星上處理技術(shù)

星上處理技術(shù)［英文名稱(chēng)］onboardprocessingtechnology［定義］□為了衛(wèi)星通信能與寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN）、異步轉(zhuǎn)移模式（ATM）標(biāo)準(zhǔn)兼容，衛(wèi)星與光纜無(wú)縫連接，衛(wèi)星必須克服帶寬、傳輸質(zhì)量、時(shí)延、雨衰及保密等問(wèn)題，還必須具備星上交換能力。因此，只有通過(guò)星上處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。星上處理技術(shù)包括：比特再生、前向糾錯(cuò)、基帶解調(diào)、路由切換、編路、功率可控矩陣、信道帶寬可調(diào)（數(shù)字濾波、波束成形、多波束天線和切換以及星間鏈路等技術(shù)?！酢酰蹏?guó)外概況］□1976年發(fā)射的林肯實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星（LES）—8、LES-9兩顆軍用實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星上，首次進(jìn)行了簡(jiǎn)單的比特再生和幾個(gè)波束的多波束天線技術(shù)等星上處理技術(shù)實(shí)驗(yàn)。由于這一技術(shù)可以降低干擾、改善信道質(zhì)量，在隨后的軍用通信衛(wèi)星中普遍采用了此項(xiàng)技術(shù)。在1975年發(fā)射的國(guó)際通信衛(wèi)星Intelsat-IVA，采用了兩個(gè)波束的天線，從此，多波束天線技術(shù)開(kāi)始發(fā)展。80年代，由于商用通信衛(wèi)星的飛速發(fā)展，靜止軌道頻率資源短缺，而多波束的頻率復(fù)用特性使其具備了巨大優(yōu)勢(shì)，從而得到迅速發(fā)展。從幾個(gè)波束發(fā)展到了幾十個(gè)、上百個(gè)波束，技術(shù)也發(fā)生了根本性的變化。目前，除了多波束頻率復(fù)用特性外，提高衛(wèi)星有效各向同性輻射功率（EIRP）從而降低對(duì)地面終端的要求，也越來(lái)越受到重視。但不同波束之間的用戶連接困難問(wèn)題，則需要連接不同波束的微波切換矩陣。1991年1月發(fā)射Inteolsat-F1及隨后發(fā)射的F2首次采用了微波切換矩陣，實(shí)現(xiàn)了6個(gè)波束之間的互連。1993年9月發(fā)射的先進(jìn)通信技術(shù)衛(wèi)星（ACTS）是美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）為保持美國(guó)在通信衛(wèi)星領(lǐng)域的領(lǐng)先地位而研制的一顆具有多項(xiàng)星上處理技術(shù)的先進(jìn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。它開(kāi)創(chuàng)了星上處理技術(shù)的新局面。有眾多美國(guó)公司參與了ACTS計(jì)劃的先期研制，從而使他們?cè)谛巧咸幚砑夹g(shù)方面前進(jìn)了一大步，并為其以后的發(fā)展打下了牢固的基礎(chǔ)。其中摩托羅拉公司開(kāi)發(fā)了星上基帶交換技術(shù)、TRW、Loral等公司研制了點(diǎn)波束天線技術(shù)和微波交換矩陣、電磁科學(xué)公司研制了波束成形網(wǎng)絡(luò)、TRW、休斯等公司研制了Ka頻段發(fā)射和接收設(shè)備、Comsat和BBW公司開(kāi)發(fā)了網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)?！?994年2月發(fā)射的軍事星（Milstar），是通信衛(wèi)星史上的一個(gè)里程碑。它除了采用EHF頻段技術(shù)外，主要特點(diǎn)是采用先進(jìn)星上處理技術(shù)，提高了信號(hào)質(zhì)量，防止干擾，保證小型終端得到滿意的通信服務(wù)。同時(shí)也提高了衛(wèi)星的自主工作能力。□星間鏈路（ISL）技術(shù)的研制始于1976年美國(guó)用一枚火箭同時(shí)發(fā)射的LES—8和LES—9衛(wèi)星，衛(wèi)星使用的頻率為36?38GHz，取得經(jīng)驗(yàn)后在跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星（TDRS）、Milstar和“銥”星上應(yīng)用。日本于1994年秋在發(fā)射的ETS—6試驗(yàn)衛(wèi)星上進(jìn)行了23/32GHz通信、天線指向、捕獲等關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)。歐空局也曾在1989年7月發(fā)射的奧林帕斯（Olympus）-1衛(wèi)星上與歐洲可回收衛(wèi)星之間做過(guò)傳輸試驗(yàn)。星間鏈路可以杜絕雙跳，減少時(shí)延，節(jié)約軌道資源，建立全球大容量空間信息網(wǎng)，增加覆蓋，并且是克服衛(wèi)星通信日凌中斷的唯一方法。□星上處理技術(shù)的一個(gè)重要貢獻(xiàn)在于它大大簡(jiǎn)化了地面終端設(shè)備，使其小型化，從而使衛(wèi)星通信可以直接進(jìn)入辦公室和家庭，極大地?cái)U(kuò)展了衛(wèi)星通信的市場(chǎng)領(lǐng)域，因此，西方國(guó)家的政府和衛(wèi)星制造與經(jīng)營(yíng)者都極為重視它的發(fā)展。在目前西方運(yùn)營(yíng)的衛(wèi)星中，幾乎都采用了星上處理技術(shù)?！跄壳耙?guī)劃中代表了最先進(jìn)的星上處理技術(shù)的靜止軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)有：美國(guó)休斯公司的Spaceway系統(tǒng)，它由9顆衛(wèi)星組成，采用了先進(jìn)通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星（ACTS）的研究成果，利用星上處理技術(shù)直接對(duì)用戶按ATM方式進(jìn)行按需分配業(yè)務(wù)。此外還有洛克希德一馬丁公司的Astrolink系統(tǒng)和GE公司的GE-Star系統(tǒng)，它們都有9顆衛(wèi)星組成，都計(jì)劃在2000年前后開(kāi)通業(yè)務(wù)。另外，空間系統(tǒng)/勞拉公司由3顆衛(wèi)星組成的Cyberstar系統(tǒng)也正在實(shí)施?！蹯o止軌道通信衛(wèi)星的星上處理技術(shù)可以解決通信容量、利用率、重新配置資源和克服雙跳等問(wèn)題，但對(duì)全球聯(lián)網(wǎng)和250?500ms傳輸時(shí)延尚無(wú)能為力。近年來(lái)出現(xiàn)的中、低軌道衛(wèi)星網(wǎng)可以從根本上解決這一問(wèn)題，當(dāng)然對(duì)星上處理技術(shù)的要求也較高。它們的典型代表是美國(guó)摩托羅拉公司的“銥”系統(tǒng)，它所有的數(shù)字處理和交換都在星上完成。每顆衛(wèi)星采用3個(gè)16波束的相控陣天線形成48個(gè)點(diǎn)波束，可在全球形成2150個(gè)點(diǎn)波束，每波束平均80信道，全球總計(jì)172000條信道。另外，每顆衛(wèi)星有4條15MHzKa頻段的星間鏈路，分別連接到同軌道平面內(nèi)的前后各一顆衛(wèi)星和兩側(cè)相鄰軌道面內(nèi)的各一顆衛(wèi)星。（目前該系統(tǒng)因經(jīng)營(yíng)不佳已停止運(yùn)營(yíng)）?！趿硪粋€(gè)由全球電信公司提出的低軌道衛(wèi)星全球網(wǎng)絡(luò)（Teledesic）系統(tǒng)，計(jì)劃在1300?1400km高的圓軌道上分布288顆具有多種星上處理技術(shù)的衛(wèi)星，計(jì)劃在空間建立一個(gè)全球性的、實(shí)時(shí)、寬帶通信骨干網(wǎng)，其性能可與光纜通信相媲美。它具有低時(shí)延（40?150ms往返）、高數(shù)據(jù)率、低誤碼率（＜1E-10）的特點(diǎn)，它可支持電視會(huì)議、交互式多媒體傳輸及實(shí)時(shí)雙向數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸。每顆衛(wèi)星作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，有很強(qiáng)的星上處理能力，采用快速分組切換技術(shù)和自主信號(hào)編路技術(shù)。衛(wèi)星采用12m直徑相控陣天線，形成64個(gè)電波束。星地通信使用Ka頻段，每顆星有8條星間鏈路，與鄰近的8顆衛(wèi)星構(gòu)成星間鏈路，星間鏈路采用60GHz頻段。該計(jì)劃將在21世紀(jì)初提供服務(wù)，總投資約90億美元。法國(guó)阿爾卡特空間公司（AlcatleEspace）也提出了天橋（SkyBridge）系統(tǒng)計(jì)劃，由80顆衛(wèi)星組成，可提供高數(shù)據(jù)率、寬帶業(yè)務(wù)，耗資約40億美元，計(jì)劃于2001年投入運(yùn)營(yíng)?！跤晌覈?guó)和新加坡、泰國(guó)共同投資的亞太移動(dòng)通信（APMT）靜止軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其計(jì)劃采用的的星上處理技術(shù)當(dāng)屬世界先進(jìn)水平。它通過(guò)在星上采用數(shù)字式波束形成網(wǎng)絡(luò)，可在軌設(shè)定和調(diào)整250個(gè)波束，頻率復(fù)用達(dá)21次，可滿足市場(chǎng)對(duì)服務(wù)區(qū)的要求和變化。采用星上數(shù)字交換處理技術(shù)，可支持2000?3000條信道，用于移動(dòng)用戶之間的一跳直接通信。類(lèi)似的系統(tǒng)還有印尼的亞洲蜂窩衛(wèi)星通信系統(tǒng)（Aces）?！酢酢酢酢酰塾绊懀荨跣巧咸幚砑夹g(shù)的主要功能包括：（1）對(duì)各個(gè)上行載波進(jìn)行信號(hào)分離、解調(diào)和譯碼，可將幾千個(gè)已調(diào)載波變換成所需的數(shù)字基帶；（2）信道切換，將來(lái)自包含在各個(gè)區(qū)域多個(gè)地球站的上行線路中單個(gè)信道和點(diǎn)波束按需編成不同下行波束的信道組；（3）信息速率變換，如將低上行速率變成高下行速率；（4）星上再生，就是把上行載波解調(diào)后，接著把組合的信道組重新調(diào)制下行載波。□星上處理技術(shù)對(duì)以下衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性能進(jìn)行改善：□1.比特再生：可隔離上下行的干擾，改善信道質(zhì)量；□2.多波束天線：實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用，增加容量，提高EIRP、簡(jiǎn)化終端；□3.基帶再生：可供進(jìn)一步處理；□4.微波切換：波束間的互連；□5.自主基帶切換：增大系統(tǒng)的靈活性、構(gòu)成網(wǎng)狀網(wǎng)，減少雙跳；□6.多載波解調(diào)器：減少解調(diào)器數(shù)目、降低重量和功耗；□7.功率放大器矩陣組：動(dòng)態(tài)功率分配、提高功率效率；□8.數(shù)據(jù)率變換：增加全網(wǎng)的靈活性；□10.自適應(yīng)編譯碼器：雨衰（Ka波段）自適應(yīng)調(diào)節(jié)，提高通信的可靠性；□11.星間鏈路：構(gòu)成空間網(wǎng)絡(luò)，消除雙跳、縮短傳輸時(shí)延?！酢酢酢酢酰奂夹g(shù)難點(diǎn)］□星上處理技術(shù)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括：□（1）多波束接收天線系統(tǒng)，包括接收天線饋源網(wǎng)（接收多波束成形網(wǎng)絡(luò)）和相控陣；□（2）輸入濾波器、低噪聲放大器和第一下變頻器；□（3）比特再生處理（用于再生式轉(zhuǎn)發(fā)器）；□（4）微波交換矩陣（用于多波束之間的連接）；□（5）可調(diào)下變頻器；□（6）解調(diào)器（模擬、數(shù)字、時(shí)分多址、多載波解調(diào)器）；□（7）基帶交換（包括電路和分組交換）；□（8）編碼器和解調(diào)器；□（9）功率可控微波矩陣和交換矩陣；□（10）多波束發(fā)射天線系統(tǒng)，反射器（或相控陣）、饋源陣、波束成形網(wǎng)絡(luò)。□□以上分系統(tǒng)及部件級(jí)的處理技術(shù)在美國(guó)、歐洲和日本的有關(guān)公司中都在積極地開(kāi)發(fā)，并取得了很大成績(jī)。如多波束天線系統(tǒng)中的模擬波束成形網(wǎng)絡(luò)、多載波解調(diào)器、基帶交換等部件，有些已投入飛行應(yīng)用，性能有待進(jìn)一步