卫星通信新技术

（闵长宁）

     在目前的通信卫星中，己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世纪的通信卫星技术的发展方向，这些技术的发展、移植和全面利用，将对未来的通信卫星和卫星通信产生深刻的影响。

    1.氙粒子发动机技术

    氙粒子发动机的出现，可以称得上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

    ·弧度喷气发动机（ARCJET）550秒

    ·稳态等离子发动机（STATIONARY PLASMA）1500秒

    ·氙粒子发动机（XENON ION PROPULTION）

    ·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）

     由上可以看出，采用氙粒子发动机，其比冲是通常使用的双组元发动机的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控与轨控。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，从而完成卫星的轨道位置保持。每个氙粒子发动机每年仅消耗2.5kg燃料，因此每年卫星轨道保持仅需消耗5kg燃料。对于一颗15年寿命的卫星而言，采用氙粒子发动机将节省90％的推进剂质量，约280－350kg，因而可以大大节省卫星的发射价格，或可以用于增加更多的卫星转发器，或用来延长卫星的寿命，这将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，就可以将卫星的轨道位置保持精度提高到0.005度，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、无活性的气体中，氙粒子可产生更大的推力，且由于其惰性特点，使得它既不易腐蚀，又安全。90年代中期，这一技术已开始用在各种不同的卫星上，如日本的ETS－3、ETS－6、COMETS卫星及XM－1、GALAXYH和PANAMSTAR等卫星，而且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上投入使用。这就是砷化钾
太阳电池，包括常规的砷化钾太阳电池、双节砷化钾太阳电池和多节砷化钾太阳电池。硅
太阳电池的转换效率为14％，而砷化钾太阳电池、双节砷化钾太阳电池和多节砷化钾太阳
电池的转换效率分别可达到18.3％、23％和30％以上。同时，在两个太阳电池翼的两边，
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（10000－15000瓦）的实现奠
定了基础。

     同时，为保证卫星在地影中的更高效的工作，一种效率高、体积小、重量轻，具有
7.2WH充电能力的锂粒子蓄电池也开始使用在卫星能源分系统上。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成形大天线。

     目前，全球波束仍采用圆波束，区域通信，大多数卫星通信都采用双栅、正交、单馈源、反射器赋形的天线设计。这种天线技术不仅已在大多数的通信卫星上采用；同时也被世界上各主要的卫星天线制造商所掌握，为支持个人移动通信而研制的多波束成型大天线，目前也开始使用。主要的卫星天线有以下几种。
     1）THURYU卫星天线：
     该卫星天线由休斯公司研制。天线的物理尺寸为12.25米×16米，投影直径12米，128个馈源，收发合一。该无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。
     该无线的设计具有下列特点：
     ·一副收发合一的卫星天线。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，不需要做第二副天线，极大地降低了天线分系统的重量。
     ·新颖的结构设计，达到了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反射，其余则全部通过，消除了金属对金属之间的接触，将使无源交调最小。

     ·介质薄膜采用非完全绝缘体材料－－氧化铟，其电阻率在10（8次方）Ω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，有效保证覆盖区点波束的要求。利用偏馈技术，每8或20个，甚至更多的馈源形成一个波束，总数可形成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），极大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。

     2）ASES卫星天线

     该卫星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天线。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）4.8米的卫星天线，已经过飞行验证，具有很强的实力和信誉。

     ASES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在结构及展开驱动机构方面完全继承了原有天线的特点，具有较高的精度和可靠性。
     3）TORSS卫星天线
     4.8米直径的可展开桁架式结构无线，总重52磅；
     反射器是由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。

     4）GALILEO卫星天线

     4.8米直径的可展开桁架式结构天线，总重76磅；

     18个钢性的增强型碳纤维环氧树脂桁架；

     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－FEEK）反射器。

     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“湾管”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利用在通信转发器的设计中。其典型的代表包括有美国的ACTS卫星、THRUYU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：

     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、路由分配和波未成形技术；

     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；
     组合式的BUTLER矩阵放大功能及射频功率动态按需分配技术。
     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运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：其功能影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级送到由一级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。

     ·数字波未成形网络：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，信号被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交换继承电路、TDMA继承电路和输出继承电路三部分。其功能是实现移动用户到移动用户业务的TDNA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。

     5．射频功率动态按需分配技术

     射频功率动态按需分配技术的实现，实际上是由BUTLER合成矩阵放大器完成的。
     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，这样便可恢复对应与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，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，也可以将几乎20％的射频功率集中分配某一个波束中，从而实现了放大器功率的动态按需分配。

    结论

     通信卫星新技术，包括卫星有效载荷技术，在近10年来有了长足进展，由于篇幅的限制，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，通信卫星的功能将断扩大，使用的频段和领域将不断的拓宽。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，价格将越来越便宜。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。

摘自《卫星通信广播电视》