国外通信卫星灵活有效载荷技术与趋势研究(上)
航天704所(卫星通信产品介绍)
Mitec 功放 特点和优势 �支持标准和扩展频段 �易于安装 �高散热效率提高了平均无故障时间 �优越的相位噪声指标 �内置的1：1备份逻辑开关，替代了昂贵的外部控制器 �内置的过压、过流、过温保护和失锁关闭机制；内置遥测可以进行射频功率检 测、静音控制、跟踪报警信息 �支持http访问 �Snmp协议允许通过电脑、ipad、Iphone对设备进行监控 �支持rS485, rS232, ethernet and dry-contacts 监控接口
矿用本安型 无线网关 工业以太网交换机
R S 232
IP IP
专家远程诊断 空地闭一体化通信 平台服务器B
IP IP
多参数测定器和移动式 读卡器 矿用本安型手机、 摄像头1 矿用本安型手机、 低频无线应急通信 终端和网关 摄像头2 矿用应急通信系统 国家应急救援中 心或救援基地 省市应 急 救 援 中 心
职工总数： 职工总数 2000余人 其中专业技术人员 1200余人，中高级职称人员 800余人 ，享受政府特殊津贴 30余人。
微波暗室： 微波暗室 4个 环境试验中心： 环境试验中心 1个 电磁兼容实验室仪器设备 4000多台（套）
2001.88
其中高、精、尖仪器设备 150多套
便携式手动卫星通信天线
Mitec 功放主要产品系列
Ku频段 �10-16W Ku Band ABOX �8-20W Ku Band BUC �8-25WKu-Trekker �25-200W-Ku-Band_BUC C频段 �5-40W C-Band BUC �60-800W C-Band HP BUC
主要特性：
�高性能 采用环焦1.2米碳纤维天线面，具有高增益、 低旁瓣电平、高级化隔离度的特点； �采用5轴跟踪结构，圆锥扫描跟踪技术可实现跟踪 过程中的高指向精度，高响应速度 �自主独立运行 不依赖任何外部数据进行控制跟 踪，系统采用高精度GPS/INS融合船姿测量技术， 并将船姿以及导航数据实时输出。
哈工大现代小卫星专题课课程报告
年季学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）考核科目:现代小卫星系统技术专题课学生所在院（系）:学生所在学科:学生姓名:学号:学生类别:考核结果阅卷人（共6页）现代小卫星发展现状及其关键技术本文从卫星发展历程出发，介绍了现代小卫星的研究背景、分类以及国内外发展现状，阐述了现代小卫星技术的特点，并对现代小卫星技术的发展趋势进行了一定的展望。
1 研究背景1957年4月10日，苏联发射了人类历史上第一颗小型人造卫星“斯普特尼克号”(Sputnik)，这让人类首次意识到人造卫星可以被放入地球轨道。
自此之后，美国和苏联不断提升空间技术，将火箭有效载荷的大小和功率从原先的几十公斤和几十瓦特提高为上千公斤和上千瓦特。
同时，通过规模经济，在设计、制造、测试、检验、发射等多个环节适当降低成本，使得大型远程遥感卫星或大型通信卫星比小型卫星在成本效率上更具有优势。
以通信卫星为例，一个抛物面反射器只要通过一个小型多波束馈源就可以产生几十甚至几百的点波束用以支持密集的频率复用。
此外，空间科技发展过程中开发的大光圈和天线增益系统、接纳宇航员的空间装置以及大型科学仪器如哈勃望远镜等多种技术，都使得卫星大型化成为需要和可能。
因此，在首枚小型人造卫星发射成功之后的几十年中，卫星尤其是商业卫星的发展主流是不断制造和发射更大、更强、更具成本效益的卫星。
然而，随着科学技术和设计思路的革新，上世纪80年代中期，国际社会兴起了小卫星热潮。
这一时期的小卫星被称为现代小卫星，以区别于之前由于受到运载能力和技术水平限制生产的简单小卫星。
与以往的卫星相比，现代小卫星具有若干优势，例如重量轻、体积小、研制周期短(1~2年，甚至几个月)、技术更新快、性能好(功能密度高)、生存能力强(可多颗小卫星组成编队飞行或组成星座)。
近20年来，全世界总共发射了各种各样的现代小卫星约700颗，约占同期航天器发射量的20%。
小卫星不仅在军事领域发挥重要的作用，还在教育等领域被越来越广泛地应用。
中国航天科技的前沿领域与研究方向
载人登月计划
中国正积极开展载人登月的前期研 究和论证工作，计划在未来实现航 天员登陆月球并开展科学实验和技 术验证。
火星探测任务
中国已成功实施两次火星探测任务 ，未来还将继续开展火星探测、取 样返回和火星环境研究等任务。
载人登月计划
载人登月技术
国际合作与交流
中国正在研究和发展载人登月所需的 关键技术，包括推进系统、生命保障 系统、航天服和月球着陆器等。
感谢您的观看
THANKS
玉兔系列月球车
玉兔一号和玉兔二号，随同嫦娥 系列探测器一同登陆月球，进行 巡视探测和科学实验。
小行星探测任务
天问一号
成功探测小行星轨道，进行近距离飞越观测，获取小行星的形状、大小、质量 等信息。
探测小行星带
计划探测小行星带中具有潜在威胁的小行星，评估其对地球的撞击风险。
探测彗星任务
彗星探测器
计划发射彗星探测器，对彗星进行近 距离探测，研究彗星的物理性质、化 学成分和形成演化过程。
精密制造技术
精密制造技术是航天器制造的 关键支撑技术，涉及高精度加 工、测量和装配等方面。
中国在超精密加工机床、纳米 级测量和装配技术等方面取得 了重要进展，提高了航天器的 制造精度和可靠性。
未来发展方向包括进一步突破 超精密加工和测量技术，提高 制造效率和精度，降低生产成 本。
06 航天医学与生命保障
详细描述
中国在通信卫星领域也取得了显著进展，已成功发射多颗通信卫星，如天通一号、天通 二号和天通三号等卫星，这些卫星具备大容量、高速率的数据传输能力，能够提供高质 量的语音、数据和视频通信服务，对于推动中国信息通信技术的发展和满足人民日益增
长的信息通信需求具有重要意义。
导航卫星系统
美军国防太空架构“传输层0期”概述
美军国防太空架构“传输层0期”概述2020年5月，美国太空发展局发布了《太空传输层0期工作说明》。
“传输层”是美国未来“国防太空架构”的骨干，将为美军全球作战平台提供一种有保证、韧性、低延迟的军事数据和连通能力。
“传输层0期”也称“作战人员沉浸期”，旨在为后续发展提供演示验证和基线。
以下简要介绍传输层0期概况。
1 国防太空架构（NDSA）美国太空发展局正在为美军开发下一代太空架构——“国防太空架构”，旨在构建一种“扩散型低地球轨道（pLEO）”太空架构，统一整合美国国防部下一代太空能力，实现韧性军事感知和数据传输。
“国防太空架构”主要由以下功能层组成，如图1所示。
图1：国防太空架构·传输层：可在全球范围内向各种作战平台提供有保证、韧性、低延迟军事数据和连接；·战斗管理层：提供任务分派、任务指挥控制以及数据分发，支持在战役规模实现时敏杀伤链闭合。
·跟踪层：用于提供先进导弹威胁的全球指示、预警、跟踪与瞄准——包括高超声速导弹系统；·监管层：提供对时敏、“发射左侧（美军一种导弹防御战略，即利用非动能技术提前攻击敌方核导弹威胁）”表面机动目标的全天候（24×7）监视（例如，支持瞄准先进导弹）；·导航层：为GPS受限环境提供备用定位、导航和授时（A-PNT）；·威慑层：在深空（从地球同步轨道之外到月球距离）威慑不友好行动（图中未显示）；·支撑层：确保地面和发射段能够支持响应式太空架构。
2 传输层“0期”星座传输层是国防太空架构的主干，旨在为全球范围内的作战人员应用提供可靠、灵活、低延迟的军事数据和连接。
2020年4月，美国太空发展局（SDA）发布了“传输层0期”征询草案。
“传输层0期”是一种测试和训练“螺旋”，其最终成果主要有两方面：一是系统能力实验和演示，可以整合并实现与其他运行实体兼容；二是可以作为后续阶段发展基线。
传输层0期星座如图2所示。
观测卫星结构实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的本实验旨在通过搭建观测卫星模型，了解卫星的基本结构组成，掌握卫星各个部分的性能和作用，提高对卫星整体设计的认识。
同时，通过实验操作，培养学生的动手能力和团队合作精神。
二、实验原理卫星是利用航天器技术发射到地球轨道上，进行科学实验、军事侦察、通信广播等任务的飞行器。
卫星结构主要包括卫星本体、推进系统、电源系统、控制系统、有效载荷等部分。
本实验通过搭建观测卫星模型，对卫星结构进行解析和实验验证。
三、实验仪器与材料1. 实验仪器：- 观测卫星模型搭建平台（如木块、金属棒等）- 螺丝、扳手、胶水等连接工具- 卫星结构图、卫星模型设计图2. 实验材料：- 金属棒、塑料板、泡沫板、木块等四、实验步骤1. 模型搭建：- 根据卫星结构图和设计图，将金属棒、塑料板、泡沫板、木块等材料切割成所需形状。
- 使用螺丝、扳手等工具将各部分连接起来，搭建卫星模型。
2. 结构解析：- 对搭建好的卫星模型进行结构解析，了解各个部分的性能和作用。
- 分析卫星本体、推进系统、电源系统、控制系统、有效载荷等部分的结构特点。
3. 实验验证：- 对卫星模型进行静态力学性能测试，如抗弯、抗压、抗扭等。
- 对卫星模型进行动态性能测试，如振动、旋转等。
- 对卫星模型进行功能测试，如推进系统、电源系统、控制系统等。
4. 结果分析：- 对实验结果进行分析，评估卫星模型的结构性能和功能。
- 总结实验过程中的经验和不足，提出改进措施。
五、实验结果与分析1. 结构性能：- 卫星模型在静态力学性能测试中，抗弯、抗压、抗扭等指标均满足设计要求。
- 卫星模型在动态性能测试中，振动、旋转等指标也在设计范围内。
2. 功能性能：- 推进系统、电源系统、控制系统等部分均能正常工作，满足实验要求。
3. 实验总结：- 通过本实验，我们对卫星结构有了更深入的了解，掌握了卫星各个部分的性能和作用。
- 实验过程中，我们培养了动手能力和团队合作精神，提高了对卫星设计的认识。
现代小卫星的应用及发展
［ 要 文 章介 绍 了现 代 小卫 星的概念 和特 点 ，阐述 了小卫 星在 非 实时通信 及其在 特殊 环境 下 的应 用 ，以及在 国 内 摘 ］ 外 的发展 前景 。
【 关键词 现代小卫星 存储一 ］ 转发 非实时 数据传输
卫星技术经过 几十年 的发 展 已经成 功地在社会 、经济 、 军事 、科研等许多领域为人类带来了可观的社会效 益和经济 效益 。在过去 的几 十年中，大容量 、多用途 、长寿命 、高效 率 的 大 型 卫 星 一 直 是 卫 星 发 展 的 主 流 。然 而 ，大 型 卫 星 的研 制周期长 、费用高 、技 术复杂 、风险大 、发射 费用 高，在很 大程度上限制 了它 的应用和发展 。因而， 成本低 、 性能高 、方 便灵活的小卫 星越来越受 到人们 的重视 。进入 ２ ０世纪 ８ ０年 代以来 ，在发展大型卫星的同时 ，卫星小型化已成为当今国 际航天器研制领域一个不容忽视的趋势。随着微波与卫星通 信技术的不断发展成熟 ，现代小卫星以其 自身的优 势在通信 各 个 领 域 都有 了广 泛 应 用 和 发 展 。 望不到头 ，远洋船 队或 出海渔船 ，需要时刻保持与 陆地 的联 系 ，否则船 队出现 问题 ，不堪设想 。所 以在船上安装卫 星通 信终端 ，可 以保持与陆地通信联 系 ，甚 至通过接 收卫星遥感 数据确定鱼群的位置 ，来提高生 产效率 。 在勘探和探险 中的通信 ，勘探 队和探 险队如采用卫 星存 储转发通信 ，可 以及时将采集到 的信息传送到 总部 ，并及 时 得到总部的指示。 各种应急通信 系统 ，对 自然灾害 ，如地震 、水 灾 、森林 大火等 ， 通过卫 星存储转 发通信 系统可 以立 即架设通信终端 ， 建立通信 网络 ，及 时与外界建立 通信联 系 ，取得外来 援助 ， 以减 少 损 失 。 提 供 个 性 化 服 务 ， 由 于 国家 开放 了数 据 业 务 经 营权 ，国 现 代小 卫星 概述 Ｓ １ 现代小卫 星的概念 。实际上小卫星在航天事业的早期 内许多 ＩＰ公 司的用户提供因特网及其增 值业 务。例如 ，通 ． 就有 了，卫星发展最初就是从简单小卫星起步的。为了区别 过卫星可 以对移动用户 、勘探 队 、探 险队和临时性用户 提供 电子 邮件存储转发业务及其他个性服 务。对一些特 殊用 户感 早期发射的小型卫 星 ，目前 的小型卫星统称为现代小卫 星。 ２ 现 代小卫星的特点 。目前 ，现代小型卫星技术的发展 兴趣 的地 区提供遥感 图像和数据 ，如对登 山队及探 险队提供 ． 特定地 区地面积雪和水文情况等 。 如火如荼 。它具有许 多大卫 星所无法 比拟 的优点。 小卫 星不但在 民用通信 、遥感气象 、地球科学 、空间科 发射方式灵活 ，能够机动发射 ，生存能力强 ，能适应未 来的战术作战的需要 ；体积小 ，重量轻 ，既可 以利用大型卫 学 、行星探测 、技术验证 等领域获得 了广 泛应 用 ，在商业和 星发射火箭 的剩余能力进行搭载发射 ，也可 以一箭多星发射 军事方面 的应用更是成 为各 国致力发展和研究的重点。 ４ ．小卫星的发展。２ ０世纪 ８ ０年代以来 ，国际上微小卫 或用廉价火箭发射 ，从而大大节约发射费用 ；采用成熟 、先 进 的技术 ，运用科学 的管理手段 ，加之可 以多种 方式发射 ， 星 的发展 十分迅速 。 目前世 界上 已有十多个国家涉足小卫星 因此 小卫星 的研制 和发射成本低 ，系统投资少 ；结构简单 、 研制领域 ，美 国、俄 罗斯 、法 国 、英 国和意大利都有 自己的 设计研制开发周期短 、制造要求条件不高 ，可 以采用标准化 小卫 星平 台或 星座 。印度 、韩国 、瑞 典 、丹麦 、巴西 、西班 星体 和模块化设计 ，从而可 以批量生产和存储 ，便于即时发 牙和以色列等许多 小国家也都以研制小卫 星为切入点 ，带动 射和补充 。国外一些航天大 国的现代小卫星 ，从立项研制到 航 天 技 术 的发 展 。 近几年来 风起 云涌的移动双向个 人通信市 场 ，推动着小 发射 ，一般仅需要一两年时 间。技术性能高 ，主要体现在卫 星各分系统本身和有效载荷两方 面。更为重要 的是 ，由小型 卫 星的飞速发展。利用 由小卫星星座构成的通信卫星网实现 卫星组成 的星座 ，使大 型卫 星也甘拜下风 。许多小型卫星 的 个人持机 双向移动通信 ，不仅可以用于话 音通信 ，还可用于 编 队飞行 ，相对于一个大型卫星 。每一颗卫星既能独立完成 传送 数据 、传 真 、图像 和寻呼信息以及定位等 。另外它还具 有手 持机发射功率低 、延迟小 、没有死角等优点 ，市场应用 自己的任务 ，还可 以在太空 中对其进 行改装 。 从上述种种优势不难看 出，小卫 星走俏太空使航天技术 前景 十分 广阔。 我国已经成功发射 的现代小卫星有 ‘ ‘ 试验卫 星一号”“ 纳 发展 的必然 。 上世纪 ８ ０年代末期 以来 ，国际上出现 了小卫星 、‘ 热潮 ，而且有 愈演愈烈 之势 。它代表 了当今 空间技术发展 的 星一 号” 创 新一 号”等 ，将在光学成像 观测和环境 、资源 、 水 文 、地 理勘 察及气象观测 、科学实验 、交通运输 、环境保 种新趋势 ，受到 了世界各国航 天界的普遍重视 。 ３ 小卫星应用于通信 。小卫星一般在低轨道使用 ，成本 护 、防汛 抗旱等数 据信 息传递 中发挥重要作用 。 ． “ 小 型 卫 星 ”的 试 验 ，目前 也 正在 进行 之 中 。如果 一 切 超 低 ，特别适合稀路 由 ，非实时 、低成 本通 信应 用 ，在众 多通 顺 利的话 ，三年后 ，制造商将会制定可行 的开发计划 。随着 信手段 中具有很强 的竞争力 。 小卫 星在军事方 面的应 用前 景非 常广 阔 ，是 占领空 间制 政府机构 、公司 、大学 、社 区甚至富有 的个人纷纷加入小卫 高点夺取 战争 胜利 的重要 手段 ，主要 应用 在军 事侦察 和监视 星应用的行列 ，未来小卫星必将拥有 无限风光 。 总之 ，小卫星的发展与应用 已引起世界航天界 的广泛重 军事通信与导航 、 军事气象和海洋环境监测 、 空间攻防等方面 农村邮电通信 ， 国约有 ２ 万行政村，目 我 ４ 前仍有相当数量 视。小卫星 以其成本低 、质量轻 、体积小 、技术先进 研制 将 的行政村无法实现通电话 ，甚至有些边远地 区无法通邮。采用 周 期 短 等 特 点 ， 有 更 广 泛 的应 用 前 景 。 小卫星存储转发技术就可 以解决几千万甚至上亿人的通信问题 。 边 防哨所 的通 信 ，我国的边 防线 很长 ，大部分 处在人 烟 参考文献 ： ［］ 炜． 星及其应 用； 学中国人；９ ６年 ０ １ 孙 小卫 科 １９ ２期 稀少甚至没 有人迹 的山区 ，边 防哨所 与总部通信相 当困难 ， 有时会 因为突发事 件 ，造成大的损失 。解 决边 防通信 的最好 ［］ 来兴． ２林 国外微小卫星在空 间攻防 中的应 用研 究； 装备指挥技 术 办法是在边 防哨所 配备卫星终端设 备 ，采用小卫星存储 转发 学院 学￣；０ ６年 Ｏ ２０ ６期 通信可 以解决这一 问题 。 ［】 ３张祥 根 ． 小卫 星的 现 状 、 点 及发 展 方 向 ； 快 报 ；０ ０ ０ 期 特 电信 ２０ 年 ５ 大海 、大江渔船 的通信 ，茫 茫大海看 不到边 ，涛涛江水 作 者 单 位 ： 安铁 路职 业技 术 学 院 陕 西 西 安 西
航天测控和通信系统(王新升)
跟踪指利用航天器上信标机发出的高频谱纯度、高频率稳定度载 波到达地球上跟踪站后变为平面波，跟踪站检测出电磁波来波取 向和地面站天线主波束电轴指向角的偏差，伺服系统利用此偏差 随时校正，消除偏差，而达到天线主波束实时对准不断运动着的 航天器的目的。利用天线座方位轴(A)和俯仰轴(E)上的光学码盘， 可随时给出天线束的指向角(A,E)。
遥测是一种用来监督、检查航天器上 天后工作状况的唯一手段，也是判断 故障部位、原因的唯一措施。
5
1. 卫星测控系统的技术现状和作用
3） 遥控
通过对遥测参数、姿态和轨道参数的研究和分 析，发现航天器的轨道、姿态、某个工程分系 统或有效载荷工作状况异常或出现故障，判断 出故障部位和做出决策，向卫星发出有关命令 ，修正轨道和姿态，调整分系统和有效载荷的 运行参数，甚至切换备份或部件。遥控指令动 作的结果，再通过遥测信道传到地面站进行回 报证实。
体中的测控通信分机和地面通讯设备（运载与航天器测控网）。 测控与通信系统的任务是对航天器进行跟踪、测轨、定位、遥测
、遥控和通信。 测控（TT&C, Tracking, Telemetry and Command）包括三部分：
跟踪、遥测和命令。 通信是测控之外的另一个星地数据系统，主要目的用来传输航天
2. 统一载波时期：从1965年后逐步形成了跟踪、遥测、 遥控和语音的传输共用一个载频，构成了S波段统一载 波测控系统(USB)，达到了简化天-地设备的效果。
3. 1980年前后，TT＆C和宽带、高速数据通信系统合并成 C&T(通信与跟踪)系统。
4. 由陆(海)基的测控与通信网转向建立天基测控与通信 网： 采用陆(海)基的测控与通信网，需要在全球范围 内建站才能满足载人航天任务的覆盖要求；而天基测 控与通信网主要通过跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS) ，在地面上布一个站就能完成覆盖全轨道飞行任务。
送卫星走出国门——记中国空间技术研究院西安分院总工程师、卫星专家于洪喜
功 底深厚 的于 总
提 出的要求 ，回答监造方提 出的各种 疑 评 价 。 于 洪 喜 是 个 绷 在 弦 上 的人 。这 颗
于洪 喜１ ８ 年研究生毕业 后 ，留在 问 ，直到令他们 满意 。二十 多年 的技 术 ８ ９
西安 分院 （ 原航 天五０四所 ）工作 。这 积 累 全 部 心 血 都 倾 注 在 了 卫 星 上 。 带 卫 星 承 载 着 太 多人 的 期 望 ，作 为 卫 星 有 些 年 来 相 继 担 任 过 一 些 预 研 项 目的课 题 着研制 队伍 多少难 忘 的加班 岁月 ．提起 效 载荷 负责人 ，他 要管理 的头绪 太多。
射 ．多颗涉外卫星 整星 出口研 制合 同相 星 — — 尼 日利 亚 卫 星 正 式 立 项 并 立 马 展 造公 司的严格监造 。如此 复杂的卫星 ．
继 签 订 ， 中 国航 天 在 迈 向 国 际 舞 台 的征 开 了研 制攻 关工 作 。 途上大踏步前行。 却 只 有 ２ 的研 制 周 期 ，这 对 于 世 界 上 年
家 级 新 世 纪 百 千 万 人 才 工 程 ，２ ０ 的他 时刻
政府津 贴。身 为微 波通信方面 有名 的专 处 于 工 作 状 态 ，作 为 涉 外 通 信 卫 星 的 副
家 和 研 究 员 ，博 士 生 导 师 ，又 是 型 号 总 总 师 ．有 效 载 荷 与 跟 踪 子 系 统 的进 度 与 师 ，他 一 直 奋 战 在 科 研 攻 关 的 第 一 线 出现 的重大 问题都要他 负责决策 ，管理
研制 专家于洪喜异 常冷静 。他 又风尘仆 我 国 实 现 卫 星 走 出 国 门作 出 了不 同凡 响 行 了仔 细 的 策 划 、 细 致 的 系 统 方 案 设 计 仆奔赴 国外 ，主持 卫星在轨测 试及参与 的贡 献 。 后续 出 口卫星 的 哺育”等工作 。作为 及分机指 标分解 ，从设计评 审到分 系统
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★通信天地Space International 国际太空 · 2018·8Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ
26随着容量性能、设计寿命的不断提升，通信卫星在轨工作期间如何更加高效地服务不同区域、不同时域的不同应用需求，提升转发器利用效率，提高收入回报，是通信卫星运营商近年来关注的焦点问题，灵活有效载荷的概念应运而生。2008年，欧洲航天局（ESA）组织召开第一届先进灵活通信载荷工作会后，工业界开始大规模重视该领域的发展，并取得了较多进展。
1 灵活有效载荷技术体系通信卫星质量、功率和结构空间是载荷灵活性的最大约束条件，传统的卫星灵活性设计主要通过星上关键通信设备的冗余配置实现，这样就会产生额外的星上资源开销，从而导致灵活性和整星通信容量之间的矛盾。因此，随着技术的演进，卫星灵活性在实现途径上一个很重要的原则就是不过度增加载荷负担。灵活有效载荷关键技术体系
Research on Technologies and Trends of Flexible Payload on Foreign Communication Satellites（Ⅰ）
国外通信卫星灵活有效载荷技术与趋势研究（上）
朱贵伟 李博（北京空间科技信息研究所）
《国际太空》2018年8月（公开）.indd 262018/8/17 9:17:26Space International 国际太空·总第476期
27目前来看，根据任务类型和需求的不同，国外对通信卫星载荷各层级的灵活性，主要依靠对传统星上通信链路所涉及各个单机/元器件环节的技术改进，而非增加冗余度的方式实现，可分为天线、射频前端、中频/基带处理单元三大部分，本文据此对灵活有效载荷涉及的关键技术进行了梳理。总体来看，目前各技术领域的发展水平和成熟度差别较大，而且这些灵活度的作用和效果各不相同。1）天线部分侧重波束覆盖能力的灵活性，主要利用传统无源反射面天线的机械/电调节，实现波束移动与尺寸缩放，利用有源阵列天线和波束成形网络，实现波束位移、形变及数量调节等。2）射频前端部分对应频谱管理和功率分配的灵活性，主要利用灵活变频器以及带宽、中心频点可调滤波器，改变单个信道的频谱特性，而可步进式调整的功率放大器与上述设备配合，能够对业务数据的传输速率等进行按需调节。3）中频/基带处理单元部分对应链路互联互通与协议体制调节方面的灵活性，分别利用数字信道化器在中频进行精细分路和交换，利用完全再生式的星载处理器进行解调、译码后进行数据处理和分组交换路由等，支持相应的网络协议等。从当前的系统应用情况来看，天线与射频部分实现的灵活效果直接、可见，而且在各类系统中已得到一些初步的应用，实现途径也相对成熟，因此更受传统运营商的重视。互联互通与协议体制灵活度则依赖于不同程度的星上处理能力，代表了更高层次的载荷要求，是未来地球静止轨道（GEO）通信卫星的主要发展方向。此外，国外近年来也在基于软件无线电的灵活载荷方面投入了较多的研究。本文主要结合各国在相应技术方向的发展情况和典型产品进行分析。
2 灵活有效载荷关键技术灵活的天线技术可调节的天线系统主要用于实现灵活的波束覆盖能力。此类灵活天线既可以是无源天线，也可以是有源天线。无源天线定义为单个辐射单元，对应单通道单功率放大器。无源天线既可以是机械可重构，也可以是电控重构模式。而有源天线定义为多个辐射单元且每个辐射单元使用相应的功率放大装置。（1）传统无源反射面天线天线指向调节是控制覆盖位置灵活性的重要途径，但传统的通信卫星对应宽波束或赋球波束。天线指向调节主要用于校正实际覆盖区域与设计目标的吻合度，因此调节机构的幅度限制较大，波束位置可在小范围移动。针对高机动性用户（如军用侦察无人机等）的需求，一些卫星设计有可移动点波束，波束位置可以在卫星的视场范围内任意移动。
美国劳拉空间系统公司（SS/L）设计出一种双反射面机械可重构天线，能产生一个圆形或者椭圆形波束，其波束中心不仅可以通过控制主反射面沿轴的转动达到不同指向的功能，而且如果波束是椭圆形波束要求，还可以通过旋转副反射面来实现椭圆波束旋转的目的。另一方面，该公司设计的上述天线还可通过位于调节轴（反射面焦点与反射面中心连线）上的机械控制装置，调整馈源与反射面距离，从而改变焦
劳拉空间系统公司机械灵活天线在1倍（左）、1.3倍（右）焦距对应波束覆盖情况
《国际太空》2018年8月（公开）.indd 272018/8/17 9:17:26★通信天地Space International 国际太空 · 2018·8Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ
28距，可以将天线的波束宽度从1°最大扩张至7°。但这种使用机械调整的可重构天线的灵活度相对较低，只能实现一定比例的缩放波束大小，但波束形状无法按照需要任意改变。（2）有源阵列天线依靠阵列天线配合波束形成器，可以实现更大灵活度波束形状和数量调节，有源阵列天线主要负责波束的产生和放大，波束成形器则主要通过控制辐射单元的幅度、相位与开关来改变波束。目前国外集中关注两类天线，即阵列馈电反射面天线（AFR）和直接辐射阵列天线（DRA）。1）阵列馈电反射面天线。该天线主要依赖位于反射器焦平面的前置/偏置馈源阵列来形成单个宽波束或多个点波束，其灵活性实现是通过与馈源阵列对应的波束形成网络来控制和改变波束形状与数量。在应用方面，对于单波束情况，可以利用多个横向偏焦馈源来获得符合特殊要求的天线方向图，从而改变波束的形状。目前，该技术已在工程实践中得到了较为成熟的应用。对于多波束覆盖情况下，最窄的点波束决定了天线的口径，目标覆盖区域的尺寸则决定了馈源阵的大小。设计时，必须考虑在馈源阵子数量和波束方向性、旁瓣控制和覆盖性能之间进行权衡。欧洲空客防务与航天公司（ADS）设计出一种有源灵活多波束反射面天线系统。该天线系统可以实现对每个波束辐射
指向失误情况下传统固定多波束覆盖（左）与灵活多波束校正覆盖（右）情况元的激励都是完全独立的，此外波束形成网络具备可重构能力。在反射器的指向发生偏移的情况下，传统固定式波束形成网络产生的边缘波束形状失真、信号强度显著降低的现象，而具备可重构能力的波束形成网络经过优化调整后，边缘的覆盖情况有了明显改善。总体而言，此类天线用于灵活覆盖的优势在于：①天线中所用的可变功分器（VPD）和可变相移器（VPS）等控制元件在通信卫星中已得到成熟应用，该方案风险相对较低；②相比传统模式下只能通过增加冗余天线来满足需求，灵活的在轨波束赋形能力可以大幅节省星上空间。但其弊端在于：①与传统天线配置模式相比，高功率波束成形网络存在不可忽略的损耗，因此需要更大的功率才能达到相同的等效全向辐射功率（EIRP），这也导致了效率上的折损；②虽然理论上有可能实现收发共用，但实际中，因为波束成形网络在与馈源、双工器封装时的复杂度较大，导致绝大多数天线必须采用收发分置。2）直接辐射阵列天线。该天线无需反射器，利用天线辐射元阵列和波束形成网络直接形成点波束和赋形波束，通过移相器改变相位、功率分配网络改变幅度后控制波束形状，形成连续或非连续性的覆盖。对于多波束情况，主要存在2种波束形成和调节机制，一是每个波束对应1个/多个阵元，具备相互独立的原阿斯特留姆公司研制的Ku频段DRA天线结构（左）和8×8天线辐射元阵列样机（右）
《国际太空》2018年8月（公开）.indd 282018/8/17 9:17:27Space International 国际太空·总第476期29波束形成和指向控制网络，这种情况下天线的质量和复杂程度正比于需要同时产生的波束数量，当需要同时产生的波束数较多时，就不太实用；二是所有波束共享1个公共的天线辐射元阵列，通过巴特勒矩阵在空间产生多个波束。从技术应用情况来看，国外目前仅在一些军用卫星和高复杂度的商业卫星上采用了此类天线，如“铱”（Iridium）卫星，造价昂贵。欧洲原阿斯特留姆公司（Astrium）研制的名为“直接辐射阵列电调天线”（DRA-ELSA）的Ku频
段（14.25～14.5GHz）接收天线，采取上述第一种灵活赋形机制，由约100个辐射元经过25:1的对应关系形成4个相互独立点波束，波束的标准配置宽度为0.75°。根据任务需求，通过地面指令控制辐射元阵列的相位/幅度激励配置，达到波束形状可变而且能够在卫星可见视场范围内任意调节指向，具备灵活的覆盖能力。整个天线系统质量约60kg，所需功耗低于60W，辐射元阵列先按照2×2结构制成子阵列块，然后再组装为整个阵列板。总体而言，直接辐射阵列天线用于灵活覆盖的
DRA-ELSA天线按照不同任务需求，在美洲区域形成不同形状和位置的灵活波束赋形示意图
优势在于：①可靠性高，所有的辐射元都可用于形成所有波束，在某个射频通道失效或者期间器件老化导致波束指向不准的情况下，重新校准、纠错能力较好；②抗干扰能力强，可精密控制天线辐射方向图，可以实现低副瓣、自适应调零等功能，抑制各种上行有意敌对和无意干扰；③具有空间功率合成能力，天线每个辐射单元对应1个功放，多个辐射单元功放在空间合成的总功率比单个发射机的功率大得多，可以实现更高的EIRP值。此类天线的主要弊端：①结构复杂、造价昂贵。
数字/模拟波束形成网络性能特点对比参数模拟波束形成网络数字波束形成网络波束数量典型波束少于32个可多达数百个
支持频率复用情况由于波束数量少，频率空分复用少，但可通过时分复用方式，如跳波束技术加以弥补在天线阵元数量足够大、指向足够精确的情况下，频率复用因子可做得很高
单个波束带宽多至数吉赫兹，可以支持宽带广域波束覆盖受限于处理器端口频率带宽，一般约500MHz，未来可增至1GHz
输入部分处理器端口数少，典型情况下每个波束端口对应1个转发器端口较多，与波束数量基本对应，典型情况下处理器端口与天线阵元匹配
波束指向与干扰管理支持支持波束跳变能力支持支持效率更高场景波束数＞阵元数波束数＜阵元数
未来应用前景近期，适用少量波束长期发展方向，但需要星上处理设备硬件等性能的同步升级
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