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面向用户需求分布不均且随时间变化，运营商对高通量卫星的需求逐渐从大容量向灵活性转变，随着灵活载荷技术的发展和应用，高通量卫星的灵活性不断提升，能够支持在轨动态配置覆盖区、带宽、功率、频率等资源，运营商可以根据市场需求实现卫星容量的按需投放。与此同时，灵活载荷的发展带来了复杂的星地资源管理问题，通过设计星地一体资源管控系统，实时控制星上灵活载荷来实现容量的动态调配，满足用户需求、保障用户通信质量，成为业界当前关注的主要技术解决途径。随着欧洲卫星公司-17卫星（SES-17）、欧洲通信-量子卫星（Eutelsat-Quantum）的发射，高通量卫星资源管控系统已实现在轨验证。本文梳理总结了国外高通量卫星资源管控系统的相关研究成果与应用基础，并对资源管控系统后续的发展趋势进行了分析研判。 1 概述 高通量通信卫星（HTS）也称高吞吐量通信卫星，可提供比常规通信卫星高出数倍甚至数十倍的容量，传统通信卫星容量不到10Gbit/s，HTS通信容量可达数百Gbit/s甚至Tbit/s量级。HTS通过采用多点波束和频率复用技术、使用Ka甚至Q/V频段提升系统总带宽、采用更大口径天线实现高增益的窄波束，提升系统容量，以降低单位容量的成本。大容量HTS的典型代表是美国卫讯公司（Viasat）的Viasat-2卫星，通过采用5m口径天线和Ka频段高通量载荷，单星容量达到300Gbit/s。2022年欧洲卫星运营商欧洲通信卫星公司（Eutelsat）发射的链接-甚高通量卫星（Konnect-VHTS）容量达到了500Gbit/s，2023年卫讯公司发射的Viasat-3卫星的单星容量达到1Tbit/s。 随着高通量卫星系统容量的增加，由于用户分布不均、业务需求波动等原因引发了市场需求与供给关系的矛盾，例如，近年来，飞机、轮船、高铁等高速终端用户对宽带通信的需求不断增长，这类用户的特点是单个终端容量需求高，终端位置随时间变化，使得高通量卫星覆盖区内的容量需求分布始终处于变化的状态，导致波束“忙闲不均”，在某些时刻高通量卫星实际应用容量小于甚至远小于设计容量。为了增强系统容量利用率，提升单位容量的盈利，特别是面对覆盖区内用户需求难以预测、用户分布与需求时变的情况，在大容量的基础上发展系统的灵活性成为运营商普遍追求的方向。典型的灵活卫星包括：2021年10月欧洲卫星公司（SES）发射的SES-17卫星，搭载了五代数字透明处理器（DTP），可实现近200个波束容量的灵活调整；2021年7月Eutelsat公司发射的“量子”卫星，搭载了全灵活的数字化载荷，实现了波束覆盖、容量、路由等灵活能力的在轨验证。 随着灵活载荷产品的发展与应用，与传统透明通信卫星相比，灵活卫星的在轨配置需要考虑用户需求的变化，并通过星地一体同步完成资源配置，为灵活卫星的应用带来了复杂的资源分配问题。如何调度星上资源满足用户通信需求使卫星资源利用效率最大，同时尽量不影响已经建立的通信连接是高通量卫星面临的一大挑战。随着高通量卫星的波束数量达到数百个，容量从Gbit/s向Tbit/s发展，面对飞机、高铁等移动终端的时变业务、特种用户的安全通信需求、应急通信的容量集中需求，高通量卫星资源分布不均的问题会更加突出，实现高通量卫星资源的星地一体优化调配是极为困难又极为重要的任务，是实现灵活高通量卫星通信系统最为核心的一环。 针对灵活卫星的应用，国外多家运营商和制造商均开发了星地一体的资源管控产品，可以利用资源管控技术，将整星频率、功率资源根据时间、区域动态调整，适应用户动态的需求，实现卫星资源的高效复用，充分发挥卫星资源的价值。 2 资源管控系统的发展 系统灵活性的发展 根据任务类型和需求的不同，卫星的灵活性设计主要包括灵活覆盖、灵活功率、灵活频率及灵活路由等。传统的通信卫星各波束资源会平均分配或根据用户需求在系统设计时进行预先分配，但卫星上天后资源不进行在轨调整，系统的灵活性较低。跳波束技术（BeamHopping）通过星上开关或波束形成网络，实现一个波束在不同波位跳变，各波位按照时隙分配容量资源。波束资源池化技术（Beam Shining）代表了波束容量的灵活调整能力，利用DTP、灵活放大器实现波束功率带宽、频率、路由的灵活调整。波束控制技术（BeamSteering）在波束容量优化的基础上增加了波束覆盖能力的灵活性，利用有源阵列天线和波束成形网络（BFN）实现波束位移、形变及数量调节。 资源管控系统架构 高通量卫星资源管控系统架构如图1所示。面向灵活高通量卫星的资源管控系统具有用户需求信息分析、资源分配和星地一体配置等功能，与传统通信卫星的地面控制系统配合共同完成高通量卫星的资源管控。对于地面资源管控系统架构，用户需求处理、资源分配、载荷配置和地面系统配置方案均在地面生成，与原有地面控制系统进行数据交互，并完成地面系统的配置；载荷配置方案通过星地链路传到星上后由资源管控系统星上部分执行对DTP和数字波束形成（DBF）的配置。地面资源管控系统架构的优势是卫星数据透明传输，资源分配的主要功能在地面执行，地面能够提供充足的计算、存储资源，不存在占用星上资源的问题，同时资源管控系统的更新迭代更加方便，灵活性更高。资源管控系统星上部分只负责执行载荷配置信息，系统可靠性更高。  图1 高通量卫星资源管控系统架构图 3 国外高通量卫星资源 管控系统的研究进展 随着移动终端的数量不断提升，星上灵活载荷能力不断提升，星地一体资源管控系统逐渐成为国外卫星运营商和卫星制造商的关注重点。一方面，星地一体资源管控系统作为卫星通信系统的新增组成部分，地面部分与地面系统交互，根据用户需求生成地面信关站、终端、星上有效载荷的配置指令，星上部分开放指令接口，接收地面指令完成对有效载荷的配置。另一方面，随着载荷技术的提升和运营商对灵活应用的追求，星地一体资源管控系统从面向DTP的铰链关系配置向面向复杂的“DTP+DBF”架构管控发展。 资源管控系统架构设计 智能资源管控系统（SmartPCS）能够连接卫星运营商和卫星制造商的需求，完成从用户业务统计到灵活载荷配置方案生成的过程，并进行上行信令的发送和载荷监测，实现基于灵活载荷的星地一体资源管控。 SmartPCS的功能包括：①用户能够最大限度地减少执行仿真任务所需的输入数量，并帮助用户简化任务、避免出现错误和不必要的迭代；②能够执行灵活有效载荷的最佳重新配置以实现资源最大化使用，包括：卫星覆盖、上行/下行频率、带宽和功率；③确保在不干扰自身卫星或其他传输的情况下实现任务要求，从而保证服务质量；④允许对于动态性最强的任务（例如：移动服务）执行重新配置的调度和规划。 SmartPCS与卫星控制系统（SCS）和容量预算工具（SCT）集成，SCS负责根据SmartPCS设计的载荷配置并根据指示的时间表执行有效载荷重新配置。SCT负责转发器的配置变化、上下行连接的变化、覆盖范围的变化等。 2018年，泰雷兹公司（Thales）完成了欧洲航天局（ESA）“先进通信载荷任务与资源优化”项目，在该项目中，泰雷兹公司提出了新一代任务控制中心（MCC）产品——空间运营系统（SpaceOPS）。SpaceOPS根据用户请求的信息，优化载荷和地面系统的资源，为未来的灵活卫星提供完整和优化的解决方案，以简化操作，并最大限度地提高灵活有效载荷的能力。SpaceOPS优化的星地资源包括：卫星接收/发射天线配置、转发器链路增益、路由连接关系、放大器增益、地面设备（信关站、调制解调器）配置等。 泰雷兹公司认为，由于运营商对容量的要求提高，有效载荷的操作越来越复杂，必须有一些工具来帮助运营商使用他们新的载荷。MCC可以为新的运营商提供一整套的卫星资源管控系统，也可以为传统运营商提供面向灵活载荷的资源管控系统扩展版，与原有的卫星资源管理兼容。资源管控系统是指从信关站开始，经过有效载荷，结束于终端的整个通信链路。MCC的主要功能包括载荷管理、业务需求分析、频谱监视等，扩展功能包括频率干扰（威胁）管理、地理定位等。MCC与卫星控制中心（SCC）开放接口进行载荷配置方案的传输；与网络管理系统（NMS）开放接口进行地面系统的配置。 MCC产品动态资源分配模块可以支持民用业务和军用业务的调度，对于两种业务具有不同的链路优化模型，同时对于星地链路传输数据量大的问题，采用高速链路专门传输星地配置方案。针对Q/V频段馈电链路对天气变化敏感的问题，通过信关站分集和Q/V频段管理来提高馈线链路的可用性。MCC具备通用化的外部接口，方便与用户的原有系统兼容。另外，MCC在系统段级别考虑网络安全问题，支持特种用户的通信安全。 DTP载荷的管控研究 SES公司在2018年发射的SES-12和SES-14卫星上验证了DTP资源分配系统，将开源软件架构扩展至DTP运营，并嵌入由航天器制造商提供的DTP运营所需的专用有效载荷控制软件（PCS）中。它通过提高自动化程度降低了卫星操作的风险，提高了程序的可读性及其操作效率，从而降低了操作成本。以此为基础，SES公司为SES-17卫星开发了自适应资源分配系统。 SES公司的DTP资源分配系统采用地面资源管控系统架构，DTP有一个低级的命令接口，这些命令定义了每个专门集成电路的配置，产生新的路由通道。 在DTP资源分配系统的验证过程中，第一步，完成了PCS软件和硬件DTP模拟器联试，验证PCS软件对DTP模拟器的配置。第二步，完成了DTP模拟器和卫星模拟器的接口联试，测试过程中，卫星模拟器向DTP模拟器发出硬编码的低级命令序列，并将DTP响应与预期响应进行比较，以证明接口的正确性。第三步，SES公司开发了一个集成系统，进行地面系统（包含PCS）、DTP模拟器、卫星模拟器的联试。第四步，SES公司使用综合地面控制系统来控制和监控真实卫星进行兼容性测试。 DBF载荷管控研究 卫讯公司面向未来甚高通量卫星通信系统，提出了使用卫星通信系统支持更灵活的覆盖区域和空间容量分配的资源管控系统。 资源管控系统中地面部分根据用户需求进行时隙的划分和BFN配置参数的生成与上传，星上部分为一个独立单机，名为权重处理器（BWP），负责接收所有波束和所有时隙的波束权重，并按照时间表执行权重配置方案（包括波束权值、驻留时间、路径增益等信息），另外，BWP还向地面反馈执行情况。在实际使用过程中，波束跳变的时隙非常短，通常为毫秒量级，传输权值系数矩阵可能会造成时延过大的问题，卫讯公司采用预先计算几十个权重集的方法，并将其上传到卫星的BWP中。通过地面上的一个简单命令，指示在什么时间使用哪个权重设置，这些权重设置可以随时切换到操作状态。这允许在不需要上传大量信息到BWP的情况下切换权重集。 4 高通量卫星资源管控 系统发展趋势研判 随着HTS有效载荷越来越复杂、波束数量越来越多，国外各卫星运营商和制造商均意识到，必须有一些工具来帮助运营商使用他们的新载荷。高通量卫星资源管控系统能够支持灵活有效载荷的操作和重新配置管理，它与相关的外部系统集成（包括NMS等地面控制系统）。借助资源管控系统，有效载荷工程师将能够更高效、更可靠地优化星地一体资源并执行有效载荷重新配置，运营商能够更好地使用卫星资源、提升资源利用率。根据国外发展情况的调研，总结资源管控系统的发展趋势如下。 资源管控系统成为灵活高通量卫星的标配 随着灵活放大器、DTP、多波束有源阵列天线等灵活载荷技术越来越多地被采用，HTS的覆盖区域、频率、转发器带宽、放大器功率资源等都不再是固定的，而是形成可按需调配的“资源池”。资源管控系统能够统筹利用星上资源，支持运营商开展更加多样化的业务，能够针对不同区域/用户的需求提供更加定制化的服务，成为未来灵活高通量通信卫星系统的标配。 天地一体发展是资源管控系统的重要趋势 资源管控系统管理的资源包括星上灵活载荷、地面信关站、终端等设备的配置，是系统级的关键技术。从国外发展情况来看，资源管控系统的通用功能包括：业务需求分析、任务规划、资源分配解决方案、载荷配置与监视、干扰分析。目前，大多数资源管控系统均采用地面资源管控系统架构，地面部分与地面系统交互，根据用户需求生成地面信关站、终端、星上有效载荷的配置指令，星上部分开放指令接口，接收地面指令完成对有效载荷的配置。SES公司、卫讯公司等也提到，当星上存储、计算的硬件能力不断提升，资源管控地面部分的一些功能会移植到星上，采用星载资源管控系统架构来减少星地传输的时延。 面向移动终端及特种用户的资源分配 成为新兴发展方向 机载、船载等典型的高通量卫星应用对卫星容量随时间、区域不同具有较大差异。这就需要实时的星地一体资源管控技术来满足容量的实时、动态调配，以降低单位带宽的成本，并保障用户的通信质量。对于军事类应用、政府企业类应用，如果客户需要在任意覆盖范围内实现点对点连接、实现自组专用网，且业务对安全性、可用度有较高要求的话，开放式架构的高通量卫星系统的推出，将成为更加合理的选择。对于卫星运营商来讲，是否具备对需求变化快速地响应、对服务应用快速地适应升级，这些能力越来越成为运营商之间角力的关键所在。 5 结束语 资源管控系统是高通量卫星必不可少的组成部分，尤其是星载资源管控系统成为未来高通量卫星发展的主要趋势。面向航空、航海等移动终端及特种用户等新兴市场，资源管控系统能够提升系统资源利用率，成为高通量卫星不断拓展应用场景的关键点。 |
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