李博（北京空間科技信息研究所）

提升單位帶寬的效費比，是傳統(tǒng)地球靜止軌道（GEO）通信衛(wèi)星運營商持續(xù)追求的命題。過去數(shù)十年間，為達到這一目標，運營商采取眾多技術途徑，包括提高載荷功率以支持更大帶寬傳輸、延長設計壽命以增加收入、多波束頻率復用以提升容量等，推動了衛(wèi)星平臺承載能力的不斷升級、載荷通信性能的快速改善。最明顯的結果是，全球在軌通信衛(wèi)星總容量在2013年首次突破1Tbit/s，2016年則翻番至2Tbit/s。但容量激增也引發(fā)了市場需求與供給（供大于求）的經典矛盾，空置的轉發(fā)器與部分用戶通信需求無法滿足的現(xiàn)象共存，反而在一定程度上降低了運營商的投資回報預期。針對此問題，通過載荷的靈活性，實現(xiàn)星上通信資源的高效按需調度和配置，成為業(yè)界當前關注的解決途徑。

1 需求與靈活性辨析

主要背景需求

衛(wèi)星通信作為商業(yè)化程度最高的航天應用領域，對市場的敏感性決定了其必須將不斷降低帶寬成本、最大化滿足用戶需求作為主要的服務目標。為了拓展在軌的盈利空間，近年來衛(wèi)星設計壽命普遍延長，典型的通信衛(wèi)星可工作15年甚至更久。但這對運營商而言是一把“雙刃劍”，雖然運行期限內總收入實現(xiàn)了增長，但由于絕大多數(shù)傳統(tǒng)衛(wèi)星都是按照預先確定的任務需求進行設計，其在入軌以后技術狀態(tài)基本固定，很難針對市場變化（如用戶所處地理范圍、帶寬需求、波束之間鉸連關系動態(tài)改變、新型通信協(xié)議、技術體制涌現(xiàn)等）及時做出調整，在當前的產業(yè)環(huán)境下就引發(fā)了幾個突出的問題。

（1）通信容量分配冷熱不均，星上資源利用效率不高

通信衛(wèi)星的容量分配直接到影響衛(wèi)星容量的利用率，從而影響運營商的收益。傳統(tǒng)衛(wèi)星在設計時需要對市場進行深入調研，同時具備準確的前瞻性，以盡量避免有的波束容量用盡，而有的波束容量閑置，造成波束間的冷熱不均，嚴重浪費星上資源，同時也無法很好地滿足用戶需求。但從產業(yè)現(xiàn)狀來看，容量分配冷熱不均的現(xiàn)象在各大運營商的衛(wèi)星項目中普遍存在，如歐洲衛(wèi)星通信公司（EUTELSAT）的“Ka頻段衛(wèi)星”（Ka-Sat）在西歐的點波束已經飽和，但在其他區(qū)域的點波束卻比較空閑，所以歐洲衛(wèi)星通信公司一直在調整市場策略；泰國的“互聯(lián)網協(xié)議星”（IPStar）在澳大利亞波束飽和不能發(fā)展新用戶的同時，在中國的波束卻長期閑置；美國衛(wèi)訊公司（VIASAT）和休斯網絡系統(tǒng)公司（Hughes）的寬帶衛(wèi)星也同樣存在波束冷熱不均的問題，所以兩家公司打造的新衛(wèi)星不僅要彌補現(xiàn)有衛(wèi)星波束冷熱不均的問題，而且還要將之前沒覆蓋的美國中部區(qū)域完全覆蓋。

（2）軍事應用需求增長迅速，商業(yè)支持能力有待改進

近年來，美國及其盟國大力提倡衛(wèi)星通信領域的彈性與分散體系理念，其重要的實施途徑就是利用采購商業(yè)衛(wèi)星通信服務，降低成本，分散在軌力量部署，整體驅動了全球軍用衛(wèi)星通信開支的快速增長趨勢。根據(jù)歐洲咨詢公司的統(tǒng)計和預測，全球政府/軍用衛(wèi)星通信市場的容量需求2015年約為10Gbit/s，到2025年將增長至24Gbit/s左右，年均復合增長率達8.7%，這種需求增長引發(fā)了運營商的普遍關注和投資意向。但值得注意的是，軍事應用對于衛(wèi)星性能的要求與傳統(tǒng)商業(yè)系統(tǒng)不同，例如支持戰(zhàn)場地理區(qū)域的靈活機動、部隊組網方式的動態(tài)調整、面對干擾威脅的主動規(guī)避等，都需要載荷具備一定的波束機動、處理交換以及頻率調節(jié)能力。就目前而言，絕大多數(shù)的商業(yè)通信衛(wèi)星仍只能作為容量供給通道，為軍方提供基本的保障性、福利性任務支持，但無法具備與軍事系統(tǒng)相當?shù)姆漳芰?，使其不能真正融入作?zhàn)應用，獲取更大的市場利益。

（3）技術標準持續(xù)快速演進，在軌能力升級需求迫切

與地面移動通信系統(tǒng)每一代的升級類似，衛(wèi)星通信系統(tǒng)也在技術標準的演進當中不斷提升其業(yè)務支持能力和服務效果。以廣播領域的衛(wèi)星數(shù)字視頻廣播（DVB）標準為例，其演進至DVB-S2和DVBS2X，都帶來了更高的頻譜效率、更大的接入速率和更優(yōu)的性價比，但從其發(fā)展歷程看，技術標準的演進周期為10年，要短于一般通信衛(wèi)星的15年服務壽命。而如前所述，衛(wèi)星研制時固化的技術狀態(tài)使其無法進行性能升級，不能支持新一代的技術標準、協(xié)議等，其他業(yè)務領域也有類似的情況。對于運營商來說，這種能力缺陷導致市場競爭力弱化，出現(xiàn)用戶流失，服務收入相比前期大幅下滑的現(xiàn)象，大大延長的壽命帶來的收益甚至低于替換為技術更先進的新衛(wèi)星所獲收益，實際上也造成了一種軌位資源的“浪費”。因此，衛(wèi)星具備可升級的技術能力，是當前行業(yè)的重點發(fā)展方向之一。

不得不說，在數(shù)據(jù)型的衛(wèi)星通信業(yè)務尚未爆發(fā)之前，上述問題并未得到運營商的廣泛重視.隨著地面互聯(lián)網和移動通信網絡的迅猛發(fā)展，帶動了用戶向數(shù)據(jù)型應用消費習慣的演變，商業(yè)衛(wèi)星通信領域也受到影響，采用高頻段、多波束和頻率復用技術的高通量衛(wèi)星（HTS）隨之出現(xiàn)，驅使運營商進一步降低成本，同業(yè)競爭不斷加劇，上述弊端則暴露的更加明顯，如何有效解決此類問題，成為運營商和制造商關注的焦點。

靈活性概念辨析

目前，國內外對靈活有效載荷未形成統(tǒng)一的概念，也有研究稱之為可重構式載荷。前者為綜合考慮載荷服務能力上的各種靈活性效果；后者則主要是指在同一個載荷上實現(xiàn)多種通信模式兼容性設計及在軌技術更新。本文的靈活有效載荷主要是指具備波束覆蓋、頻譜管理、功率分配、互聯(lián)互通以及協(xié)議體制方面靈活調節(jié)和控制能力的通信衛(wèi)星載荷。

（1）波束覆蓋

波束覆蓋能力是通信衛(wèi)星服務性能的最直接體現(xiàn)。傳統(tǒng)的地球靜止軌道（GEO）通信衛(wèi)星主要采用全球波束、寬波束等作為廣域覆蓋，針對地理分布相對穩(wěn)定的人群提供視頻廣播、企業(yè)專網等通信服務，在壽命期內覆蓋特性基本保持不變。但對于一些特定的應用領域，如軍事保障、應急救災、海洋漁業(yè)等，在人口聚集度和通信需求上有著隨機性或規(guī)律性的地理區(qū)域改變，需要運營商根據(jù)用戶位置變化調整波束覆蓋中心或形狀輪廓。此外，大型衛(wèi)星運營商如需優(yōu)化其在軌衛(wèi)星編隊配置，調整部分空置波束以服務需求較大的熱點區(qū)域，也要求具備可調節(jié)能力。最后，針對潛在的無意或有意敵對干擾，也可以通過波束調整實現(xiàn)干擾協(xié)調管理。

總結來看，波束覆蓋的靈活性主要是指衛(wèi)星波束的形狀、輪廓、波束中心、波束數(shù)量和大小等，都可以根據(jù)運營商業(yè)務需求的變化而調整。

（2）頻譜管理

頻譜帶寬資源是通信衛(wèi)星最重要的星上資源之一。頻譜資源的調度和分配可分為幾個層級：一是每個波束所對應的帶寬（轉發(fā)器數(shù)量）配置；二是對應某些接入場景中轉發(fā)器內帶寬所配置的子信道帶寬分配；三是在特殊情況下（如軍事應用），頻點位置按照需求所產生的變化。傳統(tǒng)GEO通信衛(wèi)星轉發(fā)器的接收/發(fā)射頻率以及帶寬配置情況，在整個壽命期限內都固定，大多采用靜態(tài)、均勻分配方案。然而，一旦不同波束之間用戶需求發(fā)生大規(guī)模調整、同一波束內用戶需求嚴重不均衡，都會產生頻譜資源不能合理分配的情況。

總結來看，頻譜管理的靈活性主要是指波束轉發(fā)器的對應關系以及子信道數(shù)量、帶寬、保護間隔等都是可變的，也指頻率轉換和本地晶振設計也是靈活的。

（3）功率分配

載荷功率配置決定了衛(wèi)星鏈路等效全向輻射功率（EIRP）和G/T等關鍵性能指標，直接影響用戶端的服務質量（QoS）。如前所述，功率分配主要是為轉發(fā)器和通信鏈路，進而為天線波束服務，與對應的用戶區(qū)域的業(yè)務需求息息相關。傳統(tǒng)通信衛(wèi)星波束間、轉發(fā)器間功率分配采用固定的等功率分配方式，但與實際中不斷變化的業(yè)務需求不相匹配，未能充分利用本來就十分有限的星上功率資源。另一方面，對于GEO衛(wèi)星不斷向Ka頻段甚至更高頻段拓展，雨衰對于鏈路損耗的影響增大，依靠功率調節(jié)手段對抗信號衰減，保證服務連續(xù)性也十分有益。

總結來看，功率分配的靈活性是指對應不同的需求變化，分布式功率放大器的輸出增益和行波管放大器的靜態(tài)工作點都可調節(jié)，在不同的輸出功率等級之間可進行靈活切換。

（4）互聯(lián)互通

互聯(lián)互通能力，主要針對同一個衛(wèi)星網絡中，不同波束或者同一波束內用戶之間組網通信和業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸上的靈活性。傳統(tǒng)GEO通信衛(wèi)星主要采用透明轉發(fā)工作方式，無論是否處在同一波束覆蓋區(qū)域內，用戶終端之間數(shù)據(jù)通信都必須通過對應饋電波束的關口站，以“雙跳”方式實現(xiàn)傳輸，形成星型網絡拓撲結構，延遲高而且網絡中心節(jié)點忙時的業(yè)務負荷較大。另一方面，受星上處理能力的約束，傳輸層以下的用戶數(shù)據(jù)對于傳統(tǒng)通信衛(wèi)星都是“不透明”的，因而無法根據(jù)不同類型業(yè)務，實現(xiàn)同地面互聯(lián)網相似的路由與交換功能。

總結來看，互聯(lián)互通的靈活性包括至少兩個層次的內涵，一是上下行波束之間具備任意交鏈能力；二是星上具備靈活的路由和交換能力，從而支持波束間/內用戶靈活的組網方式。

（5）協(xié)議體制

如前所述，傳統(tǒng)透明轉發(fā)式通信衛(wèi)星不作解調、譯碼，因此并不處理業(yè)務數(shù)據(jù)，使其反而“無視”系統(tǒng)所采用的波形和通信協(xié)議，只轉發(fā)信號。而對于可再生處理式轉發(fā)器，其在互聯(lián)互通能力上的靈活性，卻帶來了對于協(xié)議體制上的局限性。由于需要在星上對信號進行解調和譯碼，經分路和交換后再進行調制和編碼，因此調制解調和編碼譯碼方案在衛(wèi)星入軌前都已確定，很難隨著新的、更高效的波形/協(xié)議標準的變化而變化，數(shù)據(jù)傳輸能力也無法進行升級，導致衛(wèi)星運行后期的服務競爭力減弱，削減運營商的投資回報。

總結來看，協(xié)議體制的靈活性，主要包括調制解調方案以及編碼方案的靈活性，要求星上調制解調器具備適應新型波形的能力。

2 典型系統(tǒng)靈活性分析

整體發(fā)展情況

如前所述，靈活有效載荷的概念雖然提出較晚，但其基本理念最早已在一些軍用衛(wèi)星上獲得了應用，在支持戰(zhàn)場地理區(qū)域的隨機變化、部隊組網需求的動態(tài)調整，以及保密抗干擾通信等方面，實現(xiàn)了不同程度的靈活性。典型的系統(tǒng)如美國的“寬帶全球衛(wèi)星通信”（WGS）星上的數(shù)字信道化器與相控陣天線實現(xiàn)了靈活的信道交換與波束覆蓋，意大利“錫克拉”（Sicral，全稱為“保密通信和告警系統(tǒng)”）系統(tǒng)具備跳波束、靈活的功率與頻率調節(jié)等能力。

而在商業(yè)領域，隨著高通量衛(wèi)星的快速發(fā)展，容量、帶寬的不斷增加，更催生了對星上資源合理、有效管理的需求，國際主流的衛(wèi)星通信運營商已紛紛啟動實施相應衛(wèi)星計劃。根據(jù)國外權威咨詢機構的統(tǒng)計，截至2017年6月，全球在軌、在研的高通量衛(wèi)星共計97顆，其中具備一定靈活性載荷的達到了50顆，占比超過50%，且仍在不斷增加。從系統(tǒng)分布情況來看，全球最大的三家固定通信衛(wèi)星運營商均已向靈活有效載荷做出布局，其靈活性最核心的體現(xiàn)是在處理能力上，目前都采用數(shù)字透明轉發(fā)的體制。

這里主要結合一些典型的在軌在研軍用、商業(yè)和技術試驗系統(tǒng)，對靈活有效載荷在通信衛(wèi)星中的應用進行分析。

意大利Sicral-2衛(wèi)星載荷分析

Sicral是意大利專用的軍用通信衛(wèi)星系統(tǒng)，目前發(fā)展了兩代。2015年4月發(fā)射的Sicral-2衛(wèi)星是其第二代衛(wèi)星，提供戰(zhàn)略和戰(zhàn)術衛(wèi)星通信服務，支持國防作戰(zhàn)、維和行動、應急救災、人道主義援助等任務。

意大利在發(fā)展Sicral-2之初，主要目的是維持在軌軍用衛(wèi)星通信能力，在SHF載荷方面提出了3個要求：一是覆蓋靈活性，要求有6個靈活機動的波束；二是頻率靈活性，要求上下行鏈路的帶寬和頻率計劃可以調整；三是功率靈活性，要求6個獨立波束的EIRP可以調整。在此需求下，Sicral-2衛(wèi)星SHF頻段載荷主要通過多波束可切換天線（MBSA）、數(shù)字信道化處理器和多端口放大器（MPA）這三項技術分別實現(xiàn)。?

（1）靈活的波束/功率配置

Sicral-2衛(wèi)星的多波束可切換天線共包括3組，共產生19個點波束，形成全球覆蓋，其中有6個波束可同時處于工作狀態(tài)，因此具備在這19個波束之間靈活的選擇和切換能力，波束的選擇是通過地面控制星上的波導交換矩陣完成的。此外，Sicral-2衛(wèi)星SHF頻段接收天線還具備自適應調整能力，從而針對干擾源地理位置而進行動態(tài)調零，具備很強的抗干擾性能。

但需要指出的是，這種波束覆蓋靈活性是有限制的，其無法實現(xiàn)波束在衛(wèi)星可視范圍內的任意移動，而只能從19個既定覆蓋區(qū)域中選取，是一種通過冗余配置饋源陣列的方式實現(xiàn)的靈活度，需要消耗一定的星上空間和質量作為代價。

Sicral-2衛(wèi)星還通過采用多端口放大器，實現(xiàn)了在波束之間分配功率的靈活性，該放大器采用4×4輸入/輸出端口配置，上行信號經過數(shù)字信道化處理后進入放大器輸入端口，輸出端口與多波束可切換天線的波導切換矩陣、進而與19個饋源（波束）相連，每個波束分配的最大功率，使其EIRP可達到載荷總EIRP值的50%。

（2）靈活的信道交換

數(shù)字信道化器是Sicral-2衛(wèi)星SHF頻段載荷的核心單機。其接收/分路器部分共配置6個輸入端口，包括5個工作端口和1個冗余備份，單個端口可處理帶寬達75MHz，采用多項濾波器進行解復用操作，處理后支持6類子信道配置，帶寬分別為：0.625MHz、1.25MHz、2.5MHz、8.125MHz、16.25MHz 和32.5MHz。

由于衛(wèi)星在SHF頻段共分配有200MHz帶寬，因此在標準子信道配置（2.5MHz）下，整個載荷能夠形成可任意交換的80路子信道，而單個波束可分配的子信道數(shù)量最少為1路，最多可以達到40路，即分配了半數(shù)的載荷帶寬（約100MHz）。

星上數(shù)字信道化處理技術的應用，使得Sicral-2衛(wèi)星在波束內和波束間都能夠支持網狀網絡，可實現(xiàn)單跳通信、支持組播能力，具備靈活的互聯(lián)互通能力，而配合多波束天線與靈活的功率調配能力，使衛(wèi)星即使是在嚴酷的通信對抗條件下，也可以支持地面部隊的多樣化組網通信需求。

英國高適應性衛(wèi)星-1載荷分析

高適應性衛(wèi)星-1（Hylas-1）是英國衛(wèi)星運營商阿萬提公司（Avanti）運行的一顆商業(yè)衛(wèi)星，主要為歐洲部分地區(qū)提供寬帶接入和電視直播服務。衛(wèi)星的主承包商為空客防務與航天公司（ADS），負責項目計劃的全面管理、載荷部分的研制，印度空間研究組織（ISRO）作為分包商提供衛(wèi)星平臺及衛(wèi)星集成和試驗工作。衛(wèi)星于2010年底發(fā)射，工作在Ku和Ka頻段。

Hylas-1衛(wèi)星的設計、研制和試驗過程都得到了歐洲航天局（ESA）的資金支持，星上采用了多種先進的載荷技術，包括在軌可調微波功率模塊，最具特點的則是采用了空客防務與航天公司在“通信系統(tǒng)預先研究”（ARTES）計劃下開發(fā)的通用靈活載荷（GFP）架構。

具體來看，Hylas-1衛(wèi)星的通用靈活有效載荷主要工作流程如下：

首先，衛(wèi)星接收到的Ku和Ka頻段信號經過濾波、低噪放大后，進入頻率可調的捷變集成變頻器組（AIDA），將其變頻至大約6GHz的中頻域內輸出；

隨后，中頻信號進入核心的路由與交換設備（RAISE），該設備事實上是一個固態(tài)交換矩陣，可以建立輸入端口和輸出端口之間的任意連接，包括某個上行鏈路在所有下行端口輸出廣播，端口交換和路由配置具備完全的在軌重構能力；

最后，在建立了上下行鏈路間的交換方案后，信號進入具備可編程能力單信道靈活變頻器（SCACE）中，執(zhí)行靈活的信道濾波功能，該設備采用了空客防務與航天公司的新型“先進變頻器技術”（ACT）專利，中心頻率和濾波帶寬等參數(shù)都可在軌調節(jié)，因而可以適應任何頻率規(guī)劃方案。據(jù)悉，空客防務與航天公司共研制出了兩個SCACE版本的產品，可實現(xiàn)18～120MHz以及54～250MHz不等的帶寬調節(jié)能力。

總體而言，Hylas-1衛(wèi)星的靈活性主要體現(xiàn)在波束/轉發(fā)器交換層面：可以實現(xiàn)一定上下行轉發(fā)器之間的映射/互聯(lián)能力，而且在軌可重新配置；支持單波束到多波束的映射方案，具備靈活的廣播通信能力；轉發(fā)器帶寬在軌可調，Ka頻段轉發(fā)器在108～250MHz可靈活設置，步長為500kHz。Ku頻段轉發(fā)器可以在18～120MHz均勻設置。同時，配合德國特薩特空間通信公司（Tesat）的靈活行波管功率放大器技術實現(xiàn)的在軌功率靈活分配以及自適應調制編碼技術等，也具備良好的雨衰對抗性能。

“歐洲通信衛(wèi)星-量子”載荷分析

“歐洲通信衛(wèi)星-量子”（Eutelsat Quantum，簡稱Quantum）是ESA和歐洲通信衛(wèi)星公司2015年7月簽署協(xié)議，合作發(fā)展的新一代具備靈活通信能力的衛(wèi)星，該項目的平臺與載荷研制均得到了ARTES 33計劃的資金支持，衛(wèi)星載荷由主承包商空客防務與航天公司設計開發(fā)，薩瑞衛(wèi)星技術有限公司（SSTL）則為其研發(fā)了地球靜止軌道小衛(wèi)星平臺（GMP-T）。

歐洲Quantum衛(wèi)星的設計目標，是讓衛(wèi)星能夠靈活、動態(tài)地滿足不同業(yè)務背景下用戶需求的變化，避免傳統(tǒng)技術下設計好的頻率與覆蓋方案而難以在軌調整、地面天線尺寸與發(fā)射速率也需高成本適應性改進的困境。因此，衛(wèi)星的靈活性重點體現(xiàn)在了波束覆蓋與頻率規(guī)劃兩個方面，這主要通過陣列天線與星載信號處理器實現(xiàn)。

（1）靈活的波束覆蓋

歐洲Quantum衛(wèi)星天線具體配置尚未公布，已知其下行將配備Ku頻段的有源饋電陣列反射面天線，同時上行將配備Ku頻段的直接輻射陣列天線，覆蓋能力具備高度的靈活性，這種靈活性體現(xiàn)在兩個維度：可控形狀位置、波束跳變能力。

1）可控形狀位置。Quantum衛(wèi)星在下行采用了新型的饋電陣列反射面天線，由1個扁平反射器和兩組分置的有源相控陣饋源組成，每個饋源陣由21個喇叭饋源組成，每個饋源對應1個專用的高功率放大器。下行波束信號首先在低功率波束形成網絡中合成，隨后進行放大并輸入對應饋源，從而在標準模式下形成8個獨立的點波束，其中4個為水平極化，另外4個為垂直極化。

通過可變移相器與幅度衰減器的調節(jié)，上述波束的形狀都可以進行調節(jié)，波束的大小從一國（如尼日利亞）到大洲（如西非）范圍靈活可調。目前來看，尚未有商業(yè)通信衛(wèi)星具備同等級別的控制調節(jié)能力。

這種靈活的波束形狀改變能力，在軍用通信領域應用前景廣闊。Quantum衛(wèi)星上載有干擾定位設備，可以定位在同一個頻率和位置傳輸?shù)男盘枺瑹o需鄰近位置的同頻率衛(wèi)星進行二次定位，定位精確度達20km。在定位干擾源后，衛(wèi)星即可通過波束形狀調整規(guī)避干擾。

另一方面，根據(jù)目前得知的情況，上述8個波束也具備靈活的可移動能力，主要通過電調節(jié)機制，在1s內能在衛(wèi)星可視范圍之內實現(xiàn)任意位置的移動。目前，絕大多數(shù)具備可移動波束的衛(wèi)星多采用機械方式調節(jié)，機制相當復雜，而且配套硬件質量空間消耗也較大。

2）波束跳變能力。Quantum衛(wèi)星支持DVB-S2X標準，具備按照時隙配比進行波束跳變的能力，可以通過所謂“空間時分多址接入”（Space TDMA，事實上就是跳波束），實現(xiàn)覆蓋區(qū)域之間的業(yè)務負載均衡，使衛(wèi)星資源在波束覆蓋區(qū)之間分配效率最大化，適用于用戶需求的機動性變化，主要對應以下應用場景：①寬帶通信需求較大的大型客輪季節(jié)性位置移動，如夏天在地中海區(qū)域活動，冬天則轉移至加勒比海區(qū)域。②政府應急/軍事應用：現(xiàn)場、戰(zhàn)場區(qū)域無法預測，而且具備時變性。③時差效應造成的每日同一時間的需求變化；又如一天之中，紐約的通信業(yè)務高峰期，對應了東非地區(qū)的通信業(yè)務低谷期。④具備高速移動性的目標用戶產生的隨時隨地通信需求。

針對航空線路上的業(yè)務需求時變特點，1個波束可以分解為多個覆蓋范圍更加集中、連續(xù)組合的子波束，子波束之間在時域共用同1個波束的帶寬、容量與功率等資源，從而實現(xiàn)時分跳變能力，對應不同時刻航班密集度的分布情況，同時在子波束上可以實現(xiàn)更加優(yōu)化的服務性能。

（2）靈活的頻率規(guī)劃

目前判斷，Quantum衛(wèi)星并未采用再生處理，而是采用了數(shù)字透明處理機制。已獲得的信息表明，衛(wèi)星可以實現(xiàn)上行信道與下行信道之間的任意互聯(lián)互通，而且由于采用了靈活濾波器，轉發(fā)器的中心頻率與帶寬都可以調節(jié)，帶寬調整范圍為54～250MHz，衛(wèi)星也因此具備在整個Ku頻段內使用任意一段頻譜的能力，這是其他衛(wèi)星所不具備的。

靈活可調的濾波器還使衛(wèi)星具備了抗干擾的頻率“陷波”能力，可以根據(jù)干擾源的頻率和帶寬信息，移動上行業(yè)務頻段，從而避開干擾頻率區(qū)間，避免將上行干擾帶入下行。

除了上述兩點靈活性外，Quantum衛(wèi)星上還采用了多端口放大器技術，實現(xiàn)了下行鏈路饋源陣列的靈活功率分配能力。這些靈活性能顯然已被業(yè)界所看好，根據(jù)最新的情況，雖然衛(wèi)星將于2019年發(fā)射，但該星上超過半數(shù)的容量已成功預售。2017年5月，歐洲衛(wèi)星通信公司已透露將繼續(xù)訂購兩顆Quantum衛(wèi)星，將實現(xiàn)真正意義的全球靈活服務能力。

綜合來看，歐洲Quantum衛(wèi)星投入運行后，無疑將是所有在軌商業(yè)GEO衛(wèi)星中靈活性最強的一顆，具備滿足用戶動態(tài)、時變、多樣化需求的業(yè)務能力。但應當看出，該衛(wèi)星的整體容量相比當前的新一代高通量系統(tǒng)數(shù)百吉比特每秒的數(shù)據(jù)傳輸能力仍有較大差距，在成本壓力不斷增大的背景下，仍需面對市場的檢驗。另一方面，Quantum衛(wèi)星的靈活性特點具備潛在的可擴展性，如果采用載荷支持性更好的平臺，業(yè)務能力也會有大的升級。

主要系統(tǒng)特點分析

Quantum衛(wèi)星頻率“陷波”功能（深色三角形代表干擾信號）

（1）靈活波束覆蓋將成為標配，符合開拓新興市場、業(yè)務的布局

從國外軍用和商業(yè)系統(tǒng)整體發(fā)展情況而言，靈活的波束覆蓋是運營商最為看重的一種基本能力，也是未來靈活有效載荷的標配。這種現(xiàn)象印證了當前運營商在戰(zhàn)略布局上的三方面考慮：一是波束調整的可選技術途徑較多，而且相對其他方面的靈活性來說，做幾個可變波束的實現(xiàn)成本也更低，但服務效能卻更加明顯，是一種相對穩(wěn)妥的投資方案而更易被采納。二是，隨著各類通信手段不斷向新興市場（主要是非洲、拉美和亞洲的不發(fā)達地區(qū)）滲透，這些區(qū)域的連接需求也隨之增加，增長潛力相對傳統(tǒng)市場更大。根據(jù)歐洲咨詢公司預測，到2025年，這些區(qū)域的高通量衛(wèi)星業(yè)務收入占比將從不到全球10%增長至40%，但就目前發(fā)展水平而言，市場基礎仍相對薄弱。在此背景下，建設具備波束可賦形、波束跳變等能力的衛(wèi)星，在保證已有市場服務能力的基礎上有效擴大服務范圍，符合運營商拓展新市場的基本地理布局。三是衛(wèi)星移動寬帶業(yè)務快速發(fā)展及固定移動業(yè)務逐步融合的趨勢，催生了傳統(tǒng)固定通信運營商投入的動力，星上配備可移動波束或跳變波束，可以減少波束切換帶來的服務中斷、延時等不良用戶體驗，增加產品的市場競爭力。

（2）轉發(fā)器分路概念持續(xù)弱化，星上帶寬功率資源趨向統(tǒng)籌利用

最初的商業(yè)通信衛(wèi)星主要面向電視直播等業(yè)務，均按照頻域標準的36MHz進行轉發(fā)器數(shù)量劃分，每一臺轉發(fā)器對應一個行波管放大器，配置簡單、結構清晰，在近數(shù)十年的時間里都基本固定不變。但從當前國外商業(yè)系統(tǒng)的發(fā)展情況來看，隨著多端口功率放大器、星上數(shù)字信道化處理器等靈活設備，以及多波束頻率復用等技術越來越多地被采用，這種基于轉發(fā)器分路概念設計業(yè)務服務以及評估衛(wèi)星能力的思維已開始有了較大改變。衛(wèi)星的頻率、轉發(fā)器帶寬、放大器功率資源等都不再是一一對應的關系，而將形成可按需調配的“資源池”。如星上數(shù)字信道化處理器將信道帶寬的顆粒度從標準36MHz降低至個位數(shù)的范疇，經過信道路由、合路等，實現(xiàn)了更加精細化的帶寬分配；同理，多端口放大器將星上放大器功率資源進行了整合，與帶寬分配有效結合，實現(xiàn)了業(yè)務能力的優(yōu)化調整。對運營商而言，這種統(tǒng)籌利用星上資源的能力，將支持其開展更加多樣化的業(yè)務，同時能夠針對不同區(qū)域/用戶的需求提供更加定制化的服務，未來將進一步節(jié)省星上質量與功耗、提高通信效率，從而降低系統(tǒng)的總成本支出。

（3）新應用加速處理載荷發(fā)展，但鮮有系統(tǒng)采用再生式處理架構

隨著2014年以來第二輪低軌衛(wèi)星系統(tǒng)建設熱潮的涌現(xiàn)，低傳輸延時類數(shù)據(jù)業(yè)務成為業(yè)界關注的重點，典型GEO通信衛(wèi)星采用透明轉發(fā)式架構兩跳弊端更加凸顯，將地面節(jié)點的處理能力遷移至衛(wèi)星就解決了此問題，成為推動處理式載荷發(fā)展的一個潛在誘因；另一方面，以美國為代表的國外各主要軍事大國，對于商業(yè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)支持軍事作戰(zhàn)、應急救災等應用的需求不斷加大，與需求對應的靈活組網特點，驅動了商業(yè)系統(tǒng)發(fā)展一定的路由交換能力。國際衛(wèi)星通信公司部署的新一代“史詩”（Epic）衛(wèi)星，即針對軍方用戶需求進行了適應性改進，其采用的數(shù)字載荷可以保證在衛(wèi)星的整個生命周期內，根據(jù)地面通信需要的變化調整波束間鉸鏈方式，除了支持“小站-關口站”的星型拓撲應用之外，也支持波束下的“環(huán)回”工作方式，這樣，發(fā)射站與接收站可位于同一波束內，實現(xiàn)網狀通信。但值得一提的是，無論商業(yè)系統(tǒng)還是軍用系統(tǒng)，真正做到再生式星上處理的屈指可數(shù)。究其原因，除了在基帶完全再生式處理和路由的高昂成本，也在于此類能力的應用需求尚未完全爆發(fā)。

3 啟示建議

在全球衛(wèi)星容量供給不斷攀升的態(tài)勢背景下，載荷實現(xiàn)的靈活性對業(yè)務開發(fā)和市場拓展有明顯的促進作用。一方面，運營商可利用衛(wèi)星的靈活能力有效提升對既有市場的服務效果，例如成熟業(yè)務區(qū)域的需求發(fā)生激增，可以通過帶寬、功率資源的統(tǒng)一調度，加大對目標地區(qū)的容量供給力度，從而實現(xiàn)更好的用戶體驗。國際移動衛(wèi)星公司在其第五代衛(wèi)星系統(tǒng)國際移動衛(wèi)星-5（Inmarsat-5）上就作了這樣的設計，該衛(wèi)星在提供基本全球覆蓋的同時，加裝了一個高容量載荷（HCP），配備8個高功率的可移動點波束，能夠為業(yè)務突發(fā)的熱點區(qū)域提供最大8倍的應急業(yè)務容量，實現(xiàn)了對既有市場的“深耕”。另一方面，衛(wèi)星的靈活能力也可支持一些新的業(yè)務應用，如利用數(shù)字信道化器等實現(xiàn)點對點、網狀網絡通信，利用再生式載荷實現(xiàn)基于衛(wèi)星的IP互聯(lián)網服務等，也都有很好的潛力價值。

而在市場競爭愈發(fā)激烈的環(huán)境中，通過傳統(tǒng)方式一味地加大容量供給來賺取用戶已非上策，具備對需求變化快速的響應能力、對服務應用快速的適應升級，越來越成為運營商之間角力的關鍵所在。從前述靈活載荷在高通量衛(wèi)星系統(tǒng)中不斷升高的占比也可以看出，主流運營商均已提早布局，國內運營商目前尚未發(fā)現(xiàn)此類衛(wèi)星的規(guī)劃。但不管是考慮參與國際市場競爭，還是服務國家“一帶一路”的走出去倡議，發(fā)展靈活有效載荷、增強系統(tǒng)服務的競爭力已迫在眉睫，但發(fā)展什么樣的靈活能力最為合適，需要深入的研究和思考。

就目前來看，對運營商來說，最穩(wěn)妥的辦法仍是緊密結合業(yè)務需求特點，對系統(tǒng)進行低成本的靈活性設計。如前所述，最基本的可以考慮技術相對成熟的波束交鏈、可移動點波束等，通過付出較低的代價就能較為顯著地增強在覆蓋和連接能力上的靈活性。而針對有明確需求，如軍方用戶、大型集團業(yè)務用戶，或是有政府背景支持的新型業(yè)務，也可嘗試在星上配備更高級別的靈活度，以最大化降低系統(tǒng)建設成本和運營風險。