国外静止轨道移动通信卫星技术发展综述
卫星通讯简史
卫星通讯简史利用地球同步轨道上的人造地球卫星作为中继站进行地球上通信的设想是1945年英国物理学家.克拉克（）在《无线电世界》杂志上发表“地球外的中继”一文中提出的，并在60年代成为现实。
同步卫星问世以前，曾用各种低轨道卫星进行了科学试验及通信。
世界上第一颗人造卫星“卫星1号”由苏联于1957年10月4曰发射成功，并绕地球运行，地球上首次收到从人造卫星发来的电波。
美国于1960年8月把覆有铝膜的直径30m的气球卫星“回声1号”发射到约1600km高度的圆轨道上进行通信试验。
这是世界上最早的不使用放大器的所谓无源中继试验。
美国于1962年I2月13日发射了低轨道卫星“中继1号"。
1963年11月23日该星首次实现了横跨太平洋的日美间的电视转播。
此时恰逢美国总统.肯尼迪被刺，此消息经卫星传至日本在电视新闻上播出，卫星的远距离实时传输给人们留下深刻印象，使人造卫星在通信中的地位大为提高。
世界上第一颗同步通信卫星是1963年7月美国宇航局发射的“同步2号”卫星，它与赤道平面有30°的倾角，相对于地面作8字形移动，因而尚不能叫静止卫星，在大西洋上首次用于通信业务。
1964年8月发射的“同步3号”卫星，定点于太平洋赤道上空国际日期变更线附近，为世界上第一颗静止卫星。
1964年10月经该星转播了（东京）奥林匹克运动会的实况。
至此，卫星通信尚处于试验阶段。
1965年4月6日发射了最初的半试验、半实用的静止卫星“晨鸟”，用于欧美间的商用卫星通信，从此卫星通信进入了实用阶段。
覆盖范围静止地球轨道（GEO）卫星全球覆盖的固定卫星通信业务静止地球轨道(GEO）卫星，轨道高度大约为36 000km，成圆形轨道，只要三颗相隔120°的均匀分布卫星，就可以覆盖全球。
国际卫星通信组织的Intelsat I-IX代卫星。
是全球覆盖的最好例子，已发展到第九代。
卫星在空中起中继站的作用，即把地球站发上来的电磁波放大后再反送回另一地球站。
MEO与LEO
MEO与LEO同步静止轨道（GEO）卫星移动通信技术成熟，已经有几代INMARSAT卫星多年的工作经验，具有卫星数量少、全球覆盖、24小时通信不必切换卫星、卫星跟踪控制简单等优点，但是也存在轨道高、传播路径远、延时长等不足。
特别是随着纬度的增大，地面观察卫星的仰角不断减少，地形地物对移动用户的阻挡不可忽视，这对个人移动通信业务是极为不利的。
另外，GEO轨道日益拥挤，个人移动通信业务中手持机的体积小、功率低（一般不超过1～2W），若采用同步静止轨道（GEO）卫星则要求卫星提供窄波束、大转发功率（根据链路计算要达到10kW以上）。
在目前的卫星功率受限的情况下，难以利用同步静止轨道卫星使全球移动用户终端的体积和重量达到与地面蜂窝电话手持机相当的水平。
所以人们普遍认为，同步静止轨道（GEO）卫星固然可以用于移动通信，但是用于个人通信还存在较大的技术困难。
正因为如此，提出了利用多颗中、低轨道卫星覆盖全球来实现个人移动通信的方案。
中、低轨道卫星属于非同步卫星，它作为陆地移动通信系统的补充和扩展，与地面公众网（PSTN）有机结合，才能实现全球个人移动通信。
中、低轨道卫星对实现全球个人移动通信显示出极大的优越性。
低轨道（LEO）轨道高度仅是同步静止轨道（GEO）的二十分之一至八十分之一，所以其路径损耗通常比同步静止轨道（GEO）低很多，所发射的功率是同步静止轨道（GEO）的二百分之一至二千分之一，传播时延仅为同步静止轨道（GEO）的七十五分之一，这对实现终端手持化和达到话音通信所需要的时延要求是很必要的。
但是由于运转周期和轨道倾角关系，MEO和LEO通信卫星相对于地球上的观察者不再是静止的，为了保证在地球上任一点均可以实现24小时不间断的通信，必须精心配置多条轨道及一大群具有强大处理能力的通信卫星，这样一个庞大而又复杂的空间系统要实现稳定可靠的运转，涉及到技术上和经济上的一系列问题。
而且投资高，风险大，这就是用中、低轨道卫星实现全球个人通信的缺点。
国外软件定义卫星技术进展
现有各类应用卫星已具备较强的性能，一方面，通信、遥感、导航等载荷能力大幅提升，基本满足军事活动和民用领域的需求，另一方面，卫星在轨寿命不断延长，地球静止轨道卫星可超过15年。
但是这些卫星一旦发射入轨，其载荷的性能参数在整个寿命期间无法改变，在一定程度上制约了卫星的有效应用。
欧洲在2015年7月启动研制“量子”通信卫星，利用软件定义无线电（Software-Defined Radio，SDR）技术实现在全Ku频段的通信能力“定义”，即卫星工作频率、带宽、信号强度、覆盖范围等性能参数的灵活更新。
从20世纪90年代提出软件定义无线电的概念以来，美国国防部和国家航空航天局（NASA）根据各自需求分别进行了长期研究，并形成相应的标准规范，有力支持了软件定义无线电技术的应用。
NASA开展的一系列天基软件定义载荷试验成功验证了基于相同硬件的功能定义能力，欧洲研制“量子”通信卫星也受到美欧主要卫星运营商和制造商的高度关注和跟进。
相关试验和应用也将推动天基软件定义无线电关键技术的进一步发展，在提高卫星在轨灵活性的同时，也为未来构建综合一体化天基信息系统奠定坚实基础。
1 软件定义卫星发展概述1.1 相关概念软件定义无线电的概念最早由美国麦特公司约瑟夫·密特拉（Joseph Mitola III）博士在1992年5月的美国全国电信系统会议上提出，将其作为美国国防部开展“易话通”（SPEAKeasy）计划的技术途径之一，解决美军及其盟军不同无线电设备之间互联互通的难题。
软件定义无线电提供了一种建立多模式、多频段、多功能无线设备的有效且相当经济的解决方案，可通过软件升级实现功能的提高。
软件定义无线电可以使整个系统（包括用户终端和网络）采用动态的软件编程对设备特性进行重新配置，即相同的硬件可以通过“软件定义”来完成不同的功能。
软件定义卫星是软件定义无线电技术在天基领域的应用，与软件定义无线电类似，即相同的载荷硬件设备通过“软件定义”实现不同的功能。
211014288_国外卫星搭载有效载荷发展综述
㊀V o l．３２㊀N o．１㊀１１６㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀航㊀天㊀器㊀工㊀程S P A C E C R A F TE N G I N E E R I N G㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３２卷㊀第１期㊀２０２３年２月国外卫星搭载有效载荷发展综述王久龙㊀徐晨阳㊀曾文彬㊀蔡盛(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春㊀１３００３３)摘㊀要㊀分析了搭载有效载荷的概念,给出了宿主卫星平台与搭载有效载荷的接口关系,阐述了搭载有效载荷在降低航天成本㊁分散任务风险及实现快速发射等方面的优点和挑战;调研了近年来国外搭载有效载荷在遥感成像㊁卫星通信㊁定位导航㊁导弹预警等领域的发展现状,梳理了几个代表性的搭载有效载荷项目的发展背景㊁系统组成㊁技术指标,如商业搭载红外有效载荷㊁广域增强系统㊁专用超高频通信有效载荷㊁天基杀伤评估系统;分析了搭载有效载荷在天基侦察㊁预警探测卫星通信系统㊁高轨空间态势感知等领域的应用前景,提出了制定平台与载荷标准化接口㊁建立合理有效载荷价格模型等建议.关键词㊀搭载有效载荷;宿主卫星;卫星通信;天基杀伤评估;态势感知;价格模型中图分类号:V４７４ ２㊀㊀文献标志码:A㊀㊀D O I:１０ ３９６９/j i s s n １６７３Ｇ８７４８ ２０２３ ０１ ０１６R e v i e wo nD e v e l o p m e n t o f F o r e i g nH o s t e dP a y l o a d sWA N GJ i u l o n g㊀X U C h e n y a n g㊀Z E N G W e n b i n㊀C A I S h e n g(C h a n g c h u n I n s t i t u t e o fO p t i c s,F i n eM e c h a n i c s a n dP h y s i c s,C h i n e s eA c a d e m y o f S c i e n c e s,C h a n g c h u n１３００３３,C h i n a)A b s t r a c t:T h e c o n c e p t o f h o s t e d p a y l o a d s i s a n a l y z e d,t h e i n t e r f a c e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e h o s t s a t e l l i t e p l a t f o r m a n d p a y l o a d si s g i v e n,a n dt h ea d v a n t a g e sa n d c h a l l e n g e s o f p a y l o a d si n r e d u c i n g a e r o s p a c ec o s t s,d i s p e r s i n g m i s s i o nr i s k s,a n da c h i e v i n g r a p i dl a u n c ha r ee x p o u n d e d．T h e d e v e l o p m e n t h i s t o r y o f f o r e i g nh o s t e d p a y l o a d s i n t h e f i e l d s o f r e m o t e s e n s i n g i m a g i n g,s a tＧe l l i t e c o mm u n i c a t i o n s,p o s i t i o n i n g a n d n a v i g a t i o n,a n dm i s s i l e e a r l y w a r n i n g i n r e c e n t y e a r s i s i nＧv e s t i g a t e d,a n dt h ed e v e l o p m e n tb a c k g r o u n d,s y s t e m c o m p o s i t i o n,a n dt e c h n i c a l i n d i c a t o r so f s e v e r a l r e p r e s e n t a t i v e c o mm e r c i a l p a y l o a d p r o j e c t s a r e r e v i e w e d,f o r i n s t a n c e,c o mm e r c i a l l y h o sＧt e d i n f r a r e d p a y l o a d,w i d e a r e a a u g m e n t a t i o n s y s t e m,UH Fc o mm u n i c a t i o n p a y l o a d,s p a c eＧb a s e d k i l l a s s e s s m e n t．T h ea p p l i c a t i o n p r o s p e c t so fh o s t e d p a y l o a di ns p a c eＧb a s e dr e c o n n a i s s a n c ea n d e a r l y w a r n i n g d e t e c t i o n,s a t e l l i t ec o mm u n i c a t i o ns y s t e m,G E O s p a c es i t u a t i o na w a r e n e s sa n d o t h e r f i e l d s a r e a n a l y z e d．S o m e s u g g e s t i o n s a r e p u t f o r w a r d,s u c h a s f o r m u l a t i n g s t a n d a r d i z e d i nＧt e r f a c eb e t w e e n p l a t f o r ma n d p a y l o a d a n d e s t a b l i s h i n g r e a s o n a b l e p a y l o a d p r i c em o d e l．K e y w o r d s:h o s t e d p a y l o a d;h o s t s a t e l l i t e;s a t e l l i t e c o mm u n i c a t i o n;s p a c eＧb a s e dk i l l a s s e s s m e n t; s i t u a t i o n a l a w a r e n e s s;p r i c em o d e l收稿日期:２０２２Ｇ０９Ｇ２２;修回日期:２０２３Ｇ０１Ｇ１０基金项目:中国科学院青年创新促进会会员资助项目(２０１９２２６)作者简介:王久龙,男,硕士,助理研究员,研究方向为光电载荷总体设计.E m a i l:w a n g j i u l o n g＠c i o m p．a c．c n.通讯作者:蔡盛,男,博士,研究员,研究方向为空天地一体化光电对抗.E m a i l:c a i s h e n g＠c i o m p．a c．c n.㊀㊀近几年来,随着航天技术的不断发展和航天产业的日益扩大,以低轨巨型星座[１]为代表的商业航Copyright©博看网. All Rights Reserved.天得到迅速推进,航天产业呈现新的发展态势,大规模低成本进入太空的时代已经来临.同时,为保持太空优势和太空行动自由,美国等发达国家全面调整了太空发展策略[２],提出以下一代太空体系架构㊁ 黑杰克 项目等为典型代表的计划,改变了以往以大型复杂单星为主的模式,将建设重点转向由多颗小卫星组成的灵活㊁弹性㊁敏捷的低轨星座.搭载有效载荷已经成为太空体系弹性发展的重要方式之一,为推动相关技术发展,美国提出了一系列重要举措.２０１０年,美国«国家太空政策»强调要联合采办可靠㊁进度符合政府要求,且费效比高的航天发射服务和搭载有效载荷,明确提出鼓励政府发展搭载有效载荷,提高空间态势感知和轨道碎片的监测能力.２０１１年,美国波音㊁洛马㊁劳拉㊁轨道科学㊁欧洲卫星协会㊁国际通信卫星㊁铱星等７家公司发起成立搭载有效载荷联盟,旨在架起政府和私营企业的沟通桥梁,促进搭载有效载荷的实施.２０１３年,美国海军研究生院开展了搭载有效载荷的应用研究,建立了基于搭载有效载荷的天基局部空间态势感知架构,将搭载有效载荷放置在宿主卫星平台前后方,以对局部空间区域进行长期观测,实现威胁自感知㊁目标检测和碰撞预警,为实现天基态势感知提供了新的解决思路[３].２０１５年,美国空军发布«在商业卫星上搭载军用载荷指南»[４],分析了在商业卫星上搭载有效载荷面临的挑战,成立搭载有效载荷管理办公室,简化相关项目的授予流程,促进商业卫星搭载空军有效载荷的实施.２０１８年,基于通用仪器接口项目,N A S A联合空军空间和导弹中心的搭载有效载荷办公室以及航天公司发布«搭载有效载荷接口指南提案»[５],描述了搭载有效载荷与宿主平台之间的接口协议,包括尺寸㊁质量㊁功率和传输速率,旨在为相关组织开发基于低轨或高轨卫星有效载荷提供标准.为了研究搭载有效载荷的发展现状和军事应用价值,本文系统性的梳理了搭载有效载荷的概念和发展历程,总结了典型项目的系统概况㊁指标参数,并提出相关建议.１㊀搭载有效载荷概念搭载有效载荷[６]是指除主要载荷外搭载在卫星平台上的㊁为满足特殊需求而设计的额外载荷(如转发器㊁传感器或者其他星载设备).搭载有效载荷与主要有效载荷共用一个卫星平台,使用户能够快速高效且低成本的将有效载荷送入太空.在某些情况下,搭载有效载荷也被称为二级有效载荷或寄宿有效载荷.宿主卫星平台为搭载有效载荷提供结构㊁能源和通信等资源,二者物理连接和传输接口关系如图１所示.图１㊀搭载有效载荷接口F i g １㊀H o s t e d p a y l o a d i n t e r f a c e s搭载有效载荷的费用仅是研制㊁发射与运行整颗卫星费用的一小部分,可以有效降低卫星建设和部署成本,因此,逐渐受到业界的广泛关注,尤其是面临预算压力的机构.当然,在卫星平台上搭载有效载荷也面临一些挑战,比如怎样实现宿主卫星平台与搭载有效载荷的接口标准化㊁如何确保搭载有效载荷与宿主卫星的研制周期相一致㊁怎么改变用户对传统卫星项目的管理方法㊁如何确定搭载有效载荷的价格等.２㊀国外发展现状搭载有效载荷在国外已经初步得到广泛的应用,任务领域包括空间态势感知[７]㊁碎片监测[８]㊁激光通信[９]㊁定位导航[１０]以及气象监测[１１]等领域;按照载荷的任务类型,本文从环境监测类载荷㊁技术试验类载荷以及专用转发器类载荷角度出发,介绍近年来国外搭载有效载荷的发展动态.２ １㊀环境监测类载荷为了研究空间天气对气候㊁全球定位系统㊁电力传输㊁高频无线通信以及卫星通信的影响,N A S A牵头研制了太阳X射线成像仪(S X I S o l a rXＧr a y)[１２],工７１１㊀㊀第１期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀王久龙等:国外卫星搭载有效载荷发展综述Copyright©博看网. All Rights Reserved.作波段为０ ６~６ ０n m,可每分钟成像一次,每周７ˑ２４h运行,２００１年搭载环境观测卫星Ｇ１２(G E O SＧ１２)发射.２００５年,由美国劳拉空间系统公司建造㊁日本国土交通省和日本气象厅运营的地球静止卫星多用途运输卫星ＧI R(MT S A TＧI R)发射升空,搭载了航空类和气象类２种有效载荷,航空类载荷分为通信载荷和导航载荷,为飞机提供通信和导航服务;气象类载荷由１个可见光(分辨率１k m)成像载荷㊁４个红外(分辨率２~４k m)成像载荷以及１个气象通信载荷(S频段㊁U H F频段)组成.２００８年,为执行对地观测任务,美国军方将可见光C C D相机作为有效载荷搭载在美国回声星ＧX I(E c h o S t a rＧX I)和中圆轨道ＧG１(I C OＧG１)卫星发射升空.２０１１年,为降低下一代天基红外预警系统的研制风险,美国空军启动了商业搭载红外有效载荷(C H I R P)项目[１３],即用于导弹预警的宽视场红外传感器,搭载平台为欧洲卫星公司２号卫星(S E SＧ２).２０１８年,美国导弹防御局启动天基杀伤评估(S K A)项目[１４],利用天基传感器获取导弹拦截状态,并对拦截效果进行评估,为后续拦截提供支持.２０１７年,为解决航天器异常㊁识别潜在敌对行为提供详细的空间辐射数据,美国空军启动商业搭载的响应式环境评估(R E A C H)[１５]项目,在铱星(I r i d i u m)星座上搭载３２个有效辐射载荷.２ ２㊀技术试验类载荷搭载有效载荷为新技术的正式太空部署提供了一种测试㊁演示与验证的新方式,美国军方㊁N A S A 等部门都纷纷利用这种方式进行新技术的试验.２００９年,为在轨验证思科公司的空间路由能力,美国国防部将空间因特网路由(I R I S)[１６]有效载荷搭载在国际通信卫星Ｇ１４上发射升空,该载荷质量９０k g,功率４５０W,体积０ １２７m３,用户数据率６０M b i t/s.２０１１年,为验证地球同步轨道与地球之间双向激光中继通信的效果,美N A S A启动了激光通信中继演示(L C R D)项目[１７],载荷由２个单独的收发光通信终端和１个高速电子单元组成,地面系统由１个任务运营中心和２个地面站组成,２０２１年１２月搭载空间测试计划卫星Ｇ６(S T P S a tＧ６)上发射,初步研究结果表明:激光通信传输速率比射频高１０~１００倍,可满足空间科学和爆炸领域对更高数据速率的日益增长的需求.２０１８年,为将可释放的有效载荷运送到地球同步轨道,降低天基系统研制成本,作为 凤凰 计划[１８]的一部分,美国国防部先进研究计划局启动了有效载荷在轨交付系统(P O D)[１９]项目,将由４颗小卫星构成的P O D发射成功,顺利进入地球同步转移轨道.２ ３㊀专用转发器类载荷专用转发器作为搭载有效载荷,不仅可提供可靠的通信能力,还能够根据用户需求选择特定通信频段,已逐渐成为各国快速构建天基通信能力的主要手段.２００３年,澳大利亚国防部在民用澳普图斯ＧC１(O p t u sＧC１)卫星平台上搭载了军用U H F/X/K a频段的通信载荷[２０],U H F频段有５个５k H z和１个２５k H z 的转发器,用于低数据速率双向语音和数据通信;X 频段有４个６０MH z的转发器,用于中高数据速率单向㊁双向视频以及语音㊁数据通信;K a频段有４个３３MH z有源转发器和１个备用转发器,用于中高数据速率覆盖和双工视频㊁语音和数据通信.２０１２年,由国际通信卫星公司为主承包商,携带澳大利亚国防部队专用超高频有效通信载荷(A D FU H F)的国际通信卫星Ｇ２２(I n t e l S a tＧ２２)发射升空,载荷由波音公司研制,具有１８个U H F转发器,频率为２５k H z,此外该星还搭载４８个C频段转发器㊁２４个K u频段转发器.２００５年,由美国劳拉航天公司和西班牙共同研制的 X星Ｇ欧洲 (X T A RＧE U R)通信卫星发射升空,搭载了北约可配置X频段载荷,具有１２个７２MH z的转发器,总功率１００W,用于加强西班牙与北约军事㊁外交和保密通信业务.２００６年,由美国劳拉公司研制的西班牙军用电信卫星(S p a n s a t)发射升空,搭载有效载荷为在轨可重构多波束天线(I R M A)[２１],该天线的４个波束可以从地面单独重新定向,无需移动天线本身,主要服务于西班牙国防部,与X T A RＧE U R卫星一起使用,为军事行动㊁图像传输㊁大使馆服务和政府通信提供支撑.２００８年,美国海岸警卫队将国家自动识别系统(N A I S)的甚高频通信载荷搭载在轨道通信卫星(O r b c o m m)上发射升空,该载荷质量３k g,功率８W,体积０ ００３m３,数据率１０k b i t/s,用于增强现有的自动识别系统,实现海域态势感知.２００５年,美国联邦航空管理局将广域增强系统[２２]的L频段转发器作为有效载荷搭载在银河Ｇ１５(G a l a x yＧ１５)卫星以及加拿大阿尼克ＧF１R通信(T e l e s a t A n i kＧF１R)卫星上发射升空,此后又分别于２００８年㊁２０１６年㊁２０１７年㊁２０２２年搭载国际海事卫星Ｇ４F３(I n m a r s a tＧ４F３)㊁墨西哥Ｇ９通信卫星(S a t m e xＧ９)㊁欧洲卫星公司１５号卫星(S E SＧ１５)以及银河Ｇ３０(G a l a x yＧ３０)卫星进行补充发射.２０１１年,搭载K a频段通信载荷[２３]的高吞吐量卫讯卫星Ｇ１(V i a S a tＧ１)发射升空,该载荷发射频率为２８ １~３０ ０G H z,接收频率为１８ ３~２０ ２G H z,质量８１１㊀航㊀天㊀器㊀工㊀程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀３２卷㊀Copyright©博看网. All Rights Reserved.３４k g,功率１８５W,用户速率可达１０M b i t/s,设计寿命１５年,主要为加拿大农村地区提供高质量宽带服务.２０１２年,欧洲卫星公司５号卫星(S E SＧ５)成功发射,主载荷为２４个C频段和３６个K u频段转发器,搭载有效载荷为L１和L５频段的转发器,作为欧洲地球静止导航重叠服务(E G N O S)[２４]一部分.２０２２年,美国空军通过其增强型极地系统资本重组(E P SＧR)计划完成２颗超高频通信有效载荷研制,旨在为北极地区的美军提供安全㊁抗干扰的卫星通信能力,计划２０２３年搭载在挪威太空公司的北极卫星宽带任务上发射.３㊀典型实例近年来,国外成功开展了多项搭载有效载荷应用案例,领域覆盖导弹预警㊁定位导航㊁卫星通信㊁杀伤评估等方面,本文选取其中比较有代表性的项目进行介绍,如商业搭载红外有效载荷㊁广域增强系统㊁澳大利亚国防部超高频通信有效载荷㊁天基杀伤评估,分析搭载有效载荷的应用现状.３ １㊀商业搭载红外有效载荷商业搭载红外有效载荷(C H I R P)由美国空军于２０１０年提出,在一颗商业地球静止轨道卫星上搭载一个军用红外载荷,通过在轨收集红外数据,以研究用于导弹预警和防御的宽视场相机㊁红外凝视型传感器的性能.历经３９个月的研发,于２０１１年９月搭载S E SＧ２卫星发射升空,在轨运行２７个月后于２０１３年１２月正式停止使用,运行期间共采集超过３００T红外数据,为美国空军分析７０多次导弹/火箭发射事件以及１５０次其他红外事件提供帮助.C H I R P上的宽视场红外望远镜由科学应用国际公司开发,长㊁宽㊁高尺寸为７５c mˑ５４c mˑ７５c m,质量为７５k g,探测波段包括短波红外㊁中波红外以及直视地表波段(S e eＧt oＧG r o u n d),像素规模２０００ˑ２０００,可实现对１/４地球圆盘凝视观测,外观结构如图２所示.图２㊀C H I R P红外载荷F i g ２㊀C H I R P i n f r a r e d p a y l o a dC H I R P载荷的宿主平台为地球同步轨道通信卫星S E SＧ２,卫星平台为轨道科学公司开发的S T A R ２ ４,包含一个标准化的次级载荷接口㊁专用的有效载荷热辐射器以及由宿主转发器提供的任务数据通信模块,C H I R P载荷在宿主平台上的布局如图３所示.图３㊀安装在宿主机上的C H I R P载荷F i g ３㊀C H I R P p a y l o a dm o u n t e do nh o s t㊀㊀C H I R P的任务目标包括:(１)提供实战环境数据,开发和评估宽视场(W F O V)地球圆盘凝视算法;(２)验证凝视算法的性能;(３)使用大规模焦平面阵列(F P A)评估W F O V 性能;９１１㊀㊀第１期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀王久龙等:国外卫星搭载有效载荷发展综述Copyright©博看网. All Rights Reserved.(４)评估卫星平台对W F O V传感器约束边界,包括视轴稳定性㊁热稳定性指标和性能.３ ２㊀广域增强系统广域增强系统(W A A S)是美国专为民航开发的基于卫星的导航增强系统,该计划始于１９９２年,由美国联邦航空局负责实施,２００３年７月１０日开始运行. W A A S由３８个广域监测站㊁３个广域主控站㊁７颗地球静止轨道卫星㊁６个地面上行注入站㊁２个操作控制中心以及陆地通信网络组成(见图４),可覆盖美国本土㊁阿拉斯加㊁加拿大和墨西哥等大部分北美地区[２５].图４㊀WA A S系统体系架构F i g ４㊀WA A Sa r c h i t e c t u r e㊀㊀第１１届中国卫星导航年会上,美国国务院空间事务办公室指出WA A S为北美４７００多个民航机场提供带垂直引导的航向道进近程序(L P V)服务,其中１０００多个民航机场具备决断高度为６０ ９６m的带垂直引导的航向道进近程序(L P VＧ２００)能力,达到I类精密进近操作(C A TＧI)服务水平[２６].近年来,美国政府积极采用搭载有效载荷的方式开展WA A S系统的研究工作.２００５ ２００８年,美国联邦航空管理局采用在商用通信卫星上搭载有效载荷的方式,将L频段转发器托管在G a l a x yＧ１５㊁T e l e s a t A n i kＧF１R㊁I n m a r s a tＧ４F３卫星上,有效载荷质量为６０k g,功率达到３００W,体积为１m３,用户数据率为１０M b i t/s.２０１６年６月,WA A S系统有效载荷搭载S a t m e xＧ９卫星发射升空,并于２０１８年３月投入使用,以取代I n m a r s a tＧ４F３卫星上的旧载荷;２０１７年５月,W A A S系统有效载荷搭载S E SＧ１５卫星发射升空,并于２０１９年７月投入使用,以取代G a l a x yＧ１５卫星上的旧载荷;２０１８年,美国莱多斯公司击败雷神公司获得联邦航空管理局１ １７亿美元订单,用于开发第７代静止轨道通信载荷,２０２０年８月搭载G a l a x yＧ３０卫星发射升空,２０２２年４月投入使用.图５展示了W A A S系统历史上所使用的商业卫星平台.图５㊀WA A S的卫星F i g ５㊀WA A Ss a t e l l i t e s０２１㊀航㊀天㊀器㊀工㊀程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀３２卷㊀Copyright©博看网. All Rights Reserved.３ ３㊀澳大利亚国防部U H F有效载荷超高频(UH F)是指工作波长范围为１m~１d m㊁频率为３００~３０００MH z的无线电波,广泛用于军事卫星通信领域,特别适合陆地㊁海上㊁空中部队使用的移动手持终端[２７].为了给部署在中东和阿富汗地区的澳大利亚军队提供超高频通信能力,２００９年４月,澳大利亚国防部与国际通信卫星(I n t e l s a t)公司签订１ ６７亿美元合同,购买国际通信卫星Ｇ２２(I n t e l s a tＧ２２)卫星上的超高频段载荷的全部容量,即１８个２５k H z信道;根据合同要求, I n t e l s a t公司负责A D F UH F有效载荷的研制㊁集成和运管,并且在卫星发射后的１５年间为澳大利亚提供相关的载荷管理服务,包括超高频通信系统监控和在轨测试等[２８].２０１２年３月,I n t e l s a tＧ２２卫星发射成功,运行在星下点７２ʎE的地球同步轨道上, A D FUH F有效载荷拥有１８个２５k H z的大功率转发器,总体积为８m３,约占I n t e l s a tＧ２２卫星总有效空间容量的２０％,质量为４５０k g,功率为２k W.据澳大利亚政府估计,在A D F UH F载荷的１５年寿命中,与单独发射卫星相比,采用搭载有效载荷的方式可以节省１ ５亿美元.３ ４㊀天基杀伤评估系统美国２０１４财年«国防授权法案»要求美国导弹防御局应为地基中段防御系统提供改进的杀伤评估系统,并最晚在２０１９年１２月３１日前具备初始作战能力[２９].于是,２０１４年４月,导弹防御局启动天基杀伤评估项目,截止到２０１９财年,总研发经费１ ２亿美元,实现了在轨初步运行.单个S K A传感器质量约１０k g,由１个高速光谱传感器㊁１个高速偏振成像传感器和１个高速偏振非成像传感器组成[３０],从图６可以看出,３个传感器共用一套处理器㊁控制器和基座.高速光谱传感器用于对拦截中产生的辐射㊁热和光谱等信息进行成像,高速偏振传感器主要用于确定拦截时产生物质(碎片㊁颗粒㊁等离子体㊁气体等)的粒度分布,以确定弹头的类型.迄今为止,美国国防部和导弹防御局未公布S K A载荷具体搭载在何种卫星上,结合美国２０１７财年导弹防御局预算申请文件[３１]以及第二代铱星系统(I r i d i u m N E X T)发射计划,推测S K A载荷部署在I r i d i u m N E X T通信卫星星座中的２２颗卫星上.I r i dＧi u m N E X T卫星可以搭载多个有效载荷,每个载荷的质量约为５０k g,体积３０c mˑ４０c mˑ７０c m,平均功率５０W(峰值２００W),载荷的安装方向可以选择向下或向卫星运行速度矢量方向.S K A对美国弹道导弹防御系统至关重要,可与弹道导弹防御系统的指挥控制元件连接,具备实时任务处理和报告能力,可与雷达数据融合用于综合的㊁多现象学评估,主要用确定目标是否被拦截㊁确定目标的类型㊁确定是否是正面撞击㊁确定目标是否被摧毁等问题.S K A工作过程包括３个步骤:第一步是通过高速光谱和偏振传感器获取拦截状态信息,如拦截产生的热辐射㊁高速碎片㊁等离子体;第二步是进行拦截时间评估,通过与毁伤数据库㊁拦截弹数据库㊁目标数据库对比,建立基于时间序列的拦截时间评估模型,判断拦截目标类型以及是否正面拦截;第三步是杀伤效果评估,利用耦合热力学和流体力学激波物理代码和材料碎裂特征,建立基于物理的目标拦截特征模型,以评估目标是否被摧毁,并给出是否需要二次拦截建议[３２].图６㊀天基杀伤评估传感器F i g ６㊀S p a c eＧb a s e dk i l l a s s e s s m e n t s e n s o r４㊀展望与思考在未来空间安全的形势下,太空已成为与陆㊁海㊁空㊁电㊁网并列的作战域,各国围绕太空的军事竞争与较量不断升级.通过对国外搭载有效载荷的发展分析,可以看出:美国等国积极开展与其他国家㊁商业机构和国际组织的合作,寻求采用搭载有效载荷的方式提升太空装备的弹性,确保在对抗环境下依然具备强大的用天能力.经过长期的发展,搭载有效载荷已经广泛应用导弹预警㊁定位导航㊁卫星通信㊁杀伤评估等方面,正在逐步形成在轨应用能力.结合国外搭载有效载荷的主要用途,以及针对当前搭载有效载荷面临的主要问题,本文给出以下思考与建议.４ １㊀搭载低轨商业卫星,构建天基侦察探测预警体系高超声速飞行器㊁超音速隐身战机等空天目标１２１㊀㊀第１期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀王久龙等:国外卫星搭载有效载荷发展综述Copyright©博看网. All Rights Reserved.具有速度快㊁机动能力强㊁目标特性不明显等特性,仅依靠单一的天基探测平台很难实现快速捕获与稳定跟踪.为了探测㊁预警㊁跟踪和识别高超声速飞行器在内的先进空天目标威胁,美国正大力发展新一代天基低轨预警系统,包括太空发展局的国防太空七层体系架构和导弹防御局的超声速与弹道跟踪天基探测器.未来,加快推动研制更具弹性和生存能力的天基低轨星座的同时,应积极推动低轨小卫星搭载光学㊁红外有效载荷的方案论证和系统研制,构建功能完备的全天时㊁全天候天基侦察探测预警体系,逐步实现对重点区域乃至全球范围内高超声速飞行器㊁F２２隐身飞机等空天目标全生命周期的探测Ｇ识别Ｇ预警Ｇ对抗.４ ２㊀依托低轨卫星星座,提升军用卫星通信系统弹性在未来战争中,太空是最先介入的作战领域,专用的军事通信卫星首当其冲遭受攻击.近年来,低轨通信卫星星座依靠其传输时延低㊁覆盖范围广㊁数据带宽高等特点,已掀起各国的研究热潮,国外代表性系统有二代铱星㊁一网(O n e W e b)㊁星链(S t a r l i n k)等,我国也提出 鸿雁 ㊁ 中国星网 等计划.在低轨星座上搭载定制的通信有效载荷具有广泛的应用前景,不仅可构建全球无死角高速卫星军事通信网,使天基信息传输能力得到空前提升;还可以建立大容量㊁低延迟㊁高速率的天基信息指挥平台,实现对无人系统的远程控制㊁信息共享㊁目标分配和智能决策,提升联合作战指挥效能.４ ３㊀弥补现有系统不足,增强高轨空间态势感知能力地球同步轨道上运行着通信㊁气象㊁数据中继㊁电子侦察㊁导弹预警等高价值大型卫星,对这类卫星的监视具有重要的战略意义.传统的空间态势感知主要依靠地基雷达和大型天基系统,地基监视系统存在盲区,而且容易受到天气和大气环境的影响,可能发生观测误差;天基监视系统虽然能够全天时㊁全天候的工作,但是系统建设成本昂贵㊁建设周期长.随着空间碎片急剧增加㊁空间目标机动性提升,传统的空间态势感知手段面临极大挑战.通过在高轨卫星上搭载有效载荷的模式,同时发展近场威胁感知技术㊁主被动防护技术,快速形成周边全空域㊁大范围㊁高时效性的长期持续监视㊁碰撞预警能力,从而提高天基高价值资产在强对抗环境下的态势感知能力.４ ４㊀升级系统设计理念,制定平台与载荷标准化接口为宿主卫星平台㊁载荷制定统一的接口与参数标准,对于加快搭载有效载荷的建设和应用具有重要意义.统一的接口标准有助于打破平台与载荷无法互联㊁各自为战的局面,促进搭载有效载荷与宿主卫星平台在尺寸㊁质量㊁功率方面的兼容.未来,卫星平台厂商与有效载荷研制单位应积极参与标准接口制定工作,对不同功能和类型的卫星平台㊁有效载荷㊁相关器件进行广泛的标准化讨论,加快通用化的接口规范制定,并建立高效合理的设计㊁制造㊁发射和使用流程,逐步完善搭载有效载荷的全链条应用.４ ５㊀统筹考虑各方因素,建立合理有效载荷价格模型搭载有效载荷是降低航天任务成本㊁分散任务风险及实现快速发射的有效手段,受到业界的重视并得到广泛应用.目前关于搭载有效载荷价格的相关研究较少,以往的案例中也没有固定的价格标准,所以确定搭载有效载荷的价格仍是一项重大的挑战.搭载有效载荷的相关方包括卫星运营商㊁搭载客户以及制造商,在制定搭载有效载荷的价格时,应充分考虑相关方的需求㊁动机㊁期望等因素.常见的价格模型有收入损失价格模型㊁资源成本价格模型㊁卫星平台或火箭升级价格模型,每种模型都有不同的优点和缺点,各自适用于不同的任务场景.为了降低搭载有效载荷的成本风险,建议搭载有效载荷相关方尽早参与制定合理有效的价格模型,以减少非技术因素导致的研制进度的不可控.５㊀结束语本文分析了搭载有效载荷的概念㊁优点以及面临的挑战,详细阐述了国外主要国家搭载有效载荷的发展现状,重点梳理了商业搭载红外有效载荷㊁广域增强系统㊁专用超高频通信有效载荷㊁天基杀伤评估系统等典型项目的发展背景㊁系统概况及能力指标,研判了搭载有效载荷在预警探测㊁卫星通信㊁空间态势感知等军事领域的应用前景.研究结果表明:在卫星平台上搭载有效载荷是将政府㊁部队需求融合到宿主卫星任务中的创新方法,也是降低航天任务成本㊁分散任务风险及实现快速发射的有效手段,已经受到业界的重视并得到广泛应用.未来,随着航天科技的飞速发展,搭载有效载荷将成为极具吸引力的选择,具有重大的应用前景,需要加强相关领域的工程应用研究.参考文献(R e f e r e n c e s)[１]齐一鸣,陈闽,王沫,等．我国商业遥感卫星的探索实践与发展建议[J]．航天器工程,２０２１,３０(６):１８８Ｇ１９４２２１㊀航㊀天㊀器㊀工㊀程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀３２卷㊀Copyright©博看网. 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准静止轨道卫星关键技术和应用研究的开题报告
准静止轨道卫星关键技术和应用研究的开题报告一、选题背景准静止轨道卫星（以下简称Q/V轨卫星）是指仅在经度方向移动，而在纬度方向保持几乎不动的轨道卫星。
它运行在静止轨道和部分静止轨道之间，通常以赤道高度为36,000公里（约300个地球半径）的高度运行。
Q/V轨卫星凭借其宽覆盖、高稳定、长使用寿命等特点，已成为卫星通信、广播电视、气象预报、地球资源探测等领域的重要手段。
近年来，我国对Q/V轨卫星技术的研究也逐渐跟进，并在一定程度上实现了由国际市场的依赖向国内制造、应用和服务的转变。
根据国家航天局发布的《我国空间应用发展规划（2016-2020年）》，将积极推进建设准静止轨道系统，实现卫星电视广播、宽带互联网、远程医疗和教育覆盖全国；打造第四代气象卫星等。
然而，与静止轨道相比，Q/V轨卫星面临着更大的通信信噪比、高度定位精度及其稳定性等困难。
在发展过程中，必须面对诸多技术挑战，包括轨道控制、姿态控制、通信及其稳定性、能源管理、导航及掩星等方面。
因此，本文旨在对Q/V轨卫星的关键技术进行研究，并对其应用前景进行探讨，为我国Q/V轨卫星技术的发展提供参考。
二、研究目标和内容本文的研究目标主要是探究Q/V轨卫星关键技术和其应用前景，以满足我国面临的需求和挑战。
具体研究内容如下：1、Q/V轨卫星的基本概念及其特点。
2、Q/V轨卫星的轨道控制技术研究，包括偏心率控制、倾角控制、平面控制等。
3、Q/V轨卫星的姿态控制技术研究，包括侧向姿态控制、角速率控制、姿态导引控制等。
4、Q/V轨卫星的通信及其稳定性技术研究，包括宽带通信技术、多波束技术、同步星技术等。
5、Q/V轨卫星能源管理技术研究，包括太阳电池板、锂电池等。
6、Q/V轨卫星导航及其掩星技术研究。
7、Q/V轨卫星应用前景探讨，包括通信、广播电视、气象预报、地球资源探测等。
三、研究意义1、推动我国Q/V轨卫星技术的发展。
在卫星制造、应用和服务等方面，提供技术支撑，促进我国卫星行业健康发展。
移动通信技术发展综述
移动通信技术发展综述摘要：移动通信技术经过近百年的发展，已经逐渐成熟。
本文将对移动通信技术的发展历史进行简单的介绍，并对第三代移动通信商用化进程进行一下讨论。
一、移动通信技术发展简介蜂窝前:–1921年，底特律警察局开始试验使用“移动”无线通信。
单工，用于通知。
–30年代，警察局用的双向系统开通，40年代，以行业应用为主的双向系统在各个行业兴起。
但是没有同固定电话网互联。
双工，用于专业网–40年代末，AT&T开始真正的商用公用移动通信系统。
公众系统60年代中期到70年代中期，美国推出改进的移动电话系统（IMTS), 使用450 MHz，大区制，中小容量，实现了自动选频并能够自动接续到公用电话网。
比较成熟的公众系统.蜂窝后（小区制）：70年代末80年代初有商用系统，在20年内经历了两代目前正在向第三代系统迅速演进。
第一代蜂窝移动通信系统–模拟蜂窝移动通信系统（语音）–典型系统：TACS、AMPS第二代蜂窝移动通信系统（语音和数据）–数字蜂窝移动通信系统–典型系统：GSM、IS-95 CDMA第三代蜂窝移动通信系统（3G，多媒体）–正在发展的蜂窝移动通信系统–典型系统：WCDMA、CDMA-2000、UWC136第一代蜂窝移动通信系统特点：–模拟移动通信系统（语音信号是模拟信号）–采用小区制、蜂窝组网–多址接入技术：频分多址（FDMA）发展简况：–美国AMPS（Advanced Mobile Phone System），第一个蜂窝系统，1983年投入商用。
–英国TACS（Total Access Communication System），1985年投入商业。
我国采用这种制式。
–北欧NMT（Nordi Mobile Telephone），丹麦、芬兰、挪威瑞典使用，1981年投入使用，是世界上第一个具有漫游功能的蜂窝电话。
–日本HCMTS（High Capacity Telephone System），1980年开通。
国外遥感卫星发展现状概述
国外遥感卫星发展现状概述遥感卫星是指通过卫星传感器获取地球表面信息的一种技术手段。
随着科技的不断进步，国外各国在遥感卫星领域展开了广泛的研究和开发工作，取得了许多重大的成果。
本文将对国外遥感卫星发展现状进行概述。
一、美国遥感卫星发展美国是全球遥感卫星领域的领军国家，已经发射了多颗卫星以获取地球的遥感数据。
其中，最早的一颗遥感卫星是在1972年发射的LANDSAT-1，成为了美国遥感卫星的代表。
此后，美国陆续发射了多颗LANDSAT卫星，目前已经发射至LANDSAT-8此外，美国还发射了SPOT卫星，这是由法国、比利时和瑞典共同研制的一种遥感卫星系统。
SPOT卫星具有较高的分辨率和较大的覆盖范围，可以提供高质量的遥感数据。
美国的遥感卫星不仅在地球观测方面具有重要意义，还广泛应用于气象预报、环境监测、农业和林业等领域。
美国还建立了全球地球观测系统（GEOSS），整合了多个卫星数据源，提供全球范围内的遥感数据。
二、欧洲遥感卫星发展欧洲也在遥感卫星领域取得了重要进展。
欧洲空间局（ESA）是欧洲遥感卫星的主要研发机构，其最重要的遥感卫星是欧空局地球观测卫星（ERS）和欧洲高分辨率卫星（ERS）。
欧空局地球观测卫星是一颗多用途的遥感卫星，可以获取包括海洋、大气、陆地和冰层在内的地球各部分的遥感数据。
这些数据对于气象预报、气候变化研究和环境监测等方面都有重要意义。
欧洲高分辨率卫星是欧洲自主研制的一种高分辨率合成孔径雷达（SAR）系统，可以获得具有高分辨率和更强的穿透能力的遥感影像。
该卫星已经成功应用于数字地形模型制作、城市规划和土地利用研究等领域。
三、其他国家遥感卫星发展除了美国和欧洲，其他国家也在遥感卫星领域投入了大量的研究和开发工作。
俄罗斯自上世纪60年代起就开始发射静止遥感卫星，用于监测天气和资源等方面。
中国也在遥感卫星领域实现了重大突破。
中国的遥感卫星包括环境一号卫星、资源一号卫星和天鹰一号卫星等。
这些卫星在环境监测、农业、林业和城市规划等方面发挥了重要作用。
低轨卫星测控技术分析之一：Globalstar卫星轨道现状和控制历程
低轨卫星测控技术分析之一：Globalstar卫星轨道现状和控制历程Globalstar低轨移动卫星通信系统提供了全球无缝话音、信息和IoT服务，虽然该系统服役超过了20年，但在低轨移动卫星系统中，仍然一枝独秀，过去5年公司收入连续以7%速率增长，IoT业务年增长率更是超过14%。
Globalstar初始设计工作卫星数量48颗、分布在8个轨道面。
但从2013年2月6日最后一次发射到现在，只有35个卫星处于工作状态，没有公开资料能看出它现在的运行情况和服务能力。
我们对它的轨道现状和覆盖能力情况进行了分析，并通过真实数据分析了它的星座保持策略和实际控制效果。
结果表明Globalstar 系统现有的35个工作卫星基本均匀对地覆盖，尽管离设计的48颗有差距，但仍然可以为高纬度地面用户提供仰角大于10°、平均通话时间大于14m的全球无缝覆盖。
一、基本情况Globalstar从1998年02月14日一箭4星发射以来，共发射16次，将两代共84颗Globalstar卫星送入轨道，一代卫星和二代卫星的外形如图1所示，卫星采用弯管式转发器设计，馈线链路使用C频段、用户链路使用L和S频段。
截止2021年4月25日，有34个卫星处于工作状态、1个处于半工作状态，具体情况如下：（1）一代卫星1998年02月14～2007年10月20日，共发射12次、60颗一代卫星，每颗星重450公斤，设计寿命7.5年；（2）二代卫星2010年10月19日～2013年2月6日最后一次发射，共发射4次、24颗二代卫星，卫星重700公斤，设计寿命15年。
(a)一代 (b) 二代图1 Globalstar卫星外形二、轨道现状截止2021年4月，这35个卫星分布在8个轨道面，图2是它们在空间的分布情况，图3(a)是星下点分布图，可以看出35颗卫星分布比较均匀，图3(b)是它们天线对地覆盖情况，可以看出除了南北极外，基本覆盖全球。
图2 2021年4月35颗卫星空间分布(a) 实时星下 (b) 天线覆盖图3 2021年4月25日35颗卫星分布三、覆盖能力地面用户可见卫星的仰角越高，通信质量越好，但也意味着需要更多的卫星。