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软件定义低轨卫星:波束形状与覆盖的在轨重构


传统卫星的天线波束覆盖图是物理天线形状决定的,覆盖哪个地区、信号哪里强哪里弱,都是静态的,无法应对突发流量(如自然灾害导致某地通信需求激增)或任务变更。而软件定义的卫星(具备在轨重构能力的低轨卫星)其波束像一个由数字代码控制的“智能投影仪”。它可以随时根据指令,改变“投影”在地球上的光斑的大小、形状、和数量。

            


实现基础:硬件与软件架构

波束形状与覆盖在轨重构的实现,建立在两大技术基石之上:


硬件核心:相控阵天线


相控阵天线由成百上千个独立可控的天线辐射单元组成。

每个单元都连接有独立的移相器衰减器/放大器,用于精确控制信号的相位和幅度。


软件核心:数字波束成形处理器


这是系统的“大脑”,负责运行波束成形算法。它根据目标波束形状,计算出驱动每个天线单元所需的复数权重

               


重构维度:可以改变什么

波束的在轨重构可以重构几个方面,如波束指向、波束形状、波束宽度等,以及多波束的重构。多波束的重构通过一套天线阵列,同时生成多个独立的波束。这是高通量卫星的基础。可以在不同波束间复用相同的频率,数十倍地提升卫星的总通信容量。



波束指向重构

波束指向重构是指在不移动任何物理部件的情况下,使波束的主轴方向瞬间跳转到新的目标区域。如同你的眼睛没有转动,但你的视线却能瞬间从看北京切换到看上海。

应用于跟踪高速移动的用户(如飞机、舰船),或将服务重心从一个国家切换到另一个国家。





波束形状重构

波束形状重构指动态改变波束覆盖区域的几何形状,从圆形变为椭圆形、不规则多边形等。

实现“按地理边界”的精准覆盖,使其完美匹配一个国家的国界或一条海岸线的轮廓,避免信号溢出到境外造成干扰或浪费。





波束宽度重构

波束宽度重构是指在点波束和宽波束之间动态切换。

  • 点波束:覆盖大城市等高需求热点区域,提供高容量、高速率服务。

  • 宽波束:覆盖广阔的海洋、沙漠或农村地区,提供广域但容量要求较低的服务。





多波束重构

多波束重构通过一套天线阵列,同时生成多个独立的波束。

这是高通量卫星的基础。可以在不同波束间复用相同的频率,数十倍地提升卫星的总通信容量。



              


在轨重构流程

波束在轨重构需要地面、测控链路与卫星三方协同完成。

此流程详细拆解了“执行与重构”阶段,指令从地面到最终在太空形成新波束的完整路径:




01

地面端(指令发出)

这一部分通常在地面完成。

  • 多源触发:系统通过实时遥测或地面指令,感知到重构需求。触发条件多样,包括业务需求变化(如城市晚高峰)、外部事件(如应急通信)、网络优化(如负载均衡)或安全威胁(如恶意干扰)。

  • 地面计算:地面控制中心强大的计算资源根据目标覆盖区的信号强度要求,运行波束成形算法,计算出生成新波束所需的相控阵天线单元的幅度权重和相位权重系数。




02

空间段(指令传输通道)

地面站将计算好的权重系数作为波束控制指令,通过测控链路上传至卫星。

测控链路是连接天地的“神经通道”,它必须具备极高的可靠性、强大的抗干扰和加密能力,以确保指令无损、安全地送达卫星。




03

卫星端(指令执行)

  • 接收与解析:卫星通过测控接收天线获取指令,由星上通信处理器进行解包和安全校验。

  • 核心处理:校验通过的指令被送至数字波束成形处理器,后者将权重系数下发至对每个辐射单元独立控制的移相器和衰减器,精确调整相控阵天线每个辐射单元的信号幅度和相位。

  • 波束成形:当所有单元都按新的幅相参数工作时,它们发射的电磁波在空间中进行相干叠加,最终合成全新的波束,覆盖指定区域。

波束成形一般有以下三种情况,通过表格直观展示:





04

验证与优化(形成闭环)

为了确保重构流程达到预期效果,整个系统需进行闭环验证。地面站接收到新波束的信号后,测量其覆盖范围、信号强度(EIRP)、干扰水平等关键指标,并与预期目标进行比对。如果性能不达标(如边界不准、信号太弱),系统会自动或在地面干预下,重新计算权重参数,进行微调,直至达到最佳状态。

总结而言,重构执行的过程,是一个将数字指令(软件)转化为物理波束(硬件)的精密过程,高度依赖于天地之间安全可靠的数据管道和卫星本身强大的实时处理与控制能力。

            


总结

波束形状与覆盖的在轨重构,本质上是将卫星的覆盖能力软件化、参数化,彻底改变了卫星资源的运营模式。卫星容量和功率不再是固定的,而是可以像云计算的算力一样,按需分配、弹性收缩,使卫星网络能够快速响应地面变化,具备应对突发事件、规避干扰的能力。

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