图见图2。
4卫星星上处理器
传统通信转发器的设计,无论是采用早期卫星的二次变频方案,还是目前大多数卫星采用的一次变频方案,其根本特点仍是所谓的透明“弯管”信道。
随着信息高速公路概念的提出,“宽带”传输业务、IP业务和个人PC、个人通信漫游业务的需求日益高涨,卫星星上处理技术和交换技术越来越多地应用在通信转发器的设计中。其典型的代表包括美国的ACTS卫星、THRUYA卫星以及印尼的ASES亚洲蜂窝移动卫星等。
星上处理技术主要包括有:
--声表面波滤波器(SAW)信道化技术和开关切换技术;
--全数字化快速付里叶变换(或模拟式相移器,依靠相位相加完成)的信道化器、路由分配和波束成形技术;
--采用低功耗的应用专用集成电路(ASIC),包括低电压的CMOS组件和高密度的多芯片集成,以及模块化的单元设计,使得部件的尺寸、质量和功耗最小;
--信号的再生能力;
--组合式BUTLER矩阵放大器及射频功率动态按需分配技术。
图3是一典型的具有星上处理器的卫星通信转发器原理方框图。
有效载荷通信转发器由前向转发器和返向转发器组成。
前向转发器的任务是将信关站来的信号(包括地面固定用户到移动用户的信息和信关站从返向转发器接收到的移动用户到移动用户的信息)送到移动用户终端。返向转发器的任务是将移动用户来的信号(包括移动用户到移动用户的信息和移动用户到固定用户信息)送到信关站。
星上处理器包括窄带信道化器、数字波束成形网络和BUTLER矩阵放大器,使得卫星波束的成型和调整、路由的分配和频率的转换等都实现了可编程,从而解决了频率和时隙的预分配,实现了波束的灵活调整、信道的灵活交换、频率的最佳利用和功率的按需分配,以及端到端之间的话音通信。
星上处理器由以下几部分组成:
--模数转换:其功能是将信关站的模拟信号经过接收机放大并变频,在中频进行数模转换、取样,成为时分多址的时隙信号;
--信道化器:时分多址的时隙信号分组送到由一组变频器和加权低通滤波器组成的频率多址器,完成信关站信号频率和取样时隙的分配并送到响应的波束开关组,然后根据分配的移动通信频率和波束去向,确定预分配的取样时隙,统一进入各自的波束;
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--数字波束成形网络:将信道化器来的信号,经过相位(移相)和幅度的加权和频分多址分配器后,送到该信号应到达的信道和波束区;
--模数转换:将波束成形网络的数字信号变成模拟信号;
--移动终端之间的通信处理器:包括输入TDM交换集成电路、TDMA集成电路和输出集成电路三部分。其功能是实现移动用户到移动用户业务的TDMA时隙分配以及任意波束、频率、时隙之间信号的灵活交换和通信。
射频功率动态按需分配技术的实现,实际上是由8´8个BUTLER合成矩阵放大器完成的,典型的原理方框图见图4。
整个转发器主要的部件为200套,低噪声放大器/下变频器同馈源阵安装在一起,固态放大器(SSPA)组件(9个固放为一组,采用9:8备份方式)和上变频安装在馈源阵后。将上变频器、SSPA及滤波器集成一个小型化的部件,同时滤波器、低噪声放大器/下变频器也将集成为单一部件,大大减轻了卫星的重量和尺寸。同时也代表了未来卫星部件发展的一种方向。
矩阵放大器/馈源阵组合部件,实际上是由输入混合矩阵、输出混合矩阵和固态放大器组成。输入混合矩阵将上变频器来的信号分配到每组SSPA输入端具有特定相位变化的SSPA组合矩阵放大器,输出混合矩阵则通过SSPA输出的相位完成相反的过程,这样便可恢复对应于每一个波束和每一个频率的初始信号。根据不同的业务需求,8´8的BUTLER矩阵放大器部件可以将信号均匀地分配到每一个放大器上,也可以将20%以上的射频功率集中分配给任一个波束。从而实现了放大器功率的动态按需分配。
3结论
通信卫星新技术,包括卫星有效载荷技术,在近10年来有了长足的进展,由于篇幅所限,不再一一叙述。随着卫星高新技术的不断出现、推广和普遍利用,通信卫星的功能将不断扩大,使用的频段和领域将不断拓宽。尤其是卫星星上处理技术的实现,很好地解决了频率、时隙、路由和波束的预分配,使得通信卫星将更多地取代地面设施的一些功能,如用户载波的调制与解调,信道、路由的灵活交换和分配,波束的成型和调整,地面设施将变得越来越小,价格越来越便宜。我们有理由相信,21世纪的卫星通信,将会有一个更大的发展。卫星通信和光纤通信一样,将成为21世纪人类通信的重要手段。
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