面向低轨巨型星座的载荷托管技术发展趋势及展望.pdf
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1、通信天地Space International 国际太空 20237Communications241 引言低轨巨型星座具有广覆盖、高重访、低时延等能力优势,近年来,以“星链”(Starlink)、“一网”(OneWeb)等为代表的低轨星座系统建设验证了低轨巨型星座建设的工程可行性,将成为通信、导航、遥感各类卫星系统的未来建设方向1。载荷托管技术是一种围绕卫星载荷的自主控制和智能化运行的技术,它通过将数据处理、存储与传输等功能嵌入到卫星系统中,并实现对载荷的远程监测与控制,使得卫星能够高效、稳定地运行,更好地满足用户需求。载荷托管技术的特点主要包括自主化、智能化、高度集成化和远程控制能力。载荷
2、托管技术在现代空间技术领域具有重要的研发意义和应用价值。它可以帮助卫星系统实现智能化运营和自我修复,增强其适应性和鲁棒性;同时也可以为各行业提供更加安全、便捷、快速的数据通信和信息化服务,促进社会经济的可持续发展。通过载荷托管的形式,借助低轨巨型星座建设窗口,可实现更高效、更经济的通、导、遥天基能力生成,从而加快天基基础设施产业发展。2 天基载荷托管的发展现状自 20 世纪 60 年代以来,世界各航天国家便开始利用卫星的多余能力来搭载额外的有效载荷,以做到物尽其用,用最少的钱办更多的事。例如:美国国家航空航天局(NASA)早在 20 世纪 70 年代就开始了低轨卫星通信系统的研究工作2,并在不
3、断改进和完善中,逐渐形成了一套完整的载荷托管技术体系。但过去的“搭载”更多的是以小型试验载荷的空间试验验证为目的,对本身的轨道、时机要求不高。近几年来,国外掀起了新的商业载荷搭载热潮,又称之为“托管有效载荷”,提供业务服务3。天基载荷托管技术的发展现状呈现出智能化、集成化、远程控制、精准化和广泛应用等特点。本文以“铱星”(Iridium)、“巴托洛梅奥”(Bartolomeo)和“星盾”(Starshield)刘培 徐加友 汪伊婕 韩鸣迪 贺文正(上海卫星工程研究所)低轨巨型卫星星座具有全球网络覆盖、通信低时延等优势,被视为改变卫星行业发展的重要技术。随着该技术的不断发展和普及,载荷托管技术以
4、为各种应用提供高速、大容量和低延迟的通信服务脱颖而出,为各个行业提供了新的技术选择。本文首先对天基载荷托管技术的发展现状进行阐述,并分析了面向低轨巨型星座的载荷托管发展挑战,从 3 个设计角度对面向低轨巨型星座的载荷托管技术方向进行了分析,最后,对该技术发展趋势及研究现状进行了总结展望。面向低轨巨型星座的载荷托管技术发展趋势及展望国际太空07(公开).indd 242023/7/20 15:44Space International 国际太空总第 535 期25为例,对天基载荷托管的现状进行了研究。“铱星”以新一代“铱星”载荷搭载为例,“铱星”星座中的每颗卫星都为有效载荷预留有50kg的搭载质
5、量,限制载荷体积为 30cm40cm70cm,平均功率为50W(最高达200W),数据速率可达1Mbit/s。“铱星”星座系统与多方达成合作,为艾瑞恩公司(Aireon)提供基于天基航空监视业务的次级载荷空间,并且在 2015 年开始发射的共计 72 颗在轨卫星中全部安装Aireon 广播式自动相关监视(ADS-B)接收机。接收机将采用 AppStar 有效载荷平台,可接收来自飞机的 ADS-B 数据,并经由 ADS-B 地面站提供给空中导航服务供应商,服务响应时间可缩减至 2s 以内,从而实现完整覆盖全球的近实时、高频率、高精度的飞机位置监视。除此之外,据相关报道称,星座中至少 22 颗“铱
6、星”搭载了天基杀伤评估系统(SKA)载荷,58 颗搭载了船舶跟踪载荷,从而构成了一个天基、海基杀伤评估系统,这些评估系统将用于美国军方。此外,铱星公司还推出了“铱星”PRIME 供应平台,负责寄宿有效载荷总体方案设计。可承担有效载荷质量为 265kg,输出均值功率 650W(峰值1100W),数据速率为 17Mbit/s。“铱星”PRIME平台利用“铱星”星座及其运行模式实现商业盈利,借助于星际链路和全球地面系统可提供基于多种有效载荷的双向控制与数据传输业务。“铱星”PRIME设计中除去了不必要的 L 频段用户通信,而将可搭载有效载荷的能力进一步提升。“巴托洛梅奥”除新一代“铱星”外,与“国际
7、空间站”(ISS)的欧洲哥伦布模块相连的 Bartolomeo 平台同样提供载荷搭载功能。这一平台由空客公司(Airbus)资助,在欧洲航天局(ESA)的支持下运营,该平台最多可托管 12 个不同的载荷,为它们提供电源并将数据传输回地面。从小到 3U 的有效载荷开始,空客公司就在 Bartolomeo 上将有效载荷作为一站式服务承载在主机上,包括有效载荷的准备工作,发射和安装服务以及后续的操作和数据传输,并提供了可选的返回地球方面的技术支持。它不仅可用于对地观测,在环境与气候研究、机器人技术、材料科学、天体物理,以及空间新技术测试等方面也有广阔前景。该平台同目前国际上提供有效载荷设施的其他空间
8、站,如NASA 的“设备承载子系统”(ELCS),欧洲的哥伦布外部有效载荷设施(COL-EPF),日本的实验舱外部暴露平台(JEM-EF)和纳诺拉克斯公司(NanoRack)外部平台(NREP)相比,优势主要在于该平台提供了同其他空间站水平相近的载荷搭载能力,且可为有效载荷提供多达800W的电力消耗,此外,该平台还可以为其有效载荷提供主动冷却能力,并可选择加压发射还是不加压发射,返回地球还是不返回地球。在观看条件、供电和数据传输方面具有很强的竞争力。“星盾”2022 年 12 月 2 日,SpaceX 公司正式发布了名为“星盾”的卫星互联网星座项目。“星盾”计划所提出的载荷托管功能,相较于传统
9、载荷搭载,不仅可以大幅节省卫星采购费用,还具有加速天基能Bartolomeo 载荷搭载平台国际太空07(公开).indd 252023/7/20 15:44通信天地Space International 国际太空 20237Communications26力交付、增强军事航天力量弹性和强化工业基础稳定性等优点。“星链”作为当前最大规模的商业卫星星座,本身具有平台功率裕度足、载荷搭载能力强的优势,并且其更新迭代速度快,发射任务频率高,制造发射成本低,已经具备成为全功能载荷托管卫星平台的条件。在“星链”基础上衍生出的“星盾”不仅继承“星链”的上述优势,还在数据安全、载荷兼容、互联互通等方面获得进一
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