清华清华(qīnɡ huá)星载多波束技术解析星载多波束技术解析第一页，共16页 提纲(tígāng)ØØ星上单馈源对应单波束(bōshù)形成多波束(bōshù)技术ØØ星上数字/模拟波束(bōshù)形成技术ØØ地基波束(bōshù)形成技术ØØ总结与展望第1页/共15页第二页，共16页 ØØ每个馈源放置在天线的焦点上每个馈源放置在天线的焦点上ØØ直接经由天线反射面辐射形成单波束直接经由天线反射面辐射形成单波束ØØ多个馈源（阵）放置在天线的不同焦点上构成多波束多个馈源（阵）放置在天线的不同焦点上构成多波束ØØ宽带卫星通信系统中应用广泛宽带卫星通信系统中应用广泛ØØ优点：最简单最直接优点：最简单最直接ØØ多用于星上资源相对多用于星上资源相对(xiāngduì)(xiāngduì)紧张的情况紧张的情况ØØ避免复杂的波束形成网络避免复杂的波束形成网络ØØ避免额外的馈电链路带宽及复杂的相位校准避免额外的馈电链路带宽及复杂的相位校准ØØ缺点缺点ØØ难以形成大规模的波束数目难以形成大规模的波束数目ØØ远离焦点的馈源对反射面照射效率较低远离焦点的馈源对反射面照射效率较低1. 单馈源对应单波束(bōshù)形成第2页/共15页第三页，共16页。
ØØAnik-F2Anik-F2，，2004.7.182004.7.18发射发射ØØ美国波音公司研制，美国波音公司研制，4545个单馈源形成的个单馈源形成的KaKa点波束点波束ØØWildblue-1Wildblue-1，，2006.12.82006.12.8发射发射ØØ劳拉公司研制，劳拉公司研制，3535个单馈源形成的个单馈源形成的KaKa点波束点波束ØØIPSTARIPSTAR，，2005.8.112005.8.11发射发射ØØ劳拉公司研制劳拉公司研制ØØKuKu频段频段(pín duàn)84(pín duàn)84个单馈源形成的点波束个单馈源形成的点波束ØØKaKa频段频段(pín duàn)18(pín duàn)18个单馈源形成的点波束个单馈源形成的点波束ØØWINDSWINDS，，2008.2.232008.2.23发射发射ØØ卫星由洛马公司研制卫星由洛马公司研制ØØ1 1副多波束天线由副多波束天线由9 9个单馈源形成的固定点波束，覆盖日本国内个单馈源形成的固定点波束，覆盖日本国内ØØ1 1副副多多波波束束天天线线由由1010个个单单馈馈源源形形成成固固定定点点波波束束，，覆覆盖盖东东南南亚亚及及周周边边地区地区ØØKa-SatKa-Sat，预计，预计2010.11-2011.12010.11-2011.1之间发射之间发射ØØEADS AstriumEADS Astrium公司研制，公司研制，8282个单馈源形成的个单馈源形成的KaKa点波束点波束1.1 单馈源单波束发展(fāzhǎn)现状第3页/共15页第四页，共16页。
ØØ大型反射面及馈源阵列在轨展开技术；大型反射面及馈源阵列在轨展开技术；ØØ紧凑、高增益、低旁瓣馈源设计；紧凑、高增益、低旁瓣馈源设计；ØØ馈源阵列排布优化技术；馈源阵列排布优化技术；ØØ降低馈源间互耦效应的相关技术；降低馈源间互耦效应的相关技术；ØØ通过通过(tōngguò)(tōngguò)极化正交和降低旁瓣电平增加频率复用技术；极化正交和降低旁瓣电平增加频率复用技术；ØØ按需调整波束覆盖区在轨重构技术按需调整波束覆盖区在轨重构技术1.2 单馈源单波束(bōshù)形成多波束(bōshù)的关键技术第4页/共15页第五页，共16页 ØØ对多馈源信号分别进行移相加权在轨合成多个波束对多馈源信号分别进行移相加权在轨合成多个波束ØØ模拟或者数字处理模拟或者数字处理ØØ不同的天线技术不同的天线技术ØØ多波束反射面天线多波束反射面天线ØØ多在静止轨道大型通信卫星上采用多在静止轨道大型通信卫星上采用ØØ多波束直接多波束直接(zhíjiē)(zhíjiē)辐射阵列辐射阵列( (或称多波束相控阵天线或称多波束相控阵天线) )ØØ多在中低轨道通信卫星上采用多在中低轨道通信卫星上采用ØØ多波束透镜天线多波束透镜天线ØØ由于比反射面天线复杂，目前主要用于地面由于比反射面天线复杂，目前主要用于地面2. 2. 星上数字星上数字/ /模拟波束模拟波束(bōshù)(bōshù)形成技术形成技术第5页/共15页第六页，共16页。
ØØ优点ØØ可形成更多的波束ØØ提高通信容量ØØ提高EIRP和G/T值ØØ可灵活调整ØØ缺点：ØØ波束形成网络(wǎngluò)（BFN）复杂ØØ技术难度较高2. 星上数字/模拟(mónǐ)波束形成技术第6页/共15页第七页，共16页 ØØ模拟波束形成模拟波束形成ØØGlobalstarGlobalstarØØ直接辐射平面直接辐射平面(píngmiàn)(píngmiàn)阵列结构有源相控阵天线阵列结构有源相控阵天线ØØ9191个发射个发射/61/61个接收辐射单元，形成个接收辐射单元，形成1616个波束个波束ØØ日本日本ETS-VIIIETS-VIII（（kiku-8kiku-8））ØØ2006.12.182006.12.18发射发射ØØ收发各一面收发各一面19.2m×16.7m19.2m×16.7m天线，等效孔径天线，等效孔径13m13mØØ每副天线由每副天线由14 14 个独立的、呈正六边形的模块组成个独立的、呈正六边形的模块组成ØØ采采用用MMICMMIC形形成成多多波波束束，，3131个个固固态态功功放放，，3131个个低低噪噪声声放放大大器器ØØ星星上上波波束束成成形形网网络络可可形形成成多多个个可可移移动动和和可可控控形形状状的的点点波波束束ØØ可进行固定、移动和多媒体通信及卫星定位等试验可进行固定、移动和多媒体通信及卫星定位等试验ETS-VIII卫星(wèixīng)2.1 星上波束形成技术(jìshù)发展现状第7页/共15页第八页，共16页。
ØØ数字波束形成（数字波束形成（DBFDBF））ØØ相相比比于于模模拟拟技技术术的的优优点点(yōudiǎn)(yōudiǎn)：：不不漂漂移移、、不不老老化化、、工工作作可可靠靠、、可可自自检检、、可可编编程程、、精精度高度高ØØThuraryThurary系统系统ØØ3 3颗颗GEOGEO卫星由波音公司制造卫星由波音公司制造ØØThurary-1Thurary-1（（2000.10.202000.10.20））ØØThurary-2Thurary-2（（2003.6.102003.6.10））ØØThurary-3Thurary-3（（2008.1.152008.1.15））ØØ采用先进的数字波束形成技术采用先进的数字波束形成技术ØØ星载天线星载天线12.25m×16m12.25m×16m，，128128个馈源个馈源ØØ产生产生250250～～300300个在轨可重定向点波束个在轨可重定向点波束ØØACeSACeS系统（亚洲蜂窝卫星系统）系统（亚洲蜂窝卫星系统）ØØGEOGEO卫星，洛克马丁公司制造卫星，洛克马丁公司制造ØØGaruda-1Garuda-1（（2000.2.122000.2.12），计划中的），计划中的Garuda-2Garuda-2被取消被取消ØØ两副两副8888馈源阵馈源阵1212米口径天线米口径天线ØØ140140个通信点波束和个通信点波束和8 8个可控点波束个可控点波束ØØInmarsat-4Inmarsat-4ØØ3 3颗颗GEOGEO卫星，由卫星，由EADS AstriumEADS Astrium公司制造公司制造ØØ9 9米口径星载天线，米口径星载天线，120120个馈源个馈源ØØ1 1个全球波束，个全球波束，1919个宽点波束，个宽点波束，228228个窄点波束个窄点波束ACeS2.1 星上波束形成(xíngchéng)技术发展现状Thuraya第8页/共15页第九页，共16页。
ØØ模拟波束形成关键技术模拟波束形成关键技术ØØ多通道幅相校准技术多通道幅相校准技术ØØ各通道相位及幅度误差校准各通道相位及幅度误差校准ØØ高可靠、小型化技术高可靠、小型化技术ØØMMICMMIC（单片微波集成电路技术）（单片微波集成电路技术）ØØ抗辐照、易老化和漂移抗辐照、易老化和漂移ØØ数字波束形成关键技术数字波束形成关键技术ØØ数字波束形成数字波束形成ASICASIC实现技术实现技术ØØFPGAFPGA向专用芯片向专用芯片(xīn piàn)(xīn piàn)技术转化技术转化ØØ波束在轨校准技术波束在轨校准技术ØØ校准各波束指向精度校准各波束指向精度2.2 2.2 星上波束星上波束(bōshù)(bōshù)形成关键技术形成关键技术第9页/共15页第十页，共16页 三、地基波束三、地基波束(bōshù)形成技术形成技术3. 地基波束(bōshù)形成技术（GBBF）ØØ应用场景应用场景ØØ星上信道化、透明转发星上信道化、透明转发(zhuǎn fā)(zhuǎn fā)ØØ通过地面关口站形成波束，实现对服务区的多波束覆盖通过地面关口站形成波束，实现对服务区的多波束覆盖ØØ优点优点ØØ简化了卫星有效载荷的设计复杂度简化了卫星有效载荷的设计复杂度ØØ提供了波束形成的灵活性提供了波束形成的灵活性ØØ降低风险降低风险ØØ缺点缺点ØØ无法支持单跳业务无法支持单跳业务第10页/共15页第十一页，共16页。
ØØTDRSTDRS：：美美国国用用于于跟跟踪踪包包括括航航天天飞飞机机在在内内的的地地球球轨轨道道飞飞行行器器并并将将数数据据传传回回地地球球的的中中继继卫卫星星系系统统，，其其S S频频段段载载荷荷(zài (zài hè)hè)最最早早应应用用了了类类地地基基波波束束形形成成技技术术，，用用于于多多址址星星间间链链路路，，该该技技术术称称为为Adaptive Adaptive Ground Implemented Phased ArrayGround Implemented Phased Array（（AGIPAAGIPA）ØØICO ICO G1G1：：北北美美首首颗颗S S频频段段移移动动多多媒媒体体广广播播卫卫星星，，于于20082008年年4 4月月发发射射卫卫星星由由劳劳拉拉公公司司研研制制，，采采用用LS-1300LS-1300平平台台ICO ICO G1G1卫卫星星是是首首颗颗采采用用GBBFGBBF技技术术的的在在轨轨卫卫星星，，可可以以构构成成250250个个发发送送及及250250个个接接收收的的S S频频段段波波束ØØTerreStar-1TerreStar-1ØØ劳拉公司制造，劳拉公司制造，20092009年年7 7月月1 1日发射日发射ØØ用于北美地区的移动通信用于北美地区的移动通信ØØ第一次采用双向第一次采用双向GBBFGBBF系统（系统（two way GBBFtwo way GBBF））ØØ基于地面校准和波束形成基于地面校准和波束形成ØØ星载天线口径星载天线口径18.2818.28米米ØØ产生产生500500多个点波束多个点波束ØØ可可以以覆覆盖盖美美国国大大陆陆5050个个州州，，加加拿拿大大，，阿阿拉拉斯斯加加，，夏夏威威夷夷，，波波多多黎黎各各和美国的维尔京群岛。
和美国的维尔京群岛 3.1 地基波束形成(xíngchéng)技术发展现状第11页/共15页第十二页，共16页 ØØ地基地基(dìjī)(dìjī)波束形成（波束形成（GBBFGBBF）技术主要组成部分）技术主要组成部分ØØ地基地基(dìjī)(dìjī)波束形成波束形成ØØ波束地基波束地基(dìjī)(dìjī)校准校准ØØ地面校准信标地面校准信标ØØ在轨波束校准在轨波束校准ØØ载荷关键技术载荷关键技术ØØ数字信道化技术数字信道化技术ØØ波束在轨校准技术波束在轨校准技术ØØ高可靠、小型化技术高可靠、小型化技术ØØ地面关键技术地面关键技术ØØ地基地基(dìjī)(dìjī)波束形成技术波束形成技术ØØ地基地基(dìjī)(dìjī)波束校准技术波束校准技术ØØ星地信道估计技术星地信道估计技术3.2 3.2 地基波束地基波束(bōshù)(bōshù)形成关键技术形成关键技术第12页/共15页第十三页，共16页 引入可重构技术引入可重构技术 卫星卫星(w(wè èixīng)ixīng)有效载荷软件化有效载荷软件化ØØ星载多波束天线能够有效提高系统容量和性能，是有效载荷的关键技术之一ØØ在基于静止轨道卫星的卫星移动通信系统中，大型可展开多波束天线的口径越来越大，波束数目不断增加ØØ波束形成技术从模拟向数字发展，DBF代表着主流的技术发展方向ØØ由于规模较大，必须在集成电路技术方面取得突破(tūpò)，以克服体积、重量、功耗限制问题ØØ未来卫星有效载荷软件化：通过引入可重构技术，结合星上处理交换 ，支持动态调整与重配置，提高系统性能和灵活性ØØ与WGS卫星柔性数字信道化器的灵活透明转发类似，地基波束成形技术在星上复杂度与系统性能之间取得折衷，也是当前的一种有效解决方案4. 4. 总结总结(zǒngjié)(zǒngjié)与展望与展望地基波束形成地基波束形成数字波束形成数字波束形成 模拟模拟波束形成波束形成单馈源单馈源对应对应单波束单波束第13页/共15页第十四页，共16页。
第14页/共15页第十五页，共16页 内容(nèiróng)总结清华星载多波束技术解析避免额外的馈电链路带宽及复杂的相位校准Ka-Sat，预计2010.11-2011.1之间发射紧凑、高增益、低旁瓣馈源设计日本ETS-VIII（kiku-8）收发各一面(yī miàn)19.2m×16.7m天线，等效孔径13m每副天线由14 个独立的、呈正六边形的模块组成ACeS系统（亚洲蜂窝卫星系统）Garuda-1（2000.2.12），计划中的Garuda-2被取消单波束第十六页，共16页。