资讯首页   焦点新闻   国内新闻    国际新闻   产经新闻    深度解读    技术前沿   航天政策法规     视频    

国外高通量卫星系统与技术发展

时间:2017年12月06日 信息来源:国际太空 点击: 【字体:


HTS卫星系统发展


1. 地球静止轨道HTS发射数量逐年增加,发射比例趋近半数


从2004年首颗地球静止轨道HTS卫星(GEO-HTS)发射以来,至2016年底,全球共计发射了46颗GEO-HTS,2017年全年预计发射11颗HTS卫星(截至2017年9月底,已发射9颗),创历年发射之最。过去5年(2012-2016年底),全球共计发射26颗HTS卫星,是上一个5年(2007-2011年)发射数量的总和(11颗)的2倍多。

GEO-HTS卫星自2015年起,发射数量从每年的2~3颗显著增加至近10颗,近2年占发射GEO通信卫星数量的1/3。从2019年起,随着GEO通信卫星发射数量的下滑,HTS卫星年发射数量将接近当年发射的GEO通信卫星数量的50%。

寰俊鍥剧墖_20171206103431.jpg

▲ 全球2004-2020年GEO-HTS卫星发射数量统计与预测


2. 中低轨HTS发射迎来井喷,2020前后达到顶峰

与GEO-HTS快速发展相比,多个大型中地球轨道(MEO)和低地球轨道(LEO)HTS星座进入研制当中,最早于2019年起发射。虽然国外宣称发展的中低轨HTS星座主要有6个,但由于建设的重复性,所需的资金规模,频率协调,制造、发射能力的限制导致最终能够发展起来的星座项目并不如宣传所述。

目前,全球在轨的中低轨HTS星座只有1个,即运行在MEO轨道的“另外三十亿人”(O3b)星座,由12颗卫星组成,现已完成部署并交付使用。从目前在建的HTS星座来看,主要有2019年预计发射的O3b星座扩展的8颗卫星,以及2020年预计发射的650颗“一网”(OneWeb)卫星星座。如果将所有宣称发展的中低轨HTS星座都计算在内,全球累计发射的中低轨HTS星座卫星接近上万颗。

寰俊鍥剧墖_20171206103226.jpg

▲ 全球中低轨HTS星座发射数量预测


HTS卫星关键技术


  1. 多波束天线技术


HTS卫星最基本的特征就是卫星的波束为点波束。卫星采用多点波束的好处在于提高天线的发送/接收增益,并能实现频率复用;采用多点波束的劣势在于覆盖,点波束覆盖范围较小,要想实现大范围的区域覆盖,则需要大量点波束。目前,国外主要有2种发展思路:一是以卫讯卫星-1和“Ka频段卫星”为代表的、采用窄点波束提高通量的区域系统;二是采用较大的点波束增加覆盖范围的全球系统,例如“史诗”(Epic)。

HTS卫星主要应用两类多波束天线:一是单馈源单波束天线(SFB);二是多馈源单波束天线(MFB)。SFB天线的每个馈源喇叭对应1个波束,简化了硬件设备,电性能也较好,对于覆盖范围较大的HTS卫星多采用SFB天线。MFB天线通过小的喇叭阵列形成波束,有的还配有波束成形网络,优势在于实现波束重合覆盖仅需1副反射器,从而减少了星上天线的尺寸和成本。因此,对于较小的地理区域和多用途HTS卫星,MFB天线是最佳选择。  

2. 频率复用技术

对于HTS卫星系统设计来说,采用点波束和频率复用技术相结合,能够有效提高天线增益,实现频率复用。优势在于:①天线的增益与波束宽度有关,波束宽度越窄,天线增益越高。较高的卫星天线增益可以使得用户采用更小口径的终端,并使用高阶调制编码方案,从而提高频谱利用效率,提高数据传输速率。天线增益增加10倍,系统容量增长4倍。②点波束的应用,使得距离较远的波束可以复用同一段频率。

频率复用也会带来一些问题,当2个或更多的波束使用同一段频率时,由于天线旁瓣不为零,就会产生波束间的干扰。综合来看,点波束技术的应用能够带来效率的提高,但引起的波束间干扰又降低了效率。如果增加波束间的距离可以降低干扰,但又减少了频率复用,影响了总的通量。因此,点波束的数量和频率复用程度实际上是系统设计根据实际应用的折中考量。


3. 灵活有效载荷技术

“灵活”指的是HTS卫星系统在发展的过程中,为了提高商业竞争力而对系统的服务能力提出的要求。早期发展HTS卫星系统主要以提高整星通量为目标,星上设计简单,卫星一旦入轨,很难对服务进行调整。实际应用当中会出现热点地区的转发器饱和,非热点地区转发器利用率很低,造成转发器利用率低的问题。

灵活有效载荷是欧洲提出来的一个笼统的整体概念,主要包含三方面:①灵活的覆盖,能够实现覆盖区域的在轨可调,实现卫星从所在轨位可见地面任何一个地区的动态覆盖调整,并能在轨控制点波束的尺寸、数量和形状,实现途径主要包括直接辐射阵列天线(DRA)、阵列馈源反射器天线(AFR)、共焦天线(Confocal Antennas)和透镜天线(Lens Antennas)等;②灵活的频谱分配,能够灵活分配频率和带宽,主要通过星上处理实现(含模拟和数字处理技术);③灵活的功率分配,主要通过多端口放大器(MPA)技术实现。

自2010年起,欧洲航天局(ESA)“通信系统预先研究”(ARTES-3和4)产品研制专题为灵活有效载荷专设了“通用灵活有效载荷”专项,分“两步走”:一是在英国阿万蒂通信公司的HTS卫星高适应性卫星-1上开展通用灵活有效载荷的在轨验证;二是在国际移动卫星公司的“阿尔法卫星”(Alphasat)上开展星上数字处理器的在轨验证。2015年,ESA与欧洲通信卫星公司共同开展了“量子”(Quantum)卫星研制:①实现灵活的波束赋形覆盖形状和大小可调;②覆盖范围可变,8个独立的点波束能够在1min内调整到任意可见的地面服务区域;③覆盖波束跳换,更加灵活地按需分配,需求热点地区可以获得更高的容量分配;④功率和容量灵活,灵活地为用户分配功率和容量;⑤频率灵活,能够使用Ku频段范围内任何一段频谱。


来源:《国际太空》2017年第11期



(作者:佚名)
返回顶部