未来的软件定义卫星
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2022-05-13 15:22
卫星运营商不稳定的商业案例和数字技术的进步要求卫星制造商提供软件定义解决方案，从而使卫星更便宜、更灵活。
下个月，美国卫星制造商洛克希德马丁将发射一批低轨立方星。这个立方星与通常的立方星有所不同，他们将形成空间云计算平台，进行星上数据处理，功能通过地面上传的软件更新进行变更。这个展示代表洛克希德马丁公司进入了软件定义卫星时代，软件定义卫星基于通用硬件和灵活的软件来定义整个任务。
洛克希德的该项新技术被命名为SmartSat（智慧星？）。即将进行的试验混合了公司新的SpaceCloud和HiveStar技术，而后面的HiveStar技术负责星群飞行功能。
据SmartSat项目经理Adam Johnson介绍，SmartSat基本上是一个操作系统，或者说是一个操作环境，有点类似卫星的iOS。在未来，系统可以运行在所有洛克希德马丁的空间飞行器上，从最下的立方星到旗舰级的静止轨道平台。运营商可根据任务需求上传任何应用。
Johnson表示：“我们将卫星销售给客户，他们有能力给卫星赋予多种应用。就像智能手机，所有的东西都是一种应用。你可以根据需要开启或停止那些应用，像在智能手机上那样操作。可以非常方便的重新配置卫星。”
在有些在轨卫星上已经实现的灵活性和卫星的重新配置能力是卫星运营商要求了很多年的特性。特别是对于GEO静止轨道卫星的运营商，通常一颗卫星的在轨寿命达到15年或更多，能够根据市场需求调整卫星是基本的需求。包括将卫星调整到新的轨道位置，将功能从电视广播切换的互联网连接，有时这些需求无法在传统的硬件定义卫星上实现。
空客空间系统的Jean-Marc Nasr在9月初的世界卫星商务周上说：“卫星运营商无法在15年内保持稳定的商业模型。大约5年前，他们告诉我们他们需要具备改变任务特性的能力，还需要很便宜。”
Airbus（空客）已经在今年早些时候发布了全部可配置的软件定义静止轨道平台OneSat，并获取了Inmarsat的一个合同，生产三颗下一代Global Express Flex系统的卫星。三颗Ka频段卫星，GX7，8，9将在2023年发射，具备星上处理和主动性天线，能够调整覆盖、容量和频率。
Airbus表示OneSat平台基于标准、模块化和设计到制造的方法，相比目前的通信卫星可以更快速的交付。
在世界卫星商务周，波音和泰雷兹阿丽亚娜宇航都用自己的软件定义平台回应了Airbus的方案。
波音的702X家族软件定义卫星包括一个1900公斤的GEO产品和小一点的MEO平台。波音表示702X可以在3年内交付用户，允许用户给大量终端用户分配容量。
泰雷兹阿丽亚娜宇航推出了Space Inspired（INstant Space In-orbit REconfiguration的缩写，及时空间在轨重配置）卫星产品线，具备任务和服务的重新配置，根据需求及时在轨调整，从视频广播到宽带连接服务的转换等能力。泰雷兹表示全电子卫星将由于其系列产品降低成本。
泰雷兹阿丽亚娜宇航战略和电信解决方案的Didier Leboulch说：“我们通常一颗一颗的建造卫星，就像一件精工细作的手艺活，因此成本很高。软件定义的一个好处就是产品的标准化，无论是模块级或整个卫星级别，通过软件来增加特定的功能。我们可以期待一个低成本的产品，我们的客户能够从中获益。”
NSR的产业分析师Shagun Sachdeva表示软件定义的卫星将在多大程度上决定未来，目前还没有定论。“软件定义卫星将在未来占据很大的份额，但一定不是全部。我相信软件定义技术将吸引部分GEO运营商，他们面对很大的不确定性，将从软件定义技术中获益，不仅仅提供了灵活性，也能够降低成本。”
静止轨道卫星通常有较长的寿命周期和最高的价格标签，使得他们在面对不稳定的市场时最为脆弱。
但是，制造商和运营商也已经介绍了LEO和MEO的部分软件定义卫星星座。
2019年2月，铱星完成了下一代75颗LEO卫星星座的部署，卫星由泰雷兹阿丽亚娜宇航制造。窄带星座被描述为世界上最为复杂的通信系统，为全球每个角落的用户提供语音和数据服务。
泰雷兹的Leboulch说：“铱星第二代卫星有星上处理器，可以进行软件重新编程。我们可以上传软件来提供新的更好的服务。”他还表示，铱星这样的窄带卫星，软件定义功能相比宽带静止轨道卫星平台的软件定义 比较容易实现。“更多的带宽，更高的吞吐量带来更大的挑战。”无论如何，利用数字技术的进步，功能已经可以实现。
总部位于卢森堡的卫星运营商SES是软件定义技术最早的倡导者之一。该公司即将推出的MEO星座O3B MPOWER，它被设置为增强现有的O3B，将基于部分软件定义的方法，这将允许在带宽分配方面具有前所未有的灵活性。
SES Networks技术执行副总裁Stewart Sanders说：“O3B MPower不是最严格意义上的软件定义，而是具有可定义的功能。”“我们现在拥有全数字化的有效载荷以及全电子束形成。”
然而，这些卫星不仅是通过软件定义的，而且运行在定制的芯片组上，每一次任务都是独一无二的。Sanders说，完全由软件定义的方法在现阶段将相当低效。不过，这些优势还是相当可观的。
桑德斯说：“我们减少了模拟组件的数量，这明显减少了卫星的尺寸、质量和成本。”“最大的优势是，我们可以进入频谱的完全数字化，这给了我们在频谱上所能做的巨大的灵活性。”
可以根据客户在任何给定时刻的实际需求灵活地定义信道，并根据需求的变化进行调整。“当你把它和电子束控制结合在一起，这就是我们使用o3b mpower所做的，我们可以为每个客户专门生成一个波束，并给他们所需要的带宽。”
桑德斯说，传统上，客户会购买固定数量的带宽，通常会高于他们实际需要的带宽，这意味着很多容量将被闲置。灵活的方法使卫星运营商能够更有效地使用可用带宽，并潜在地服务更多的客户。另一方面，顾客只支付他们实际使用的东西。
不过，在完全由软件定义的卫星真正起飞之前，技术障碍仍有待解决。
“放大器是这些软件定义卫星的瓶颈之一，”Leboulch说。“软件不会放大信号，所以在某个时候，你需要离开软件和计算机，将信号放大在发送到地面。”
Leboulch说，在软件定义的卫星上使用的有源天线固态功率放大器仍然比传统技术效率低。
他说：“由于固态功率放大器的技术效率低下，如果你只是将软件定义的有效载荷插入一颗正常的卫星，你就不会有那么大的功率。这就是为什么，通常，如果你想拥有高效的软件定义的卫星，你能仅仅改变有效载荷，你需要改变整个平台，以提供更多的瓦特和更多的耗散能力，以便使你的有效载荷具备传统卫星的性能。”
据洛克希德马丁公司的Johnson称，完全释放软件定义卫星潜力的新技术刚刚成熟。
“多核处理器的可用性是第一步，这是我们现在正在采取的步骤，”他说。“地面上的普通台式电脑可能有8核甚至更多。但我们最近才开始从供应商那里获得耐辐射和抗辐射的多处理器。”
技术的进一步进步将使能力逐步提高，并最终为复杂的人工智能算法提供动力。
“允许在轨道上对人工智能机器学习进行更大处理的硬件将变得非常重要，”约翰逊说。“GPU在地面上被大量用于人工智能机器学习，最终在太空拥有这种能力可能会释放出一个全新的机会。”
卫星方面的创新不止于此。泰雷兹阿莱尼亚航天公司首席执行官让·洛伊克·加勒说，该公司正在寻求开发数字地面基础设施，能够自动与太空中的数字资产连接，并管理数字有效载荷。
SES正朝着同样的方向发展，最近宣布与Kythera Space Solution合作开发一个名为ARC（自适应资源控制）的软件系统，该系统将动态同步空间和地面资产。
桑德斯说：“新的有效载荷是能力的一个重要步骤，也是复杂性的一个重要步骤。”“在没有软件组件的情况下，管理这种复杂性已经不再现实了。”
更自动化的整体生态系统是玩家期待的未来。约翰逊说，随着星上数据处理和卫星交链技术的发展，将使卫星间能够相互通信。
“地面云计算的出现使许多革命性的应用成为可能，例如uber，”Johnson说。“当时，没有人知道这会怎样，而我们正处于太空中的一个可比时刻。在太空中创造云环境的难度要大得多，我们才刚刚起步，所以十年后，我们会看到会有什么结果。”
总部位于旧金山的初创企业Astranis认为，在其卫星上使用软件定义的无线电将使制造过程实现规模经济，从而大大降低成本。
Astranis首席执行官约翰·格德马克说：“每颗卫星基本上都与其他卫星相同。“卫星的有效载荷可以在生产过程中很晚的时候配置，甚至可能在它已经进入轨道后配置。”
Astranis 希望建立一个由350公斤重的地球静止卫星组成的星座，为需要帮助的地区提供连接。这些卫星中的每一颗都只有普通静止轨道卫星典型的转发器的一小部分，而且占用空间要小得多。
“你可以把它看作是分解，”Gedmark 说。“我们将一颗非常大的传统地球同步卫星的容量或能力分成更小的块，在最需要的时候部署一个块，而不是一下子全部完成。”
Gedmark 说，传统上用于地球同步卫星上的模拟中继器极大地限制了有效载荷的使用。软件无线电支持数字信号处理，允许运营商根据客户的实际需要调整频率、覆盖范围和带宽。
“随着行业标准的发展，你甚至可以调整你支持的波形，”他说。“当有新的波形供客户使用时，您可以应用此新波形。你可以做很多事情。”
该公司在2018年试飞了一个名为Demosat-2的原型，并成功测试了软件定义的无线电，将高清视频上传至航天器，实时处理信号，并将其下行发送至阿拉斯加的一个地面站。
该小组目前正在执行其首次商业任务，该任务有望使美国最北端州的卫星互联网容量增加两倍。
Gedmark 说：“我们将拥有大约每秒7.5Gbps的容量。”“这是一个很大的带宽，所以软件无线电中的数字处理能力必须能够同时处理所有这些。第二个挑战是使电子产品能够在空间辐射环境中生存。”
Astranis希望更新其资产的频率远高于常规的地理运营商，而且只计划卫星的七年寿命。Gedmark 认为，需要这种技术来补充现有的GEO卫星覆盖，并期望公司在未来几年内发射几十颗卫星。
本文转载自“ 卫星通信观察 ”，原标题《未来的软件定义卫星》。
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