星上处理技术

星上处理技术［英文名称］onboardprocessingtechnology［定义］□为了卫星通信能与宽带综合业务数字网（ISDN）、异步转移模式（ATM）标准兼容，卫星与光缆无缝连接，卫星必须克服带宽、传输质量、时延、雨衰及保密等问题，还必须具备星上交换能力。因此，只有通过星上处理技术来实现。星上处理技术包括：比特再生、前向纠错、基带解调、路由切换、编路、功率可控矩阵、信道带宽可调（数字滤波、波束成形、多波束天线和切换以及星间链路等技术。□□［国外概况］□1976年发射的林肯实验卫星（LES）—8、LES-9两颗军用实验卫星上，首次进行了简单的比特再生和几个波束的多波束天线技术等星上处理技术实验。由于这一技术可以降低干扰、改善信道质量，在随后的军用通信卫星中普遍采用了此项技术。在1975年发射的国际通信卫星Intelsat-IVA，采用了两个波束的天线，从此，多波束天线技术开始发展。80年代，由于商用通信卫星的飞速发展，静止轨道频率资源短缺，而多波束的频率复用特性使其具备了巨大优势，从而得到迅速发展。从几个波束发展到了几十个、上百个波束，技术也发生了根本性的变化。目前，除了多波束频率复用特性外，提高卫星有效各向同性辐射功率（EIRP）从而降低对地面终端的要求，也越来越受到重视。但不同波束之间的用户连接困难问题，则需要连接不同波束的微波切换矩阵。1991年1月发射Inteolsat-F1及随后发射的F2首次采用了微波切换矩阵，实现了6个波束之间的互连。1993年9月发射的先进通信技术卫星（ACTS）是美国国家航空航天局（NASA）为保持美国在通信卫星领域的领先地位而研制的一颗具有多项星上处理技术的先进技术实验卫星。它开创了星上处理技术的新局面。有众多美国公司参与了ACTS计划的先期研制，从而使他们在星上处理技术方面前进了一大步，并为其以后的发展打下了牢固的基础。其中摩托罗拉公司开发了星上基带交换技术、TRW、Loral等公司研制了点波束天线技术和微波交换矩阵、电磁科学公司研制了波束成形网络、TRW、休斯等公司研制了Ka频段发射和接收设备、Comsat和BBW公司开发了网络控制技术。□1994年2月发射的军事星（Milstar），是通信卫星史上的一个里程碑。它除了采用EHF频段技术外，主要特点是采用先进星上处理技术，提高了信号质量，防止干扰，保证小型终端得到满意的通信服务。同时也提高了卫星的自主工作能力。□星间链路（ISL）技术的研制始于1976年美国用一枚火箭同时发射的LES—8和LES—9卫星，卫星使用的频率为36〜38GHz，取得经验后在跟踪和数据中继卫星（TDRS）、Milstar和“铱”星上应用。日本于1994年秋在发射的ETS—6试验卫星上进行了23/32GHz通信、天线指向、捕获等关键技术试验。欧空局也曾在1989年7月发射的奥林帕斯（Olympus）-1卫星上与欧洲可回收卫星之间做过传输试验。星间链路可以杜绝双跳，减少时延，节约轨道资源，建立全球大容量空间信息网，增加覆盖，并且是克服卫星通信日凌中断的唯一方法。□星上处理技术的一个重要贡献在于它大大简化了地面终端设备，使其小型化，从而使卫星通信可以直接进入办公室和家庭，极大地扩展了卫星通信的市场领域，因此，西方国家的政府和卫星制造与经营者都极为重视它的发展。在目前西方运营的卫星中，几乎都采用了星上处理技术。□目前规划中代表了最先进的星上处理技术的静止轨道卫星通信系统有：美国休斯公司的Spaceway系统，它由9颗卫星组成，采用了先进通信技术实验卫星（ACTS）的研究成果，利用星上处理技术直接对用户按ATM方式进行按需分配业务。此外还有洛克希德一马丁公司的Astrolink系统和GE公司的GE-Star系统，它们都有9颗卫星组成，都计划在2000年前后开通业务。另外，空间系统/劳拉公司由3颗卫星组成的Cyberstar系统也正在实施。□静止轨道通信卫星的星上处理技术可以解决通信容量、利用率、重新配置资源和克服双跳等问题，但对全球联网和250〜500ms传输时延尚无能为力。近年来出现的中、低轨道卫星网可以从根本上解决这一问题，当然对星上处理技术的要求也较高。它们的典型代表是美国摩托罗拉公司的“铱”系统，它所有的数字处理和交换都在星上完成。每颗卫星采用3个16波束的相控阵天线形成48个点波束，可在全球形成2150个点波束，每波束平均80信道，全球总计172000条信道。另外，每颗卫星有4条15MHzKa频段的星间链路，分别连接到同轨道平面内的前后各一颗卫星和两侧相邻轨道面内的各一颗卫星。（目前该系统因经营不佳已停止运营）。□另一个由全球电信公司提出的低轨道卫星全球网络（Teledesic）系统，计划在1300〜1400km高的圆轨道上分布288颗具有多种星上处理技术的卫星，计划在空间建立一个全球性的、实时、宽带通信骨干网，其性能可与光缆通信相媲美。它具有低时延（40〜150ms往返）、高数据率、低误码率（＜1E-10）的特点，它可支持电视会议、交互式多媒体传输及实时双向数字数据传输。每颗卫星作为一个节点，有很强的星上处理能力，采用快速分组切换技术和自主信号编路技术。卫星采用12m直径相控阵天线，形成64个电波束。星地通信使用Ka频段，每颗星有8条星间链路，与邻近的8颗卫星构成星间链路，星间链路采用60GHz频段。该计划将在21世纪初提供服务，总投资约90亿美元。法国阿尔卡特空间公司（AlcatleEspace）也提出了天桥（SkyBridge）系统计划，由80颗卫星组成，可提供高数据率、宽带业务，耗资约40亿美元，计划于2001年投入运营。□由我国和新加坡、泰国共同投资的亚太移动通信（APMT）静止轨道卫星通信系统，其计划采用的的星上处理技术当属世界先进水平。它通过在星上采用数字式波束形成网络，可在轨设定和调整250个波束，频率复用达21次，可满足市场对服务区的要求和变化。采用星上数字交换处理技术，可支持2000〜3000条信道，用于移动用户之间的一跳直接通信。类似的系统还有印尼的亚洲蜂窝卫星通信系统（Aces）。□□□□□［影响］□星上处理技术的主要功能包括：（1）对各个上行载波进行信号分离、解调和译码，可将几千个已调载波变换成所需的数字基带；（2）信道切换，将来自包含在各个区域多个地球站的上行线路中单个信道和点波束按需编成不同下行波束的信道组；（3）信息速率变换，如将低上行速率变成高下行速率；（4）星上再生，就是把上行载波解调后，接着把组合的信道组重新调制下行载波。□星上处理技术对以下卫星通信系统的性能进行改善：□1.比特再生：可隔离上下行的干扰，改善信道质量；□2.多波束天线：实现频率复用，增加容量，提高EIRP、简化终端；□3.基带再生：可供进一步处理；□4.微波切换：波束间的互连；□5.自主基带切换：增大系统的灵活性、构成网状网，减少双跳；□6.多载波解调器：减少解调器数目、降低重量和功耗；□7.功率放大器矩阵组：动态功率分配、提高功率效率；□8.数据率变换：增加全网的灵活性；□10.自适应编译码器：雨衰（Ka波段）自适应调节，提高通信的可靠性；□11.星间链路：构成空间网络，消除双跳、缩短传输时延。□□□□□［技术难点］□星上处理技术所涉及的关键技术包括：□（1）多波束接收天线系统，包括接收天线馈源网（接收多波束成形网络）和相控阵；□（2）输入滤波器、低噪声放大器和第一下变频器；□（3）比特再生处理（用于再生式转发器）；□（4）微波交换矩阵（用于多波束之间的连接）；□（5）可调下变频器；□（6）解调器（模拟、数字、时分多址、多载波解调器）；□（7）基带交换（包括电路和分组交换）；□（8）编码器和解调器；□（9）功率可控微波矩阵和交换矩阵；□（10）多波束发射天线系统，反射器（或相控阵）、馈源阵、波束成形网络。□□以上分系统及部件级的处理技术在美国、欧洲和日本的有关公司中都在积极地开发，并取得了很大成绩。如多波束天线系统中的模拟波束成形网络、多载波解调器、基带交换等部件，有些已投入飞行应用，性能有待进一步